DE60214933T2

DE60214933T2 - Asbestfreies Reibungsmaterial

Info

Publication number: DE60214933T2
Application number: DE2002614933
Authority: DE
Inventors: c/o Tatebayashi Plant Fumihiko Oura-machi Oura-gun Tadokoro; c/o Tatebayashi Plant Takayuki Oura-machi Oura-gun Ohe; c/o Tatebayashi Plant Takeo Oura-machi Oura-gun Nagata; c/o Tatebayashi Plant Jun Oura-machi Oura-gun Nagashima
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2003082331A; US6838161B2; EP1273819A2; KR20030004106A; KR100894134B1; US20030049427A1; EP1273819A3; DE60214933D1; EP1273819B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft asbestfreie Reibmaterialien, die sich gut als Bremsklötze, Bremsbeläge und Kupplungsbeläge in Kraftfahrzeugen und verschiedenen Arten industrieller Maschinen eignen.
Stand der Technik
Eine Vielzahl anorganischer Fasern wird in Kraftfahrzeugsreibmaterialien, und besonders in Scheibenbremsbelägen, verwendet, um eine herausragende Reibleistung und Geräuscheigenschaften zu liefern. Insbesondere werden gewöhnlich verschiedene Arten von Whiskern, die harte, für das Bremsen effektive Fasern sind, sowie Steinwolle, die gute Festigkeit verleiht, verwendet. Da jedoch anorganische Fasern dieser Art, die eine Länge von zumindest 5 μm, einen Durchmesser von bis zu 3 μm und ein Seitenverhältnis über 3 aufweisen, bekannterweise eingeatmet werden können und potentiell karzinogen sind, wurden Bemühungen unternommen, ihre Verwendung zu vermeiden. Das ist aus der WHO Veröffentlichung EHC 77 (1988) bekannt. Die künstlichen anorganischen Fasern, die bisher verwendet wurden, weisen eine ähnliche Form wie Asbest auf, und es wird angenommen, dass sie auf gleiche Weise die Asbest Krebs auslösen können. Deshalb besteht Interesse an der Minimierung ihrer Verwendung. Es wird erwartet, dass Anforderungen in Bezug auf die Vermeidung der Verwendung von Fasern mit ähnlicher Form und von Materialien, die in ähnlich geformte Fasern zerfallen, zunehmend strenger werden.
Fasern dieser Art haben jedoch eine geringe Schüttdichte, wodurch die Porosität des Reibmaterials erhöht wird, was wiederum zu einer besseren Fadingbeständigkeit und einer effektiveren Bremswirkung bei hohen Geschwindigkeiten führt. Werden diese Fasern nicht verwendet, sinkt die Porosität des Reibmaterials und beeinträchtigt die Fadingleistung und Effektivität beim Bremsen bei hohen Geschwindigkeiten.
EP-A-0790432 offenbart ein Reibmaterial mit 30–70 Gew.-% Kohlenstoffmaterial, 10–40 Gew.-% duroplastischem Harz, 5–30 Gew.-% Metallfasern und 5–40 Gew.-% anorganischen Fasern oder Teilchen mit einer Porosität von 10–50 %.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Deshalb ist es ein Ziel der Erfindung, asbestfreie Reibmaterialien, die keine anorganischen Fasern, die eine Länge von zumindest 5 μm, einen Durchmesser von bis zu 3 μm und ein Seitenverhältnis über 3 aufweisen und verdächtigt werden, karzinogen zu sein, enthalten, bereitzustellen. Bevorzugte Ausführungsformen können dennoch ausgezeichnete Reibleistung, Verschleißbeständigkeit und Geräuscheigenschaften, ausreichende Scherfestigkeit, nur schwer Schäden wie Rissbildung an den Seiten des Reibmaterials aufweisen und über annehmbare Festigkeit und annehmbares Aussehen verfügen.
Die Erfinder haben entdeckt, dass unter Einsatz eines Harzes mit einer Fließfähigkeit von höchstens 27 mm bei 125 °C in einer Menge von 15–25 Vol.-% bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung als Bindemittel und eines Füllstoffes aus Magnesiumkaliumoctatitanat-Blättchen in einer Menge von 1–50 Vol.-% bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung in einem asbestfreien Reibmaterial, worin die Faserbasis keine anorganischen Fasern, die eine Länge von zumindest 5 μm, einen Durchmesser von bis zu 3 μm und ein Seitenverhältnis über 3 aufweisen und verdächtigt werden, karzinogen zu sein, enthält, sowie dadurch, dass dem Reibmaterial eine Porosität von 12 bis 20 % verliehen wird, dieses zufrieden stellend sein kann, wobei es vorzugsweise eine gute, stabile Bremsleistung, eine gute Fading- und Verschleißbeständigkeit, größere Sicherheit und Hygiene bei der Herstellung und einen minimalen Einfluss auf den menschlichen Körper durch während der Verwendung freigesetztem Staub aufweist.
Dementsprechend liefert die Erfindung ein asbestfreies Reibmaterial, das durch Formen und Härten einer Zusammensetzung, die eine andere Faserbasis als Asbest, ein Bindemittel und einen Füllstoff enthält, hergestellt wird und eine Porosität von 8 bis 20 % aufweist. Die Faserbasis ist frei von anorganischen Fasern, die eine Länge von zumindest 5 μm, einen Durchmesser von bis zu 3 μm und ein Seitenverhältnis über 3 aufweisen. Das Bindemittel umfasst ein Harz mit einer Fließfähigkeit von höchstens 27 mm bei 125 °C.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben festgehalten wird das erfindungsgemäße asbestfreie Reibmaterial durch Formen und Härten einer Zusammensetzung, die hauptsächlich aus einer Faserbasis, einem Bindemittel und einem Füllstoff besteht, hergestellt.
Als Faserbasis kann jede asbestfreie, anorganische Faser oder organische Faser, die gewöhnlich in Reibmaterialen verwendet werden, dienen. Veranschaulichende Beispiele für geeignete Faserbasen sind anorganische Fasern wie Metallfasern (z. B. Eisen, Kupfer, Messing, Bronze und Aluminium), Keramikfasern, Kaliumtitanatfasern, Glasfasern, Steinwolle, Wollastonit, Sepiolit, Attapulgit und synthetische Mineralfasern; sowie organische Fasern wie Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Aramidpulpe, Polyimidfasern, Polyamidfasern, Phenolfasern, Cellulose und Acrylfasern. Diese Faserbasen können einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden, solange sie keine anorganischen Fasern enthalten, die eine Länge von zumindest 5 μm, einen Durchmesser von bis zu 3 μm und ein Seitenverhältnis über 3 aufweisen.
Die Faserbasis kann in der Form von kurzen Fasern oder eines Pulvers verwendet werden und ist in einer Menge von vorzugsweise 10 bis 50 Vol.-%, besonders bevorzugt 15 bis 40 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung, enthalten.
Als Bindemittel kann jedes bekannte Bindemittel, das gewöhnlich in Reibmaterialien verwendet wird, dienen. Veranschaulichende Beispiele umfassen Phenolharze, verschiedene kautschukmodifizierte Phenolharze wie stark orthosubstituierte, mit Acrylnitrilbutadienkautschuk (NBR) modifizierte Phenolharze, NBR-modifizierte Phenolharze und mit Acrylkautschuk modifizierte Phenolharze sowie Melaminharze, Epoxy harze, NBR, Nitrilkautschuk und Acrylkautschuk. Diese können jeweils einzeln oder als Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden.
In der Erfindung umfasst das Bindemittel ein Harz, das bei 125 °C eine Fließfähigkeit von höchstens 27 mm, vorzugsweise von 2 bis 27 mm und besonders bevorzugt von 2 bis 25 mm, aufweist. Das Harz wird, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung, vorzugsweise in einer Menge von zumindest 15 Vol.-%, besonders bevorzugt von 15 bis 25 Vol.-%, zugesetzt. Es kann auch ein anderes Bindemittel als die oben erwähnten Harze in der Zusammensetzung verwendet werden, wenngleich die Gesamtmenge des Bindemittels bei nicht mehr als 30 Vol.-% festgelegt werden sollte.
Die oben erwähnte Fließfähigkeit entspricht dem gemäß JIS K6910-95 gemessenen Wert.
Der Füllstoff, der im Reibmaterial verwendet wird, umfasst Magnesiumkaliumoctatitanat-Blättchen. Er kann auch organische Füllstoffe und andere anorganische Füllstoffe enthalten. Veranschaulichende Beispiele geeigneter organischer Füllstoffe sind Cashew-Staub, zerkleinerter Reifengummi, Gummistaub (Gummipulver und -körner), Nitrilkautschukstaub (vulkanisiertes Produkt) und Acrylkautschukstaub (vulkanisiertes Produkt). Diese können jeweils einzeln oder als Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden. Die Menge solcher organischen Füllstoffe liegt vorzugsweise bei 5 bis 30 Vol.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 25 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung.
Geeignete anorganische Füllstoffe sind Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Glimmer, Koks und Graphit sowie Metallpulver wie Eisen, Kupfer und Aluminium. Solche anorganischen Füllstoffe können im Allgemeinen in einer Menge von 30 bis 75 Vol.-%, vorzugsweise 30 bis 65 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung, enthalten sein. In der vorliegenden Erfindung enthält der Füllstoff bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung vorzugsweise 1 bis 50 Vol.-%, noch bevorzugter 5 bis 50 Vol.-% und besonders bevorzugt 10 bis 30 Vol.-%, an anorgani schen Teilchen mit einer Mohs-Härte von 4 bis 5 und einer Teilchengröße von 1 bis 500 μm, vorzugsweise 10 bis 500 μm und besonders bevorzugt 30 bis 100 μm.
Beispiele für andere geeignete anorganische Teilchen sind blättchen- (oder schuppen-) und tafelförmige Titanate, wie tafelförmiges Kaliumhexatitanat und Kaliumoctatitanat-Blättchen. Diese Titanate weisen eine durchschnittliche Teilchengröße von vorzugsweise 1 bis 30 μm bei Blättchenform und von vorzugsweise 10 bis 500 μm bei Tafelform auf.
Zur Steigerung der Stärke des Reibmaterials ist es günstig, dass das blättchen- oder tafelförmige Titanat mit einem Haftvermittler, insbesondere mit einem Aminosilan-Haftvermittler, oberflächenbehandelt wird. Die Oberflächenbehandlung kann durch ein geeignetes bekanntes Verfahren erfolgen, wenngleich vorzugsweise ein Haftvermittler in einer Menge von 0,1 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,7 Gew.-%, bezogen auf das Titanat, verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Reibmaterial wird im Allgemeinen durch gleichförmiges Vermischen der oben genannten Komponenten in einem geeigneten Mischer wie einem Henschel-Mischer, Loedige-Mischer oder Eirich-Mischer und Vorformen der Mischung in einer Form hergestellt. Die Vorform wird dann 2 bis 15 Minuten lang bei einer Temperatur von 130 bis 200 °C und einem Druck von 100 bis 1.000 kg/cm² geformt.
Der resultierende, geformte Gegenstand wird üblicherweise durch eine 2- bis 48-stündige Hitzebehandlung bei 140 bis 250 °C nachgehärtet, dann spritzlackiert, gebrannt und nach Bedarf außengeschliffen, um das Endprodukt zu ergeben.
Im Fall von Kraftfahrzeugsscheibenbremsbelägen kann die Herstellung erfolgen, indem der vorgeformte Rohling auf einer Eisen- oder Aluminiumplatte, die zuvor gereinigt, oberflächenbehandelt und mit einem Klebemittel beschichtet wurde, aufge bracht, der vorgeformte Rohling in diesem Zustand dann in einer Form geformt und in der Folge hitzebehandelt, spritzlackiert, gebrannt und außengeschliffen wird.
Es ist entscheidend, dass das Reibmaterial eine Porosität von 12 bis 20 % aufweist. Bei weniger als 12 % nimmt der Reibungskoefffizient ab und die Fadingbeständigkeit wird schlechter, während bei mehr als 20 % Festigkeit und Verschleißbeständigkeit abnehmen. Die Porosität entspricht dem gemäß JIS D4418 gemessenen Wert.
Es ist wünschenswert, dass das erfindungsgemäße Reibmaterial eine Scherfestigkeit von zumindest 3,5 kN, vorzugsweise 3,8 bis 6,0 kN und besonders bevorzugt 4,0 bis 5,5 kN, aufweist. Die Scherfestigkeit ist der durch das in JIS D4415 beschriebene Scherversuchverfahren unter Verwendung eines 10 × 30 × 5 mm großen Versuchsstücks ermittelte Wert.
Das erfindungsgemäße asbestfreie Reibmaterial kann in einem weiten Feld von Anwendungen wie Bremsbelägen, Kupplungsbelägen, Bremsbelägen, Papierklauenkupplungsbelägen und Bremsschuhen für Kraftfahrzeuge, große LKWs, Zugwaggons und verschiedene Arten von industriellen Maschinen eingesetzt werden.
BEISPIELE
Im Folgenden werden Beispiele und Vergleichsbeispiele zur Veranschaulichung und nicht als Einschränkung der Erfindung angeführt.
Vergleichsbeispiele C1 und C2
Die wie in Tabelle 1 angeführt formulierten Reibmaterialzusammensetzungen wurden in einem Loedige-Mischer gleichförmig zusammengemischt und in einer Druckform unter einem Druck von 100 kg/cm² in einem Zeitraum von 1 bis 3 Minuten vorgeformt. Die vorgeformten Rohlinge wurden 2 bis 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 160 °C und einem Druck von 250 kg/cm² geformt und dann durch eine 5- stündige Hitzebehandlung bei 200 °C nachgehärtet, wodurch in den jeweiligen Beispielen Kraftfahrzeugsbremsklötze hergestellt wurden.
Die in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Bremsklötze wurden getestet, und Porosität, Fading, Wirksamkeit, Verschleiß und Umwelteinflusstests wurden bewertet, und eine Gesamtbewertung wurde gemäß den folgenden Kriterien zugeordnet.
(1) Porosität
Gemäß JIS D4418 gemessen.

Gut: 12 bis 20 %

Mäßig: 8 bis 11 %
(2) Fading
Ein Leistungstest wurde gemäß JASO C 406-87 auf einem Bremsdynamometer durchgeführt.

Gut: Minimaler Reibungskoeffizient (μ) > 0,30

Mäßig: Minimaler Reibungskoeffizient (μ) > 0,20
(3) Wirksamkeit
Ein Leistungstest wurde auf einem Bremsdynamometer gemäß JASO C 406-87 durchgeführt. Das Ergebnis aus dem dritten Bremszyklus wurde zur Bewertung der Wirksamkeit herangezogen. Die unten angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf einen Wert von 100 %, welcher der Bremswirksamkeit aus Vergleichsbeispiel 1 entspricht.

Gut: > 95 %

Mäßig: > 85 %
(4) Verschleiß
Ein Leistungstest wurde auf einem Bremsdynamometer gemäß JASO C 406-87 durchgeführt. Die unten angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf einen Wert von 100 %, welcher dem Verschleißausmaß aus Vergleichsbeispiel 1 entspricht.

Gut: < 105 %

Mäßig: < 110 %
(5) Umwelteinfluss

Dieser wurde bezogen auf die Teilchengrößenangaben für entsprechende Ausgangsmaterialien bewertet.

Gut:	Enthält keine anorganischen Fasern mit einer Länge von zumindest 5 μm, einem Durchmesser von bis zu 3 μm und einem Seitenverhältnis über 3 (die eingeatmet werden können und deshalb potentiell karzinogen sind).
Mangelhaft:	Enthält solche anorganischen Fasern.

(6) Gesamtbewertung

Gut:	Keine der Bewertungen aus den Tests (1) bis (5) ergab „Mangelhaft".
Mangelhaft:	Zumindest eine der Bewertungen aus den Tests (1) bis (5) ergab „Mangelhaft".

Tabelle 1
Beispiele 1 bis 6 Vergleichsbeispiele C3 bis C5
Es wurden auf dieselbe Weise wie in den oben genannten Beispielen Kraftfahrzeugsbremsklötze hergestellt, jedoch wurden wie in Tabelle 2 angeführt formulierte Reibmaterialzusammensetzungen verwendet. Die so erhaltenen Bremsklötze wurden denselben Tests wie oben beschrieben unterzogen. Die Ergebnisse scheinen in Tabelle 2 auf. Tabelle 2

(1) Organischer Staub: Cashew-Staub
(2) Aramidfasern: Länge: 1 bis 3 mm; Durchmesser: 12 bis 15 μm
(3) Kupferfasern: Länge: 3 mm; Durchmesser: 60 μm
(4) Graphit: durchschnittliche Teilchengröße: 300 μm
(5) Anorganischer Füllstoff: Bariumsulfat mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 5 μm
(6) Kaliumoctatitanatwhisker: Länge: 1 bis 3 μm; Durchmesser: 0,3 bis 0,6 μm
(7) Kaliumoctatitanat-Blättchen: durchschnittliche Teilchengröße: 3 μm
(8) Tafelförmiges Kaliumhexatitanat: Größe: 50 bis 70 μm
(9) Magnesiumkaliumoctatitanat-Blättchen: durchschnittliche Teilchengröße: 1 bis 10 μm
(10) Das oberflächenbehandelte Produkt waren Magnesiumkaliumoctatitanat-Blättchen, die mit Aminopropyltriethoxysilan (Silangehalt bezogen auf Octatitanat-Blättchen: 0,5 Gew.-%) oberflächenbehandelt worden waren.

Wie schon zuvor erläutert und wie aus den zuvor angegebenen Ergebnissen deutlich wird, weisen die erfindungsgemäßen Reibmaterialien eine gute Bremsleistung und Stabilität auf, verfügen über eine gute Fading- und Verschleißbeständigkeit, sorgen für erhöhte Sicherheit und Hygiene bei der Herstellung und minimieren die Auswirkung von während der Verwendung abgegebenem Staub auf den menschlichen Körper.

Claims

Asbestfreies Reibmaterial, hergestellt durch Formen und Härten einer Zusammensetzung, die eine andere Faserbasis als Asbest, ein Bindemittel und einen Füllstoff umfasst; worin die Faserbasis frei von anorganischen Fasern mit einer Länge von zumindest 5 μm, einem Durchmesser von bis zu 3 μm und einem Formfaktor von über 3 ist, das Bindemittel ein Harz mit einer Fließfähigkeit von höchstens 27 mm bei 125 °C in einer Menge von, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung, 15 bis 25 Vol.-% umfasst und der Füllstoff, bezogen auf die gesamte Reibmaterialzusammensetzung, 1 bis 50 Vol.-% Magnesiumkaliumoctatitanat-Blättchen umfasst und das Reibmaterial eine Porosität von 12 bis 20 % aufweist.
Asbestfreies Reibmaterial nach Anspruch 1, worin das Titanat mit einem Silan-Haftvermittler oberflächenbehandelt ist.