DE19950622A1

DE19950622A1 - Reibbelag für Bauelemente in Bremssystemen

Info

Publication number: DE19950622A1
Application number: DE19950622A
Authority: DE
Inventors: W Beier; R Liebald; Jochen Heinz
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2001-05-31
Also published as: EP1230185A1; JP2003528261A; WO2001028947A1; BR0014897A; CN1382111A; CA2386251C; US7208432B1; CN1212992C; MXPA02003935A; CA2386251A1; KR100491215B1; KR20020068033A; AU1271701A

Abstract

Die Erfindung betrifft Reibbeläge für Bau- und Funktionselemente in Bremssystemen, insbesondere in Systemen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff, der aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern, einem oder mehreren Füllstoffen, darunter ein oder mehrere Gleitstoffe mit ebenen hexagonalen Strukturelementen, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft Reibbeläge für Bau- und Funktionselemente in Bremssy stemen, insbesondere in Systemen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff, der aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern und einem oder mehreren Füllstoffen be steht.

Bau- oder Funktionselemente in Bremssystemen, z. B. für Landfahrzeuge (Pkw, Nkw, Eisenbahn usw.) oder Luftfahrzeuge sollen möglichst hohe Verzö gerungen erlauben.

Wesentliche technische Kriterien für die Beurteilung von Reibbelägen für Bremsen, insbesondere für Kraftfahrzeugbremsen, sind

- der Reibwert oder Reibungskoeffizient µ,
- der Verschleiß,
- die mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit
- die Berstdrehzahl,
- die Neigung zu selbsterregten Reibschwingungen ("Rupfen" oder "Ruc keln") und Reibgeräuschen,
- die Temperaturbelastbarkeit.

Dies bedeutet im einzelnen:

Der Reibwert µ soll möglichst hoch sein und möglichst wenig von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen abhängen. Da die übertragbaren Kräfte dem Produkt aus Reibwert und Anpreßdruck (µ × F_A) proportional sind, kann eine Bremse bei Beibehaltung der Anpreßkraft um so kleiner ausgelegt werden, je höher der Reibwert µ ist. Der Reibwert des Reibbelags ist abhängig vom Ge genpartner. Übliche Gegenpartner bei Kraftfahrzeugbremsen sind Grauguß oder Stahl. Die derzeit für Personenkraftwagenbremsen verwendeten Reib beläge weisen im praktischen Fahrbetrieb gegen Grauguß µ-Werte von ca. 0,2 -0,5 auf. Bei der Auslegung der Bremsen wird von einem Auslegungswert von 0,25 ausgegangen, wobei bereits ein Sicherheitsfaktor eingerechnet ist. Der Reibwert soll in Bezug auf Veränderungen in Temperatur, Feuchte, Anpreß druck und Winkelgeschwindigkeit möglichst konstant sein.

Der Verschleiß der Reibbeläge soll gering sein. Der Idealwert für die Lebens dauer der Beläge bei sachgerechter Bedienung der Bremse wäre die Fahrlei stung des Fahrzeuge, jedoch ist der Ersatz von Bremsbelägen während der Lebensdauer des Fahrzeuges üblich. Selbstverständlich darf auch der Gegen partner des Reibbelags durch den Belag nicht zu sehr verschlissen werden. Ein Maß für den Verschleiß ist die Verschleißrate.

Eine hohe mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit wird insbesondere beim Montieren der Beläge mittels Vernieten, Klemmen oder Kleben gefordert.

Die Berstdrehzahl soll das 1,7-2-fache der maximalen Raddrehzahl betragen, d. h. üblicherweise Werte um 5.000/min, da solche hohen Umdrehungszahlen der Bremsscheibe bei hohen Fahrtgeschwindikeiten eines PKW, auftreten können.

Rupfen bzw. Geräusche gehören zu den schwersten bremsbedingten Quali tätsproblemen. Von Rupfen spricht man, wenn eine Eigenfrequenz des Sy stems "Bremsanlage" gegebenenfalls mit Radaufhängung so stark angeregt wird, daß Schwingungen des Fahrzeuges fühlbar werden. Das Rupfen ist nicht leicht quantifizierbar, es ist aber für den subjektiven Eindruck des Fahrers von großer Wichtigkeit. Die Intensität eines auftretenden Rupfens ist nicht alleine vom Belag abhängig, sondern hängt auch von der konstruktiven Auslegung des Gesamtsystems "Bremse" und seinen Federungselementen ab, wobei das belagbedingte Rupfen einen wesentlichen Anteil ausmacht. Gefordert sind Bremsen, die nicht oder nur begrenzt zum Rupfen neigen, also gutes Komfort verhalten aufweisen.

Reibbeläge von Bremsen müssen in der Praxis erhebliche thermische Bela stungen schadlos, d. h. auch ohne Verzug überstehen. Ein Entwicklungsziel ist es daher, die Temperaturgrenze, bei der das sogenannte Fading auftritt, weiter nach oben zu verschieben. Verglichen mit Kupplungsreibbelägen ist die Bela stungsdauer und auch der bei Belastung auf den Belag einwirkende Druck bei Reibbelägen für Bremsen höher, so daß die Anforderungen an die Tempera turbelastbarkeit besonders hoch sind.

Ein weiterer Aspekt, die Umweltfreundlichkeit der verwendeten Materialien, kann zumindest insofern als bereits gelöst angesehen werden, als auf die Verwendung des früher für Bremsbeläge üblichen Asbests verzichtet werden kann.

Die derzeitig marktüblichen Reibbeläge für Kraftfahrzeugbremsen sind Ver bundwerkstoffe mit organischer (Polymer-) Matrix. Sie bestehen aus Garnen, die in einem Reibzement aus Harzen, Kautschuken und Füllstoffen wie Ruß, Graphit und Kaolin eingebettet sind. Die Garne bestehen bevorzugt aus Po lyacrylnitril-, Aramid-, Zellstoff-, Glas- und anderen Fasern und Messing- oder Kupferdraht. Solche Reibbeläge zeigen ein recht gutes Komfortverhalten, wei sen aber aufgrund ihrer organischen Bestandteile, insbesondere der organi schen Matrix, eine unbefriedigende Temperaturbelastbarkeit auf, so daß bei Überschreiten gewisser Temperaturgrenzen während der Bremsvorgänge der Reibwert sinkt, dadurch zu einer starken Komfortminderung durch "Belagrup fen" und letztlich zum Fading (Durchrutschen der Bremse) führt. Bei weiterer Belastung führt dies zu Eigenzerstörung des Reibbelages und zum vollkom menen Ausfall der Bremsfunktion.

Aus EP 0 469 464 B1 ist ein Verbundwerkstoff für Reibbeläge bekannt, bei dem die Bindemittelmatrix hergestellt ist aus einer Mischung aus SiO₂ und zu mindest teilweise wasserlöslichen Silicaten, z. B. Alkalisilicaten (Wasserglas), die in Gegenwart von Wasser ausgehärtet ist. Solch ein Werkstoff wird eine mangelnde hydrolytische Beständigkeit aufweisen, was sich z. B. beim Auf treten von Kondenswasser bei Taupunktunterschreitungen negativ auswirkt.

Aus US 4,341,840 sind graphitfaserverstärkte Gläser für Lager, Dichtungen und Bremsen bekannt. Diese Verbundwerkstoffe werden nicht ausreichend temperaturbeständig sein und ein unzureichendes Komfortverhalten aufwei sen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reibbelag für Bremssysteme, insbesonde re Kraftfahrzeugbremsen, zu finden, der ein verbessertes Eigenschaftsprofil, dabei vor allem eine erhöhte Temperaturbelastbarkeit und damit verbunden bei vorgegebener Reibbelagfläche die Fähigkeit zur Übertragung eines größe ren Bremsmomentes besitzt.

Diese Aufgabe wird durch den anorganischen Verbundwerkstoff gemäß An spruch 1 gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß ein rein anorganischer Verbund werkstoff aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstär kungsfasern und einem oder mehreren Füllstoffen aufgrund seiner speziellen Eigenschaften besonders gut für die Verwendung als Reibbelag für Bremssy steme geeignet ist, wenn als Füllstoff ein oder mehrere Gleitstoffe, die ebene hexagonale Strukturelemente aufweisen, enthalten sind.

Die Herstellung von faserverstärktem Glas bzw. faserverstärkter Glaskeramik ist wohlbekannt und in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, von denen exemplarisch nur die US-Patente US 4,610,917, US 4,626,515 und US 5,079,196 aufgeführt werden.

Auch die Zugabe sogenannter Füll- und Funktionsstoffe, im folgenden einfach Füllstoffe genannt, als Zuschlagstoffe zu einer Bindemittelmatrix ist z. B. aus EP 0 469 464 B1 bekannt. Die Füllstoffe werden im Herstellprozeß eingear beitet, z. B. dem Slurry zugesetzt.

Prinzipiell kann jedes Glas mit keramischen Fasern verstärkt werden. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung innerer Spannungen ist es sinnvoll, eine ge wisse Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzustreben. Da die häufig verwendeten Verstärkungsfasern Siliciumcarbidfasern und Kohlen stoffasern kleine Wärmedehnungen aufweisen, werden Gläser als Matrix be vorzugt, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von weniger als 10 × 10^-6/K besitzen.

Die maximal zulässige Temperatur für einen solchen verstärkten Verbund werkstoff hängt von seinen konkreten Inhaltsstoffen sowie von seinem Gefüge ab. Die Glasübergangstemperatur T_g des als Matrix verwendeten Glases stellt einen Orientierungswert für die maximale Dauereinsatztemperatur dar. Durch die Faserverstärkung kann jedoch die Temperaturbelastbarkeit erhöht werden, so daß faserverstärkte Gläser auch noch erfolgreich Temperaturen oberhalb von T_g der Glasmatrix standhalten können.

Als besonders geeignete Matrixgläser haben sich borsäurehaltige Gläser er wiesen. Borosilicatgläser, deren bekannteste Vertreter unter den Bezeichnun gen Duran® und Pyrex® im Handel sind, haben einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300, und zwar im Bereich von ca. 3 bis 5 × 10^-6/K, und einen T_g-Wert im Bereich von ca. 500°C bis 600°C.

Diese Gläser haben i. a. eine ungefähre Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von 70-80 SiO₂, 7-14 B₂O₃, 4-8 Alkalioxide und 2-8 Al₂O₃.

Auch Aluminosilicatgläser, insbesondere Gläser mit einer ungefähren Zusam mensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von 50-55 SiO₂, 8-12 B₂O₃, 10-20 Erdalkalioxide und 20-25 Al₂O₃ sind als Matrixgläser gut geeignet, da sie hoch temperaturbeständig sind. Sie besitzen T_g-Werte im Bereich von etwa 650°C bis 750°C.

Aber auch Alkali-Erdalkali-Silicatgläser (z. B. ungefähre Zusammensetzung in Gew.-% 74 SiO₂, 16 Na₂O, 10 CaO) mit einem T_g von ca. 540°C und einem α_20/300 von ca. 9 × 10^-6/K können erfolgreich als Glasmatrix des erfindungsge mäßen Verbundwerkstoffes dienen.

Ebenfalls als Glasmatrix geeignet sind Basaltglas und Ausgangsgläser für Steinwolle.

Weiter sind auch Gläser, wie sie für Fernsehröhren, und zwar für die Röhren teile Trichter und Schirm, verwendet werden, als Glasmatrix geeignet. Schirmgläser sind im allgemeinen Alkalierdalkalisilicatgläser mit hohen Antei len an SrO und/oder BaO. Trichtergläser sind meist Gläser derselben Glasart, die zusätzlich noch geringe Mengen PbO enthalten. Dagegen sind Gläser, wie sie für den Hals von Fernsehröhren verwendet werden, sogenannte Halsglä ser, hoch PbO-haltig und damit wegen der gewünschten Umweltfreundlichkeit der Materialien hier weniger geeignet.

Glaskeramiken besitzen als Matrix eine noch höhere Temperaturbelastbarkeit. Glaskeramik und ihre Herstellung durch gesteuerte Kristallisation sind seit Jahrzehnten bekannt.

Für die Glaskeramikmatrix geeignete Stoffsysteme sind z. B. Li₂O-Al₂O₃- SiO₂, MgO-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂ oder MgO-CaO-BaO-Al₂O₃- SiO₂, die durch Zusätze in vielfältiger und bekannter Weise modifiziert werden können.

Die Glaskeramikmatrix kann auch aus einem Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-kristall haltigen Boratglas oder anderen kristallisierenden Glasloten bestehen. Solche Komposite haben den Vorteil, daß sie sich bei relativ niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen, nach der Kristallisation aber höheren Temperaturen stand halten.

Der Anteil der Glas- bzw. Glaskeramikmatrix im Verbundwerkstoff ergibt sich als Rest aus den weiter unten angegebenen Anteilen an Verstärkungsfasern und Füllstoffen. Er sollte jedoch nicht weniger als 5 Gew.-% und nicht mehr als 60 Gew.-% betragen. Bevorzugt ist ein Anteil zwischen 20 und 55 Gew.-%, besonders bevorzugt einer zwischen 25 und 50 Gew.-%.

Verstärkungsfasern für Glas und Glaskeramik sind ebenfalls wohlbekannt, und für den vorliegenden Zweck sind viele anorganischen Verstärkungsfasern ge eignet. Hauptsächlich Verwendung finden Fasern aus Kohlenstoff SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Mullit, hier besonders vom 3 Al₂O₃ × 2 SiO₂, Calciumsilica ten (x CaO . y SiO₂), Kieselglas, hoch SiO₂ haltigen Gläsern, d. h. Gläsern mit einen SiO₂-Gehalt von mehr als 80 Gew.-%, A-, C-, S- oder E-Glas und/oder Steinwollen, beispielsweise Basaltwolle, als Hauptkomponenten, ggf. mit Zu sätzen von Si, Ti, Zr, Al, O, C, N, z. B. Fasern des Sialon-Typs (Si, Al, O, N), bzw. deren Oxiden und/oder Carbiden.

Bei E-Glas handelt es sich um ein Calciumaluminoborosilicatglas, das weitge hend alkalifrei ist. S-Glas ist ein Magnesiumaluminosilicatglas, C-Glas ein Na triumcalciumborosilicatglas und A- Glas ein Natriumcalciumsilicatglas.

Besonders geeignet sind Kohlenstoffasern und Siliciumcarbidfasern. Ein hoher Faseranteil an SiC-Fasern senkt den Verschleiß. Ein hoher Faseranteil an C- Fasern, auf Kosten des SiC-Faseranteiles, verbilligt den Verbundwerkstoff.

Besonders vorteilhaft sind Verbundwerkstoffe, die sowohl SiC- als auch C- Fasern enthalten, da der Verschleiß gesenkt und mit den preiswerten C- Fasern eine Abstimmung des Reibverhaltens erfolgen kann.

Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis SiC/C von ungefähr 1 zu 4. Durch die Senkung des SiC-Anteils auf 1/5 können die Herstellungskosten des Ver bundwerkstoffs enorm gesenkt werden, ohne daß Verschlechterungen von Ei genschaften in Kauf genommen werden müssen.

Die Verstärkungsfasern können zur Verbesserung der Reib- und Komfortei genschaften auch mit einer, meist dünnen, Beschichtung, beispielsweise aus Kohlenstoff, Carbiden, SiO₂, Al₂O₃ oder anderen Oxiden, versehen sein.

Der Fasergehalt im Verbundwerkstoff liegt etwa zwischen 5 und 55 Gew.-%. Ein höherer Füllungsgrad wird nur mit erheblichen Kosten erreicht, bei einem Anteil an Fasern von weniger als 5 Gew.-% fallen die Eigenschaftsänderungen durch die Faserverstärkung, insbesondere die Festigkeitssteigerung, sehr ge ring aus und wird eine gleichmäßige Verteilung der Fasern in der Matrix er schwert.

Aus ökonomischen und technischen Gründen wird ein Fasergehalt von etwa 25 bis 45 Gew.-% bevorzugt.

Bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Fasersorten erhält man soge nannte Hybridkomposite.

Neben der Glas-/Glaskeramikmatrix und den anorganischen Verstärkungsfa sern enthält der erfindungsgemäße Reibbelag einen oder mehrere anorgani sche Füllstoffe, die pulverförmig eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist we nigstens ein Teil des eingesetzten Füllstoff-Anteils ein Gleitstoff, der ebene hexagonale Strukturelemente enthält. Bevorzugte Gleitstoffe sind: Phyllosili cate, Ruß, Graphit, Glimmer, MoS₂. Besonders bevorzugte Gleitstoffe sind: Ruß, Graphit.

Im folgenden werden die wichtigsten Füllstoffe beispielhaft genannt.

Dies sind neben den genannten Gleitstoffen SiO₂, eingesetzt als kristalliner Quarz, Kieselgur, Quarzglas oder Quarzgut, Al₂O₃, ZrO₂ oder ähnliche Oxide, auch Fe₂O₃ und Cr₂O₃, Calciumsilicate wie Wollastonit (CaO × SiO₂), 2 CaO × SiO₂, 3 CaO × SiO₂, Magnesiumsilicate und ihre Hydrate, z. B. Talk (3 MgO × 4 SiO₂ × H₂O), Zirconiumsilicat, Dolomit, Aluminosilicate wie Mullit, Sillimanit, Kaolin oder Ton, weitere Calciumaluminosilicate, Kaliumaluminosilicate und Magnesiumaluminosilicate, z. B. Cordierit, auch Zement, Magnesiumoxid, Ma gnesiumcarbonat und seine Hydrate, Magnesiumaluminat, Chromit, Titanoxid, z. B. Rutil, Titanborid, Aluminiumtitanat, weitere Carbonate, z. B. Kalk, auch gebrannter Kalk (CaO), Sulfate, z. B. BaSO₄, Gips, speziell als Halbhydrat oder Anhydrit, Sulfide wie MoS₂ oder CuS, Nitride, z. B. BN, Carbide, z. B. SiC, B₄C, TiC, Kokspulver, Glaskeramik, z. B. aus den für die Glaskeramik ge nannten Stoffsystemen, sowie Metalle, z. B. Kupfer, Aluminium, Magnesium, Eisen oder auch Stahl, oder Halbmetalle wie Silicium und/oder deren Legie rungen.

Die Füllstoffe können beispielsweise glasig, keramisch oder metallisch sein. Ein glasiger Füllstoff oder ein Füllstoff aus Glaskeramik kann von der Glas- oder Glaskeramikmatrix bei unterschiedlichen Zusammensetzungen z. B. mit tels Elektronenstrahlmikrosonde unterschieden werden. Wenn dasselbe Glas oder dieselbe Glaskeramik als Matrix und als Füller verwendet wird, ist diese Analysemethode ungeeignet. Es ist aber möglich, die Matrix vom Füllstoff mit tels lichtoptischer Methoden zu unterscheiden, da die Matrix im Gegensatz zum Füllstoff vollständig aufgeschmolzen ist.

Vorzugsweise werden als Füllstoffe SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicate und ihre Hydrate, Calciumsilicate, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, TiB, BaSO₄, BN, Glaske ramik, Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver verwendet. Dabei zeichnen sich die Hartstoffe dadurch aus, daß sie die Verschleißfestigkeit erhöhen, während die Komponenten mit geringerer Härte das Komfortverhalten verbessern.

Besonders vorteilhaft ist es, neben dem oder den Gleitstoffen einen oder meh rere Füllstoffe aus der Gruppe SiC, ZrO₂, Al₂O₃, Glaskeramik, TiB₂ zu verwen den.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der oder die Gleit stoffe, insbesondere Ruß, Graphit und/oder Glimmer zusammen mit einer Komponente aus der Gruppe ZrO₂, TiB₂, Glaskeramik, als Füllstoff verwendet.

Vorzugsweise beträgt der Gleitstoffanteil, insbesondere der Rußanteil mehr als 15%, insbesondere mehr als 50%, bezogen auf den Füllstoffanteil, wobei es aber bevorzugt ist, daß neben dem Gleitstoff wenigstens ein weiterer Füllstoff vorhanden ist.

Der als Gleitstoff eingesetzte Ruß liegt als Primärteilchen und als Konglome rate aus diesen Primärteilchen vor, vorzugsweise als Konglomerate (Rußfloc ken) aus Teilchen (Primärteilchen) die einen mittleren Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm aufweisen. Vorzugsweise liegt der Ruß als Primärteilchen- Konglomerate mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 nm und 50 µm, bevorzugt zwischen 10 nm und 500 nm, vor. Besonders bevorzugt ist Ruß mit Konglomeraten mit mittlerem Durchmesser zwischen 10 nm und 150 nm. Be vorzugt ist also Ruß mit mittlerer Teilchengröße (Primärteilchen bzw. Primär teilchen-Konglomerate) zwischen 1 nm und 50 µm, besonders bevorzugt zwi schen 1 nm und 500 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 nm und 150 nm.

Der Gehalt an Füllstoffen im Verbundwerkstoff beträgt wenigstens etwa 5 Gew.-% und höchstens 50 Gew.-%.

Bei niedrigeren Anteilen ist ihre Wirkung zu gering, bei höheren Anteilen treten prozeßtechnische Schwierigkeiten auf.

Besonders bevorzugt ist ein Füllstoffgehalt von 25 bis 40 Gew.-%.

Generell können durch eine gezielte Auswahl von Matrix, Fasern und Füllstof fen die Verbundwerkstoffe auf ihren Einsatzzweck hin angepaßt werden. Viele physikalische Eigenschaften wie thermische Ausdehnung, Wärmeleitung, Kriechverhalten bei thermischer Belastung, tribologisches Verhalten usw. sind in gewissen Grenzen variierbar und einstellbar.

Die im Verbundwerkstoff eingebauten Fasern können in vielfältiger Weise va riiert werden, und zwar nicht nur im Hinblick auf die chemische Zusammenset zung, sondern auch im Hinblick auf das Mikrogefüge sowie die äußere Geo metrie.

Das Mikrogefüge der Fasern bestimmt (bei gleicher chemischer Zusammen setzung) die physikalischen Eigenschaften. So gibt es z. B. bei C-Fasern spe zielle Hochmodul- und Hochfestfasern, deren unterschiedlicher Graphitisie rungsgrad das tribologische und thermische Verhalten beeinflußt. Somit be steht bei Verwendung der gleichen Verstärkungsfasern in begrenztem Umfang eine Variationsmöglichkeit, aufgrund derer das Verbundmaterial auf die ge wünschten Eigenschaften hin optimiert werden kann.

Besonders vielfältige Variationsmöglichkeiten bieten die Geometrie (Form und Abmessungen) der Verstärkungsfasern und die Anordnung der Fasern im Komposit.

So können die Gläser und Glaskeramiken mit Whiskern, Kurzfasern, Langfa sern oder Endlosfasern verstärkt werden, weitere Möglichkeiten bestehen bei der Verwendung von Fasermatten, Fasergeweben sowie in der Verwendung von Faserfilz. Darüber hinaus kann der Faserverlauf im Werkstoff der Geome trie des aus dem Werkstoff hergestellten Bauteils angepaßt werden, indem z. B. durch Wickeln zirkuläre oder anders geformte Ringstrukturen oder ring förmige Bauteile erzeugt werden.

Whisker und Kurzfasern (bis ca. 5 mm Faserlänge) sind meist isotrop im Kom posit verteilt, was zu isotropen Eigenschaften führt, sie können aber auch, z. B. durch Strangpressen bei erhöhter Temperatur, partiell ausgerichtet werden. Sehr hohe Bruchzähigkeiten sind mit Whiskern oder Kurzfasern nicht zu er zielen. Lang- und Endlosfasern sind dagegen, zumindest in größeren Partien des Komposits, parallel angeordnet, was eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Komposits in dieser Richtung, aber kaum eine Verbesserung senkrecht dazu bewirkt. Jedoch kann auch bei Verwen dung von Lang- und Endlosfasern durch einen Laminataufbau, bei dem die Fasern winklig zueinander angeordnet sind, eine weitgehende Isotropierung, zumindest bezüglich einer Ebene, erreicht werden.

Generell ist die Kompositherstellung und -formgebung mit Lang- oder Endlos fasern schwieriger als mit Whiskern und Kurzfasern, sie ermöglicht aber dafür die Erzielung von besonders guten mechanischen Werten in Vorzugsrichtun gen. Durch die richtige Wahl der Faserarchitektur können Bauteile entwickelt werden, die an die zu erwartende Belastung angepaßt sind. Wie die Faserar chitektur bei faserverstärkten Bauteilen gestaltet werden muß, ist dem Fach mann, z. B. von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, bekannt.

Die Verwendung von Faserfilz und Fasergewebe führt zu Kompositwerkstof fen, die zwar im Vergleich zu Lang- oder Endlosfaserkompositwerkstoffen nur mittelmäßige Festigkeitswerte aufweisen, die aber dafür mit kostengünstigen Techniken produziert werden können. So können Gewebe und Filz beispiels weise auch mit Glasschmelzen oder mit Sol-Gel-Lösungen, die durch eine an schließende Wärmebehandlung in Glas oder Glaskeramik umgewandelt wer den können, infiltriert werden.

Wie der Werkstoff hergestellt wird, d. h. ob mit Whiskern, Endlos-, Lang-, Kurzfasern, Gewebe, Filz usw., richtet sich nach den jeweiligen konkreten physikalischen und technischen Anforderungen und selbstverständlich nach den bei der Herstellung auftretenden Kosten, die den Preis des Werkstoffes und damit seine Wirtschaftlichkeit bestimmen.

Aufgrund der besonderen Anforderungen bezüglich der technischen Spezifika tionen sowie einer wirtschaftlichen Produzierbarkeit werden für den erfin dungsgemäßen Reibbelag vorzugsweise Kurzfasern in Zufallsorientierung ein gesetzt, aber auch mit gerichteten Faserarchitekturen können gute Ergebnisse erzielt werden.

Die mechanischen Eigenschaften wie die Festigkeit und der Elastizitätsmodul von faserverstärkten Gläsern oder Glaskeramiken werden im wesentlichen durch Menge und Anordnung der eingebrachten Fasern beeinflußt. Die ther momechanischen Eigenschaften, so die thermische Dehnung, und die thermi schen Eigenschaften, z. B. die Wärmeleitfähigkeit, werden wie auch die tribo logischen Eigenschaften wie Reibwerte und Verschleiß durch die Zusammen setzung des Gesamtverbundes, d. h. durch die Anteile an Einzelkomponenten und durch ihre Eigenschaften, beeinflußt.

So werden mit C- oder SiC-Fasern bei unidirektionaler Faseranordnung mit ei nem Fasergehalt von ca. 40 Gew.-% Biegezugfestigkeiten von mehr als 1200 MPa und E-Moduln von mehr als 130 GPa bei gleichzeitiger Steigerung der Brucharbeit gegenüber den reinen Gläsern oder Glaskeramiken erreicht. In multidirektional gerichteter bzw. zufälliger Faseranordnung sowie bei verän dertem Fasergehalt ergeben sich, dem Anteil der im Verbund in Belastungs richtung vorhandenen Fasern entsprechend, geringere Festigkeiten und E- Moduln.

Rein SiC-faserverstärkte Gläser besitzen mit ca. 1,5 W × m^-1 × K^-1 eine sehr geringe anisotrope Wärmeleitfähigkeit, die durch das Einbringen von Zusatz komponenten in Abhängigkeit von deren Anteil verändert werden kann. So werden durch die Zugabe von Kohlenstoffasern und/oder Kohlenstoff-, Metall- und/oder Keramikpulver die Wärmeleitfähigkeit und auch die thermische Deh nung erhöht. Durch die Zugabe von Komponenten mit geringer Wärmeleitfä higkeit und geringer thermischer Dehnung wie z. B. Kieselglas können diese Eigenschaftswerte entsprechend gesenkt werden.

Die Verbundwerkstoffe sind gut mechanisch bearbeitbar, so daß sie sich als Beläge gut auf/in die Bremsanlage integrieren, i. a. vernieten, schrauben, klemmen oder kleben lassen.

Die beschriebenen rein anorganischen gleitstoffhaltigen Verbundwerkstoffe mit wasserunlöslicher Matrix halten der speziellen kombinierten thermo-tribo mechanischen Beanspruchung, der Reibbeläge für Bremsen unterworfen sind, hervorragend stand. So erfüllen sie auch die Anforderungen bezüglich der Berstdrehzahl.

Sie sind sehr temperaturbeständig und erfüllen so die besonders hohen Anfor derungen, die an Reibbeläge für Bremssysteme gestellt werden. Weiter wei sen sie neben der geforderten Festigkeit auch einen konstant hohen Reibwert und einen relativ geringen Verschleiß auf, und sie zeigen ein gutes Komfort verhalten.

Konkret zeigen diese Verbundwerkstoffe eine wesentlich höhere Dauertempe raturbelastbarkeit als herkömmliche organische Bremsbeläge, eine Verschleiß rate gegen Grauguß von weniger als 1 × 10^-4 mm³/Nm, einen Reibwert µ ge gen Grauguß zwischen 0,3 und 0,8 sowie eine hohe Reibwertkonstanz bei Gleitgeschwindigkeiten von 4-40 m/s. Hierbei sind Reibwert und Verschleiß rate in einer Block-Ring-Anordnung mit dem Ring als metallischem Gegen partner bei Drücken bis 5 MPa und Relativgeschwindigkeiten bis 5 m/s be stimmt worden. Die Messung in einer Stift-Scheibe-Anordnung mit der Scheibe als metallischem Gegenpartner führt zu denselben Werten.

Die Verbundwerkstoffe sind also als Reibbeläge für Bremssysteme hervorra gend geeignet. Sie sind für diesen Zweck den bisher verwendeten Materialien überlegen. Ihre hohe Dauertemperaturbelastbarkeit zeichnet sie gegenüber den üblicherweise verwendeten organischen Belägen aus. Gegenüber metalli schen Sinterbelägen zeichnen sie sich insbesondere durch ihr gutes Komfort verhalten und durch einen geringen Verschleiß des Gegenpartners aus. Die beschriebenen rein anorganischen Verbundwerkstoffen vereinen also die geforderten und bisher jeweils nur teilweise realisierten Eigenschaften in sich und sind daher für die verschiedensten Bremssysteme sehr gut geeignet.

Die übliche Kraftfahrzeugbremse ist die hydraulisch betätigte Scheiben- oder Trommelbremse zur Verzögerung von diesen Fahrzeugen. Vor allem in Perso nenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen, aber auch Schienen- und Luftfahr zeugen setzt sich die Ausrüstung nur mit Scheibenbremsen immer weiter durch. Für diese Bremssysteme sind die erfindungsgemäßen Reibbeläge her vorragend geeignet.

Die beschriebenen Verbundwerkstoffe sind als Reibbeläge für diese Standard- Bremssysteme genauso gut geeignet wie für Weiterentwicklungen wie z. B. elektromotorisch betätigte Bremssysteme.

Auch für die Bremssysteme der verschiedensten Spezialfahrzeuge, beispiels weise Fahrzeuge im Tage- und Bergbau und in der Militärtechnik, z. B. Selbstfahrlafetten, sowie von landwirtschaftlichen Fahrzeugen sind die be schriebenen Verbundwerkstoffe als Reibbeläge sehr gut geeignet.

Die Verbundwerkstoffe sind nicht nur als Reibbelag für Fahrzeuge der be schriebenen Arten, sondern auch als Reibbelag für andere Bremssysteme, beispielsweise für Strömungsmaschinen und Fertigungsmaschinen, z. B. Druck- und Textilmaschinen, und für Transport-, Förder- und Hebeanlagen ge eignet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Aus verschiedenen Materialkombinationen wurden auf übliche Weise, nämlich im Slurry-Sol-Gel-Verfahren, faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Fasern in ungeregelter Faseranordnung hergestellt.

In Prüfstands- und Kfz-Versuchen wurden verschiedene mechanische und tri bologische Eigenschaften dieser Materialien bestimmt.

Variierend mit den jeweiligen Zusammensetzungen wurden Festigkeiten zwi schen 100 und 250 MPa und Elastizitätsmoduln bis 100 GPa bestimmt.

Die folgenden Prozentangaben der Zusammensetzungen stellen Gew.-% dar.

Zum einen wurden füllstofffreie Verbundwerkstoffe aus 50% Borosilicatglas matrix (Duran®) und 50% SiC- und/oder C-Fasern, und zwar Kurzfasern von 1 bis 50 mm Länge, in unterschiedlichen Anteilen hergestellt: V1-V5. Die jewei ligen Faseranteile und die Meßergebnisse (Reibwert und Verschleißrate) sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Ausgehend von V1 (nur SiC-Fasern) mit einem Reibwert von 0,4, einer Ver schleißrate von 2 × 10^-6 mm³/Nm und einem unbefriedigendem Komfortver halten steigt mit zunehmendem C-Faser-Gehalt zwar der Reibwert auf bis zu 0,8 (V5, nur C-Fasern), aber auch die Verschleißrate auf bis zu 3 × 10^-5 mm³/Nm (V5). Das Komfortverhalten verbessert sich nur etwas.

Tabelle 1

Reibwerte und Verschleißraten von Verbundwerkstoffen aus 50% Borosilicat glasmatrix und 50% Fasern.

Zum anderen wurden Verbundwerkstoffe mit 40% Borosilicatglasmatrix (Du ran®), 30% SiC-(6%) und C-Fasern (24%) und 30% unterschiedlicher gleit stofffreier (V6-V8) und gleitstoffhaltiger, insbesondere rußhaltiger (B1-B5) Füllstoffe bzw. Füllstoffmischungen hergestellt.

Verglichen mit den füllstofffreien Vergleichsbeispielen mit guten Ergebnissen bezüglich Reibwert und Verschleißrate, aber weniger gutem Komfortverhalten bleibt bei den füllstoffhaltigen Beispielen der Reibwert hoch (ca. 0,4-0,6) und wird der Verschleiß in zulässigen Grenzen beibehalten oder sogar verringert und das Komfortverhalten verbessert.

Besteht der Füllstoffanteil aus Mischungen mit Ruß-Pulvern verschiedener Teilchen bzw. Konglomeratdurchmesser (I = 1-2 nm, II = 10-15 nm, III = 100-150 nm) oder Mischungen daraus oder aus Mischungen mit anderen Gleitstoffen, ist der Reibwert hoch (bis ca. 0,6) und bleibt der Verschleiß aus reichend gering. Vor allem das Komfortverhalten wird verbessert. Für drei Bei spiele mit Füllstoffmischungen aus Ruß verschiedener Körnung und ZrO₂ (B1, B2, B3) sind die konkreten Daten des Reibwertes und der Verschleißrate in Tabelle 2 aufgeführt. Auch bei Ruß mit Glimmer und/oder ZrO₂ als Füllstoff kombination wird der Reibwert verbessert bzw. bleibt er hoch und bleibt die Verschleißrate niedrig. Auch das Komfortverhalten wird verbessert. Das Bei spiel B4 in Tabelle 2 verdeutlicht diese Aussagen. Auch Glaskeramik gehört zu dieser Gruppe Füllstoffe und wirkt zusätzlich verschleißreduzierend. Der Er satz von Glaskeramik durch Titanborid in Kombination mit Ruß bewirkt eine weitere Reduktion des Verschleißes (B5).

Der Reibbelag aus Matrix, Fasern und gleitstoffhaltigen Füllstoffen weist also, verglichen mit den füllstofffreien und auch mit den füllstoffhaltigen gleitstofffrei en Beispielen, ein gutes Komfortverhalten auf und vereint einen guten, d. h. hohen Reibwert mit einer guten, d. h. niedrigen Verschleißrate. Insbesondere das Komfortverhalten ist verbessert. Es soll mit folgenden qualitativen Anga ben beschrieben werden:
V1-V5 nicht ausreichend
V6-V8 befriedigend
B1-B5 gut.

Tabelle 2

Reibwerte und Verschleißraten von Verbundwerkstoffen aus 40% Borosilicat glasmatrix, 30% Fasern (6% SiC, 24% C) und 30% Füllstoffen.

Claims

1. Reibbelag für Bau- und Funktionselemente in Bremssystemen, insbesonde re in Systemen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff aus einer Glas- oder Glas keramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern, einem oder mehreren Füllstoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Füllstoffe ein Gleitstoff ist, der ebene hexagonale Strukturelemente aufweist.

2. Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Gleitstoff wenigstens ein Stoff aus der Gruppe Ruß, Graphit, Phyl losilicate, Glimmer, MoS₂ vorhanden ist.

3. Reibbelag nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleitstoff Ruß und/oder Graphit enthalten ist.

4. Reibbelag nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruß aus Teilchen bzw. Konglomeraten aus Primärteilchen mit ei nem mittleren Durchmesser zwischen 1 nm und 50 µm, insbesondere zwi schen 1 nm und 500 nm besteht.

5. Reibbelag nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruß aus Teilchen bzw. Konglomeraten aus Primärteilchen mit ei nem mittleren Durchmesser zwischen 1 nm und 150 nm besteht.

6. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Füllstoffe neben einem oder mehreren Gleitstoffen mit ebenen hexagonalen Strukturelementen aus pulverförmigen SiO₂ (als kri stalliner Quarz, Quarzglas oder Quarzgut), Al₂O₃, ZrO₂, Fe₂O₃, Cr₂O₃,
Calciumsilicaten, Magnesiumsilicaten und deren Hydraten,
Zirconiumsilicat, Aluminosilicaten,
Calciumaluminosilicaten, Kaliumaluminosilicaten, Magnesiumaluminosili caten,
Zement,
Magnesiumoxid, Magnesiumcarbonat und seine Hydrate, Magnesiumalu minat, Chromit, Dolomit,
Titanoxid, Aluminiumtitanat, Glaskeramik,
Carbonaten, Sulfaten, Boriden, Carbiden, Sulfiden, Nitriden, Kokspulver, Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Silicium, Magnesium, und/oder deren Le gierungen
bestehen.

7. Reibbelag nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Füllstoffe neben einem oder mehreren Gleitstoffen mit ebenen hexagonalen Strukturelementen aus pulverförmigen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicaten und deren Hydraten, Calciumsilicaten, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, TIB₂, BaSO₄, BN, Glaskeramik, Kokspulver bestehen.

8. Reibbelag nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Füllstoffe neben einem oder mehreren Gleitstoffen mit ebenen hexagonalen Strukturelementen aus SiC und/oder ZrO₂ und/oder Al₂O₃ und/oder Kokspulver und/oder Glaskeramik und/oder TiB₂ bestehen.

9. Reibbelag nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe aus einem Gemisch aus einem oder mehreren Gleitstof fen mit ebenen hexagonalen Strukturelementen und mind. einer Kompo nente aus der Gruppe ZrO₂, TiB₂, Glaskeramik bestehen.

10. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoffgehalt zwischen 5 und 50 Gew.-%, insbesondere zwischen 25 und 40 Gew.-% beträgt.

11. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus einer oder mehreren Komponenten der Gruppe Kohlenstoff, SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Mullit, Calciumsilicaten, Kieselglas, Glas mit einem SiO₂-Gehalt von mehr als 80 Gew.-%, A-, C-, S- oder E-Glas, Steinwolle als Hauptkomponenten, ggf. mit Zusätzen der Ele mente Si, Ti, Zr, Al, C, N oder O bzw. deren Oxiden und/oder Carbiden be stehen.

12. Reibbelag nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder SiC bestehen.

13. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff, Carbi den, SiO₂ oder Al₂O₃ versehen sind.

14. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfasergehalt zwischen 5 und 55 Gew.-%; insbesondere zwischen 25 und 45 Gew.-%, beträgt.

15. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasmatrix aus Borosilicatglas, Aluminosilicatglas, Alkali-Erdalkali- Silicatglas oder Basaltglas besteht.

16. Reibbelag nach wenigstens einem Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramikmatrix aus einer Glaskeramik aus dem System Li₂O- Al₂O₃-SiO₂, MgO-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂, oder MgO-CaO- BaO-Al₂O₃-SiO₂ oder aus Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-kristallhaltigen Boratglä sern besteht.

17. Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff gegen Grauguß in einer Block-Ring- oder Stift- Scheibe-Anordnung mit Ring oder Scheibe als metallischem Gegenpartner bei Drücken bis 5 MPa und Relativgeschwindigkeiten bis 5 m/s einen Reib wert µ von wenigstens 0,3, eine Reibwertkonstanz bei Gleitgeschwindig keiten von 4-40 m/s und eine Verschleißrate von weniger als 1 × 10^-4mm³/Nm aufweist.

18. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Kraftfahrzeugbremssysteme.

19. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Bremssysteme in Personenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen.

20. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Bremssysteme in Fahrzeugen im Tage- und Bergbau, in der Militärtech nik oder für landwirtschaftliche Nutzung.

21. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Bremssysteme in Schienenfahrzeugen.

22. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Bremssysteme in Luftfahrzeugen.

23. Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, für Bremssysteme in Maschinen der Fertigungstechnik, in Förder- und He beanlagen oder Strömungsmaschinen sowie in Druck- oder Textilmaschi nen.