Table Of ContentFORSCH U NGSB ER ICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.849
Direktor Ludwig Martin,VDI, Wuppertal-Elberfeld
Ing. Friedrich Steiner, Ratingen
Weiterentwicklung von Friktionswerkstoffen
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-03905-I ISBN 978-3-663-05094-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05094-0
G 1 i e der u n g
I. Einführung · . S. 5
11. Aufgliederung der Versuchs durchführung • • S. 6
1. Herstellung der Beläge •••.... · S. 6
a) Bindemetalle für die Grundmassen · S. 6
b) Reib- und Gleitwerkstoffe ••••••• · S. 7
c) Mischvorgang · S. 8
d) Pressen • • S. 11
e) Sintern • • S. 13
f) Physikalische und metallographische
Untersuchungen S. 16
2. Prüfstandversuche und Auswertungen. • S. 28
a) Reibwertversuche ah Prüfeinrichtung "A" · · S. 28
.
b) Reibwertversuche an Prüfeinrichtung "B" · · · · · S. 34
c) Reibwertversuche an Prüfeinrichtung "C" · · · · · S. 41
· ..
d) Reibwertversuche an Prüfeinrichtung "D" · · · S. 49
. . . . . . . . . . .
111. Zusammenfassung · · · · · · S. 65
. . . . . . .
IV. Literaturverzeichnis · · · · · S. 66
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I. Einführung
Friktionswerkstoffe finden als Beläge verschiedener Formen bei Bremsen
und Kupplungen Verwendung. Als besondere Eigenschaften verlangt man vo~
diesen Werkstoffen einen möglichst hohen Reibwert und größte Temperatur
beständigkeit. Zurzeit der Aufgabestellung 1955 wurden in Deutschland
vornehmlich Reibwerkstoffe verwendet, die auf organischen Grundstoffen
basierten.
Man unterscheidet gepreßte und gewebte Beläge. Bei den ersteren werden
Asbest- und Kunstfasern mit Kautschuk vermischt und zu Formstücken ver
preßt. Bei den letzteren werden Gewebe mit zum Teil eingewebten Metall
seelen zu Formstücken gestanzt, diese mit Kautschuk, Kunstharz und Reib
stoffen gefüllt, in Formen gepreßt und durch Erhitzen ausgehärtet.
Bekanntlich wird die mechanische Energie beim Bremsen ganz und beim Kup
peln zum Teil in Wärme umgesetzt. Diesem Vorgang können aber aus Kunst
stoffen hergestellte Friktionswerkstoffe nur in beschränktem Umfange
folgen, da ihrer Temperaturbeständigkeit Grenzen gesetzt sind.
Die Weiterentwicklung hochwertiger Werkstoffe, die im Maschinenbau und
Fahrzeugbau zur Anwendung gelangen, hat bei gleichen Baueinheiten zu
wesentlich größeren Leistungsübertragungen geführt.
Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten, mußten auch auf dem Gebiet
der Friktionswerkstoffe neue Wege gegangen werden. In Amerika hatte sich
bereits vor dem zweiten Weltkrieg eine solche Entwicklung angebahnt.
Diese neuen Reibwerkstoffe bestehen aus einer Cu-Grundlegierung, der
je nach Anwendung metallische und nichtmetallische Reibstoffe zugesetzt
werden. Die Vorteile dieser Friktionswerkstoffe gegenüber den auf organi
scher Basis hergestellten sind ihr gutes Reibverhalten bei hoher Lebens
dauer, große Wärmebeständigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und ihre
Beständigkeit gegenüber klimatischen Einflüssen.
Die Herstellung derartiger Werkstoffe ist nur nach pulvermetallurgischem
Verfahren möglich.
In Amerika haben diese Werkstoffe durch umfangreiche Forschungen und
Entwicklungsarbeiten mittlerweile ein großes Anwendungsgebiet erobert.
In Deutschland wurde man auf diese Entwicklung aufmerksam. Die einschlä
gige Verbraucher-Industrie bekundete ein entsprechendes Interesse.
In der amerikanischen Fachliteratur wird in vielen Abhandlungen über die
Anwendung solcher Werkstoffe, ihre chemische Zusammensetzung und Ferti-
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gung geschrieben. Die Ausführungen sind aber so allgemein gehalten, daß
sie nicht als Unterlage zur Fertigung dienen können. Ein im Jahre 1952/53
ausgeführter Auftrag für einen ausländischen Abnehmer hat diese Auffas
sung bestätigt. Auch Versuchsausführungen für deutsche Interessenten
haben eindeutig gezeigt, daß die Fachliteratur amerikanischen Ursprungs
allgemein gehalten ist; sie kann zum mindesten keinen Anspruch auf Voll
ständigkeit erheben.
Eine pulvermetallurgische Fertigung von Teilen aus metallischen und
nichtmetallischen Stoffen war nur in geringem Umfange u.a. bei der Fer
tigung von Diamantwerkzeugen bekannt. Es lag daher nahe, daß die For
schungsgemeinschaft Pulvermetallurgie sich dieser Aufgabe annahm und
mit ihrer Durchführung eine Firma betraute, die auf dem Gebiet bereits
tätig war.
Die vorliegenden Untersuchungen zur Entwicklung von Reibwerkstoffen auf
pulvermetallurgischer Grundlage wurden durch die Landesregierung Nord
rhein-Westfalen gefördert. Für die Bereitstellung der
Forsc~ungsmittel
sei auch an dieser Stelle gedankt.
11. Aufgliederung der Versuchsdurchführung
Auf Grund der sehr allgemein gehaltenen wie solche in
~sführungen,
Form von Aufsätzen in der Literatur vorliegen, erschien es notwendig
bei der Herstellung sowie der Prüfung vor. Belägen von den zur Varwen
dung kommenden verschiedenen Grund- und Reibstoffen und ihren Eigenschaf
ten auszugehen.
1 • Herstellung der Beläge
a2 Bindemittel für die Grundmasse
Kupferpulver M He~steller: Nord. Affinerie, Hamburg
Kupferpulver Fl Hersteller: Nord. Affinerie, Hamburg
Zinnpulver Hersteller: Nord. Affinerie, Hamburg
C.G. GOETZEL [1] sagt über die Eigenschaften der für Friktionswerkstoffe
zu verwendenden Pulver, daß Kupfer gutes Wärmeleitvermögen, eine hohe
Wärmebeständigkeit und gute Preß- und Sintereigenschaften bewirkt. Das
niedrig schmelzende Zinn legiert sich beim Sintern mit dem Kupfer und
verbessert damit die Bindung und die Festigkeit des Preßteils.
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b) Reib- und Gleitwerkstoffe
Nickelpulver Hersteller: Bad.Anilin- & Sodafabriken, Ludwigshafen
Eisenpulver Hersteller: Düsseldorfer Eisenhüttengesellschaft,
Ratingen
}
Asbestmehl
Lieferant: Krebs, Düsseldorf
Faserasbest
Korund Hersteller: M.S.O., Offenbach/Main.
Quarzsand } Lieferant: Weinstock & Siebert,
Quarzmehl Düsseldorf
Aerosil Hersteller: Degussa, Hanau
Blei Hersteller: Nord.Affinerie, Hamburg
}
Graphit B
Hersteller: Riedel de Haen, Hannover-Seelze
und feinst
Graphitplättchen Hersteller: Graphitwerke Kropfmühl, München
Molybdändisulfid Hersteller: Molykothe KG., München
Eisen ist im Kupfer unlöslich und erhöht den Reibungskoeffizienten. Die
härteren Eisenteilchen im weichen Kupfer üben beim Gebrauch eine scheu
ernde Wirkung aus und behindern damit das Festfressen. Durch den Blei
zusatz, der als Gleitmittel wirkt, wird das Pressen erleichtert. Steigt
bei der Anwendung die Reibungswärme zu hoch an, dann schmilzt das im
Kupfer unlösliche Blei und wirkt dadurch schmierend und temperaturver
mindernd. Das Blei wirkt also "selbstregulierend". Es begünstigt im
übrigen den weichen Eingriff. Der Kohlenstoff in Form von Graphit er
leichtert ebenfalls den Preßvorgang und verbessert die Reibeigenschaf
ten durch Unterbrechen des metallischen Zusammenhanges.
Quarz-Kieselsäure, Asbest und Korund erhöhen ebenfalls den Reibungs
koeffizienten. Gleichzeitig verhindern sie aber durch ihre unterschied
lichen Härten ein Blockieren der Beläge bei plötzlicher Beanspruchung.
Die physikalischen Eigenschaften eines Teils der angeführten Stoffe sind
in nachfolge-nder Tabelle 1 aufgezeichnet.
Von Graphit, Korund, Faserasbest und Molybdändisulfid wurden die ent
sprechenden Werte nicht ermittelt. Korund wurde in der Körnung 120 ver
wendet.
Sei te 7
Tab eIl e 1
~ückstand 0,15 0,10 0,06 unter Schüttgew. Fließfähig-
~uf Sieb [mm] [mm] [mm] 0,06 keit
[mm]
°
~upferpul- 7,5 11 , 42,5 39,0 2,18 g/cm3 37 cm3/min
ver "M"
Kupferpul- 0,5 0,5 3,0 96,0 1,17 g/cm3 fließt nicht
ver "Fl"
.Zinnpulver 1,0 2,5 15,5 81,0 3,8 g/cm3 nicht bestimmt
°
Bleipulver 0,0 0,5 1 , 98,5 4,5 g/cm3 dto.
Eisenpulver
4,5 17,5 29,·5 48,5 2,0 g/cm3 42 cm3/min
H 15
Eisenpulver
0,0 2,5 4,0 93,5 1 ,8 g/cm3 fließt nicht
H 06
°
Nickelpulver 0,0 0,0 99,0 1 ,7 g/cm3 nicht bestimmt
1 ,
Quarzsand ° 0,0 25,5 30,5 44,0 1 ,3 g/cm3 60 cm3/min
Quarzmehl I 0,0 0,0 2,5 97,5 1 ,4 g/cm3 42 cm3/min
Aerosil 0,0 0,0 0,0 100,0 0,1 g/cm3 fließt nicht
Asbestmehl 25,5 36,0 34,5 4,0 0,8 g/cm3 dto.
Bei Auswahl der Werkstoffe wurde größter Wert auf Feuchtigkeit- und
Fettfreiheit und bei den metallischen Pulvern auf geringsten Oxydgehalt
gelegt. So hatten beispielsweise die Kupferpulver unter 0,5 ~ Sauerstoff
/0
und die Eisenpulver H 20 und H 15 unter 0,6 bzw. H 06 unter 0,7 ~
Sauerstoff.
c) Mischvorgang
Die einzelnen Bestandteile der Pulvermischungen wurden in einer Reihen
folge, die den spezifischen Gewichten und der leichteren naftung der
verschiedenen Pulver aneinander entspricht, in einem Labormischer der
Firma Lödige, Paderborn, gemischt (s. Abb. 1).
Der Mischer hat einen Nutzinhalt von etwa 1 Liter. In der langsam rotie
renden Trommel sind auf der Welle versetzt pflugscharähnliche Schleu
der- bzw. Wirbelschaufeln angebracht. Diese rotieren mit hoher Geschwin
digkeit, so daß das Mischgut ständig kreuzweise in den freien Raum der
Trommel gewirbelt wird. Die sehr eng an der Trommelwandung entlangge
henden Schaufeln nehmen also das Mischgut vom Boden weg und werfen es
Sei te 8
A b b i 1 dun g 1
"Lödige-Mischer"
quer durch den Raum der Trommel nach oben. Das jeweils geschleuderte
und gewirbelte Mischgut mengt sich wieder in das durch die Rotation der
Trommel umfließende Mischgut und garantiert eine gute Verteilung aller
Bestandteile.
Vor Aufgabe der einzelnen Komponenten in den Mischer hat sich als vor
teilhaft erwiesen, in nachstehender Weise vorzugehen:
a) Zinn mit Blei, dann Eisen und Quarzsand so zu verreiben, daß erst
der nächste Bestandteil zugefügt wird, wenn der vorhergehende gleich
mäßig verrieben ist
b) Kupfer und Graphit von Hand vorvermischen
c) Die Vermischung a) in geeigneter Dosierung nacheinander in den Labor
mischer zur Mischung b) geben. Erfahrungsgemäß sind homogene Mischun
gen nach 8 bis 10 min Laufzeit erreicht.
d) Vorsichtiges Abfüllen der Mischungen in kleine verschließbare Behäl
ter, um sie gegen atmosphärische Einflüsse zu schützen.
rn der beschriebenen Weise wurden die Versuchsmischungen der Tabelle 2
hergestellt.
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5 5
XI - 81 10 3 ---- 5 ----- 0, 0, -
5 5
X - 75 7, 7,---- 10 --------
X -7 8 9 -- 8 - 8 --------
I 6
II - 5 5 5 4 - 6 0 --- 5 -----
I 6 1
V
2 I 5 8 6 -6 --- 7 4 --- 4 --
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V
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1 VI 65 - 8 11 ---- 8 ------- 5
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T V -7 0 9 -6 -- 7 ----1 ---
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V - 0 6 6,-0 -- 5 ----- 2, --
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1 7 8 9 - 8 -- 8 - -------
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1
7 3 4 6
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1 6
I - 5 0 6 - 7 -1 7 --- 4 ----
6 1
n d
che st ulfi
Legierung Kupfer M Kupfer Fl Zinn Blei Nickel 15 Eisen H 06 Eisen H Graphitplätt Graphit "B" Graphit fein Molybdändis 0 Q,uarzsand Q,uarzmehl I Aerosil Korund Asbestmehl Asbestfaser
cn (1) ..... c+ (1) ~o
d) Pressen
Für das Verpressen der einzelnen Pulvermischungen zu Ringen und Segmen
ten mit einem Durchmesser von 20 mm (siehe Abb. 2) wurden hydraulische
Pressen mit einem Maximaldruck von 20 bzw. 100 t verwendet. Eine hydrau
lische 100 -t - Schnellpresse zeigt Abbildung 3 •
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A b b i 1 dun g 2
Klötzchen mit Halter
A b b i 1 dun g 3
100-t - Schnellpresse
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