DE3877255T2

DE3877255T2 - Reibmaterial.

Info

Publication number: DE3877255T2
Application number: DE8888108518T
Authority: DE
Inventors: Ltd Niijima; Ltd Ogawa; Ltd Shimazaki
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: EP0292997A1; US4861809A; EP0292997B1; DE3877255D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Friktionsmaterial, das bei einer Energieübertragung und den Bremsen in Automobilen und anderen Fahrzeugen nützlich ist. Diese Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Friktionsmaterials.
Asbest wurde normalerweise als Hauptverstärkung für Friktionsmaterialien nach der Formung verwendet und zusammen mit wärmehartbaren Harzen und Hilfsverstarkungen ausgehartet. Jedoch verursacht Asbest, das eine carcinogene Substanz ist, Sicherheits- und Gesundheitsprobleme sowohl wahrend der Herstellung als auch während des Gebrauches. Unter diesen Umständen erhöhte sich eine Nachfrage für asbestfreie Friktionsmaterialien. Es ist im allgemeinen erforderlich, daß Friktionsmaterialien Friktionskoeffizienten von 0,3 bis 0,5 aufweisen und daß sie eine hohe Abnutzresistenz und mechanische Stärke bei Temperaturen von etwa 500ºC sicherstellen.
Eine Vielzahl von faserartigen Materialien wurden als asbestfreie Materialien verwendet. Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung (OPI) Nr. 113641/1983 (US-PS 4.259.397) die Verwendung von voroxidierten Fasern, die durch Wärmebehandlung von Acryl-(PAN)-Fasern bei etwa 200 bis 400ºC an Luft hergestellt worden sind (der Ausdruck "OPI", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine veröffentlichte, nicht geprüfte japanische Patentanmeldung). Jedoch sind die voroxidierten Fasern mit einer Zugfestigkeit von 1 bis 3 g/d und einem Zugelastizitätsmodul von etwa 50 bis 150 g/d als faserige Verstärkungsmaterialien nicht zufriedenstellend. Insbesondere weisen die Fasern einen ziemlich geringen Zugelastizitätsmodul im Vergleich zu Asbest auf. Zusätzlich reduziert sich das Gewicht der Fasern bei etwa 500ºC, die Temperatur, der Friktionsmaterialien widerstehen sollten, und die Fasern weisen eine Tendenz auf, an der Oberfläche des Friktionsmaterials aufgrund des Ausströmgases und der Volumenschrumpfung der Fasern Risse zu bilden.
Die Verwendung von Kohlenstoffasern, die sich von PAN ableiten, als faserige Verstärkungsmaterialien wurde ebenfalls offenbart, beispielsweise in den japanischen Patentanmeldungen (OPI) Nr. 9660/80 und 9659/80 (US-PS 4.259.397). Die Kohlenstoffasern werden üblicherweise hergestellt, indem voroxidierte Fasern bei 1000ºC oder mehr in einem Inertgas kalziniert werden, unter Erhalt von Fasern mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 90 Gew.% und einem gebundenen Stickstoffgehalt von etwa 1 bis 8 Gew.% und sie entfalten typischerweise eine Zugstärke von wenigstens etwa 13 g/d, einen Zugelastizitätsmodul von etwa 1400 bis etwa 1800 g/d und einen elektrischen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 0,01 Ohm cm. Wenn sie jedoch als Verstärkung für Friktionsmaterialien verwendet werden, weisen die Kohlenstoffasern niedrige Friktionskoeffizienten auf, was im Hinblick auf die Eigenschaften nachteilig ist, die bei Bremsen und der Kraftübertragung erforderlich sind. Die Kohlenstoffasern weisen ebenfalls den Nachteil auf, daß deren hohe Wärmeleitfähigkeit eine erhöhte Wärmeübertragung auf den Träger eines Friktionsmaterials oder das Anschlußglied (üblicherweise aus einem Metall hergestellt) verursacht, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Anschlußgliedes verschlechtert werden.
Vor kurzem wurde ein Versuch gemacht, Kohlenstoffasern, die sich von Teer ableiten, als faserige Verstärkungsmaterialien zu verwenden. Diese Kohlenstoffasern weisen eine Zugfestigkeit von etwa 2 bis 6 g/d und einen Zugelastizitätsmodul von etwa 200 bis 300 g/d auf. Zusätzlich zu ihren geringen Leistungsfähigkeiten und schlechten Eigenschaften als Verstärkungsmaterialien leiden diese Kohlenstoffasern an dem Nachteil der geringen Adhäsion als Formharze.
DE-OS 29 26 616 beschreibt ein Friktionsmaterial, umfassend eine voroxidierte Faser, die sich von Acrylfasern ableitet, die zumindest 5 Gew.% an gebundenem Sauerstoff enthält. Zusätzlich kann eine kohlenstoffhaltige Faser zugegeben werden. Weiterhin können ein Bindemittel, Glasfasern, Stahlwolle oder Phenolformaldehydfasern zu einem solchen Material zugegeben werden.
Ein Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Friktionsmaterial zur Verfügung zu stellen, das ein Verstärkungsmaterial enthält und das einen geeigneten Friktionskoeffizienten (im allgemeinen von etwa 0,3 bis 0,45) und eine hohe Abnutzresistenz aufweist.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung liegt darin, ein Friktionsmaterial zur Verfügung zu stellen, das eine geringe Gewichtsreduktion bei einer höheren Temperatur und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Friktionsmaterial zur Verfügung zu stellen, das kein Asbest enthält.
Die oben genannten sowie andere Ziele dieser Erfindung können durch ein Friktionsmaterial erreicht werden, umfassend von etwa 0,5 bis 29 Gew.% kohlenstoffhaltiger Fasern mit einem Gehalt an gebundenem Stickstoff von etwa 14 bis 21 Gew.%, 1 bis 20 Gew.% Aramidfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials, oder 1 bis 20 Gew.% Phosphatfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials, als eine Verstärkung und ein wärmehärtendes Harz.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Friktionsmaterials gemäß dieser Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 17 enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung des Friktionsmaterials gemäß dieser Erfindung ist in Anspruch 18 enthalten; bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 19 und 20 offenbart.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern, die für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet sind, können durch die folgenden Vorgehensweisen unter Verwendung von Acrylfasern hergestellt werden. Die Acrylfasern leiten sich von einem Acrylpolymer wie einem Acrylnitrilhomopolymer, einem Copolymer oder einer Mischung davon ab, wobei jedes vorzugsweise wenigstens etwa 85 Gew.% Acrylnitril enthält.
Beispiele des Monomers, das in der Lage ist, mit Acrylnitril zu polymerisieren, umfassen Monomere, die saure Gruppen enthalten, wie Itaconsäure, Methallylsulfonsaure, Allylsulfonsäure, Acrylsäure und Natrium- und Kaliumsalze davon, neutrale Monomere wie Methylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylchlorid, Vinylacetat, Hydroxyethylmethacrylat, Polyoxyethylenmethacrylat, und basische Monomere wie Vinylpyridin, Vinylimidazol und Dimethylaminoethylacrylat. Eine mehr bevorzugte Menge an Acrylnitril in dem Acrylpolymer ist zumindest etwa 90 Gew.%. Ein Beispiel eines bevorzugten Acrylpolymers ist ein Copolymer, umfassend zumindest etwa 90 Gew.% Acrylnitril, etwa 0,5 bis 2 Gew.% Itaconsäure und etwa 1 bis 5 Gew.% Methylacrylat. Dieses Copolymer stellt kohlenstoffhaltige Fasern mit einer geringen Thermoschrumpfung zur Verfügung. Ein Friktionsmaterial, das bei einer höheren Temperatur weniger Risse verursacht, kann durch die Verwendung derartiger Fasern erhalten werden.
Die Acrylfaser wird an Luft bei etwa 200 bis 300ºC für etwa 0,1 bis 4 Stunden bei einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d zur Herstellung von voroxidierten Fasern oxidiert. Es ist bevorzugt daß eine Spannung auf die Fasern aufgelegt wird, so daß die Schrumpfung der Faser während der Voroxidation von etwa 25 bis 95%, am meisten bevorzugt von etwa 50 bis 90%, der freien Schrumpfung der Faser ausmacht. Die somit erhaltenen voroxidierten Fasern werden dann für etwa 450 bis 900ºC in einem Inertgas wie Stickstoffgas oder Dampf für etwa 0,1 bis 15 Minuten unter einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d kalziniert. Die kohlenstoffhaltigen Fasern, die erfindungsgemäß verwendet werden, weisen einen Gehalt an gebundenem Stickstoff von etwa 14 bis 21 Gew.% auf. Derartige Fasern weisen üblicherweise einen Gehalt an gebundenem Sauerstoff von etwa 3 bis 10 Gew.% und einen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von etwa 69 bis 83 Gew.%, vorzugsweise von etwa 73 bis 89 Gew.% auf (ein Gehalt an gebundenem Atom bedeutet ein Gehalt des Atomes, das in der Kohlenstoffaser chemisch gebunden ist).
Die kohlenstoffhaltigen Fasern, die durch das Verfahren hergestellt werden, das in dem US-Patent 4.671.950 offenbart ist, und die die Erfordernisse dieser Erfindung erfüllen, können erfindungsgemäß verwendet werden.
Wenn der Stickstoffgehalt der kohlenstoffhaltigen Fasern weniger als etwa 14 Gew.% beträgt, können die Fasern dem Friktionsmaterial keinen ausreichenden Friktionskoeffizienten geben, und die Kohlenstoffasern weisen eine geringe Adhäsion an Harze auf. Wenn der Stickstoffgehalt etwa 21 Gew.% übersteigt, werden die Zugfestigkeit und der Zugelastizitätsmodul der Fasern vermindert, und das Friktionsmaterial, das derartige Fasern enthält, weist eine geringe Biegefestigkeit und Biegeelastizitätsmodul auf. Der Stickstoffgehalt liegt vorzugsweise von etwa 17 bis 18 Gew.%.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern, die erfindungsgemäß verwendet werden, weisen vorzugsweise eine Dichte von wenigstens 1,5 g/cm³ , eine Zugfestigkeit von etwa 3 bis 35 g/d, eine Zugdehnung von etwa 1 bis 5% und einen Zugelastizitätsmodul von etwa 200 bis 1300 g/d auf. Kohlenstoffhaltige Fasern mit einem Stickstoffgehalt von etwa 14 bis 21 Gew.% entfalten eine elektrischen spezifischen Widerstand vnn etwa 0,1 bis 10&sup7; Ohm cm oder eine Isolationseigenschaft. Diese Eigenschaft, kombiniert mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit macht derartige Fasern vorteilhaft für die Verwendung in Friktionsmaterialien. Besonders bevorzugte kohlenstoffhaltige Fasern sind solche, die eine Zugfestigkeit von wenigstens etwa 5 g/d und eine Zugelastizitätsmodul von etwa 500 bis 700 g/d aufweisen.
Der mittlere Durchmesser der Fasern liegt üblicherweise bei etwa 4,0 bis 10 um und die mittlere Länge der Faser ist vorzugsweise von etwa 0,01 bis 6 mm und mehr bevorzugt von etwa 0,02 bis 3 mm im Hinblick auf die gleichmäßige Dispersion der Fasern in dem Friktionsmaterial.
Unter Berücksichtigung der Verstärkungswirkungen und des Friktionskoeffizienten werden die kohlenstoffhaltigen Fasern in das erfindungsgemäße Friktionsmaterial in einer Menge von etwa 0,5 bis 29 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials eingefügt. Wenn der Gehalt an kohlenstoffhaltigen Fasern weniger ist als etwa 0,5 Gew.%, sind die beabsichtigten Verstärkungen unzureichend. Wenn der Fasergehalt etwa 29 Gew. % übersteigt wird es schwierig, den Friktionskoeffizienten angemessenerweise einzustellen.
Hilfsmaterialien, die in das erfindungsgemäße Friktionsmaterial eingefügt werden sollen, umfassen Aramidfasern, Stahlfasern, Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasern, Phosphatfasern, Kaliumtitanatfasern, Kupferfasern und Messingfasern. Diese Fasern werden üblicherweise als Verstärkungen verwendet, und Kupferfasern und Messingfasern werden ebenfalls als ein Antiabnutzmittel verwendet.
Die Fasern weisen üblicherweise eine mittlere Länge von 0,03 bis 5 mm und einen mittleren Durchmesser von etwa 5 bis 20 um auf. Der Gehalt der Fasern, die als ein Hilfsmaterial verwendet werden, liegt üblicherweise von etwa 1,0 bis 20 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials.
Andere geeignete Hilfsmaterialien innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens umfassen Kalziumcarbonat, Aluminiumoxidpulver, Siliziumoxidpulver, die zur Steuerung des Friktionskoeffizienten verwendet werden. Die Teilchengröße dieser Verbindungen liegt üblicherweise von etwa 0,5 bis 20 um Weiterhin können andere Hilfsmaterialien, die bei bekannten Friktionsmaterialien üblicherweise verwendet werden, eingesetzt werden.
Die Hilfsmaterialien werden in einer angemessenen Menge in Abhängigkeit von den Mengen der kohlenstoffhaltigen Faser und des Harzes und den Eigenschaften davon verwendet, unter Erhalt der gewünschten Friktionseigenschaften.
Im Hinblick auf das Schaffen von verbesserten Friktionseigenschaften werden Aramidfasern (mit Warennamen wie Kevlar (hergestellt von Du Pont), Conex (hergestellt von Teijin Co.), TWARON (hergestellt von ENKA Co.), und TECHNORA (hergestellt von Teijin Co.)) als Hilfsmaterialien in einer Menge von etwa 0,5 bis 10 Gew.% eingefügt.
Um die Friktionseigenschaften weiterhin zu verbessern, insbesondere um die Abnutzung zu vermindern und um einen höheren Friktionskoeffizienten zu erhalten, ist es bevorzugt, daß Phosphatfasern in dem erfindungsgemäßen Friktionsmaterial in solchen Mengen verwendet werden, daß die Mengen an den Kohlenstoffasern und den Phosphatfasern jeweils den folgenden Gleichungen (1) bis (3) genügen:
(1) 1,5 ≤ x + y ≤ 30,0
(2) 0,5 ≤ x ≤ 29,0; und
(3) 1,0 ≤ y ≤ 20.0,
worin x der Gehalt der kohlenstoffhaltigen Fasern ist und worin y der Gehalt der Phosphatfasern ist, jeweils ausgedrückt in Gewichts%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials.
Die Phosphatfasern sind aus Kalziumnatriummetaphosphat mit einer ungefähren Formel von 2CaO.Na&sub2;O.3P&sub2;O&sub5; hergestellt. Sie haben üblicherweise ein spezifisches Gewicht von etwa 2,5 bis 3,0, eine Zugfestigkeit von etwa 5 bis 15 g/d und einen Elastizitätsmodul von etwa 300 bis 700 g/d, einen mittleren Faserdurchmesser von etwa 0,5 bis 15 um und eine mittlere Faserlänge von etwa 10 bis 500 um. (Detaillierte Beschreibungen von geeigneten Phosphatfasern sind in dem Bericht der 32nd International SAMPE (The Society for the Advancement of Material and Process Engineering) Symposium (April 6-9, 1987( und US-PS 4.346.028) angegeben.
Wenn die Fasern in einem Friktionsmaterial verwendet werden, entfalten sie eine verlängerte Wärmeresistenz im Vergleich zu der von Asbest.
Der Gesamtgehalt der kohlenstoffhaltigen Fasern (x) und der Phosphatfasern (y) liegt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa 1,5 bis 30,0 Gew.%. Wenn x + y weniger ist als etwa 1,5 Gew.% ist, können die Antiabnutzeigenschaften und die Antireißeigenschaften des Friktionsmaterials nicht ausreichend verbessert werden. Es ist mehr bevorzugt, daß x + y zumindest etwa 6,0 ist. Wenn x + y etwa mehr als 30 Gew.% ist, kann die Stabilität des Friktionskoeffizienten des Friktionsmaterials nicht ausreichend verbessert werden. Es ist mehr bevorzugt, daß x + y nicht mehr als etwa 25,0 ist.
Wenn der Gehalt an den kohlenstoffhaltigen Fasern (x) weniger ist als etwa 0,5 Gew.%, ist die Stärke des Friktionsmaterials unzureichend, es bilden sich leicht Risse, wenn die Temperatur des Friktionsmaterials auf bis zu 500ºC ansteigt, und die Antiabnutzeigenschaften des Friktionsmaterials sind gering. Es ist mehr bevorzugt, daß x mehr als etwa 1,0 Gew.% ist.
Wenn der Gehalt an den kohlenstoffhaltigen Fasern etwa 29,0 Gew.% übersteigt kann der Friktionskoeffizient des resultierenden Friktionsmaterials nicht auf das gewünschte Niveau eingestellt werden (im allgemeinen von etwa 0,3 bis 0,45). Es ist mehr bevorzugt daß x nicht mehr als 15 Gew.% ist.
Wenn der Gehalt an den Phosphatfasern (y) weniger ist als etwa 1,0 Gew.% , ist die Verbesserung des Friktionskoeffizienten gering. Es ist mehr bevorzugt, daß y mehr als 5,0 ist. Wenn y etwa 20,0 Gew.% übersteigt, wird ein unnötig hoher Friktionskoeffizient des resultierenden Friktionsmaterials erhalten, und eine verbesserte Antireißeigenschaft kann nicht erhalten werden. Es ist mehr bevorzugt, daß y nicht mehr als etwa 15 Gew.% ist.
Wärmehärtbare Harze, die für die Verwendung bei dieser Erfindung geeignet sind, umfassen wärmehärtbare Harze wie ein Phenolharz, ein Melaminharz, ein Kondensatprodukt aus einer Cashewnußschalenflüssigkeit und einem Aldehyd, ein Epoxyharz, modifzierte Produkte davon, wie ein phenolmodifiziertes Melaminharz und ein epoxymodifiziertes Phenolharz. Diese wärmehärtbaren Harze werden üblicherweise in einer Menge von etwa 5 bis 35 Gew.%, vorzugsweise von etwa 10 bis 30 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials, eingefügt.
Das erfindungsgemäße Friktionsmaterial kann durch die folgenden Vorgehensweisen hergestellt werden: Die kohlenstoffhaltigen Fasern, die auf eine gewünschte Länge geschnitten sind, und ein Hilfsmaterial, werden in vorbestimmten Mengen abgemessen, dispergiert und in einem Mischer etwa 10 Minuten lang gemischt (vorzugsweise liegt die Rotationsgeschwindigkeit bei etwa 1000 bis 10000 Upm), mit einer vorher bestimmten Menge eines wärmehärtbaren Harzes imprägniert, in eine Form gegeben, und es wird eine gewünschte Form durch Wärmehärten und Druckauferlegung gegeben Wenn gewünscht, kann das geformte Produkt nach dem Herausnehmen aus dieser Form nachgehärtet werden.
Ausser dem geschnittenen Zustand der Fasern, können die kohlenstoffhaltigen Fasern kontinuierlich oder in der Form von Stapelfasern oder Garnen vorliegen. Wenn sie in der Form von Garnen verwendet werden, können die kohlenstoffhaltigen Fasern mit anderen Fasern vermischt werden. In diesem letzteren Fall ist es bevorzugt, daß ein wärmehärtbares Harz wie ein phenolisches Harz, ein Epoxyharz und ein Melaminharz in gemischten Garnen vor der Formgebung imprägniert wird.
Das erfindungsgemäße Friktionsmaterial erfordert kein Asbest, so daß es sowohl im Hinblick auf die Sicherheit als auch auf die öffentliche Gesundheit wunschenswert ist. Zusätzlich ist der Friktionskoeffizient des Materials stabil und die Temperaturabhängigkeit ist gering, wobei Werte von wenigstens 0,25 immer gehalten werden. Zusätzlich weist dieses Friktionsmaterial hohe mechanische Charakteristiken auf und stellt eine ausgezeichnete Energieübertragung und Bremseigenschaften zur Verfügung, wenn es in Automobilen oder in mit Motor angetriebenen Maschinen verwendet wird. Da die kohlenstoffhaltigen Fasern ausgezeichnete Adhäsionseigenschaften aufweisen, ergeben sie ein Friktionsmaterial, das ausgezeichnete Anti-Abnutzeigenschaften und eine hohe Biegefestigkeit aufweist.
Die folgenden spezifischen Beispiele werden nur zum Zwecke der Erläuterung dieser Erfindung in größerem Detail angegeben und sollen nicht als Beschränkung des Umfangs dieser Erfindung angesehen werden. Wenn nichts anderes angegeben ist, beziehen sich alle Teile, Prozentangaben und Verhältnisse in den folgenden Beispielen auf das Gewicht.

Beispiel 1

Acrylfasern, hergestellt aus 95 Gew.% Acrylnitril und 5 Gew.% Methylacrylat (Zugfestigkeit 4,5 g/d; Zugelastizitätsmodul 88 g/d; mittleres Monofilament- Denier: 1,5 d; Gesamtdenier: 4,5 x 10&sup5;) wurden an Luft bei 240ºC unter einer Spannung von 50 mg/d 4 Stunden lang behandelt, unter Erhalt von voroxidierten Fasern mit einer Zugfestigkeit von 2g/d, einem Zugelastizitätsmodul von 90 g/d, einer Dichte von 1,43 g/cm³ und einem Gehalt an gebundenem Sauerstoff von 7%.
Die Fasern wurden dann in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 600ºC unter einer Spannung von 30 mg/d 3 Minuten lang kalziniert unter Erhalt von kohlenstoffhaltigen Fasern. Die Fasern wiesen ein Gehalt an gebundenem Stickstoff von 19%, einen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 70%, eine Zugfestigkeit von 8 g/d, einen Zugelastizitätsmodul von 550 g/d, einen elektrischen spezifischen Widerstand von 3 x 10&sup6; Ohm cm und einen mittleren Durchmesser von 10 um auf.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern wurden mit einem Guillotineschneider auf eine mittlere Länge von 3 mm geschnitten. Die geschnittenen Fasern (20 Teile), ein Kalziumcarbonatpulver (mittlerer Teilchendurchmesser: 15 um; 50 Teile) und ein phenolisches Harz (ein Phenol- Formaldehydharz mit einem Molekulargewicht von etwa 500; 30 Teile) wurden in einem Loedige Mischer 5 Minuten lang gemischt (Loedige AG, Westdeutschland). Die resultierende Mischung wurde bei 150ºC in eine kreisförmige Form gegeben und bei einem Druck von 15 kg/cm² eine Stunde lang warmegehärtet. Das gehärtete Produkt wurde aus der Form herausgenommen und einer weiteren Wärmehärtung bei 200ºC während einer Dauer von 4 Stunden unterworfen, unter Erhalt einer Kupplungsverkleidung mit einer ringförmigen Form mit einer Dicke von 3,5 mm, einem inneren Durchmesser von 130 mm und einem äußeren Durchmesser von 200 mm. Die Leistung der Kupplungsverkleidung wurde entsprechend dem japanischen industriellen Standard (JIS) D 4311 bestimmt.
Testanlage: Dynamometer mit einer Trägheit von 0,1 kgf.m/s²
Anpaßglied zum Gleiten: FC 25 von JIS G 5501 (Graugußprodukt)
Anfängliche Gleitgeschwindigkeit: 7 m/s
Rotationsgeschwindigkeit: 2000 Upm
Frontdruck: 10 kgf/cm²
Der Fraktionskoeffizient wurde bei 0,25 bis 0,31 bis zu einer Oberflächentemperatur von 500ºC gehalten, und der Friktionskoeffizient nach 10&sup4; Stops war nicht weniger als 0,25, die gesamte Menge an Abnutzung während des Testes war nicht mehr als 0,2 g. Diese Werte zeigen, daß die Kupplungsverkleidung, die gemäß Beispiel 1 hergestellt war, ein ausgezeichnetes Friktionsmaterial war. Die Biegefestigkeit dieser Kupplungsverkleidung war 5,0 kgf/mm². Durch Beobachten der gebrochenen Oberfläche unter Verwendung eines Elektronenmikroskops wurde bestätigt, daß eine ausgezeichnete Adhäsivität erhalten wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Kupplungsverkleidung wurde hergestellt, indem die voroxidierten Fasern verwendet wurden, wie sie bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren als ein Zwischenprodukt hergestellt wurden. Eine Kupplungsverkleidung wurde ebenfalls aus karbonisierten Fasern mit einem Gehalt an gebundenem Stickstoff von 8% (ausserhalb des erfindungsgemäßen Bereiches), einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 83%, einer Zugfestigkeit von 20 g/d, einem Zugelastizitätsmodul von 1250 g/d und einem elektrischen spezifischen Widerstand von 8 x 10&supmin;³ Ohm cm hergestellt, die durch Karbonisieren der oben beschriebenen kohlenstoffhaltigen Fasern in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1050ºC für eine Dauer von 3 Minuten unter eine Spannung von 50 mg/d hergestellt worden waren.
Die zwei Vergleichskupplungsverkleidungen wurden im Hinblick auf ihre Friktionseigenschaften bestimmt, und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Die Kupplungsverkleidung, die aus den voroxidierten Fasern hergestellt wurden, wiesen Friktionskoeffizienten auf, die innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 0,23 bis zu einer Temperatur von 500ºC lagen, jedoch bildeten sich viele Risse in der Oberfläche der Kupplungsverkleidung. Die Kupplungsverkleidung, die aus den karbonisierten Fasern hergestellt wurde, wiesen einen Friktionskoeffizient von nur 0,21 auf. Es war daher klar, daß beide Vergleichskupplungsverkleidungen als Friktionsmaterialien nicht geeignet waren.

Vergleichsbeispiel 2

Kohlenstoffhaltige Fasern mit einem Gehalt an gebundenem Stickstoff von 23% (ausserhalb des erfindungsgemäßen Bereiches) wurden auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Temperatur der Stickstoffgasatmosphäre auf 350ºC geändert wurde. Eine Kupplungsverkleidung wurde aus diesen Fasern wie bei Beispiel 1 hergestellt. Mit der Kupplungsverkleidung wurde eine Bestimmung ihrer Friktionseigenschaften durchgeführt; der Friktionskoeffizient war 0,3 bis 0,27, jedoch war die Abnutzung 0,5 g oder mehr. Diese Daten zeigen die geringe Leistung der Kupplungsverkleidung bei einem Friktionsmaterial.

Beispiel 2

Kunststoffhaltige Fasern mit einem Gehalt an gebundenem Stickstoff von 18%, einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 72%, einer Zugfestigkeit von 6 g/d, einem Zugelastizitätsmodul von 560 g/d und einem elektrischen spezifischen Widerstand von 4 × 10&sup6; Ohm cm wurden auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Stickstoffgas durch Dampf ersetzt wurde. Die kohlenstoffhaltigen Fasern wurden mit einem Guillotineschneider auf eine mittlere Länge von 1 mm geschnitten, und unter Verwendung dieser geschnittenen Fasern wurden Kupplungsverkleidungen wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß der Gehalt an den geschnittenen Fasern so geändert wurde, wie es unten in Tabelle 1 gezeigt ist.
Die Eigenschaften dieser Friktionsmaterialien wurden auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 bestimmt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1 zeigt deutlich, daß die Kupplungsverkleidung, die die kohlenstoffhaltigen Fasern in einer Menge innerhalb des Bereiches dieser Erfindung enthält, bessere Eigenschaften als ein Friktionsmaterial entfaltet. Tabelle 1 Kohlenstoffhaltige Fasern (Teile) Kalziumcarbonat (Teile) Phenolharz (Teile) Friktionskoeffizient Menge der Abnutzung *2 (g) gebrochen Messung unmöglich gemacht das gleiche Bemerkungen: *1) Ausserhalb des erfindungsgemäßen Rahmens *2) Gesamte Abnutzungsmenge während 10&sup4; Stops.

Beispiel 3

Eine Kupplungsverkleidung wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß eine Pulpe aus kohlenstoffhaltigen Fasern und Aramidfasern (Kevlar - 29) mit einem Gesamtgehalt von 20 Teilen verwendet wurde.
Die Eigenschaften der Kupplungsverkleidung als ein Friktionsmaterial wurden auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 bestimmt und sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Verwendung von Aramidfasern zu einer Verbesserung der Wirksamkeit der Kupplungsverkleidung beitragen. Tabelle 2 Gehalt an Aramidfasern (Teile) Gehalt an kohlenstoffhaltigen Fasern (Teile) Friktionskoeffizient Menge an Abnutzung (g) *2 *1 und *2 gleiche Bedeutung wie bei Beispiel 2 *3 Aufgrund einer großen Fluktuation des Friktionskoeffizienten war das Bremsen instabil.

Beispiel 4

Kohlenstoffhaltige Fasern wurden wie bei Beispiel 1 hergestellt und auf eine mittlere Länge von 3 mm geschnitten. 15 Teile dieser geschnittenen Fasern wurden in einem Loediger-Mischer mit 50 Teilen des Kalziumcarbonatpulvers und 35 Teilen des phenolischen Harzes vermischt. Die Mischung wurde in eine Form gegeben und bei einem Druck von 150 kgf/cm² und bei 170ºC 30 Minuten lang komprimiert, zur Herstellung eines Automobilscheibenbremsenbelages.
Mit dem Belag wurde ein Friktionstest bei konstanter Geschwindigkeit (JIS D 4411) durchgeführt; der Friktionskoeffizient bei 350ºC war 0,28, und die Menge an Abnutzung war 1,85 x 10&supmin;&sup7; x cm³/kg.m.
Die Bremseigenschaften des Belages wurden mit einem Bremsdynamometer bestimmt. Es wurde festgestellt, daß er gegen einen Schwund resistenter war als ein Belag auf Asbestbasis, und daß er eine verminderte Abnutzung im Vergleich zu dem zuletzt genannten aufwies. Der Belag auf Basis von Asbest wurde hergestellt, indem eine Mischung aus Asbest (25 Teile), Kalziumcarbonat (40 Teile) und ein phenolisches Harz (35 Teile) auf gleiche Weise, wie es oben beschrieben ist, verarbeitet wurde.

Beispiel 5

Acrylfasern, hergestellt aus 93Gew.% Acrylnitril und 7 Gew.% Methylacrylat (Zugfestigkeit: 4,9 g/d; Zugelastizitätsmodul 88 g/d; Dicke 1,5 d; Gesamtfeine 4,5 x 10&sup5; d) wurden an Luft bei 245ºC unter einer Spannung von 60 mg/d für eine Dauer von 3,5 Stunden behandelt, zur Herstellung von voroxidierten Fasern mit einer Zugfestigkeit von 2,1 g/d, einem Zugelastizitätsmodul von 90 g/d, einem spezifischen Gewicht von 1,42 und einem Gehalt an gebundenem Sauerstoff von 8 Gew.%.
Die Fasern wurden dann in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 600ºC unter einer Spannung von 30 mg/d für 2,5 Minuten kalziniert, zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen Fasern. Die Fasern wiesen einen Gehalt an gebundenem Stickstoff von 18 Gew.%, einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von 71 Gew.%, eine Zugfestigkeit von 8.2 g/d, einen Zugelastizitätsmodul von 550 g/d und einen elektrischen spezifischen Widerstand von 3,6 x 10&sup5;Ohm cm auf.
Die kohlenstoffhaltigen Fasern wurden mit einem Guillotine-Schneider auf eine Länge von 3 mm geschnitten. Die geschnittenen Fasern, Phosphatfasern, Kalziumcarbonat und ein phenolisches Harz (die letzten drei Materialien sind die gleichen, wie sie bei Beispiel 1 verwendet wurden), wurden in einem Loedige-Mischer in Mengen, die unten in Tabelle 3 angegeben sind, vermischt. Jede der resultierenden Mischungen wurde in eine kreisförmige Form bei 170ºC gegeben und bei einem Druck von 20 kgf/cm² 30 Minuten lang komprimiert, zur Herstellung eines Ringes (Aussendurchmesser 100 mm; Innendurchmesser 60 mm; Dicke 10 mm) . Die Friktionseigenschaften der somit erhaltenen Ringe (Proben Nr. 1 bis 9) wurden mit der Testanlage unter den unten angegebenen Bedinungen bestimmt, und die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Testanlage: Dynamometer mit einer Trägheit von 0,1 kgf.m/s
Anschlußglied für das Gleiten: FC-25 (JIS G 5501)
Anfängliche Gleitgeschwindigkeit: 10 m/s
Frontflächendruck: 20 kgf/cm² Tabelle 3 Erfüllung der Gleichung *1 Probe Nr. Kohlenstoffhaltige Faser (x) (%) Phosphatfaser (y) (%) Phenolharz (%) Friktionskoeffizient Abnutzmenge (mg/Stop) Minimales und maximales Drehmoment *2 (%) Probe brach während des Messens innerhalb mehr als *1) : bedeutet, daß die Zusammensetzung die entsprechende Formel erfüllt ×: bedeutet, daß die Zusammensetzung die entsprechende Formel nicht erfüllt *2) Der Wert des minimalen und maximalen Drehmomentes im Hinblick auf das mittlere Drehmoment in der Drehmomentkurve pro Stop. *3) Wenn die Temperatur der Probe anstieg, stieg der Friktionskoefficient ebenfalls an.
Aus der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß das Friktionsmaterial dieser Erfindung (Proben 1-4 und 6) ausgezeichnete Ergebnisse im Hinblick auf den Friktionskoeffizienten und die Abnutzungsmenge ergibt, und wenn jede Menge an kohlenstoffhaltigen Fasern, Phosphatfasern und die Gesamtmenge dieser Fasern alle Gleichungen (1), (2) und (3) erfüllen (Proben 1, 2 und 3), können noch bessere Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Drehmomenteigenschaften erhalten werden.

Claims

1. Friktionsmaterial, umfassend von etwa 0,5 bis 29 Gew.% an kohlenstoffhaltigen Fasern mit einem Gehalt an gebundenem Sticktoff von etwa 14 bis 21 Gew.%, 1 bis 20 Gew.% Aramidfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials, oder 1 bis 20 Gew.% Phosphatfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials, als eine Verstärkung, und ein wärmehärtbares Harz.

2. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern von Acrylfasern erhalten sind.

3. Friktionsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern durch Kalzinieren von voroxidierten Fasern, die sich von Acrylfasern ableiten, bei etwa 450 bis 900ºC in einem Inertgas erhalten sind.

4. Friktionsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die voroxidierte Faser durch Oxidation von Acrylfasern erhalten ist, die zumindest etwa 85 Gew.% Acrylnitril enthalten.

5. Friktionsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Voroxidation unter einer solchen Spannung durchgeführt wird, daß die Schrumpfung der Fasern während der Voroxidation von etwa 25 bis 95% der freien Schrumpfung der Faser ist.

6. Friktionsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Voroxidieren bei etwa 200 bis 300ºC für etwa 0,1 bis 4 Stunden unter einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d durchgeführt ist.

7. Friktionsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Kalzinieren für etwa 0,1 bis 15 Minuten unter einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d durchgeführt ist.

8. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern gebundenen Kohlenstoff in einer Menge von etwa 69 bis 83 Gew. % enthalten.

9. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern gebundenen Kohlenstoff in einer Menge von etwa 73 bis 80 Gew. % enthalten.

10. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Faser gebundenen Sauerstoff in einer Menge von etwa 3 bis 10 Gew.% enthält.

11. Friktionsmaterial nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern einen Zugelastizitätsmodul von etwa 200 bis 1300 g/d aufweisen.

12. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Faser einen elektrischen spezifischen Widerstand von etwa 1 bis 10&sup7; Ohm cm aufweist.

13. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmaterial Phosphatfasern enthält, mit dem Vorbehalt, daß die Gewichtsprozente der kohlenstoffhaltigen Fasern und der Phosphatfasern jeweils den folgenden Formeln (1), (2) und (3) genügen:

(1) 1,5 ≤ x + y ≤ 30,0

(2) 0,5 ≤ x ≤ 29,0; und

(3) 1,0 ≤ y ≤ 20,0,

worin x den Gehalt der kohlenstoffhaltigen Fasern und y den Gehalt der Phosphatfasern bedeuten, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials.

14. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmehärtbare Harz in einer Menge von etwa 5 bis 35 Gew.% vorhanden ist, bezogen auf das Gesamtgewicht des Friktionsmaterials.

15. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmehärtbare Harz aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem Phenolharz, einem Melaminharz, einem Kondensatprodukt einer Cashewnußschalenflüssigkeit und einem Aldehyd, einem Epoxyharz und modifizierten Produkten davon.

16. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Friktionskoeffizient des Materials von etwa 0,3 bis 0,45 ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Friktionsmaterials nach Anspruch 1, umfassend das Mischen von kohlenstoffhaltigen Fasern und Hilfsmaterial, Imprägnieren der Fasermischung mit einem wärmehärtbaren Harz und Formen durch Wärmehärtung, wobei die kohlenstoffhaltigen Fasern ein Gehalt an gebundenem Stickstoff von etwa 14 bis 21 Gew.% aufweisen und in das Friktionsmaterial in einer Menge von etwa 0,5 bis 29 Gew.% eingefügt werden.

18. Verfahren zur Herstellung eines Friktionsmaterials nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern durch Voroxidieren von Acrylfasern bei etwa 200 bis 300ºC für etwa 0,1 bis 4 Stunden an Luft unter einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d und durch Kalzinieren der somit erhaltenen Fasern bei etwa 450 bis 900ºC in einem Inertgas unter einer Spannung von etwa 1 bis 300 mg/d für 0,1 bis 15 Minuten hergestellt werden.

19. Verfahren zur Herstellung eines Friktionsmaterials nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Fasern gebundenen Kohlenstoff von etwa 69 bis 83 Gew.% enthalten.

20. Friktionsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Kalziumkarbonat, Aluminiumoxidpulver oder Siliziumoxidpulver enthält.