DE2504931A1

DE2504931A1 - Verfahren zum herstellen eines reibteiles

Info

Publication number: DE2504931A1
Application number: DE19752504931
Authority: DE
Inventors: Ronald Fisher; John Victor Weaver
Original assignee: Dunlop Ltd
Current assignee: Dunlop Ltd
Priority date: 1974-02-08
Filing date: 1975-02-06
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1490347A; AU7775575A; FR2260726A1; FR2260726B1; JPS589070B2; JPS50110465A; US4029829A

Description

Dt. E. Wiegand, ϋϊρί.-mg. n. üwam
Dr. M. [icb!.:r. Γ;!,ί-'Χ £;?.&.&

i Gi'T.! ",V [■'

Telefon, x ;~::;

Telex: 212v?/ KA...¹ D

¥.26 βη/15 12/Hh

Dunlop Limited, London (England)

Verfahren zum Herstellen eines Reihteiles,

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reibteil, der eine ganz aus Kohlenstoff bestehende Oberflächenschicht hat, die durch Kohlenstoffasem verstärkt ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Reibteiles.

In den letzten Jahren hat sich zunehmende Benutzung von Kohlenstoff als Reibteil oder in Reibteilen ergeben, die beim Gebrauch großer Hitze unterworfen werden, beispielsweise bei einer Scheibenbremse für ein Luftfahrzeug oder einen mit hoher Geschwindigkeit fahrenden Eisenbahnzug, und zwar zufolge der Tatsache, daß Kohlenstoff als Wärmesenke geeignet ist und guten Widerstand gegen Wärme— schocks hat.

Es ist vorgeschlagen worden, Reibteile und/oder Wärmesenketeile, die ganz aus Kohlenstoff bestehen und mit Kohlenetoffasern verstärkt sind, zu verwenden, und das Material

5 0 9833/10 7 0

wird hergestellt entweder durch Mehrfachimprägnationsveriahren, hei denen Schichten aus Stoff oder Pilz, die vorverkohlt sein können, wiederholtem Imprägnieren mit Harz und Verkohlen unterworfen werden, um das Harz oder die . Textilfasern und das Harz zu verkohlen, his ein mit Kohlenstoff asern verstärktes Kohlenstoffgehilde erhalten ist, oder durch das Verfahren chemischer Dampfniederschlagung, bei welchem ein verkohlter Textilfasergegenstand, der Schichten aus Graphitstoff oder Grahphitfilz aufweist, in gasförmigen Gemischen, die Kohlenwasserstoffgase enthalten, erhitzt wird, wobei dann das Cracken oder Spalten des Gemischs das Niederschlagen bzw. Anlagern und den Aufbau von Kohlenstoff an den verkohlten Textilfasern hervorruft, so daß dann ein faserverstärktes zusammengesetztes Material erhalten wird·

Dieses faserverstärkte zusammengesetzte Material hat günstige Leistungscharakteristiken im Vergleich mit anderen massiven Kohlenstoff materialien, beispielsweise massivem oder festem Graphit, jedoch hat es den Nachteil, daß seine Herstellung teuer ist, so daß eine Luftfahrzeugbremsscheibe, die ausschließlich aus mit verkohlten Textilfasern verstärktem Kohlenstoff besteht, sehr teuer ist.

Solch dicke Gegenstände sind auch schwierig herzustellen, und zwar insbesondere mittels des Verfahrens chemischer Dampfniederschlagung, weil der niedergeschlagene Kohlenstoff das Bestreben hat, sich zuerst an den Außenflächen des isothermisch erhitzten Textilmaterial zu verdichten und eine Schicht bildet, die das Eintreten von Gasen zum Erhalten eines Aufhaus von Kohlenstoff in ausreichender Dicke durch die volle Dicke des Textilmaterials hindurch verhindert, so daß das Herstellungsverfahren sehr langwierig ist.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, die Kosten der Herstellung von dicken mit Kohlenstoffoberfläche versehenen oder ganz aus Kohlenstoff bestehenden Reibmaterialien wie Bremsscheiben für Luftfahrzeuge und Eisenbahnen, zu verringern,

5 09833/1070

ohne daß die Vorteile, die sich aus der Verwendung von mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoffmaterial als Teil eines Reihpaares ergeben beeinträchtigt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Reibteiles geschaffen, der eine ganz aus Kohlenstoff bestehende Reiboberfläche hat, die aus einer Schicht aus Kohlenstoffasern besteht. Dieses Verfahren umfaßt das Aufbringen einer porösen Schicht aus Kohlenstoff oder verkohl— barem Fasermaterial in diskreter Form und/oder in Textil— form auf wenigstens eine Fläche eines nicht porösen Grundkörpers unter Zwischenanordnung eines verkohlbaren Harzes oder Pechs und das Härten des verkohlbaren Harzes oder Pechs, um die Schicht an dem Grundkörper zu binden. Gemäß dem Verfahren wird weiterhin wenigstens der Grundkörper erhitzt und wenigstens die Schicht wird einem chemischen Verdichtungsver— fahren gemäß vorstehender Beschreibung unterworfen, um eine Reibfläche in Form einer ganz aus Kohlenstoff bestehenden Schicht zu erzeugen, die mit Kohlenstoffasern verstärkt und durch Kohlenstoff an den Grundkörper gebunden ist.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung kann der Grundkörper während der chemischen Dampfniederschlagung auf einer höheren Temperatur als das Material der Schicht gehalten werden, wodurch Kohlenstoff anfänglich der heißeren Grundkörperfläche benachbart in höchster Konzentration niedergeschlagen wird und sich von dort zunehmend durch die Faserschicht hindurch bis zur freiliegenden Oberfläche der Schicht aufbaut. Dies steht im Gegensatz zu der üblichen isothermischen Technik, bei welcher Kohlenstoff anfänglich an der freiliegenden Fläche der Schicht in höchster Konzentration niedergeschlagen wird, wobei hierdurch das Eindringen von Kohlenstoff in die Schicht durch an der Oberfläche niedergeschlagenen Kohlenstoff behindert wird, so daß eine relativ viel längere Behandlung erforderlich ist, weil weitere Bearbeitungsschritte erforderlich sind, um vollständige Kohlenstoffverdichtung über die ganze Dicke der Faserschicht zu erhalten.

50983 3/1070

Der Grundkörper gemäß vorstehender Beschreibung besteht vorzugsweise aus Kohlenstoffmaterial, beispielsweise aus massivem oder festem Graphit, so daß mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ein ganz aus Kohlenstoff bestehender Gegenstand erhalten wird, der wenigstens eine Oberflächenschicht aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff aufweist.

Das Halten des Grundkörpers auf einer Temperatur, die höher als die Temperatur der Faserschicht ist, kann auf irgendeine zweckentsprechende Weise erhalten werden. Der nicht fertiggestellte Gegenstand, der eine Faserschicht aufweist, die durch ein verkohlbares Harz an den Grundkörper gebunden ist, kann elektrischer Hochfrequenzinduktionserhitzung unterworfen werden, auf die ein Grundkörper aus massivem oder festem Graphit mehr anspricht als das Fasermaterial, woraus sich das Ergebnis ergibt, daß der Grundkörper eine höhere Temperatur als die Faserschicht annimmt und während der chemischen Dampfniederschlagung auf dieser höheren Temperatur verbleibt.

Alternativ kann ungleiches Erhitzen des Grundkörpers erzielt werden dadurch, daß ein elektrischer Strom durch den Grundkörper hindurchgeleitet wird, so daß durch seinen Widerstand eine Erhitzung erfolgt.

Das verkohlbare Harz ist vorzugsweise ein Phenolharz mit einer Verkohlungsausbeute von mehr als 50 %, und vorzugsweise 60 % bei 1000° C. Das Harz hat vorzugsweise die nachstehenden Eigenschaften:

Spezifisches Gewicht bei 25° C = 1,115 (im Verhältnis zu Wasser)

Viskosität bei 25° C = 800 cS

Harzgehalt bei 135° C = 60 %

Gelatinierzeit bei 150° C = 180 Sekunden

Das Harz ist vorzugsweise in Methanol und/oder Methylalkohol lösbar.

Ein ganz aus Kohlenstoff bestehender Gegenstand gemäß der Erfindung ist zur Verwendung als kombiniertes Reib- und Wärmesenkeelement in einer Bremse oder Kupplung geeignet. In einer

50983 3/1070

Scheibenbremse für ein Luftfahrzeug" oder für einen mit hoher Geschwindigkeit fahrenden Eisenbahnzug kann jede Bremsscheibe ein einheitlicher Gegenstand sein, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, oder Gegenstände gemäß der Erfindung können als Reibkissen und/oder Wärmesenkeelemente in einer Bremsscheibenausführung vorhanden sein, die eine Trageinrichtung für die Elemente aufweist beispielsweise in Form eines Rahmens, Tragkreuzes od. dgl. aus Metall oder Kohlenstoff.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel I

Ein Blatt oder Bogen aus ein Vorprodukt darstellendem Kohlenstoffstoff aus verkohltem Polyacrylnitril wurde an einer Fläche eines Blocks aus feinkörnigem mit Pech imprägniertem Elektrographit hoher Dichte oder angebracht unter Verwendung einer 10 % Gew.—Vol.—Lösung eines Phenolharzes in Aceton, welches die oben genannten Eigenschaften hat. Das Harz wurde tinter geringem Druck im Bereich von 0,35 bis 7_fÖ kg/cm- bei einer Temperatur von l60° C gehärtet und danach in einer inerten Atmosphäre verkohlt, um das Blatt oder den Bogen wirksam an den Block zu binden. Der halbfertige Gegenstand, der auf diese Weise hergestellt wurde, wurde in einem Gasgemisch aus Methan und Argon unter verringertem Druck während 96 Stunden isotherm erhitzt, so daß Kohlenstoff in dem Stoff niedergeschlagen wurde in einer im wesentlichen gleichmäßigen Dichte von i,65 g/cm .

Beispiel II -

Alle Einzelheiten dieses Beispiels waren die gleichen wie bei Beispiel I mit der Ausnahme, daß mehrere Stoffschichten an die Blockfläche gebunden wurden. Es wurde eine Verdichtung auf i,68 g/cnr überall in den Stoffschichten erhalten. Die Einzelheiten bezüglich der Bindung der Filzschichten an die Oberfläche des Blocks waren im wesentlichen die gleichen wie für Stofflagen mit der Ausnahme, daß. es bevorzugt wurde,

509833/1070

eine 20 % Gew.-Vol.-Harzlösung zu verwenden wegen der Absorption durch der Masse des Filzes.

Beispiel III

Alle Einzelheiten waren im wesentlichen die gleichen wie bei den Beispielen I und II mit der Ausnahme, daß der als eine einzige Schicht oder mehrere Schichten zu verwendende Stoff zuerst vorimprägniert wurde unter Verwendung einer 10 % Gew.-Vol.-Harzlösung, die auf den Stoff gesprüht wurde, der in Form einer flachen Bahn gehalten wurde. Hierdurch wird der Stoff versteift, so daß er bequemer geschnitten werden kann ohne Ausfransen, wobei weiterhin ein Aufsaugen von Harz verhindert ist, welches auf den Block für Bindungszwecke aufgebracht ist.

Beispiel IV

Alle Einzelheiten dieses Beispiels waren die gleichen wie bei Beispiel I mit der Ausnahme, daß ein Vorprodukt-Stoff aus Reyon (Hitco G.1550) verwendet wurde an Stelle des Polyacrylnitril-Vorproduktstoffs, wobei ein Niederschlagen von Kohlenstoff in der gesamten Schicht im wesentlichen gleich— mäßig auf eine Dichte von 1,66 g/cm erhalten wurde.

Beispiel V

Ein Teil aus Polyacrylnitril-Vorproduktfilz wurde zwischen zwei Teilen aus Polyacrylnitril-Vorproduktstoff angeordnet und das auf diese Weise erhaltene Gebilde wurde auf eine Fläche eines Blocks aus Graphit (British Acheson¹s ATJ) aufgebracht unter Zwischenanordnung eines Phenolharzes, welches die oben erwähnten Eigenschaften hatte. Das Harz wurde gehärtet und verkohlt, und der halbfertige Gegenstand wurde in einem chemischen Dampfniederschlagungsverfahren isotherm erhitzt, welches in Übereinstimmung mit Beispiel I ausgeführt wurde. Es wurde ein ganz aus Kohlenstoff bestehender Gegenstand erhalten, in welchem die Kohlenstoffdichte in der faserverstärkten Kohlenstoff schicht 1,73 g/cnr betrug.

509833/ 1070

Beispiel VI

Ein Teil aus Polyacrylnitril-Vorproduktfilz wurde auf eine Fläche eines Blocks aus Graphit (British Acheson*s ATJ) aufgebracht unter Zwischenanordnung eines Phenolharzes, welches die often erwähnten Eigenschaften hatte. Das Harz wurde unter geringem Druck gehärtet und danach in einer inerten Atmosphäre verkohlt, um den Filz an den Block zu binden. Der auf diese Weise hergestellte halbfertige Gegenstand wurde in einem Gasgemisch aus Methan und Stickstoff während 18 Stunden einer elektrischen Hochfrequenzinduktionserhitzung unterworfen, die zu einer Verkohlung des Filzes und Niederschlagung des Kohlenstoffs überall in dem Filz auf eine im wesentlichen, gleichmäßige Dichte von i,77 g/cnr führte. <

Bei diesem Beispiel war relativ zu den vorhergehenden Beispielen eine viel kürzere Zeit erforderlich, um eine größere Kohlenstoffverdichtung zu erzielen. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß während des chemischen Dampfniederschiagens der Graphitblock eine höhere Temperatur als der Filz hatte. Diese höhere Temperatur führte zu einer größeren Verdichtung des anfänglich dem Graphitblock benachbart niedergeschlagenen Kohlenstoffs, wobei der niedergeschlagene Kohlenstoff eine Front bildete, die sich progressiv durch die Textilschicht zu deren freiliegender Außenfläche bewegte.

Durch sicheres Binden einer faserverstärkten Kohlenstoffschicht an einen Graphitblock kann ein Reibelement erzeugt werden, welches viel billiger als ein Kohlenstoffelement ist, welches über seine-gesamte Dicke faserverstärkt ist, und zwar ohne daß die Reibeigenschaften von textilfaserverstärktem Kohlenstoff für die Heibflache des Elementes beeinträchtigt sind.

Weiterhin ist durch die Anwendung einer nicht isothermen Niederschlagungstechnik ein Herstellungsverfahren geschaffen, welches schneller und wirksamer als bisherige Verfahren ist, wobei mit diesem Verfahren ganz aus Kohlenstoff bestehende Gegenstände mit einer faserverstärkten Oberflächenschicht hergestellt werden.

509833/1070 . · '

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Reihteiles, der eine ganz aus Kohlenstoff bestehende Reibfläche hat, die eine Schicht aus Kohlenstoffasern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Schicht aus Kohlenstoff oder verkohlbarem Fasermaterial in diskreter Form und/oder Textilform auf wenigstens eine Fläche eines nicht porösen Grundkörpers aufgebracht wird, wobei zwischen dem Gründkörper und der Schicht ein verkohlbares Harz oder Pech aufgebracht wird, das verkohlbare Harz oder Pech gehärtet wird, um die Schicht an den Grundkörper zu binden, wenigstens der Grundkörper erhitzt wird und wenigstens die Schicht einem chemischen Verdichtung sve rf ahren unterworfen wird, um eine Reibfläche in Form einer ganz aus Kohlenstoff bestehenden Schicht zu bilden, die mit Kohlenstoffasern verstärkt und mittels Kohlenstoff an den Grundkörper gebunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als chemisches Verdichtungsverfahren ein chemisches Dampfniederschlagungsverfahren angewendet wird, bei welchem die Schicht in Gegenwart eines Kohlenwasserstoffgases erhitzt wird, wodurch Kohlenstoff an der Schicht durch Spaltung des Gases verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper während der chemischen Dampfniederschla— gung auf einer Temperatur gehalten wird, die höher als die Temperatur des Materials der Schicht ist, wodurch Kohlenstoff anfänglich nahe der heißeren Grundkörperfläche in höchster Konzentration niedergeschlagen wird und sich von dort fortschreitend durch die Faserschicht zu deren freiliegender Fläche aufbaut.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise massivem oder festem Graphit gebildet ist, so daß ein ganz aus Kohlenstoff bestehender Gegenstand er-

509833/1070

halten wird, der wenigstens eine Oberflächenschicht aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbfertige Gegenstand, der eine Faserschicht, die durch ein verkohltes Harz an den Grundkörper gebunden ist, aufweist, einer elektrischen Hochfrequenzinduktionserhitzung unterworfen wird, auf die der Grundkörper mehr anspricht als das Fasermaterial, so daß der Grundkörper während der chemischen Verdichtung eine Temperatur annimmt, die höher als die Temperatur der Schicht ist, und diese höhere Temperatur beibehält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper während der chemischen Verdichtung auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als die Temperatur der Schicht ist, indem elektrischer Strom durch den Grundkörper hindurchgeleitet wird, so daß durch den Widerstand des Grundkörpers seine Erhitzung bewirkt wird,

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verkohlbare Harz ein Phenolharz ist mit einer Verkohlungsausbeute von mehr als 50 % bei 1000° C.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein verkohlbares Harz mit folgenden Eigenschaften verwendet wird:

Spezifisches Gewicht bei 25° C = 1,115 Viskosität bei 25° C s 800 cS

Harzgehalt bei 135° C .β 60 % Gelatinierungszeit bei 150° C = 180 Sekunden

9. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verkohlbare Harz in Methanol und/ oder Methylalkohol lösbar ist.

509833/107 0