WO1993016207A1 - Sinterreibwerkstoff fur reibschlüssige elemente, sowie verfahren zum herstellen derselben - Google Patents

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Detlef Gonia
Lothar Schneider
Heinz Rebsch
Marion Eckhardt
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Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
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Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/027—Compositions based on metals or inorganic oxides

Definitions

  • the invention relates to a sintered friction material in powder form with an iron matrix and a proportion of graphite for the production of frictional elements, in particular of synchronization bodies.
  • Such sintered friction materials are used for frictional elements, which are part of clutches, brakes or synchronization devices, for example.
  • a main area of application is synchro rings, from which high load limits are required.
  • a friction element for oil running is known from DD-PS 89 727, which is intended for single-disc and multi-plate clutches, brakes or synchronous rings.
  • This known friction element is manufactured using powder metallurgy. It receives iron powder metallic additives of nickel, copper and lead as well as graphite, each in powder form. The use of lead results in a considerable health hazard both in the manufacture and in the use of the friction element.
  • the friction element made from this material tends to show strong adhesion, which manifests itself in a non-uniform torque build-up and seizures.
  • DE-GM 73 42 680 describes a synchronizer ring made of sintered steel, on which a thin molybdenum layer is applied in the area of the friction surface.
  • Molybdenum spray material is an expensive material. As a rule, it must be brought to the required surface dimensions on the synchronizing ring by grinding.
  • the applied layer has a relatively large surface roughness, so that the effective friction surface is comparatively small. In particular, this can lead to strong heating in the friction surface, which can result in the synchronizer ring and synchronizer body seizing and the molybdenum layer becoming detached.
  • the object of the invention is to create a sintered friction material which can withstand high loads with a sufficient coefficient of friction, in particular with regard to surface pressure and friction speed.
  • This sintered material is said to be able to be used inexpensively in the manufacture of frictionally locking elements, in particular of synchronizing bodies, such as synchronizing rings.
  • the recyclability of the sintered friction material and the frictional elements produced using it should be improved.
  • the powdery material contains a proportion of graphite from 15 to 30 percent by volume and an alloy content of 0.3 to 6 percent by mass of phosphorus, boron and / or sulfur.
  • the friction and wear behavior of the material is optimized by the proportion of graphite of at least 15 percent by volume.
  • the alloy proportions especially if they are not only dissolved in iron, but also as phosphides, borides or sulfides of iron, greatly reduce the tendency of the iron matrix to weld or eat. By not using lead, the health hazard in the manufacture of the known material is eliminated.
  • a relatively coarse-grained graphite powder or a graphite powder mixture with a large particle size distribution range is preferably used.
  • the graphite is natural graphite, with which the desired grain size spectrum is achieved. This takes place above all if, in a further embodiment of the invention, the average grain size of natural graphite is 20 to 120 ⁇ m.
  • the sintered friction material according to the invention can be designed in such a way that it contains a proportion of 5 to 15 volume percent of non-metallic substances which are constituted from metal oxides, metal carbides and / or alkaline earth metal sulfates. It has proven to be advantageous if these substances are used not as a chemical, but preferably as a natural substance in the form of mineral flour.
  • the invention also relates to a method for producing a friction lining from a sintered friction material described above.
  • the powdery starting components are mixed intimately, pressed at a pressure of 300 to 800 MPa and sintered at a temperature of 950 to 1150 ° C. in a protective gas atmosphere.
  • the atmosphere can be inert or reduced.
  • the invention relates to a frictional element, in particular a synchronizer ring, with a friction lining made of the sintered friction material described above.
  • the carrier for the friction lining consists of sintered steel.
  • the joining problem according to the invention can be solved either by pressing and sintering the friction lining and carrier material together or by sintering the friction lining material onto a steel beam.
  • the friction lining is a component of the gradient structure of a sintered steel synchronizer ring. It must be emphasized that this type of joining is particularly cost-effective.
  • the friction material has the level of friction required for use in synchronizers.
  • the axial wear is less than 0.5 mm under normal load after 100,000 switching operations.
  • Recyclability can be illustrated using the example of a synchronizer ring with a friction lining according to the invention, since the synchronizer ring has the same material base as the construction materials of the transmission.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sinterreibwerkstoff in Pulverform mit Eisen-Matrix und einem Anteil an Graphit zum Herstellen reibschlüssiger Elemente. Der Sinterreibwerkstoff soll bei ausreichendem Reibwertniveau hohen Belastungen standhalten und außerdem kostengünstig beim Herstellen reibschlüssiger Elemente verwendet werden können. Weiterhin soll die Recyclebarkeit der unter Verwendung des Sinterreibwerkstoffes hergestellten reibschlüssigen Elemente verbessert werden. Dies wird erreicht durch einen Anteil an Graphit von 15 bis 30 Volumenprozent und einen Legierungsanteil von 0,3 bis 6 Masseprozent Phosphor, Bor und/oder Schwefel. Ein Hauptanwendungsgebiet sind Synchronringe, von denen hohe Belastungsgrenzen gefordert werden.

Description

S.nterreibwerkstoff für reibschlussige elemente, sowie verfahren zum herstellen desselben.
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Sinterreibwerkstoff in Pulver form mit Eisen-Matrix und einem Anteil an Graphit zum Her¬ stellen reibschlüssiger Elemente, insbesondere von Synchro nisierungskörpern. Derartige Sinterreibwerkstoffe werden für reibschlüssige Elemente verwendet, die beispielsweise Bestandteil von Kupplungen, Bremsen oder Synchronisierungs einrichtungen sind. Ein Hauptanwendungsgebiet sind Synchro ringe, von denen hohe Belastungsgrenzen gefordert werden.
Zur Erzielung der erforderlichen Eigenschaften sind ver¬ schiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden. So ist aus der DD-PS 89 727 ein Reibelement für öllauf bekannt, das für Einscheiben- und Lamellenkupplungen, Bremsen oder Syn- chronringe bestimmt ist. Dieses bekannte Reibelement wird pulvermetallurgisch hergestellt. Dabei erhält Eisenpulver metallische Zusätze von Nickel, Kupfer und Blei sowie Graphit, jeweils pulverför ig. Die Verwendung von Blei hat sowohl bei der Herstellung als auch beim Gebrauch des Reibelementes eine erhebliche Gesundheitsgefährdung zur Folge. Außerdem neigt das aus diesem Werkstoff hergestellte Reibelement wegen seines vergleichsweise zu geringen Graphitgehalteε bei höheren Belastungsparametern zu starken Adhäsionserschei¬ nungen, die sich in einem ungleichförmigen Momentaufbau und Freßerscheinungen äußern.
Das DE-GM 73 42 680 beschreibt einen Synchronring aus Sin¬ terstahl, auf den eine dünne Molybdänschicht im Bereich der Reibfläche aufgetragen ist. Molybdän-Spritzmaterial ist ein teurer Werkstoff. Es muß in der Regel auf dem Syn- chronring durch Schleifen auf die geforderten Oberflächen¬ maße gebracht werden. Die aufgetragene Schicht besitzt eine relativ große Oberflächenrauhigkeit, so daß die tat¬ sächlich wirksame Reibfläche vergleichsweise klein ist. Insbesondere hierdurch kann es zu starken Erhitzungen in der Reibfläche kommen, was ein Fressen von Synchronring und Synchronkörper sowie eine Ablösung der Molybdänschicht nach sich ziehen kann.
Der Erfindun liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sinterreib¬ werkstoff zu schaffen, der bei ausreichendem Reibwertniveau hohen Belastungen standhält, insbesondere hinsichtlich Flächenpressung und Reibgeschwindigkeit. Dieser Sinterwerk¬ stoff soll kostengünstig beim Herstellen von reibschlüssi¬ gen Elementen, insbesondere von Synchronisierungskörpern, wie Synchronringen, verwendet werden können. Außerdem soll die Recycelbarkeit des Sinterreibwerkstoffes und der unter seiner Verwendung hergestellten reibschlüssigen Elemente verbessert werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der pulverförmige Werkstoff einen Anteil an Graphit von 15 bis 30 Volumenprozent und einen Legierungsanteil von 0,3 bis 6 Masseprozent Phosphor, Bor und/oder Schwefel aufweist.
Durch den Anteil des Graphits von mindestens 15 Volumenpro¬ zent wird das Reib- und Verschleißverhalten des Werkstoffes optimiert. Die Legierungsanteile, insbesondere wenn diese nicht nur im Eisen gelöst, sondern auch als Phosphide, Boride oder Sulfide des Eisens vorliegen, setzen die Neigung der Eisen-Matrix zum Verschweißen oder Fressen stark herab. Durch den Verzicht auf Blei wird die Gesundheitsgefährdung bei der Herstellung des bekannten Werkstoffes beseitigt.
Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung ein relativ grobkörni- ges Graphitpulver oder eine Graphitpulvermischung mit einer hohen Teilchengrößenverteilungsbreite eingesetzt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Graphit um Naturgraphit, mit dem das gewünschte Korngrößenspektrum erreicht wird. Dies erfolgt vor allem dann, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die mittlere Körnung des Natur- graphitε 20 bis 120 um beträgt.
Der Sinterreibwerkstoff gemäß der Erfindung kann so ausge¬ staltet werden, daß er einen Anteil von 5 bis 15 Volumenpro- zent nichtmetallischer Stoffe enthält, die aus Metalloxiden, Metallkarbiden und/oder Erdalkalisulfaten konstituiert werden. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn diese Stoffe nicht als Chemikalie, sondern vorzugsweise als natür¬ licher Stoff in Form von Mineralmehl eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Reibbelags aus einem vorstehend beschriebenen Sinter¬ reibwerkstoff. Dabei werden die pulverförmigen Ausgangskom¬ ponenten innig gemischt, mit einem Druck von 300 bis 800 MPa verpreßt und bei einer Temperatur von 950 bis 1.150 °C in Schutzgasatmosphäre gesintert. Bei der Schutzgasatmos- phäre kann es sich um inerte oder reduzierte Atmosphäre handeln.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein reibschlüssiges Ele- ment, insbesondere einen Synchronring, mit einem Reibbelag aus dem vorstehend beschriebenen Sinterreibwerkstoff. Dabei besteht der Träger für den Reibbelag aus Sinterstahl. Auf diese Weise kann das Fügeproblem gemäß der Erfindung entwe¬ der durch gemeinsames Pressen und Sintern von Reibbelag- und Trägerwerkstoff oder durch Aufsintern des Reibbelagwerk¬ stoffes auf einen Stahlträger gelöst werden. Der Reibbelag stellt im ersten Fall einen Bestandteil des Gradientengefü- ges eines Sinterstahlsynchronringes dar. Es muß hervorgeho¬ ben werden, daß diese Art des Fügens besonders kostengünstig ist.
Tests haben ergeben, daß der Reibwerkstoff das für den Einsatz in Synchronisierungen erforderliche Reibwertniveau aufweist. Der Axialverεchleiß beträgt bei normaler Belastung nach 100.000 Schaltungen weniger als 0,5 mm.
Am Beispiel eines Synchronringes mit einem Reibbelag gemäß der Erfindung kann die Recycelbarkeit veranschaulicht wer¬ den, da der Synchronring die gleiche Werkstoffbasis wie die Konstruktionswerkstoffe des Getriebes aufweist.

Claims

Patentansprüche:
1. Sinterreibwerkstoff in Pulverform mit Eisen-Matrix und einem Anteil an Graphit zum Herstellen reibschlüssiger Elemente, insbesondere von Synchronisierungskörpern, gekennzeichnet durch einen Anteil an Graphit von 15 bis 30 Volumenprozent und einen Legierungsanteil von 0,3 bis 6 Masseprozent Phosphor, Bor und/oder Schwefel.
2. Sinterwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit aus Naturgraphit oder einer Mischung von Naturgraphiten besteht.
3. Sinterreibwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die mittlere Körnung des Naturgraphits 20 bis 120 μm beträgt.
4. Sinterreibwerkstoff nach einem der vorstehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Anteil von 5 bis 15 Volumenprozent nichtmetallischer Stoffe enthält, die aus Metalloxiden, Metallkarbiden und/oder Erdalkalisul¬ faten konstituiert sind.
5. Sinterreibwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, daß die Metalloxide, Metallkarbide und/oder Erdalkali¬ sulfate als natürliche Stoffe in Form von Mineralmehlen vorliegen.
6. Sinterreibwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Porenvolumen von bis zu 40 % aufweist.
7. Verfahren zum Herstellen eines Reibbelags aus einem Sinterreibwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Sinterreib¬ werkstoff mit einem Druck von 300 bis 800 MPa verpreßt und bei einer Temperatur von 950 bis 1.150 °C in Schutz- gasatmosphäre gesintert wird.
8. Reibschlüssiges Element, insbesondere Synchronring, mit einem Reibbelag aus einem Sinterreibwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den Reibbelag aus Sinterstahl besteht, und der Reibbelag einen Bestandteil eines Gradientengefügeε darstellt.
9. Reibschlüssiges Element, insbesondere Synchronring mit einem Reibbelag aus einem Sinterreibwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag auf einen Träger aus Stahl gesintert ist.
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