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Die volle Leistung einer auf Reibung basierenden Bremse wird erst nach einem Einlaufvorgang erreicht. Dieser ist notwendig, um auf Belag und Scheibe eine sogenannte Reibschicht aufzubauen. Da diese Zwischenschicht das Reibungsverhalten des Systems maßgeblich bestimmt, ist es wichtig, sich Klarheit über ihre chemische Zusammensetzung, Mikrostruktur und die daraus resultierenden Eigenschaften zu verschaffen.
Als Basismaterial diente ein phenolharzgebundener Belag Jurid 57-62, der mit verschiedenen Parametern (Flächenpressung und Umdrehungsgeschwindigkeit) gegen eine Stahlscheibe getestet wurde. Es wurden Dauerbremsungen von jeweils einer Stunde bzw. bis zu einem maximalen Belagverschleiß von 1 mm simuliert, wobei die Entwicklung der Reibzahl und die Oberflächentemperatur der Scheibe registriert wurde.
Zur Analyse der Reibschichten auf dem Bremsbelag wurden mehrere Methoden parallel angewandt. So wurden Verschleißpartikel, die aus der Reibschicht stammen, gesammelt bzw. abgekratzt und nach Dispergieren auf Kohlefolien direkt im Transmissionselektronenmikros-kop (TEM) untersucht. Ferner wurden von einigen ausgesuchten Belagproben Mikrotom-schnitte sowie dünne Querschnittsfolien für die TEM-Untersuchung präpariert, um den Verbund Reibschicht-Grundmaterial darstellen zu können. Als Ergänzung wurden ferner oberflächenmorphologische und –analytische Verfahren wie REM/EDX und ESCA eingesetzt.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Reibschicht nanokristallin ist, und dass fast alle anorganischen Bestandteile des Bremsbelags sowie Eisenoxid von der Bremsscheibe in sehr fein verteilter Form vorliegen. Bei Belägen ohne Metallanteil bildet eine Barium-Eisen-Sulfatphase offenbar die Grundstruktur der Reibschicht, während auf eisenhaltigen Belägen Eisenoxid dominierend ist. Die nanokristalline Mikrostruktur entsteht, ähnlich wie beim mechanischen Legieren, durch einen Mahlvorgang von Verschleißpartikeln zwischen den Reibpartnern. Bei Überlastung des Belags tritt Zersetzung der Polymer-Bindephase ein, was zu einem raschen Anstieg der Verschleißrate führt.
Metallsulfide werden den meisten Bremsbelägen als Reibungsstabilisatoren zugesetzt, obwohl die Auswirkungen auf die Bremsleistung sowie die Art und Weise, wie sie im dritten Körper wirken, wenig verstanden ist. Um zu untersuchen wie synergistische Effekte im Tribofilm das Reibverhalten bestimmen, wurde eine Stift-Scheibe-Anordnung mit Pulverzufuhr genutzt, welche einen künstlichen dritten Körper erzeugt. Die verwendeten Pulvermischungen wurden nach dem Bottom-up-Prinzip entwickelt: Beginnend mit Einstoffsystemen wird über Zweistoffsysteme aus Magnetit und Metallsulfid (Massenanteile: 85 % zu 15 %) zu Dreistoffsystemen aus Magnetit (85 %), Graphit (7,5 %) und Metallsulfid (7,5 %) entwickelt. Zusätzlich wurden ausgewählte ternäre Pulvermischungen mittels Hochenergie-Kugelmühle gemahlen, um Partikelgrößen im Nanometerbereich zu erhalten. Sämtliche Pulvermischungen wurden bei Raumtemperatur und bei 400 °C getestet, um die höheren Beanspruchungen während eines Bremsvorgangs zu simulieren. Des Weiteren wurde in oxidierender und nicht-oxidierender Atmosphäre getestet, um den Einfluss der Oxidbildung zu identifizieren. Die mittleren Reibungszahlen bei 400 °C und in Luft sind durchschnittlich höher als in Stickstoffatmosphäre, was der Bildung von Metalloxiden zugeordnet werden kann und durch thermische Analysen an den Pulvern bestätigt wird. Es zeigt sich, dass die Verwendung von nur einem Metallsulfid in einer Rezeptur für Bremsbeläge nicht ausreichend ist, um die Reibungszahl dieses Tribosystems unter verschiedenen Beanspruchungen zu stabilisieren. Ein stabileres Reibverhalten konnte erreicht werden, indem zwei verschiedene Festschmierstoffe als Reibungsstabilisatoren kombiniert wurden.