1. Einleitung. Sintermetall-Reibwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die pulvermetallurgisch hergestellt werden. Sie bestehen aus Metallen und deren Legierungen als Matrix, denen Reibungs- und Schmierstoffe zugesetzt werden. Sie sind Schlüsselkomponenten von Reibkupplungen und Bremsen. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, einen geeigneten und stabilen Reibungskoeffizienten, einen ruhigen und zuverlässigen Betrieb sowie Vorteile wie Verschleißfestigkeit und geringe Verschmutzung aus. Sie sind der am weitesten verbreitete und am häufigsten verwendete Werkstoff unter den modernen Reibwerkstoffen. Die Herstellung von Sintermetall-Reibwerkstoffen mittels Pulvermetallurgie hat eine 70-jährige Geschichte. Die Forschung auf diesem Gebiet begann 1929 in den Vereinigten Staaten, und Ende der 1930er Jahre wurde der Werkstoff erstmals in den Kupplungsscheiben der Lastflugzeuge D-7 und D-8 eingesetzt. Heute verwenden alle Flugzeuge mit hoher Belastung, darunter MiG, Il-7, Boeing 707, 747 und Trident, Sintermetall-Reibwerkstoffe für ihre Bremsbeläge. In meinem Land haben sich Forschung und Produktion von Sintermetall-Reibmaterialien, insbesondere nach 1965, rasant entwickelt. Aktuell gibt es in meinem Land mehr als zehn Produktionsbetriebe mit einer gewissen Produktionsgröße, die jährlich rund 8,5 Millionen Reibprodukte auf Kupfer- und Eisenbasis herstellen. Diese Produkte finden breite Anwendung in der Luftfahrt, im Schiffbau, im Maschinenbau, in der Landwirtschaft, bei Nutzfahrzeugen und anderen Bereichen und decken im Wesentlichen den Bedarf an Ersatzteilen für inländische Hauptmotorenkomponenten und importierte Reibscheiben. 2 Herstellungsverfahren und Prozessforschung 2.1 Herstellungsverfahren Die Herstellung von Sintermetall-Reibmaterialien erfolgt im In- und Ausland derzeit hauptsächlich nach dem von S.K. Wellman und seinen Kollegen 1937 in den USA entwickelten Drucksinterverfahren im Glockenofen. Die grundlegenden Schritte dieses Verfahrens sind: Bearbeitung der Stahlgrundplatte → Entfetten und Galvanisieren einer Kupferschicht (oder einer Kupfer-Zinn-Schicht); Rezepturmischung → Pressen zu dünnen Blechen → Sintern mit Stahlrückwand → Bearbeitung von Nuten und Flächen. Aufgrund der Nachteile des traditionellen Drucksinterverfahrens, wie hohem Energieverbrauch, relativ geringer Produktionseffizienz, niedriger Rohstoffpulverausnutzung und hohen Kosten, haben einige Länder Verbesserungen am traditionellen Verfahren vorgenommen und gleichzeitig der Forschung neuer Verfahren große Bedeutung beigemessen. Ziel ist es, die Wirtschaftlichkeit zu steigern und gleichzeitig die Produktleistung zu verbessern oder zu sichern. Neue Fertigungsverfahren sind in rascher Folge entstanden. Besonders hervorzuheben ist das Pulversprühverfahren, das sich durch hohe Produktionseffizienz und erhebliche wirtschaftliche Vorteile auszeichnet. Die industrielle Herstellung von gesinterten Metallreibungsmaterialien mittels Sprühverfahren begann in den 1970er Jahren. Unternehmen wie Wellman in den USA, Olinghaus und Jurit in Westdeutschland sowie Miba in Österreich beherrschten diese Technologie. Mitte der 1980er Jahre übernahm das Hangzhou Powder Metallurgy Research Institute diese Technologie von der Miba AG in Österreich. Der grundlegende Ablauf des Sprühverfahrens ist wie folgt: Die Stahlträgerplatte wird in einem Lösungsmittel (z. B. Tetrachlorkohlenstoff) entfettet (oder galvanisiert) → das Mischmaterial wird auf die Stahlträgerplatte gesprüht → Vorbrennen → Einpressen der Nuten → Endbrennen → Endbearbeitung. Im Vergleich zum herkömmlichen Pressverfahren bietet das Sprühverfahren folgende Vorteile: (1) Es ermöglicht kontinuierliches Sintern ohne Druck und reduziert den Energieverbrauch. (2) Durch das lose Sintern wird der Pulveranteil vollständig reduziert, wodurch eine hochporöse Reibauskleidung entsteht, die den Reibungskoeffizienten deutlich verbessert. (3) Der Öltank wird durch das Aufbringen einer Funktionsbeschichtung und anschließendes Kaltpressen anstelle des Zuschnitts hergestellt, was wirtschaftlich und effizient ist. (4) Anstelle des Zuschnitts wird eine Endbearbeitungsebene verwendet, was zu einer hohen Materialausnutzung und einer hohen Produktdicke sowie Parallelitätsgenauigkeit führt. (5) Reibscheiben mit extrem dünner Reibbelagschicht (0,2–0,35 mm) können bedarfsgerecht hergestellt werden, was mit anderen Verfahren schwer zu erreichen ist. Vorliegende Daten zeigen, dass das Sprühverfahren im Vergleich zum Pressverfahren etwa 45 % Nichteisenmetallpulver (z. B. Kupfer, Zinn und Blei), etwa 75 % Strom und etwa 40 % Arbeitszeit einspart. Derzeit wird das Sprühverfahren hauptsächlich zur Herstellung dünner Reibmaterialien auf Kupferbasis eingesetzt; bisher ist nur eine Anwendung für die Herstellung von Reibmaterialien auf Eisenbasis bekannt. In- und ausländische Forscher im Bereich der Pulvermetallurgie haben zudem über 20 weitere Herstellungsverfahren entwickelt, von denen die folgenden vielversprechend sind und derzeit Anwendung finden: 2.1.1 Ein Verfahren ist das Stanzen vor dem Brennen. Das Pulvergemisch wird aus einem Trichter über eine Rutsche in einen Dosiertrichter mit darunterliegendem Förderband geleitet, automatisch in eine Presse befördert und dort zu dünnen Platten verpresst. Anschließend wird es in die gewünschte Form gestanzt und schließlich gesintert, um das Endprodukt zu erhalten. Dieses Verfahren beinhaltet die kontinuierliche Druckbeaufschlagung, macht Formen überflüssig und erzeugt eine gleichmäßige Pulverschichtdichte und -festigkeit bei gleichzeitig einfacher Anpassung der Pulverschichtdicke. Ein anderes Verfahren sieht das Brennen vor dem Stanzen vor. Dabei wird Pulver auf ein Stahlband gestreut, lose gesintert und anschließend in Form gestanzt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sich das Stahlband während des Sinterns im Ofen verformt, was zu Vibrationen und Verschiebungen der Pulverschicht und somit zu ungleichmäßiger Pulverschichtdicke führt. Um diesen Nachteil zu beheben, schlägt dieses Patent vor, die Rückseite des Stahlbandes mit Ruß zu beschichten, es zunächst in einen Voroxidations-Sinterofen zu geben und es mit 15 °C/s schnell auf 400 °C (Kupferbasis) zu erhitzen. Anschließend wird es in einem Ofen mit langsamer Aufheizrate (5 °C/s) zum Sintern in reduzierender Atmosphäre platziert, wodurch eine gleichmäßige Reibauskleidung erzielt wird. 2.1.2 Plasmaspritzen eignet sich zum Beschichten hochtemperaturbeständiger Reibmaterialien wie Co, Mg, Ti, W, Cr und Gemischen aus Carbiden und Oxiden. Die Schutzgasatmosphäre besteht aus 20 % Wasserstoff und 80 % Argon. Die Spritztemperatur erreicht 1500–2000 °C, die Spritzgeschwindigkeit 500–1000 g/h und die resultierende Härte der Beschichtung 1000 HV. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Reibscheiben für elektromagnetische Kupplungen und Bremsen. Für Reibbauteile, die ein geringes Gewicht erfordern, wird häufig Aluminium anstelle von Stahl verwendet. Aluminium ist jedoch nicht verschleißfest. Durch das Aufsprühen einer Schicht aus verschleißfestem Cermet werden die Vorteile der Härte und Verschleißfestigkeit von Keramik mit der guten Duktilität und Schlagfestigkeit von Metall kombiniert. Das Gewichtsverhältnis von Keramik zu Metall beträgt 85:15 bis 75:25. Solange das Metall beim thermischen Spritzen vollständig aufgeschmolzen wird (ohne Überschreiten des Siedepunkts), ist die Qualität gewährleistet. 2.1.3 Beim elektrolytischen Abscheidungsverfahren wird zunächst ein Metallgerüst auf einem mit Metall oder Graphit vorbehandelten porösen Material elektrolytisch abgeschieden. Das poröse Material besteht in der Regel aus kohäsiven Fasern wie Schwämmen oder Schäumen. Nach der Bildung des Metallgerüsts kann das poröse Material entweder im Inneren verbleiben oder durch Erhitzen geschmolzen oder abgebrannt werden. Anschließend werden die Zwischenräume im Metallgerüst mit einem Reibmaterial gefüllt. Als Reibmaterial kann ein Metall wie Blei oder Zinn oder ein duroplastisches Harz verwendet werden. Das Metallgerüst nimmt nur 10 % bis 30 % des Gesamtvolumens ein. Nach dem Füllen mit dem Reibmaterial entsteht eine Reibauskleidung, die mittels Lötzinn oder Hartlöten mit einem Stahlträger verklebt oder mit Klebstoffen wie Epoxidharz verbunden werden kann. 2.1.4 Beim Widerstandssintern wird eine Stahlträgerplatte mit einer Lötschicht (Cu, Cu-Sn, Cu-Zn, Sn oder Ni) beschichtet. Anschließend wird die vorgepresste Reibauskleidung an der vorgegebenen Position auf der Stahlträgerplatte platziert und in eine Presse eingeführt. Unter Druck wird ein hoher Strom (in einem Beispiel 52 kA, in einem anderen 4 kA) angelegt und mehrere Sekunden lang aufrechterhalten, bis der Sinterprozess abgeschlossen ist. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Stahlträgerplatte durch hohe Temperaturen nicht beeinträchtigt wird und die Festigkeit der Verzahnung und der Zahnbereiche nicht abnimmt. Ein anderes Patent beschreibt ein Verfahren, bei dem Elektroden in eine Form integriert werden. Nach dem Einfüllen von ausreichend Pulver wird eine galvanisch beschichtete Stahlträgerplatte aufgelegt und unter Druck gesetzt, während ein elektrischer Strom (10–100 kA, 5,454 A/mm²) angelegt wird. Der Sinterprozess dauert 15 Sekunden. In einem Beispiel betrug die Fläche der Reibschicht 1840 mm², die Dicke der Reibschicht 4,6 mm und der Strom 22 kA. Nach 8 Sekunden stieg der Strom auf 38 kA an, und bei einem Druck von 5,4 MPa erreichte die relative Dichte der Reibschicht 87,8 %. 2.1.5 Das Induktionsheiz-Schlagverfahren beinhaltet das Einlegen des vorgesinterten Rohlings der Reibschicht in eine Auffangschale und das induktive Erhitzen in einer Schutzatmosphäre bei einer Temperatur über 916 °C für mindestens 5 Minuten. Nach dem Entnehmen aus dem Induktor wird ein unidirektionaler Schlag durchgeführt, um die Reibschicht mit der Auffangschale zu verbinden. 2.1.6 Dampfabscheidungsverfahren: Während der Reibungskoeffizient von allgemeinen TiC-Werkstoffen sehr niedrig ist, erreichen die durch Dampfabscheidung hergestellten Werkstoffe einen hohen Koeffizienten von bis zu 0,4 und sind hochtemperaturbeständig. Auf einem Prüfstand zeigte das Material selbst bei 1090 °C keine Anzeichen von Degradation. Graphit wird anstelle von Stahl als Trägermaterial verwendet; sowohl Graphit als auch TiC sind leicht und für die Luftfahrt geeignet. Das Verfahren beinhaltet das Einbringen eines Graphitträgers in einen Behälter und dessen Erhitzen auf 1050 °C in einer Atmosphäre aus Kohlenwasserstoffen (z. B. Methan) und TiCl mit einem TiCl-Gehalt von mindestens 0,5 Vol.-%. Methan und TiCl zirkulieren über einen bestimmten Zeitraum mit einer Geschwindigkeit von 1 m³/min. 2.2 Die Prozessforschung zu gesinterten Metallreibungsmaterialien hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, und es wurden zahlreiche Patente angemeldet. Die Patente [14, 15] schlagen ein Verfahren zur Verbesserung des aktuellen Prozesses vor. Sie empfehlen, die Sinterabkühlrate von kupferbasierten Reibungsmaterialien mit Fe- und Mo-Elementen auf 100 °C/min zu erhöhen, um die Ausscheidung der Fe-Mo-Phase zu fördern. Da die Härte der Fe-Mo-Phase über 700 HV liegt, kann die Festigkeit des Materials deutlich verbessert werden. Patent [16] schlägt vor, eisenbasierte Werkstoffe für das Diffusionssintern in Schwefel und Mangan einzubetten, da Schwefel und Mangan in die Oberflächenschicht diffundieren und die Stabilität des Austenits in der Eisenmatrix fördern können. Die diffusionsgesinterten eisenbasierten Produkte bilden mehr Sulfide an der Oberfläche und weisen eine Oberflächenhärte von 200–300 HV auf, die nach der Endbearbeitung auf 600–700 HV ansteigt. Dadurch wird die Verschleißfestigkeit der Produkte verbessert. Patent [17] beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung der optimalen Pulvermischung durch Vorformung des Pulvers. Es schlägt vor, Graphit vor der Verwendung speziell zu behandeln: Das ausgewählte feinkörnige Graphitpulver wird zunächst mit 5 % bis 45 % Weichmetallen (Kupfer, Zinn, Aluminium, Blei usw.) vermischt. Anschließend wird die Mischung unter einem Druck von 0,02 bis 0,025 MPa zu einem Grünling bestimmter Größe verpresst und dann unter Schutzgasatmosphäre (1 MPa) gesintert. Nach der Gewinnung des Sinterrohlings wird dieser zerkleinert, entsprechend der gewünschten Korngröße gesiebt und anschließend mit den übrigen Komponenten des Reibmaterials vermischt. Durch diese Behandlung weisen die Reibbelagkomponenten keine Neigung zur Entmischung oder Schichtung auf, die Verarbeitungseigenschaften sind gut und die Haftung auf der Stahlträgerplatte ist gut. 3 Material- und Rezepturforschung 3.1 Forschung zur Verbesserung und Stabilisierung des Reibungskoeffizienten: Ein ausreichend hoher Reibungskoeffizient und thermische Stabilität sind notwendige Voraussetzungen für zuverlässiges und stabiles Bremsen bzw. Kupplungseinrücken. In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung zur Verbesserung des Reibungskoeffizienten und der thermischen Stabilität hauptsächlich auf die Auswahl geeigneter Reibkomponenten und die Entwicklung neuer Reib- und Anti-Seize-Additive. Referenz [18] empfiehlt den Ersatz von SiO₂ oder Al₂O₃ durch Zr-SiO₄, da dies insbesondere den Reibungskoeffizienten unter hoher Belastung verbessert (Reibungskoeffizient: Kupferbasis 0,30, Eisenbasis 0,42) und auch die Verschleißfestigkeit erhöht (Verschleiß: Kupferbasis 2,1 × 10⁻⁸ cm³/J, Eisenbasis 2,5 × 10⁻⁸ cm³/J). Referenz [19] geht davon aus, dass Zr-SiO₄ ein Reibungspartikel ist, das nicht nur den Reibungskoeffizienten erhöht, sondern auch den Verschleiß an den Reibflächen reduziert. Darüber hinaus führt die Zugabe von TiO₂ oder Mehrkomponentenoxiden (wie ZrO₂, MgO, Cr₂O₃, BeO, CaO) und Glaskeramikpulver als Reibungskomponenten zu Werkstoffen auf Kupfer- oder Eisenbasis zur Bildung eines Oxidfilms auf der Reibfläche, wodurch der Reibungskoeffizient bei hohen Geschwindigkeiten stabilisiert wird. Hinsichtlich der Auswahl von Reibungskomponenten erzielte die ehemalige Sowjetunion zufriedenstellende Ergebnisse durch die Zugabe von Boriden hochschmelzender Metalle (W, Cr usw.) zu kupferbasierten Werkstoffen. Deutschland hingegen verwendet primär TiC, ZrC und ZrO₂, um den Reibungskoeffizienten zu erhöhen; beispielsweise kann der Reibungskoeffizient bei Vorhandensein von TiC und ZrO₂ 0,4 erreichen, und die Wärmeleitfähigkeit ist ebenfalls ausgezeichnet. MoS₂, WS₂ und BN werden häufig in eisenbasierten Werkstoffen eingesetzt, um den Reibungskoeffizienten anzupassen und die Kratzfestigkeit zu verbessern. Für hohe Temperaturen und hohe Belastungen werden BaSO₄ und CaF₂ häufiger verwendet, um die Stabilität des Reibungskoeffizienten zu verbessern. 3.2 Forschung zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Werkstoffen Die Verwendung von Graphit, MoS₂, Pb, Sn und Be als Schmierstoffkomponenten zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Werkstoffen ist weithin anerkannt. Die Verwendung von BN als Schmierstoffkomponente hat großes Interesse geweckt. Während des Sinterprozesses ist BN sehr stabil, zersetzt sich nicht und verbrennt nicht. Dadurch wird eine gute Schmierung bei Reibung gewährleistet, die Bildung eines dünnen Schmierfilms gefördert und die Verschleißfestigkeit verbessert. Schwefel und Sulfide, die häufig als Schmierstoffkomponenten eingesetzt werden, tragen ebenfalls maßgeblich zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei. China, Japan und die ehemalige Sowjetunion haben hierzu umfangreiche Forschungen durchgeführt. Graphit, als Festschmierstoff, scheint ein essenzieller Bestandteil aller gesinterten Reibwerkstoffe zu sein. Bei hohen Temperaturen weist Graphit eine extrem hohe Festigkeit mit einer Betriebstemperatur von bis zu 3500 °C auf und zeigt hervorragende Hochtemperatur-Festschmiereigenschaften. Je nach den Anforderungen an die Materialeigenschaften variiert der Graphitanteil stark und kann bis zu 30 % betragen. Partikelmorphologie, -größe, -zusammensetzung und -verteilung in der Materialmatrix haben einen großen Einfluss auf die Materialeigenschaften, insbesondere bei Reibwerkstoffen auf Eisenbasis. Eine große Menge freien Graphits im Material bedeckt während des Reibungsprozesses kontinuierlich die Reibfläche und bildet eine stabile Schmierschicht. Dadurch wird ein Festfressen der Reibpartner verhindert und die Reibung reduziert. Zahlreiche Studien untersuchen den Einfluss des Graphitgehalts und der Graphitmorphologie auf die Verschleißfestigkeit. Referenz [24] gibt an, dass der zugesetzte Graphit aus 8 % künstlichem Graphit (Elektrodengraphit) und 7 % natürlichem Graphit (plättchenförmig) bestehen sollte, jeweils mit einer Partikelgröße von 60–800 µm. 3.3 Forschung zur Verbesserung der Struktur und Festigkeit der Materialmatrix Die Festigkeit der Matrix spiegelt die Belastbarkeit des Materials wider und hängt maßgeblich von ihrer Zusammensetzung, Struktur sowie ihren mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab. Moderne Maschinen entwickeln sich hin zu höheren Drehzahlen und höheren Belastungen, was höhere Anforderungen an das Hochtemperaturverhalten von Reibmaterialien stellt. Im Allgemeinen konzentrieren sich Materialforscher weltweit auf die Verbesserung der Struktur und Festigkeit der Materialmatrix unter zwei Gesichtspunkten. Die Verstärkung der Matrix durch Legierungselemente mittels Mischkristallbildung ist eine wichtige Methode zur Verbesserung der Matrixstruktur von Werkstoffen. Bei eisenbasierten Werkstoffen werden üblicherweise Ni, Cr, Mo, W und Mn zugesetzt, um die Matrix zu verstärken oder den Sinterprozess zu aktivieren. Die Zugabe von Ni, Cr und Mo verbessert die Hochtemperatureigenschaften des Werkstoffs. In Referenz [25] werden CaSi₂, Si, SiC und FeSi₂ zur Bildung einer Legierung zwischen Si, Ca und der Eisenmatrix verwendet. Westdeutschland und Großbritannien setzen W-Fe als Legierungselemente in eisenbasierten Werkstoffen ein, was eine signifikante Matrixverstärkung bewirkt und für Hochtemperaturbedingungen geeignet ist. Im Ausland wurde der Einfluss des Sn-Gehalts auf die Eigenschaften kupferbasierter Werkstoffe systematisch untersucht. Man geht davon aus, dass die optimale Sn-Zugabemenge zwischen 7 % und 12 % liegt. Das Institut für Werkstoffkunde der Ukrainischen Akademie der Wissenschaften verwendete jedoch Aluminiumbronze anstelle von Zinnbronze. Unter hoher Belastung übertrafen die Festigkeit, die Hochtemperaturfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Gebrauchseigenschaften der Aluminiumbronze die der Zinnbronze. Bei einem Aluminiumgehalt von 10 % bis 11 % in der Matrix weist das Reibmaterial den höchsten Reibungskoeffizienten, den geringsten Verschleiß und eine ausgezeichnete Gesamtleistung auf. Eine weitere Methode zur Materialverstärkung ist die Faserverstärkung. Die Zugabe von hochfesten Metallen oder Kohlenstofffasern, wie beispielsweise Stahlfasern (mit einer Zugfestigkeit von bis zu 4100 MPa im gezogenen Zustand), zu einer weicheren Matrix verbessert die Festigkeit und Plastizität des Materials signifikant. Kohlenstofffasern und ihre Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch hohe spezifische Festigkeit, hohen spezifischen Modul, hohe Wärmebeständigkeit und Dauerfestigkeit aus. Aufgrund der hohen Kosten und der komplexen Herstellungsverfahren beschränkt sich ihre Anwendung derzeit jedoch auf Spitzenbereiche wie die Luft- und Raumfahrt. 3.4 Untersuchung des Einflusses von Ausgleichsmaterialien auf die Reibleistung Im Vergleich zu den drei vorherigen Forschungsbereichen ist die Forschung in diesem Bereich relativ schwach. Frühere Daten deuteten darauf hin, dass Grauguss das bevorzugte Ausgleichsmaterial für Trockenanwendungen ist. Unter hohen Wärmebelastungen neigt dieses Material aufgrund seiner geringen Hochtemperaturbeständigkeit zu Rissbildung, weshalb häufig legierter Gusseisen, Stahlguss oder legierter Stahl verwendet werden. Bei Anwendungen mit Feuchtigkeit hat die Verwendung von Gusseisen als Reibmaterial nur geringen Einfluss auf den Reibungskoeffizienten, seine Lebensdauer ist jedoch kürzer als die von Stahl. 4. Entwicklungsrichtung: Die rasante Entwicklung von Wissenschaft, Technik und Industrie stellt immer höhere Anforderungen an Reibmaterialien. Um diesen Bedarf zu decken, werden mechanistische Forschung und Grundlagenforschung kontinuierlich fortgesetzt. Die Forschung an neuen Reibmaterialien wird auch zukünftig ein Schwerpunkt der Reibmaterialentwicklung sein, wobei der Fokus hauptsächlich auf der Entwicklung neuer Materialien mit exzellenter Leistung und niedrigen Kosten liegt. 4.1 Forschung zur Reibungs- und Verschleißtheorie sowie zum Oberflächenschädigungsmechanismus: Reibung und Verschleiß sind zwei zentrale Themen der Tribologie, zu denen verschiedene Ansätze verfolgt werden. Die derzeit am weitesten verbreitete Reibungstheorie ist die molekularmechanische Theorie. In den letzten Jahren wurde auch die Schädigung von Reibflächen während des Reibungsprozesses intensiv erforscht. Dabei zeigte sich, dass Verschleiß durch eine Kombination aus Oxidation, abrasivem Verschleiß, Umwandlungsreaktionen und Grenzflächenermüdung verursacht wird. Unter bestimmten Bedingungen tritt jedoch ein Faktor in den Vordergrund und wird zur Hauptursache des Verschleißes: die Reibung zwischen zwei Kontaktflächen. Die mechanischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften des Schmierfilms auf den Kontaktflächen, insbesondere seine Haftfestigkeit zum Grundmaterial, bestimmen das tribologische Verhalten des Reibpaares. Seit den 1980er Jahren wurden die auf den Reibflächen gebildeten Schmier- und Oxidfilme eingehender untersucht, was zu einigen Ergebnissen führte. Insbesondere wurden moderne Prüfmethoden eingesetzt, um die Mikrostruktur und Organisation der Oberflächenschicht genauer zu analysieren, ihre Bildung und Zerstörung zu beobachten und den Mechanismus der Oberflächenschädigung systematisch zu erforschen. Die drei miteinander verbundenen Prozesse, die gleichzeitig auf der Reibkontaktfläche ablaufen – Oberflächenwechselwirkung, Veränderungen der festen Oberflächenschicht und des Oberflächenfilms unter Reibungskraft, die Auswirkungen der Oberflächenschädigung auf das Verhalten des Reibpaares sowie die Wechselwirkung und der Einfluss der Eigenschaften des umgebenden Mediums und der tatsächlichen Betriebsbedingungen – werden weiterhin detailliert untersucht. 4.2 Ein bemerkenswerter Trend in der Forschung an neuen Reibmaterialien ist die Entwicklung neuartiger Reibmaterialien, wie z. B. papierbasierter, halbmetallischer und kohlenstoffbasierter Materialien, um sich an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen. Obwohl diese Werkstoffe nicht unter die Kategorie der Pulvermetallurgie fallen, gehören sie zum Bereich der Reibwerkstoffe. Aufgrund der Ähnlichkeiten in Fertigungsanlagen, Prozessen, Prüfmethoden, Konstruktionsprinzipien und Rohstoffen überwinden immer mehr Unternehmen der pulvermetallurgischen Reibwerksbranche die bestehenden Branchengrenzen und entwickeln sich schrittweise zu einer breiteren Produktkategorie im Bereich der Reibwerksprodukte. 4.2.1 Entwicklung metallfaserverstärkter Verbundwerkstoffe: Die Metallfaserverstärkung verbessert die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Matrix signifikant und verhindert wirksam die Ausbreitung von Oberflächenrissen. Diese Werkstoffe bergen großes Potenzial. Durch die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen mit hohem Reibungskoeffizienten oder feuerfesten Verbundpulvern als Verbundphase können die Anforderungen spezieller Einsatzbedingungen erfüllt werden. 4.2.2 Entwicklung halbmetallischer Reibwerkstoffe: Halbmetallische Werkstoffe werden durch Heißpressen von hochkohlenstoffhaltigem Eisenpulver, Graphit, Molybdändisulfid, anorganischen Fasern (wie z. B. Asbestfasern) und einer bestimmten Menge Duroplast hergestellt. Diese Werkstoffe weisen einen hohen Reibungskoeffizienten und eine gute Verschleißfestigkeit auf und eignen sich daher für den Einsatz im Automobilbereich. Aufgrund ihrer geringen Hitzebeständigkeit sind sie jedoch für hohe Belastungen ungeeignet. Seit die Internationale Gesellschaft für Krebsforschung Asbest 1972 als krebserregend einstufte, haben westliche Länder Maßnahmen ergriffen, um asbesthaltige Reibbeläge einzuschränken und deren Nutzungsdauer zu begrenzen. Daher ist es unerlässlich, neue, leistungsstarke Werkstoffe zu finden, die Sicherheits- und Umweltstandards erfüllen und Asbestharz sowie asbesthaltige halbmetallische Reibbeläge ersetzen. Infolgedessen wurden Stahlfasern, Mineralfasern, Glasfasern und organische Fasern als Ersatz für Asbestfasern entwickelt. Ab Mitte der 1980er-Jahre verlagerte sich der Fokus der globalen Automobilindustrie rasant auf höhere Geschwindigkeiten und geringere Gewichte, was zu kontinuierlichen Verbesserungen und Weiterentwicklungen der Bremssysteme führte. Diese Verbesserungen behoben Schwächen früherer halbmetallischer Werkstoffe, wie die Anfälligkeit von Stahlfasern für Korrosion, Anhaften oder Beschädigung von Gegenflächen sowie die hohe Wärmeleitfähigkeit, die zu Bindemittelzersetzung und Trennung zwischen Reibbelag und Stahlträgerplatte führte. Das amerikanische Unternehmen Bendix investierte 100 Millionen US-Dollar in gezielte Projekte zur Qualitätsverbesserung. Auch die großen Industrienationen Europas investierten massiv in die Behebung von Problemen im Zusammenhang mit Materialeigenschaften, Produktionsprozessen und Herstellungskosten. 4.2.3 Entwicklung von Reibwerkstoffen auf Aluminiumbasis Die langsame Entwicklung von Reibwerkstoffen auf Aluminiumbasis hat ihre spezifischen Gründe. Aluminiums geringes Gewicht, seine Korrosionsbeständigkeit, seine nichtmagnetischen Eigenschaften, seine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, seine hohe spezifische Festigkeit und die Möglichkeit der Matrixverfestigung durch Dispersionshärtung haben seine Forschung und Entwicklung jedoch in den Fokus gerückt. Neue, hochtemperaturbeständige und hochfeste Reibwerkstoffe, die aus schnellhärtenden Aluminiumlegierungen mittels atomisiertem Pulver hergestellt werden, weisen thermisch stabile, dispergierte Phasen auf und bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen aushärtenden Werkstoffen. Sie können bei Temperaturen über 350 °C eingesetzt werden, und ihre mechanischen Eigenschaften lassen sich durch den Einsatz von Al₃Zr- und Al₆Mn-Dispersionsphasen sowie durch Kornfeinung weiter verbessern. All diese Eigenschaften eröffnen Reibwerkstoffen auf Aluminiumbasis vielversprechende Entwicklungsperspektiven. Fortschrittliche Reibwerkstoffe auf AlSi-Basis aus Aluminiumlegierungen wurden bereits entwickelt.