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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Produktionsverfahren
für die
Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Carbonsystem oder insbesondere
einer Bremsscheibe aus einem Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC
= engl. Ceramic Matrix Composite).
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Als
konventionelle Herstellungsverfahren wurden Verfahren zur Verstärkung von
Oberflächenschichtbereichen
aus einem Carbon-Basismaterial vorgeschlagen (siehe z.B. Seite 3
der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
JP-A-212182 ).
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In
den Zeilen 5 bis 8, Absatz [0011] der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
JP-A-212182 ist
angegeben, dass gewünschte
Eigenschaften von hochfesten Carbon-Basismaterialien Eigenschaften
wie eine Rohdichte von 1,77 g/cm
3 oder größer, ein
mittlerer Porenradius von 1,5 μm oder
kleiner und eine Biegefestigkeit von 450 (kgf/cm
2)
oder größer sind.
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Bei
solch hochfesten Carbon-Basismaterialien, die über eine Dichte und eine Festigkeit
in dem vorstehend genannten Maß verfügen, erhöhen sich jedoch
die Produktionskosten.
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Nach
Untersuchungen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, müssen Teile
wie Bremsscheiben, die unter strengen Bedingungen zum Einsatz kommen,
außerdem über eine
Biegefestigkeit von 55 MPa (560 kg/cm
2)
oder größer verfügen, doch reicht
die Festigkeit des hochfesten Carbon-Basismaterials, das gemäß der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
JP-A-212182 hergestellt
wird, nicht aus, weshalb dasselbe Carbon-Basismaterial nicht übernommen
werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von Bremsscheiben zur Verfügung
zu stellen, welches bei niedrigen Kosten für eine ausreichende Festigkeit
sorgen kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein Bremsscheiben-Herstellungsverfahren
mit den folgenden Schritten zur Verfügung gestellt:
- – das
Herstellen eines CMC (engl. Ceramic Matrix Composite, dt. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff) durch
das Mischen, Formen und Wärmebehandeln
einer Carbonfaser, eines Füllstoffs
und eines Bindemittels zusammen mit 1 bis 10 Gew.-% eines beigemengten
Si(Silizium)-Pulvers,
- – das
Auftragen eines Si-Schlamms an den erforderlichen Stellen auf dem
CMC und
- – das
Durchführen
einer Wärmehärtung und
einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung
an dem CMC, um in Oberflächenschichtbereichen
desselben SiC (Siliziumkarbid) zu bilden.
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Eine
Matrix für
die Bremsscheibe wird hergestellt, indem der Carbonfaser, dem Füllstoff
und dem Bindemittel 1 bis 10 Gew.-% Si-Pulver beigemengt werden.
Das Si wird unter Bildung von SiC karbonisiert, um dadurch die Festigkeit
der Matrix zu erhöhen.
Falls Si in einer geringeren Menge als 1 Gew.-% zugegeben wird,
führt dies
zu einer nicht ausreichenden Beständigkeit gegen oxidative Einflüsse, wohingegen
sich bei einer Silizium-Beimengung von mehr als 10 Gew.-% die Festigkeit
verringert.
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Dann
wird der Oxidationsbeständigkeit ebenso
wie der Festigkeit Rechnung getragen, indem die Si-Beimengung auf
einen Bereich von 1 bis 10 Gew.-% festgelegt wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten
Erfindung werden die einem Basismaterial hinzugefügte Menge an
Si und/oder die Zusammensetzung des Si-Schlamms derart gesteuert/geregelt,
dass die Si-Menge in den Oberflächenschichtbereichen
26 bis 50 Gew.-% beträgt.
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Die
Oberflächenschichtbereiche
bilden Gleitflächen
der Bremsscheibe und erfordern eine bestimmte Abnutzungsbeständigkeit.
Da eine Bremskraft auf die Gleitflächen ausgeübt wird, entsteht in der Bremsscheibe
ein hohes Biegemoment. Falls die Si-Menge in den Oberflächenschichtbereichen
26 Gew.-% unterschreitet, lässt
sich die erforderliche Abnutzungsbeständigkeit nicht mehr sicherstellen, und
hinzu kommt, dass die erforderliche Biegefestigkeit nicht erreichbar
ist, wenn die Si-Menge in den Oberflächenschichtbereichen 50 Gew.-% überschreitet.
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In
dem Fall lässt
sich die Festigkeit an den Gleitflächen der Bremsscheiben sicherstellen,
indem die Menge an Si, die dem Basismaterial und/oder der Schlammzusammensetzung
zugegeben wird, derart gesteuert/geregelt wird, dass die Si-Menge
in den Oberflächenschichtbereichen
26 bis 50 Gew.-% beträgt.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten
Erfindung ist das Bindemittel Phenolharz.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten
Erfindung enthält
der Füllstoff
wenigstens Graphitpulver, Harzpulver oder Keramikpulver.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten Erfindung enthält der Si-Schlamm
Si, Borcarbid (B4C) und Polyamid-Imid.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Scheibenbremsmechanismus mit einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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2 ist eine Querschnittsdarstellung
eines Hauptteils der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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3A–3I sind Diagramme
(Teil 1) zur Darstellung eines Ablaufs der Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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4 ist ein Diagramm (Teil
2) zur Darstellung eines Ablaufs der Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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5 ist ein Graph, der die
Oxidationsbeständigkeit
des Basismaterials darstellt.
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6 ist ein Graph, der die
Biegefestigkeit des Basismaterials darstellt.
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7 ist ein Graph, der eine
Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge und
der Porosität
des Basismaterials darstellt.
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8 ist ein Graph, der eine
Relation zwischen der Porosität
des Basismaterials und der Si-Menge in einem Oberflächenschichtbereich
darstellt.
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9 ist ein Graph, der eine
Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge und
der Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
darstellt.
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10 ist ein Graph, der die
Biegefestigkeit des Oberflächenschichtbereichs
darstellt, und
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11 ist ein Graph, der die
Abnutzungsbeständigkeit
des Oberflächenschichtbereichs
darstellt.
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DETAILBESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird auf der Grundlage der anliegenden Zeichnungen
beschrieben, wobei die Betrachtungsrichtung der Zeichnungen so zu
wählen
ist, dass die Bezugsziffern in ihrer korrekten Stellung erscheinen.
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Scheibenbremsmechanismus mit einer Bremsscheibe gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei der Scheibenbremsmechanismus 10 die erfindungsgemäße Bremsscheibe 20 aufweist,
die an einer Radmontageplatte 11 befestigt ist, und einen
Bremssattel 13, der in einer Position angeordnet ist, in
der er die Bremsscheibe 20 halten kann, wodurch Reibungsplatten,
die als Bremskissen ausgebildet und in den Bremssattel eingebaut
sind, an die Bremsscheibe 20 gedrückt werden, um einen Bremszustand
herbeizuführen,
wie das hinreichend bekannt ist.
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2 zeigt einen Querschnitt
durch einen Hauptteil der erfindungsgemäßen Bremsscheibe, wobei die
Bremsscheibe 20 ein Konstruktionsmerkmal besitzt, wonach
Oberflächenschichtbereiche 22, 22 an
einem scheibenähnlichen
Basismaterial 21 gebildet sind, an Stellen, die einem Bremskissenpaar 14, 14 gegenüberliegen.
Die Oberfächenschichtbereiche 22, 22 bilden
Gleitflächen
der Bremsscheibe.
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Der
Oberflächenschichtbereich 22 wird
gebildet, indem ein später
beschriebener Si-Schlamm an der erforderlichen Stelle auf dem Basismaterial 21 aufgetragen
und zusammen mit dem Basismaterial 21 einer Wärmebehandlung
und einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung
unterzogen wird und Schlammrückstände an der
Oberflächenschicht durch
eine bestimmte Behandlung/Bearbeitung entfernt werden. Während dies
geschieht, dringt ein Teil des Schlamms in das Basismaterial 21 ein,
um dadurch in dem Basismaterial als integraler Teil eingebettet
zu werden.
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Da
die in dem Si-Schlamm enthaltene Si-Menge extrem groß, die in
dem Basismaterial 21 enthaltene Si-Menge hingegen gering
ist, kann sich in einem Bereich 22a, in dem Si eingedrungen
ist, nur eine geringe Menge an SiC bilden, während sich in einem von dem
Basismaterial 21 entfernten Oberflächenbereich 22b ein
große
Menge an SiC bilden kann.
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Während der
Oberflächenschichtbereich 22 aus
einer Kombination des Bereichs 22a, in den Si eingedrungen
ist, und des Oberflächenbereichs 22b besteht,
kann der Oberflächenschichtbereich 22 als ein
funktional abgestuftes Material bezeichnet werden, bei welchem sich
die Menge des so gebildeten SiC von einer Außenfläche in Richtung auf das Basismaterial 21 stufenweise ändert.
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Im
Folgenden wird bezugnehmend auf die 3 und 4 ein Verfahren zur Herstellung
einer das Basismaterial 21 und die Oberflächenschichtbereiche 22, 22 umfassenden
Bremsscheibe 20 beschrieben.
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Die
Diagramme (Teil 1) der 3A bis 3I veranschaulichen den Ablauf
der Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe und beziehen
sich auf den konzeptuellen Teil des Herstellungsverfahrens, (während der
quantitative Teil des Herstellungsverfahrens unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird).
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In 3B werden eine Carbonfaser 24,
Graphitpulver 25 als ein Füllstoff, ein Phenolharz 26 als ein
Bindemittel und Si-Pulver 27 vorbereitet.
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In 3B werden die vier Stoffe
für deren ausreichende
Vermengung in einen Mixer 28 gegeben.
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In 3C werden die solchermaßen vermengten
Stoffe (eine Formmasse) in eine Form 29 einer Pressmaschine
gefüllt
und durch einen Stempel 31 komprimiert, um einen geformten
Pulverpressling 32 zu erhalten.
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In 3D wird der geformte Pulverpressling 32 in
einem Wärmebehandlungsofen 33 erwärmt. Hauptsächlich wird
die Aushärtung
des als Bindemittel beigemengten Phenolharzes gefördert/beschleunigt,
wodurch sich ein CMC-Vorkörper
gewinnen lässt.
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In 3E wird der CMC-Vorkörper 34 dann in
einen Hochtemperaturbehandlungsofen 37 gegeben und in einer
oxidationsfreien Atmosphäre
auf eine hohe Temperatur erhitzt, wodurch man einen CMC 40 erhält.
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Der
Hochtemperaturbehandlungsofen 37 umfasst je nach Bedarf
eine Heizeinrichtung 38, eine Vakuumpumpe 39 und
ein Ausblasrohr 41 für
oxidationsfreies Gas, so dass eine Hochtemperatur-Behandlung in
der Atmosphäre
ebenso implementierbar ist wie eine Hochtemperaturbehandlung in
Vakuum und eine Hochtemperaturbehandlung in der oxidationsfreien
Atmosphäre.
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In 3F werden mit Hilfe eines
Applikators 35 Si-Schlämme 36, 36 auf
dem CMC 40 aufgetragen, wofür sich beliebige Methoden anbieten,
so zum Beispiel das Aufsprühen,
das Auftragen mit einer Rolle oder mit einem Pinsel.
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In 3H wird der CMC 40 für eine Wärmebehandlung
in Vakuum oder in der oxidationsfreien Atmosphäre in den Hochtemperatur-Behandlungsofen 37 befördert.
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In 3I ist eine Bremsscheibe 20 aus
CMC (Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff) gezeigt, die man auf diese
Weise erhalten hat. Diese Bremsscheibe 20 hat an den erforderlichen
Stellen Bereiche 22, 22 mit einer harten Oberflächenschicht.
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4 ist ein Diagramm (Teil
2), das den Ablauf der Herstellung der Bremsscheibe gemäß vorliegender
Erfindung darstellt, wobei die mit Zahlen kombinierten Buchstaben
ST die Verfahrensschritte kennzeichnen.
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ST01 (Streichverfahren):
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40
bis 50 Gew.-% Carbonfasern, 40 bis 50 Gew.-% Graphitpulver und 1
bis 10 Gew.-% Si-Pulver (wobei darauf zu achten ist, dass die Carbonfasern plus
Graphitpulver plus Si-Pulver plus Phenolharz gleich 100 Gew.-% ergeben)
(siehe (b) in den 3A bis 3I) werden in einem Mixer
ausreichend vermischt, wodurch sich eine Formmasse gewinnen lässt.
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Als
Füllstoff
können
Harzpulver, Graphitpulver und Keramikpulver verwendet werden.
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ST02 (Hochdruckformungsverfahren):
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Der
auf diese Weise erhaltenen Formmasse wird unter den Bedingungen
einer Temperatur von 160°C,
eines Formungsdrucks von 200 kg/cm2 und einer
Dauer von 10 Minuten eine gewünschte
Form verliehen, wodurch man einen CFRP (engl. Carbon Fiber Reinforced
Plastics, dt. carbonfaserverstärkter Kunststoff)
erhält.
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ST03 (Wärmebehandlungsverfahren):
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Der
auf vorstehende Weise erhaltene CFRP wird unter den Bedingungen
einer Temperatur von 200°C,
eines Drucks in Höhe
des Atmosphärendrucks
und einer Dauer von 8 Stunden wärmebehandelt,
wodurch man einen CMC-Vorkörper
erhält.
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ST04 (Hochtemperatur-Wärmebehandlungsverfahren):
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Der
CMC-Vorkörper
wird in einer oxidationsfreien Atmosphäre bei 1600°C für zwei Stunden weiter wärmebehandelt,
um dadurch einen CMC (Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff) zu erhalten.
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ST05 (Schlamm-Auftragsverfahren):
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Ein
Si-Schlamm wird an einer benötigten Stelle
auf dem CMC aufgetragen. Dabei werden dem Si-Pulver, um einen Schlamm
herzustellen, Borcarbid(BaC)-Pulver
und Harz (z.B. Polyamid-Imidharz) hinzugefügt.
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ST06 (Wärmehärtungsverfahren):
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Der
CMC, auf dem der Schlamm aufgetragen wurde, wird bei einer Temperatur
von 300°C
für eine
Dauer von 90 Minuten in der Atmosphäre wärmegehärtet.
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ST07 (Hochtemperatur-Wärmebehandlungsverfahren):
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Der
CMC wird für
eine Dauer von weiteren 26 Stunden in einem Vakuum erwärmt, so
dass er bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 1°C/Minute 1600°C erreicht,
und bleibt für
eine Dauer von 30 Minuten der Wärmebehandlung
bei 1600°C
unterzogen, wodurch sich eine Bremsscheibe gemäß vorliegender Erfindung erhalten
lässt.
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Es
wurden Basismaterialien (entsprechend dem Basismaterial 21 in 2) mit unterschiedlichen Si-Mengen
zur Auswertung hergestellt, indem das Mischungsverhältnis von
Si-Pulver und Graphitpulver verschieden eingestellt wurde, und die
Ergebnisse dieser Auswertung werden anhand von Graphen beschrieben.
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5 ist ein Graph, der die
Oxidationsbeständigkeit
des Basismaterials darstellt, wobei an der Abszissen-Achse die in
dem Basismaterial enthaltene Si-Menge
und an der Ordinaten-Achse Temperaturen für eine Massenschrumpfung von
5% angegeben sind. Die Temperatur für eine 5%-ige Massenschrumpfung
ist eine Temperatur, die zu einer Massenschrumpung von 5% führt, wenn
eine Probe bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 10°C/Minute
in der Luft auf 1000°C
erwärmt
wird.
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Die
Temperatur für
eine Massenschrumpfung von 5% hat sich proportional zu einem Anstieg der
Si-Menge erhöht,
bis die Si-Menge von 0 auf 2 Gew.-% angestiegen war, und hat sich
in einem Bereich von 2 Gew.-% und darüber wenig geändert.
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Falls
es sich bei der Probe um eine Bremsscheibe handelt, ist eine Dauerhaftigkeit
bei hohen Temperaturen erforderlich, da eine Bremsscheibe beim Bremsvorgang
auf hohe Temperaturen erwärmt wird,
und daher ist für
eine Massenschrumpfung von 5% eine höhere Temperatur wünschenswert.
Dies deshalb, weil bei einer niedrigeren Temperatur für eine Massenschrumpfung von
5% die Bremsscheibe eine Gegenmaßnahme wie beispielsweise eine
Konstruktion zum Erleichtern der Kühlung der Bremsscheibe erfordert.
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Nach
Erfahrung der Erfinder liegt eine für eine normale Bremsscheibe
eines (Vierrad)Automobils benötigte
Temperatur bei 675°C.
Wenn man von dem Punkt der Ordinaten-Achse, an dem 675°C markiert
sind, eine horizontale Linie zieht, um einen Schnittpunkt mit einer
Kurve zu erreichen, stellt man fest, dass die Si-Menge in dem Basismaterial
1,0 Gew.-% oder mehr betragen muss.
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6 ist ein Graph, der die
Biegefestigkeit des Basismaterials darstellt. Dabei sind an der
Abszissen-Achse die Si-Menge in dem Basismaterial und an der Ordinaten-Achse
dessen Biegefestigkeit angegeben.
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Es
ist erkennbar, dass sich die Biegefestigkeit proportional zu einer
Vergrößerung der
Si-Menge erhöht
hat, bis die Si-Menge in Gew.-% von 0% auf 5% angestiegen war, und
dass sie sich in einem Bereich von 5 Gew.-% und darüber wenig
geändert
hat.
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Für diese
Tatsache kommen zwei Gründe
in Betracht.
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In
einem Falt, in dem die Dichte durch eine Reaktion von Si + C → SiC mit
einer Massenschrumpfung zunimmt, erhöht sich die Porosität, wohingegen die
Festigkeit abnimmt.
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Zudem
nimmt die Festigkeit bei der Carbonfaser als Ausgangsmaterial ab,
da sich C in der Faser unter Bildung von SiC mit Si verbindet. Dies
verringert die Biegefestigkeit.
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Man
nimmt an, dass die Biegefestigkeit abnimmt, wenn sich die Si-Menge
infolge der Kombination der beiden vorgenannten Faktoren über einen bestimmten
Wert hinaus erhöht.
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Beim
Bremsen wird über
den Bremssattel eine große
Kraft auf die Bremsscheibe ausgeübt. Diese
Kraft erzeugt eine Biegespannung in der Bremsscheibe. Genauer ausgedrückt wird
die Erzeugung der Biegespannung einem Biegemoment zugeschrieben,
das wirksam ist, wobei die Drehmitte der Bremsscheibe als Hebelstützpunkt
und der Bremssattel als Punkt der Kraftanwendung wirkt.
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Es
wird eine höhere
Biegefestigkeit bevorzugt, um die Bremskraft zu erhöhen.
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Nach
Erfahrung der Erfinder ist für
eine normale Bremsscheibe für
Kraftfahrzeuge eine Biegefestigkeit von 55 MPa erforderlich. Zieht
man von einem Punkt der Ordinaten-Achse, an dem eine Biegefestigkeit
von 55 MPa angegeben ist, eine horizontale Linie, um einen Schnittpunkt
mit einer Kurve zu finden, stellt man fest, dass die Si-Menge in
dem Basismaterial 10 Gew.-% oder weniger betragen muss.
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Aus
den 5 und 6 lässt sich schließen, dass
es wünschenswert
ist, die Si-Menge in dem Basismaterial derart zu steuern/regeln,
dass sie 1 bis 10 Gew.-% beträgt,
um die Oxidationsbeständigkeit
und die Festigkeit des Basismaterials zu erhöhen.
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Da
nun das Studium des Basismaterials abgeschlossen ist, wird der in 2 gezeigte Oberflächenschichtbereich 22 (der
aus dem mit Schlamm imprägnierten
Bereich 22a und dem Oberflächenbereich 22b besteht)
einer näheren
Betrachtung unterzogen.
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Wie
in Schritt ST05 in 4 beschrieben wurde,
ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Schlamm
an den erforderlichen Stellen auf dem CMC aufgetragen wird, so dass
C an den erforderlichen Stellen unter Bildung von SiC eine Verbindung
mit dem solchermaßen
aufgebrachten Si eingeht, um dadurch die Oberflächenschichtbereiche zu festigen.
Infolgedessen wird es wichtig, die Si-Menge in den Oberflächenschichtbereichen
zu messen und zu steuern/regeln.
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7 ist ein Graph, der eine
Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Menge an Si
und die Porosität
des Basismaterials darstellt, wobei man der Meinung ist, dass Poren
an Stellen des Basismaterials zurückbleiben, an denen Si ausgetreten
ist, um eine Verbindung mit C einzugehen. Aus diesem Grund nimmt
die Porosität
des Basismaterials mit einer zunehmenden Menge des dem Basismaterial
beigemengten Si zu.
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8 ist ein Graph, der eine
Relation zwischen der Porosität
des Basismaterials und der Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
darstellt, und bei Anwendung an dem Basismaterial dringt der aufgetragene
Schlamm in die Poren in dem Basismaterial ein, sofern solche vorhanden
sind, und bildet infolge der Verbindung mit C, das den Schlamm umgibt,
der durch eine vorgegebene Behandlung oder Behandlungen eingedrungen
ist, SiC. Je größer die
Poren sind, desto stärker
ist die Infiltration mit Schlamm, so dass in der Folge angenommen werden
kann, dass die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich, der die
mit dem Schlamm imprägnierte
Stelle enthält,
zunimmt.
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9 ist ein zusammengesetzter
Graph, der eine Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen
Si-Menge und der Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich darstellt.
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Eine
Schrägseite
eines als ein Bereich B dargestellten Dreiecks ist die Kurve einer
linearen Funktion mit y = x, und die Kurve kann gezeichnet werden, da
Si, wenn kein Schlamm vorhanden ist, in dem Oberflächenschichtbereich
in dem Maße
zunimmt, in dem Si dem Basismaterial zugegeben wird.
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Wenn
man zurückkommend
auf 7 von einem Markierungspunkt
10 an der Abszissen-Achse eine vertikale Linie zieht, um einen Punkt
an der Ordinaten- Achse
zu finden, der einem Schnittpunkt der so gezogenen vertikalen Linie
mit einer Kurve entspricht, wird man feststellen, dass an diesem
Punkt der Wert 21 abzulesen ist. Das bedeutet, dass die Porosität des Basismaterials
21 % beträgt,
wenn die dem Basismaterial zugegebene Si-Menge 10 Gew.-% beträgt.
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Wird
anschließend
in 8 beispielsweise von
einem Markierungspunkt 21 an der Abszissen-Achse eine vertikale
Linie gezogen, um einen Punkt an der Ordinaten-Achse zu finden,
der einem Schnittpunkt der so gezogenen vertikalen Linie mit einer
Kurve entspricht, wird man feststellen, dass an diesem Punkt der
Wert 26 abzulesen ist. Das bedeutet, dass die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
26 Gew.-% beträgt,
wenn die Porosität
des Basismaterials 21 % beträgt.
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Zurückkommend
auf 9 wird an einem Punkt
an der Schrägseite,
der mit dem Markierungswert 10 an der Abszissen-Achse übereinstimmt,
eine zu dem Si-Betrag von 26 Gew.-% äquivalente Strecke eingezeichnet.
Die gleiche Prozedur wird in den 7, 8, 9 wiederholt, um eine Kurve C in 9 zu erhalten.
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Dadurch
kann die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich,
wie vorstehend erwähnt,
durch die Steuerung/Regelung der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge
gesteuert/geregelt werden. Zusätzlich
lässt sich
die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
durch die Menge an B4C in dem Schlamm steuern/regeln.
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Da
die unterschiedliche Si-Mengen aufweisenden Oberflächenschichtbereiche,
(die dem mit Bezugsziffer 22 in 2 bezeichneten Oberflächenschichtbereich entsprechen),
durch das Steuern/Regeln der die Oberflächenschichtbereiche für die Auswertung
ergebenden Si-Menge gebildet wurden, werden die Ergebnisse der Auswertung
unter Bezugnahme auf Graphen beschrieben.
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10 ist ein Graph, der die
Biegefestigkeit des Oberflächenschichtbereichs
darstellt, wobei an der Abszissen-Achse die in dem Oberflächenschichtbereich
enthaltene Si-Menge, an der Ordinaten-Achse dagegen die Biegefestigkeit
angegeben ist.
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Die
Biegefestigkeit hat sich proportional zu einer Zunahme der Si-Menge
erhöht,
bis die Si-Menge in Gew.-% von 0% auf 30% angestiegen war, und sie
hat sich in einem Bereich von 30% und darüber verringert. Man denkt,
dass der Grund dafür
in einer Versprödung
der Carbonfaser in dem mit Schlamm imprägnierten Bereich 22a der
Oberflächenschichtbereiche
(siehe 2) liegt, und
zwar als Folge der unter Bildung von SiC erfolgten Verbindung von
Si mit C der Carbonfaser.
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Nach
den Erfahrungswerten der Erfinder beträgt die erforderliche Biegefestigkeit
55 MPa. Zieht man von einem Punkt an der Ordinaten-Achse, an dem
der Wert 55 MPa markiert ist, eine horizontale Linie, um einen Schnittpunkt
mit einer Kurve zu finden, stellt man fest, dass die Si-Menge in
dem Basismaterial 50 Gew.-% oder weniger betragen muss.
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11 ist ein Graph, der die
Abnutzungsbeständigkeit
im Oberflächenschichtbereich
darstellt, wobei an der Abszissen-Achse die in dem Oberflächenschichtbereich
enthaltene Si-Menge angegeben ist, während die Ordinaten-Achse den Abnutzungsbetrag
angibt.
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Den
Abnutzungsbetrag betreffende Daten wurden anlässlich eines Tests zusammengetragen und
aufgezeichnet, der unter den Bedingungen nach JASO C406 mit der
Bezeichnung "Dynamometer-Testverfahren
für Bremssysteme
in Personenfahrzeugen" durchgeführt wurde
und bei dem eine 15 inches (= 38,1 cm) große Bremsscheibe als Testobjekt
und eine Trägheit
von 5,5 kgm/s2 zu verwenden waren.
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Die
Si-Menge war proportional zur SiC-Menge. Da SiC ein hartes Material
ist, lässt
sich der Abnutzungsbetrag umso stärker verringern, je größer die
SiC-Menge wird.
Es konnte eine in ihrer Ausdehnung nach rechts ansteigende Kurve
gezeichnet werden, indem man die Ordinaten-Achse von der Abszissen-Achse nach unter
verlängert
hat.
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Die üblichen
Wartungshandbücher
für Kraftfahrzeuge
schreiben die Erneuerung einer Bremsscheibe bei einer Abnutzung
von 1 mm vor. Dieser Abnutzungsbetrag von 1 mm entspricht einem
Abnutzungsbetrag von 10 μm
in dem vorgenannten Test. Wird von einem Punkt an der Ordinaten-Achse,
an dem der Wert 10 μm
markiert ist, eine horizontale Linie gezogen, um einen Schnittpunkt
der horizontalen Linie mit der Kurve zu finden, stellt man fest,
dass 26 Gew.-% Si oder mehr enthalten sein müssen.
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Um
den Anforderungen sowohl an die Oxidationsbeständigkeit als auch an die Biegefestigkeit
gerecht zu werden, wie in den 10 und 11 gezeigt, muss die Si-Menge
derart gesteuert/geregelt werden, dass sie in einen Bereich von
26 bis 50 Gew.-% fällt.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann diese Steuerung/Regelung implementiert
werden, indem sowohl die dem Basismaterial zugegebene Si-Menge als
auch die Menge an B4C in dem Schlamm gesteuert/geregelt
werden.
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Und
zwar werden gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung die dem Basismaterial beigemengte
Si-Menge und/oder die Schlammzusammensetzung derart gesteuert/geregelt,
dass die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
26 bis 50 Gew.-% beträgt.
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Das
in den 3A bis 3I dargestellte Produktionssystem
ist lediglich ein Beispiel und kann deshalb je nach Bedarf modifiziert
werden. Auch die in 4 angegebenen
Produktionsbedingungen sind nur ein Beispiel und sind ebenfalls
modifizierbar, falls dies notwendig ist.
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Auf
der Grundlage der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann die
vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile schalten.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Matrix der Bremsscheibe
hergestellt, indem der Carbonfaser, dem Füllstoff und dem Bindemittel
1 bis 10 Gew.-% Si-Pulver beigemengt werden. Das Si wird unter Bildung
von SiC karbonisiert, wodurch eine Erhöhung der Festigkeit der Matrix
ermöglicht
wird. Falls die zugegebene Si-Menge 1 Gew.-% unterschreitet, führt dies
zu einer nicht mehr ausreichenden Oxidationsbeständigkeit. Hinzu kommt, dass
die Festigkeit abnimmt, falls die zugegebene Si-Menge 10 Gew.-% überschreitet.
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Man
wird sowohl der geforderten Oxidationsbeständigkeit als auch der geforderten
Festigkeit gerecht, wenn die Menge an zugegebenem Si so gesteuert/geregelt
wird, dass sie in den Bereich von 1 bis 10 Gew.-% fällt.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die dem Basismaterial zugegebene
Si-Menge und/oder die Schlammzusammensetzung derart gesteuert/geregelt,
dass die Si-Menge in dem Obeflächenschichtbereich
26 bis 50 Gew.-% beträgt.
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Der
Oberflächenschichtbereich
bildet die Gleitfläche
der Bremsscheibe, so dass die Abnutzungsbeständigkeit zu einem wichtigen
Punkt wird. Da die Bremskraft auf diese Gleitfläche ausgeübt wird, entsteht in der Bremsscheibe
ein hohes Biegemoment. Verringert sich die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
auf einen Wert unter 26 Gew.-%, kann die erforderliche Abnutzungsbeständigkeit
nicht mehr sichergestellt werden. Hinzu kommt, dass sich die erforderliche Biegefestigkeit nicht
erreichen lässt,
wenn die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
50 Gew.-% überschreitet.
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Dann
werden die dem Basismaterial zugegebene Si-Menge und/oder die Schlammzusammensetzung
derart gesteuert/geregelt, dass die Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich
26 bis 50 Gew.-% beträgt,
um dadurch die Festigkeit der Gleitfläche der Bremsscheibe sicherzustellen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe umfasst die Schritte
des Herstellens eines CMC (Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffs) durch
das Mischen, Formen und Wärmebehandeln
einer Carbonfaser, eines Füllstoffs
und eines Bindemittels zusammen mit 1 bis 10 Gew.-% beigemengten
Si-Pulvers, des Auftragens eines Si-Schlamms an den erforderlichen
Stellen auf dem CMC und des Durchführens einer Wärmehärtungsbehandlung
und einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung
an dem CMC zur Bildung von SiC in den Oberflächenschichtbereichen des CMC.