DE102004023215A1

DE102004023215A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe

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Publication number: DE102004023215A1
Application number: DE200410023215
Authority: DE
Inventors: Satoshi Wako Yoshida; Yu Wako Murai; Kentaro Wako Komori
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: JP3938558B2; JP2004340193A; DE102004023215B4

Abstract

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.-% beigemengtem Si-Pulver, 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.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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).
2. Beschreibung des Standes der Technik
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 ).

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/cm³ oder größer, ein mittlerer Porenradius von 1,5 μm oder kleiner und eine Biegefestigkeit von 450 (kgf/cm²) oder größer sind.

Bei solch hochfesten Carbon-Basismaterialien, die über eine Dichte und eine Festigkeit in dem vorstehend genannten Maß verfügen, erhöhen sich jedoch die Produktionskosten.

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/cm²) 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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

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.

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.

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.

Dann wird der Oxidationsbeständigkeit ebenso wie der Festigkeit Rechnung getragen, indem die Si-Beimengung auf einen Bereich von 1 bis 10 Gew.-% festgelegt wird.

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.

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.

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.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten Erfindung ist das Bindemittel Phenolharz.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten Erfindung enthält der Füllstoff wenigstens Graphitpulver, Harzpulver oder Keramikpulver.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden, unter dem ersten Aspekt genannten Erfindung enthält der Si-Schlamm Si, Borcarbid (B₄C) und Polyamid-Imid.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Scheibenbremsmechanismus mit einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Hauptteils der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
3A–3I sind Diagramme (Teil 1) zur Darstellung eines Ablaufs der Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
4 ist ein Diagramm (Teil 2) zur Darstellung eines Ablaufs der Herstellung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
5 ist ein Graph, der die Oxidationsbeständigkeit des Basismaterials darstellt.
6 ist ein Graph, der die Biegefestigkeit des Basismaterials darstellt.
7 ist ein Graph, der eine Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge und der Porosität des Basismaterials darstellt.
8 ist ein Graph, der eine Relation zwischen der Porosität des Basismaterials und der Si-Menge in einem Oberflächenschichtbereich darstellt.
9 ist ein Graph, der eine Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge und der Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich darstellt.
10 ist ein Graph, der die Biegefestigkeit des Oberflächenschichtbereichs darstellt, und
11 ist ein Graph, der die Abnutzungsbeständigkeit des Oberflächenschichtbereichs darstellt.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
In 3B werden eine Carbonfaser 24, Graphitpulver 25 als ein Füllstoff, ein Phenolharz 26 als ein Bindemittel und Si-Pulver 27 vorbereitet.
In 3B werden die vier Stoffe für deren ausreichende Vermengung in einen Mixer 28 gegeben.
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.
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.
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.
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.
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.
In 3H wird der CMC 40 für eine Wärmebehandlung in Vakuum oder in der oxidationsfreien Atmosphäre in den Hochtemperatur-Behandlungsofen 37 befördert.
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.
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.
ST01 (Streichverfahren):
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.
Als Füllstoff können Harzpulver, Graphitpulver und Keramikpulver verwendet werden.
ST02 (Hochdruckformungsverfahren):
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.
ST03 (Wärmebehandlungsverfahren):
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.
ST04 (Hochtemperatur-Wärmebehandlungsverfahren):
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.
ST05 (Schlamm-Auftragsverfahren):
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.
ST06 (Wärmehärtungsverfahren):
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.
ST07 (Hochtemperatur-Wärmebehandlungsverfahren):
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Für diese Tatsache kommen zwei Gründe in Betracht.
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.
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.
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.
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.
Es wird eine höhere Biegefestigkeit bevorzugt, um die Bremskraft zu erhöhen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
9 ist ein zusammengesetzter Graph, der eine Relation zwischen der dem Basismaterial zugegebenen Si-Menge und der Si-Menge in dem Oberflächenschichtbereich darstellt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile schalten.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (20), umfassend die folgenden Schritte: – das Herstellen eines CMC (Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffs) (40) durch das Mischen, Formen und Wärmebehandeln einer Carbonfaser (24), eines Füllstoffs (25) und eines Bindemittels (26) zusammen mit 1 bis 10 Gew.-% beigemengten Si-Pulvers (27), – das Auftragen eines Si-Schlamms (36) an erforderlichen Stellen auf dem CMC (40) und – das Durchführen einer Wärmehärtungsbehandlung und einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung an dem CMC (40) zur Bildung von SiC in Oberflächenschichtbereichen (22) des CMC (40).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine dem Basismaterial (21) zugegebene Si-Menge (27) und/oder die Zusammensetzung des Si-Schlamms (36) derart gesteuert/geregelt werden, dass die Si-Menge in den Oberflächenschichtbereichen (22) 26 bis 50 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bindemittel (26) Phenolharz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Füllstoff (26) wenigstens Graphitpulver, Harzpulver oder Keramikpulver enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Si-Schlamm (36) Si, Borcarbid (B₄C) und Polyamid-Imid enthält.