DE2637634C2

DE2637634C2 - Wärmeabsorbierendes, gesintertes Material für Bremsen

Info

Publication number: DE2637634C2
Application number: DE19762637634
Authority: DE
Inventors: Boris Georgievi&ccaron; Arabej; Pavel Fedorovi&ccaron; Moskva Belmer; Iosif Isaakovi&ccaron; Bala&scaron;icha Moskovskaja oblast' Chazanov; Jurij Michajlovi&ccaron; Markov; Viktor Aleksandrovi&ccaron; Tjurin; geb. By&ccaron;kova Galina Nikolaevna Moskva Trochina; Mark Semenovi&ccaron; Zucher; Ivan Ivanovi&ccaron; Bala&scaron;icha Moskovskaja oblast' Zverev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1976-08-20
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE2637634A1

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmeabsorbierendes, gesintertes Material für Bremsen, das Borkarbid, Titandiborid, Kohlenstoff und Siliziumkarbid enthält.

Es werden Reibmaterialien bei Bremsvorrichtungen von Transportmitteln, beispielsweise für Landeeinrichtungen von Flugzeugen, eingesetzt, die diese Komponenten enthalten.

In der DE-OS 21 30 433 ist ein verstärker Kohlekörper, eine Scheibenbremse mit Reibungsscheibe in Form verstärkter Kohlekörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Kohlekörpers beschrieben. Dieser verstärkte Kohlekörper enthält mindestens in einem Teil einen Zusatz, der aus der Gruppe stammt, zu der Bor. Niob, Silizium, Tantal, Titan, Wolfram und Zirkon, Boride νυπ Niob. Silizium, Tantal, Titan, Wolfram und Zirkon, Karbide von Bor. Niob. Silizium, Tantal. Titan. Wolfram und Zirkon und Nitride von Alumni,um. Bor. Niob. Silizium. Tantal, Titan. Wolfram und Zirkon sowie Gemische davon gehören. Die Umrechnung, die aufgrund der Angaben in dieser deutschen Offenlegungsschrift möglich ist. ergibt einen Körper, der aus 88.4 bis 99.6% Kohlenstoff. 0.45 bis 8.56% Siliziumkarbid und 0.34 bis 6.68% Borkarbid besteht. Titanborid kann in Mengen von 0.62 bis 11,62% anwesend sein.

Der bekannte Kohlekörper besteht aus einem Grundnetzwerk aus verstärkenden Kohlefasern und einer Trägermasse aus einem karbonisierten Bindemittel, die das Grundnetzwerk aus verstärkten Kohlefasern verbindet.

Der bekannte verstärkte Kohlekörper enthält, neben den ermittclbaren geringen Anteilen an Borkarbid und den hohen Anteilen an Kohlenstoff jedoch kein Kupfer, wie es bei der vorliegenden Erfindung der f all ist.

Die hohen Start· und Landegeschwindigkeiten sowie die großen Fluggewichte von Flugzeugen machen es erforderlich, für die llugzeugbremsscheibcn wärmeabsorbierendc Materialien /u schaffen, die große War meencrgiemengen wahrend des Auslaufs nach dem Landen des Flugzeuges aufnehmen können. Es ist dabei erwünscht, daß diese Materialien eine mindcst/ulässige Dichte besitzen. In der Praxis des Flugzeugbaus zeigt es sich, daß die verwendeten wärmeabsorbierenden Materialien, die jn sie gestellten Forderungen hinsichtlich wärmephysikalischer Eigenschaften und Gewicht nicht optimal erfüllen So werden /. B. die technischen Kennwerte einer Bremse vermindert, wenn ihre Betriebstemperatur steigt

Das Sichern der Arbeitsfähigkeit solcher Materialien macht eine Volumenzünahme der verwendeten Wärme* absorptionsmittel notwendig« Was eine Erhöhung des Gewichtes und der Abmessungen der Erzeugnisse im ganzen zur Folge hat Daraus resultiert die Notwendigkeif, Wärmeabsorbierende Materialien zu schaffen, die den an" sie gestellten Anforderungen hinsichtlich der wärmephysikalischen Eigenschaften gerecht werden und das Gewicht des aus diesen Materialien herzustellenden Erzeugnisses herabzusetzen ermöglichen. Während der kurzen Bremszeit muß das wärmeabsorbierende Material eine große Wärmeenergiemenge unter Betriebsbedingungen aufnehmen. So nehmen z. B. die Flugzeugbremsscheiben 70 bis 98% Bremsenergie im Laufe der Bremsung auf, deshalb werden an wärmeabsorbierende Materialien folgende Forderungen gestellt:

hohe spezifische Wärmekapazität
hohe zulässige Betriebstemperatur
hohe Hitzebeständigkeit
hohe Wärmeleitfähigkeit
geringe Dichte

Es sind wärmeabsorbierende Materialien auf Graphitbasis bekannt, die für Flugzeugradbrems^n verwendet werden. So ist z. B. ein wärmeabsurbierendes Material auf der Basis von kohlenstoffaserverstärktem Graphit für Bremsscheiben bekannt (siehe Aviation Week and Space Technology. 1976. VoL 104. Nr 6. Seite 53).

Der Nachteil dieser Materialien besteht in folgendem:

1. geringe spezifische Wärmekapazität, die die erforderliche Wärmeaufnahme nicht sichert und zur Notwendigkeit, das Volumen des Erzeugnisses bedeutend zu vergrößern, führt.

jo 2. hohe Porosität des Materials, die seine Wärmeleitfähigkeit wesentlich vermindert und die erhöhte Wasserompfindlichkeit hervorruft.
3. geringe Hitzebeständigkeit des Materials, die zur Verminderung der zulässigen Betriebstemperatur führt.

Die Kosten für Materialien mit Kohlenstoffasern sind außerdem um das 9.8fache und um das 17.1 fache größer als die für die gesamte Bremsvorrichtung bzw. für eine einzelne Bremsscheibe.

Es ist auch ein wärmcabsorbierendes Material für Bremsvorrichtungen bekannt, das aus 10 bis 50 Gew.-% Borkarbid. 3 bis 3.5 Gew. % Eisenmetall. 1 bis 5 Gew.-% Bornitrid und 10 bis 86 Gew.-% Zirkoniumkarbid besteht (s. UdSSR-Urheberschein 3 4b 373).

Dieses Material ist dem wärmeabsorbierenden Material auf der Basis von graphitfaserverstärkiem Graphit an Wärmeleitzahl (48,1 bis 27,3 W/m · grd bei einer Temperatur von 20 bis 800"C) und an spezifischer Wärmekapazität (0,561 bis 0.708 k]Ag · rd bei einer Temperatur von 20 bis 800"C) überlegen, es weist aber auch Nachteile auf. Wegen hoher Dichte und relativ geringer Wärmeleitfähigkeit läßt sich das Material bei Erzeugnissen nicht anwenden, die große Wärmeenergiemengen aufnehmen und cm kleines Gewicht im Verein mit einem geringen Volumen besitzen müssen.

In der DE-OS 21 13 036 ist eine Scheibenbremse, insbesondere Luftfahrzeugbremse, mit Statoren und Rotoren beschrieben, deren Reibungsmaterial u. a. die im Oberbegriff des Anspruches 1 aufgeführten Bestandteile enthält.

Die Reibflächen der Statoren bzw. Rotoren sind jeweils mii einer Verkleidung oder einer Schicht aus gesintertem Reibungsmaterial versehen, die einen Mairixbestandteil und einen partikelförrrtigen Bestand^ teil aufweist, der in dem Matrixbestandteil dispergiert ist. Wenigstens eine der Verkleidungen oder Schichten aus Reibungsmaterial enthält ein Borid als partikelför*

migen Bestandteil. Als Borid kommt u. a. beispielsweise Titanborid in Frage und als Matrixmaterial, wenn dieses aus Metall besteht, beispielsweise Kupfer. Ferner kann neben anderen Bestandteilen, wie Siliziumnitrid oder Molybdändisulfid, auch Graphit enthalten sein. Die in Frage kommenden Mengen an Borid liegen gemäß den Angaben in der Vorveröffentlichung zwischen 1 und 25 Gew.-%. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht die Matrix aus Eisen, das in Mengen zwischen 68,5 und 80,6 Gew.-% enthalten ist

Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von diesem bekannten Material sowohl durch einen zusätzlichen Anteil an Siliziumkarbid als auch durch bestimmte Angaben für die Mengen der einzelnen Komponenten. Das Siliziumkarbid erhöht die für den vorgesehenen Zweck erforderliche Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wärmeabsorbierendes, gesintertes Material anzugeben, das sich von den bekannten Materialien dadurch unterscheidet, daß es hohe spezifische Wärmekapazität (0,94 bis i.'l kjg ■ grd bei einer zwischen 20 und 600⁰C liegenden Temperatur), hohe zulässige Betriebstemperatur (bis zu 1000⁰C), hohe Wärmeleitfähigkeit (82 bis 37 W/m · grd bei Temperaturen von 20 bis 1000°C) und eine geringe Dichte (2,32 bis 2,50 g/cm') aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem wänneabsorbierenden, gesinterten Material für Bremsen gelöst, welches Borkarbid, Titandiborid, Kohlenstoff und Siliziumkarbid enthält und das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß es zusätzlich 1 bis 10Gew.-% Kupfer, zwischen 12 und 51 Gt*.-% Borkarbid sowie zwischen 79 und 5 Gew.-% Kohlenstoff en-.hält.

Diese Bestandteile in den genannten Mengen sichern einen Komplex von Eigenschaften, die für .värmeabsorbierende Materialien notwendig sind Durch die Borkarbidzugabe wird die erforderliche Wärmekapazität des Materials gewährleistet. Bei einem unter 12Gew.-% liegenden Borkarbidgehalt des Materials wird die erforderliche Wärmekapazität nicht erreicht. Ein Borkarbidgehalt von mehr als 51 Gew.-% ist unzweckmäßig, da die Wärmeleitfähigkeit vermindert und die Bearbeitbarkeit verschlechtert wird. Das Siliziumkarbid verleiht dem Material die gewünschte Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Ein unter 7 Gew.-% liegender Siliziumkarbidgehalt führt nicht /ur Steigerung der Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, und ein über 22 Gew. % liegender Siliziumkarbidgehalt ist unzweckmäßig, da die Hitzebeständigkeit nicht mehr ansteigt. Kupfer in einer Menge von I bis 10Gew.-% begünstigt ebenfalls die Wärmeleitfähigkeitserhöhung und verbessert die Bearbeitbarkeit, wobei eine Zugabe von mehr als 10Gew.% Kupfer unzweckmäßig ist, weil es im Verlauf der Herstellung des Materials verdampft. Titandiborid setzt die Porosität des Materials herab und verbessert seine Bearbeitbarkeit. Der günstigste Titandiboridgehalt des Materials liegt zwischen I und 12Gew.-°/o. Der Kohlenstoff in Form von Graphit sichert eine geringe Dichte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials. Der Kohlen stoffgehält des Materials hängt von dem Gehalt der anderen Bestandteile im Material ab,

Bevorzugte Zusammensetzungen für gesinterte wärmeabsorbierende Materialien werden nachfolgend angegeben:

79 GeW.*% Kohlenstoff, 12 Gew.^/o Borkarbid,

7 Gew.-°/a Siliziumkarbid, I
1 Gew.-% Titandiborid.

Gew.-% Kupfer,

5Gew.-% Kohlenstoff, 51 Gew.-% Borkarbid,
"> 22 Gew.-% Siliziumkarbid, 10 Gew.-% Kupfer,
12 Gew.-% Titandiborid.

31 Gew.-°/o Kohlenstoff,48 Gew.-% Borkarbid,
14 Gew.-% Siliziumkarbid, 5 Gew.-% Kupfer,
i" 2 Gew.-% Titandiborid.

24 Gew.-% Kohlenstoff, 51 Gew.-°/o Borkarbid,
14 Gew.-% Siliziumkarbid, 5 Gew.-% Kupfer,
6 Gew.-°/o Titandiborid.

51 Gew.-% Kohlenstoff, 20 Gew.-% Borkarbid,
Yo Gew.-°/o Siliziumkarbid, 1 Gew.-% Kupfer
10 Gew.-% Titandiborid.

-'" Neben verbesserten wärmephysikalischen Eigenschaften und hoher mechanischer Festigkeit, erhöhter Hitzebeständigkeit und geringer Porosität bei kleiner Dichte besitzt das erfindungsgemaße wärmeabsorbierende gesinterte Material die erforderlichen wärmephy-

- > sikalischen Eigenschaften. So beträgt die Wärmefäbigkeit des Materials 82 bis 37 WVm · grd bei Temperaturen von 20 bis 1000° C, die spezifische Wärmekapazität liegt zwischen 0,94 und 1,74 kj/kg · grd bei einer zwischen 20 und 600'C liegenden Temperatur und die

s" Hitzebeständigkeit des Materials bei 800" C macht 22 bis 28 mg/cm² während 100 h aus. Die Dichte beträgt 2,32 bis 2.50 g/cm^J.

Das erfindungsgemaße wärmeabsorbierende Material wird wie folgt hergestellt.

i> In den gewünschten Gewichtsverhältnissen genommene Pulver von Borkarbid, Siliziumkarbid, Kupfer, Titandiborid und Kohlenstoff werden in Äthanol vermischt, bis eine zähflüssige homogene Masse (Gemenge) erhalten wird, die bei einer zwischen 100 und

■»ο 120'C liegenden Temperatur während 1,5 bis 2h getrocknet wird. Das getrocknete Gemenge wird in Graphitpreßformen bei einer Temperatur von 1950 bis 2300° C unter 350 bis 400 kp/cm' Druck während 20 bis ϋΟ min gepreßt. Nach dem Herausnehmen der hergestellten Probekörper aus der Preßform unterwirft man sie im Bedarfsfall einer mechanischen Bearbeitung unter Anwendung von Schleifsteinen oder Diamantwerkzeugen. Das Schleifen erfolgt bei einer Geschwindigkeit von 25 bis 30 m/sek und einer Schleiftiefe von 0,03 bis 0.05 mm.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfinung werden folgende Ausführungsbeispiele angeführt.

Beispiel!

79 Gew-% Kohlenstoff. 12 Gew-% Borkarbid. 7 Gew-% Siliziumkarbid. 1 Gew-% Kupfer und 1 Gew.-% Titandiborid vermischt man in Äthanol bis zur Erzielung einer zähflüssigen homogenen Masse. Die genannten Bestandteile werden pulverförmig genommen. Das erhaltene Gemenge trocknet man bei 120 C Während 1,5 h, preßt das getrocknete Gemenge in Graphitpreßformen zwischen 2200 ± 30^eC unter einem Druck von 400 kp/cm² während 50 min, schleift dann das Material bei einer Schleifgeschwindigkeit von 30 m/s und einer Schleiftipfe Von 0,05 mm. Das hergestellte Material weist folgende Kennwerte auf:

Dichte 2,32 g/cm¹
spezifische Wärmekapazität

0,94 bis 1,67 kj/kg · grd (20 bis 600⁰C)
Wärmeleitzahl 82 bis 43 W/m · grd

(20 bis 1000⁰C)

Biegefestigkeit 8 kp/mm³ (bei 20°C)
Druckfestigkeit IS kp/mm³ (bei 20⁰C)

Beispiel 2

Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 5 Gew.-% Kohlenstoff, 5i Gew-% Borkarbid, 22 Gew.-% Siliziumkarbid, 10Gew.-% Kupfer und 12 Gew.-% Titandiborid.

Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenges beträgt dabei 100⁰C, die Trocknungszeit 2 h, die Preßtemperatur 2000 ± 30⁰C, der Druck 400 kp/cm²; das Pressen dauert 60 min.

Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf:

Dichte 2,50 g/cm³
spezifische Wärmekapazität

0,98 bis 1,72 kj/kg · grd (20 bis 600° C)
Wärmeleitzahl 68 bis 39 W/m - grd

(20 bis 1000° C)

Biegefestigkeit 12 kp/mm² (bei 20° C)
Druckfestigkeit 24 kp/mm² (bei 20° C)

Beispiel 3

Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 31 Gew.-% Kohlenstoff, 48 Gew.-% Borkarbid, 14 Gew.-% Siliziumkarbid, 5 Gew.-% Kupfer und 2 Gew.-% Titandiborid.

Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenges beträgt dabei 120°C, die Trocknungszeit 1.5 h. die Preßtemperatur 2100 ± 3O⁰C, der Druck ^50 kp/cm². Das Pressen dauert 30 min.

Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf:

Dichte 2,39 g/cm^J
spezifische Wärmekapazität
0,96 bis 1.70 kj/g ■ grd (20 bis 600°)

Wärmeleitzahl 71,5 bis40 W/m · grrl

(20 bis 1000⁰C)

Biegefestigkeit 11 kp/mm³ (bei 2O⁰C)
Druckfestigkeit 21 '-p/mm³ (bei 20° C)

Beispiel 4

Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 24 Gew.-% Kohlenstoff, 51 Gew.-% Borkarbid, 14Gew.-% Siliziumkarbid, 5 Gew.-% Kupfer und 6 Gew.-°/o Titandiborid.

Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenges beträgt dabei 120⁰C, die Trocknungszeit des Gemenges 1,5 h, die Preßtemperatur 2200° ± 30⁰C, der Druck 350 kp/cm². Das Pressen dauert 60 min.

Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf:

Dichte 2,47 g/cm³
spezifische Wärmekapazit?¹

0.99 bis 1,74 kJ/kg · graa\20 bis 600)
Wärmeleitzahl 65 bis 37,5 W/m · grd '

(20 bis 1000° C)

Biegefestigkeit 14 kp/mm² (bei 20⁰C)
Druckfestigkeit 26 kp/mm²(bei 20°C)

Beispiel 5

Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 51 Gew.-% Kohlenstoff, 20Gew.-% Borkarbid, !8Gew.-% Siliziumkarbid, 1 Gew.-% Kupfer, 10 Gew.-% Titandiborid.
Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Preßtemperatur beträgt dabei 2150° ± 30⁰C, der Druck 400 kp/cm². Das Pressen dauert 50 min.

Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf:

Dichte 2,34 g/cm³
spezifische Wärmekapazität

0,95 bis 1,68 kj/kg · grd (20 bis 600° C)
Wärmeleitzahl 77 bis 42 W/m · grd

(20 bis 1000° C)
Biegefestigkeit 9 kp/mm²
Druckfestigkeit 20 kp/mm².

Claims

Patentanspruch:

Wärmeabsorbierendes, gesintertes Material für Bremsen, welches Borkarbid, Titandiborid, Kohlenstoff und Siliziumkarbid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich 1 bis 10Gew.-% Kupfer, zwischen 12 und 51 Gew.-°/o Borkarbid sowie zwischen 79 und 5 Gew.-% Kohlenstoff enthält.