ES2244699T3

ES2244699T3 - Disco de freno protegido contra la oxidacion.

Info

Publication number: ES2244699T3
Application number: ES02012288T
Authority: ES
Inventors: Roland Martin
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2005-12-16
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: DE50204227D1; ATE304668T1; US20030021975A1; US6805909B2; EP1275871A3; EP1275871B1; DE10134059C1; EP1275871A2

Abstract

Disco de freno de cerámica reforzada con fibras protegido contra la oxidación, caracterizado porque se ha previsto una capa de barniz resistente a altas temperaturas, que se encuentra en estado viscoso a la temperatura de trabajo del disco de freno y que se basa en un compuesto de magnesio y silicato bórico.

Description

Disco de freno protegido contra la oxidación.

El invento se refiere a un disco de freno de cerámica reforzada con fibras protegido contra la oxidación, a una utilización de un barniz para un disco de freno semejante, así como a un procedimiento para la fabricación de un disco de freno semejante.

Discos de freno de cerámica reforzada con fibras ya se conocen a partir del documento DE 44 38 455 C1, así como del DE 198 34 542 A1. El documento DE 44 38 455 C1 muestra un procedimiento para la fabricación de una unidad de fricción, en la que se infiltra un cuerpo de carbono poroso con silicio líquido. En este caso, el silicio se transforma con el carbono en carburo silícico SiC. El cuerpo de carbono se elabora preferiblemente como cuerpo de fibras de carbono. Si la unidad de fricción, en este caso un disco de freno, se compone de dos mitades, entonces se pueden practicar escotaduras en el cuerpo de carbono antes del proceso cerámico, escotaduras que se complementan luego formando un espacio hueco común con el ensamblaje del cuerpo de carbono, por ejemplo, un canal de refrigeración. El documento DE 198 43 542 A1 da a conocer asimismo un procedimiento para la fabricación de cuerpos, que contienen fibras de refuerzo. A diferencia del documento DE 44 38 455 C1, se utilizan fibras, haces de fibras o aglomerados de fibras y alineados de tal modo que las fibras de refuerzo estén orientadas en la región de las escotaduras del disco de freno de forma aproximadamente paralela a los bordes laterales de las escotaduras. Estos discos de freno de cerámica reforzada con fibras son lo más ampliamente resistentes contra las influencias del entorno; sólo se puede comprobar un pequeño desgaste en el funcionamiento.

El documento EP 0 913 373 muestra un material compuesto de cerámica reforzado con fibras de carbono, sobre todo, para aplicaciones en la navegación aérea y en la navegación espacial. Para la protección contra la oxidación, se propone un sistema de protección contra la oxidación de, por lo menos, tres capas, de las que la capa intermedia puede servir también para el sellado local de grietas por vitrificación. Para ello, se prevén en la capa intermedia boruros y siliciuros metálicos de transición.

La publicación de Haug y otros: "Method for manufacture of oxidation-resistant fiber-reinforced ceramics" (Método para la elaboración de cerámica reforzada con fibras resistente a la oxidación) en Werkst. Verfahrenstech., Symposium, Werkstoffwoche, 1997, páginas 943-955 muestra un procedimiento de fabricación de cerámicas reforzadas con fibras, resistentes a la oxidación, en aplicaciones a la navegación aérea y en la navegación espacial, en especial, cerámica de SiC reforzada con fibras de carbono. Junto a una protección contra oxidación interna por sellado de las fibras de carbono, se muestra que sólo es posible una protección contra la oxidación exterior muy efectiva con una combinación de varias capas. Entre otras, se proponen como capa intermedia capas térmicas viscosas, que se componen de boruros, carburos y siliciuros.

El documento DE 196 16 217 A da a conocer un revestimiento protector para piezas a trabajar, en espacial, de material compuesto de carbono, en el que la capa protectora contiene también compuestos de boro y metal junto a partículas de polvo cerámicas.

La firma Ceramic Solutions, Inc., Hawthorne USA, comercializa diversos barnices protectores para meteriales de carbono. Se comercializa un barniz de imprimación (denominación: CSP-2), que se fabrica sobre base de fosfatos y que forma una protección antioxidante para superficies de carbono. Este barniz penetra en las porosidades superficiales y disminuye, de ese modo, la proporción de oxidación. El barniz de imprimación sirve de capa de fondo para un barniz de cobertura, que es comercializado asimismo por la firma Ceramic Solutions. Estos barnices de cobertura se pueden aplicar para temperaturas de trabajo de hasta 927º Celsisus o bien 1149º Celsisus. Estos barnices de cobertura presentan una alta resistencia contra el agua, el vapor de agua y las sales de los elementos alcalinos. Reciben un proceso cerámico y forman una barrera, que evita la oxidación del carbono. Se ofrecen en combinación con el descrito barniz de imprimación para evitar la oxidación en aplicación sobre grafito, carbono y materiales compuestos de carbono. Finalmente, se ofrece por la firma Ceramic Solutions un barniz protector, cuya región de temperaturas de funcionamiento alcanza hasta los 1260º. Este barniz es extremadamente resistente contra el agua y el vapor de agua y resiste asimismo los ataques de las sales de metales alcalinos. En el caso de este barniz protector, se trata de un material de sellado basado en proceso cerámico, que ofrece la oxidación de carbono y otras fases cerámicas. Este barniz protector se recomienda para una utilización en materiales compuestos cerámicos, que contengan carbono u otras fases receptoras para una oxidación activa. Este barniz protector se recomienda como sellado sobre una capa protectora primaria (por ejemplo, SiC, Si_{3}N_{4}, óxidos,
etc.).

Es problema del invento reducir los daños del disco de freno y evitarlos lo más completamente posible.

Este problema se resuelve con las características de las reivindicaciones independientes. El invento se basa además en el sorprendente conocimiento de que, en contra de las hipótesis precedentes, los discos de freno de cerámica reforzada con fibras, a pesar de la cerámica muy resistente en sí misma y para sí misma, tienen necesidad de una protección antioxidante para ser resistentes contra la oxidación, incluso en condiciones de trabajo como las que se presentan en los vehículos automóviles.

Según el dispositivo, se propone que se prevea el disco de freno con una capa de barniz, de elevada resistencia a la temperatura, viscosa a la temperatura de trabajo del disco de freno. La elevada resistencia a la temperatura del barniz es necesaria para que el barniz no se destruya a las temperaturas de más de 1100º Celsius existentes en el trabajo de frenado. Pero una propiedad esencial del barniz es que sea viscoso en la región de temperaturas de trabajo del disco de freno, es decir, que la temperatura vitrificación del barniz quede por debajo de la temperatura de trabajo del disco de freno y que, por consiguiente, el barniz se encuentre en un estado de viscoso elástico a blando elástico hasta alcanzar su temperatura de fusión. Este comportamiento lleva, de forma ventajosa, a que se forme siempre una película de barniz estanca y que se dificulte el acceso de oxígeno al disco de freno o que incluso se impida. También se pueden remediar, de este modo, daños a la capa de barniz, por ejemplo, formación de grietas. Se ha previsto ventajosamente que el barniz sea resistente a temperaturas de, por lo menos, 1200º Celsius y que sea viscoso por encima de unos 400º Celsius.

Según un perfeccionamiento del invento, se puede prever que se agreguen al barniz pigmentos colorantes adicionales como, por ejemplo, óxido de aluminio. Estos pigmentos deberían presentar una resistencia a la temperatura equiparable a la del barniz de fondo. Con pigmentos colorantes de este tipo, es posible diferenciar ópticamente, de forma ventajosa, la capa de barniz con respecto al disco de freno y hacerla destacable. Por ejemplo, se pueden identificar especialmente, por consiguiente, los discos de frenos equipados con una capa de barniz.

Resulta especialmente ventajoso si los pigmentos colorantes de este tipo son inestables y provocan un cambio de color al alcanzar una temperatura límite específica. Utilizando pigmentos colorantes de este tipo, es posible, además, indicar la trasgresión de las temperaturas límites prefijadas por la elección de los pigmentos colorantes. Tal indicación se puede utilizar para señalar la sobrecarga del disco de freno de modo que, por ejemplo, en la siguiente inspección del vehículo se pueda reconocer dicha sobrecarga y se provoque el recambio de los discos de freno.

De modo más ventajoso no se recubren de una capa de barniz las superficies de fricción del disco de freno así como las superficies de contacto de los discos de freno con otros componentes constructivos como, por ejemplo, un cubo del disco de freno o los elementos de fijación del disco de freno. Por un lado, no se han de modificar las propiedades de rozamiento del disco de freno por la capa de barniz. Por otro lado, no se exponen libremente superficies de contacto del disco de freno al oxígeno del aire, de modo que es pequeño el peligro de un acceso de oxígeno.

Según la utilización, se resuelve el problema aplicándose un barniz altamente resistente a la temperatura, viscoso a la temperatura de trabajo, sobre un disco de freno de cerámica reforzada con fibras.

Según el procedimiento, se ha previsto adicionalmente que se aplique un barniz altamente resistente a la temperatura, viscoso a la temperatura de trabajo del disco de freno, sobre un disco de freno de cerámica reforzada con fibras. Cuando las superficies de fricción así como, dado el caso, las superficies de contacto existentes, no deban recubrirse de barniz, se propone, además, que esas superficies sean cubiertas al barnizarlas. Según un perfeccionamiento alternativo del invento, se propone barnizar esas superficies conjuntamente primero y, después del barnizado, tratarlas mecánicamente. Este modo de proceder presenta la ventaja de que se pueden aplicar aquí otros procedimientos de barnizado como, por ejemplo, el barnizado por inmersión. Además, se asegura con este procedimiento que no lleguen restos de barniz, por ejemplo, por pasar por debajo un revestimiento en superficies de rozamiento o superficies de contacto. El desgaste mecánico de la capa de barniz se puede realizar ventajosamente junto con un mecanizado final de las superficies de rozamiento o las superficies de contacto.

A continuación, se explica el invento más detalladamente a base de un ejemplo de realización. Se muestra en las figuras.

Figura 1 un disco de freno de cerámica reforzada con fibras,

Figura 2 una vista lateral detallada del disco de freno,

Figura 3 una vista detallada del contorno interno del disco de freno, y

Figura 4 una vista detallada de la superficie de fricción con perforaciones.

El disco de freno mostrado en la figura 1 se compone de un anillo 1 de fricción y un cubo 2 de freno. El anillo de fricción y el cubo 2 de freno están mutuamente unidos por medio de elementos 3 de fijación. Los elementos 3 de fijación se conducen en el cubo 2 de freno de modo que se compensen las distintas dilataciones térmicas del anillo 1 de freno y del cubo 2 de freno.

El anillo 1 de freno está compuesto de cerámica reforzada con fibras, más exactamente, de carburo de silicio reforzado con fibras de carbono (C/CSIC). El cubo 2 de freno así como también los elementos 3 de fijación con tornillos 3' se componen de acero fino.

El anillo 1 de freno presenta exteriormente dos superficies 4 de fricción, que están en contacto con forros de fricción no mostrados. Habitualmente, el disco de freno representado se utiliza para una instalación de frenos de disco parcialmente forrada, es decir, los forros de fricción recubren, en cada caso, sólo una parte de las superficies 4 de fricción.

Para una mejor refrigeración del disco de freno, se han previsto dentro del anillo 1 de freno canales 5 de refrigeración, que se extienden desde el contorno 6 interior de forma envolvente hasta un contorno 7 exterior. Partiendo de la superficie 5 de fricción, se han previsto perforaciones 8 adicionales, que se extienden hasta los canales de refrigeración.

Para la protección contra el acceso de oxígeno, se ha provisto el disco de freno de una capa 9 de barniz. La capa 9 de barniz recubre el contorno 7 exterior del disco de freno, el contorno 6 interior del disco de freno, los canales 5 de refrigeración así como las perforaciones 8. Las superficies 4 de fricción, incluidas las superficies 10 de contacto con el cubo 2 de freno, aquí también superficies 11 de contacto con las cabezas de los tornillos 3', no están recubiertas de capa 9 de barniz. En el presente ejemplo, la capa 9 de barniz presenta un espesor conjunto de 200 \mum \pm 100 \mum.

Para aplicar la capa 9 de barniz, se cubren primero las superficies 4 de fricción así como las superficies 10, 11 de contacto con hojas autoadhesivas, recortadas convenientemente, no mostradas aquí. Seguidamente, se provee el disco de freno, en una primera etapa de trabajo, de capa 12 de imprimación (barniz con la denominación "CSP-2" de la firma Ceramic Solutions, Inc., USA), que presenta la siguiente composición:

Fosfato inorgánico:	2 a 15%
Ácido acético:	15 a 30%
Nitrato de armodium	8 a 20%
Agua:	40 a 70%

Después de la aplicación, se seca la capa 12 de imprimación, por ejemplo, en un horno. Inmediatamente después, se aplica una capa 13 de cobertura (barniz con la denominación "CSD1550D" de la firma Ceramic Solutions, Inc., USA) con la siguiente composición:

Óxidos metálicos:	50 a 70%
Disolvente orgánico:	20 a 45%
Resina de silicona:	5 a 15%

La capa 9 de barniz se hace viscosa durante el trabajo del disco de freno y se funde formando una capa continua, que penetra en todas irregularidades de la superficie del anillo 2 de freno. Eventualmente, grietas existentes en la capa 9 de barniz se vuelven a sellar en el próximo calentamiento, es decir, en el siguiente funcionamiento del freno, debido al renovado ablandamiento de la capa 9 de barniz por la degradación de la capa de barniz.

Se pueden mezclar adicionalmente pigmentos colorantes a la capa 13 de cobertura como, por ejemplo, óxidos metálicos. Tienen estos el objetivo de configurar de forma mejor visible por el coloreado la capa 9 de barniz. Tal coloración es visible, en especial, en el contorno 7 exterior del disco de freno, pero, más sorprendentemente, también en las perforaciones 8.

La capa 9 de barniz se puede estructurar con pigmentos colorantes de modo que adopte la función de un indicador de carga, es decir, según el ajuste de los pigmentos en la capa 9 de barniz, se puede reconocer por un cambio de color la carga térmica del disco de freno.

Claims

1. Disco de freno de cerámica reforzada con fibras protegido contra la oxidación, caracterizado porque se ha previsto una capa de barniz resistente a altas temperaturas, que se encuentra en estado viscoso a la temperatura de trabajo del disco de freno y que se basa en un compuesto de magnesio y silicato bórico.

2. Disco de freno según la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de vitrificación del barniz queda por encima de unos 400ºC y el barniz es resistente a la temperatura hasta 1200ºC.

3. Disco de freno según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque se agregan adicionalmente pigmentos colorantes al barniz.

4. Disco de freno según la reivindicación 3, caracterizado porque los pigmentos colorantes modifican su color al sobrepasar una temperatura límite específica.

5. Disco de freno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las superficies de fricción y las superficies de contacto del disco de freno están recubiertas de barniz.

6. Utilización de un barniz resistente a altas temperaturas, viscoso a la temperatura de trabajo del disco de freno, para un disco de freno de cerámica reforzada con fibras, que se basa en un compuesto de magnesio y silicato bórico.

7. Utilización según la reivindicación 6, caracterizada porque la temperatura de vitrificación del barniz queda por encima de unos 400ºC y el barniz es resistente a la temperatura hasta unos 1200ºC.

8. Utilización según una de las reivindicaciones 6 a 7, caracterizada porque las superficies de fricción y las superficies de contacto del disco de freno no están recubiertas de barniz.

9. Utilización según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque se agregan pigmentos colorantes adicionales al barniz.

10. Utilización según la reivindicación 9, caracterizada porque los pigmentos colorantes modifican su color al sobrepasarse una temperatura límite específica.

11. Procedimiento para la fabricación de un disco de freno de cerámica reforzada con fibras protegido de la oxidación, caracterizado porque el disco de freno se recubre de un barniz resistente a altas temperaturas, viscoso a la temperatura de trabajo del disco de freno, que se basa en un compuesto de magnesio y silicato bórico.

12. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque la temperatura de vitrificación del barniz queda por encima de unos 400ºC y el barniz es resistente a la temperatura hasta unos 1200ºC.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque se agregan pigmentos colorantes adicionales al barniz.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque los pigmentos colorantes modifican su color al sobrepasarse una temperatura límite específica.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque las superficies de fricción y las superficies de contacto del disco de freno no están recubiertas por el barniz.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque las superficies de fricción y las superficies de contacto del disco de freno están tapadas durante el barnizado.

17. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque las superficies de fricción y las superficies de contacto del disco de freno se mecanizan después del barnizado.