SI21859A

SI21859A - Keramicni batek za hidravlicne zavore

Info

Publication number: SI21859A
Application number: SI200400213A
Authority: SI
Inventors: Tomaz Kosmac; Ales DRAKSKOBLER; Zmagoslav Stadler
Original assignee: Institut "Jozef Stefan"; Ms Production Miklavz Zornik S.P.
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-28
Also published as: WO2006009522A1

Abstract

Predmet izuma je batek hidravlicnih zavor, prednostno za vozila, ki je izdelan iz transformacijsko utrjene mulitne keramike (ZTM-keramike), ki se sestoji iz mulitne matrice in dispergiranih delcev pretezno tetragonalnega ZrO2. Batek po izumu sciti zavorne klesce in hidravlicno tekocino v njih pred pregrevanjem, je obstojen proti hitrim temperaturnim spremembam, pri mehanskih in/ali toplotnih preobremenitvah pa se ne porusi s katastrofalnim lomom. S tem je omogoceno ucinkovito in varno delovanje zavornega sistema pri agresivnem in dolgotrajnem zaviranju, ki ga omogocajo sodobni zavorni sistemi. Batek je po izumu izdelan tako, da se kot osnovni surovini uporabita sinteticni mulitni prah, izdelan bodisi s pretaljevanjem, sintranjem, koprecipitacijo, sol-gel reakcijo ali katerokoli drugo reakcijo v trdnem, tekocem ali plinastem stanju, ter prah ZrO2, ki je lahko dopiran z Y2O3 ali CeO2 ali kaksnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO2, ali pa se uporabi mesanica konstituentov v ustreznih molskih razmerjih ali pa njihove spojine, skupaj z naravnimi minerali, ki med sintranjem reagirajo ob tvorbi mulita in ZrO2, ki se ga lahko dopira z Y2O3 ali CeO2 ali kaksnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO2; za oblikovanje surovcev se lahko uporabi katerikoli znan postopek suhega, mokrega ali plasticnega oblikovanja, kot je stiskanje, ulivanje, brizganje, ekstruzija s poznejso mehansko obdelavo, po oblikovanju se vzorce susi ali se iz njih odstrani organske dodatke, ki so potrebni za oblikovanje, in sintra pri temperaturah, pri katerih se tovrstna keramika zgosti do zaprte poroznosti oz. do cim visje relativne gostote.

Description

KERAMIČNI BATEK ZA HIDRAVLIČNE ZAVORE

Predmet izuma je batek za hidravlične zavore, prednostno za vozila, ki je izdelan iz transformacijsko utrjene mulitne keramike (ZTM-keramike). Batek po izumu ščiti zavorne klešče in hidravlično tekočino v njih pred pregrevanjem, je obstojen proti hitrim temperaturnim spremembam, pri mehanskih in/ali toplotnih preobremenitvah pa se ne poruši s katastrofalnim lomom. S tem je omogočeno učinkovito in varno delovanje zavornega sistema pri agresivnem in dolgotrajnem zaviranju, ki ga omogočajo sodobni zavorni sistemi.

Problematika nastanka in prenosa toplota v zavornih kleščah med zavorno ploščico in zavornim diskom je že dolgo znana. Pri zaviranju se razvijejo visoke temperature. Večji del toplote se odvede preko diska, del pa prehaja preko ploščic in batkov v klešče in hidravlično zavorno olje v njih. Čeprav je zavorna ploščica v zavornih kleščah nameščena (pozicionirana) tako, da ima kar najmanj stičnih mest z ohišjem čeljusti, lahko pride med dolgotrajnim in/ali agresivnim zaviranjem do pregrevanja zavorne tekočine, ki je v neposrednem stiku z zavornim batkom, in posledično do izgube zavorne sile. Se posebej je problem pereč pri zavornih sistemih z diski iz novih kompozitnih keramičnih materialov na osnovi C/C-SiC ali C/SiC-a, ki se v primerjavi z jeklenimi diski ali diski iz sive litine bistveno bolj grejejo. Količina toplote, ki jo prevzamejo zavorne ploščice v zavornih sistemih s keramičnimi zavornimi diski, je torej mnogo višja kot pri klasičnih zavornih sistemih, zato je treba za varno delovanje takega zavornega sistema zagotoviti ustrezno toplotno zaščito zavornih klešč in hidravlične tekočine v njih pred pregrevanjem.

Znani so različni načini zaščite zavornih klešč in hidravlične tekočine v njih pred pregrevanjem.

Iz patentne prijave WO 02/44580 je znana uporaba kovinskih hladilnih obročev med zavornim batkom in zavorno ploščico. Ti hladilni vložki so omejeni na izdelavo iz kovin, npr. nerjavno jeklo ali titan, s čimer so določene tudi toplotne lastnosti. Vgradnja zahteva več prostora v aksialni smeri, kar je lahko ovira pri majhnih zavornih sistemih (npr. motociklih), pri večjih sistemih pa lahko negativno vpliva na togost zavorne čeljusti.

Druga rešitev so keramični zavorni batki. Keramika praviloma slabše prevaja toploto kot kovine. Iz patentne prijave GB 2250800 A, Brake piston je znana možnost uporabe Si₃N4-keramike, ki ima relativno majhen raztezek, majhno specifično maso in gostoto ter dobre mehanske lastnosti, predvsem trdnost in zlomno žilavost, ima pa previsoko toplotno prevodnost, slabost je tudi zelo zahtevna in draga izdelava.

Iz patenta US 5480847 Brake assembly je znana možnost uporabe poroznih keramičnih batkov iz glinenih oz. kaolinskih materialov. Ti imajo izredno majhno toplotno prevodnost, keramika je neprepustna za hidravlično olje, je pa permeabilna za vodo, kar omogoča odstranjevanje v zavorni tekočini kondenzirane vode. Dodatna prednost je nizka cena surovin in izdelave. Ima pa nizko trdnost, ki jo poroznost še zmanjšuje. Pri nižjih temperaturah je krhka, pri višjih pa obstaja nevarnost plastične deformacije, saj po mejah med zrni vsebuje nizkotaljivo steklasto fazo.

Znana je tudi rešitev z zavornimi batki iz plastike. Ti imajo nekaj prednosti: niso krhki in imajo dobre mehanske lastnosti pri nižjih temperaturah, visokih pa ne zdržijo. Poleg tega je plastika neobstojna v hidravličnem olju, zato je že v izumu predvidena kot vstavek v kovinskem batku.

Temperaturno in kemijsko obstojnejši so keramični vložki, postavljeni med batek in zavorno ploščico, na primer po patentni prijavi GB 2089914 A, Disc brake piston. Ta rešitev se po nam znanih podatkih edina uporablja v praksi, in sicer pri Porsche-jevih športnih avtomobilih, opremljenih z zavornim sistemom s C/SiC-kompozitnimi diski. Patent ščiti osnovne geometrijske značilnosti keramičnega vstavka in izvedbo vpetja v kovinski batek, material pa je po izumu lahko katerakoli keramika z majhno toplotno prevodnostjo. V praksi se uporablja tetragonalna ZrO₂ keramika, ki ima ustrezno majhno toplotno prevodnost, dobre mehanske lastnosti pri nižjih in povišanih temperaturah, je pa relativno občutljiva za termošoke in ima visoko gostoto. Je tudi relativno draga. Poleg tega so keramični vložki v batkih dodatna komponenta, ki je s stališča obdelave zahtevna, kar znatno podraži sistem. Vgradnja keramičnih vložkov zahteva tudi natančno obdelavo notranjih površin batka, ki so pri navadnih batkih le grobo obdelane.

Tehnični problem, ki po doslej znanih podatkih ni ustrezno rešen, je batek hidravličnih zavor, ki bo ščitil zavorne čeljusti in hidravlično tekočino pred pregrevanjem, bo obstojen proti hitrim temperaturnim spremembam in se pri mehanskih in/ali toplotnih preobremenitvah ne bo porušil s katastrofalnim lomom.

Naloga in cilj izuma je izdelati takšen batek hidravličnih zavor, ki bo z majhno toplotno prevodnostjo ščitil zavorne čeljusti in hidravlično tekočino pred pregrevanjem, ki bo obstojen proti hitrim temperaturnim spremembam, ki se pri mehanskih in/ali toplotnih preobremenitvah ne bo porušil s katastrofalnim lomom, med delovanjem se bo malo raztezal in bo dobro tesnil ter bo imel tudi nizko ceno surovin in izdelave.

Zahtevanim lastnostim materiala za izdelavo zavornih batkov dobro ustreza transformacijsko utrjena mulitna keramika. Mulit ( 3Al₂O₃.2SiO₂ ) je edina stabilna spojina v sistemu A1₂O₃ - SiO₂. Tali se pri 1920 °C, je dober električni izolator, slabo prevaja toploto (Λ = 3,5 W m‘²K'') in spada med keramične materiale z nizkim linearnim toplotnim raztezanjem (a= 5,3 . 10‘⁶K^_1). Uporabo v konstrukcijske namene omejujejo slabe mehanske lastnosti, predvsem nizka trdnost, ki redko presega 200 MPa, in nizka lomna žilavost, ki se giblje med 1,8 MPa m^1/2 in 2,5 MPa m^1/2. Trdnost in zlomno žilavost mulitne keramike je možno izboljšati z aktiviranjem enega od utrjevalnih mehanizmov. Med pogosteje izkoriščanimi mehanizmi je t. i. transformacijsko utrjevanje, ki ga dosežemo z vgrajevanjem dispergiranih delcev tetragonalnega ZrO₂ v krhko keramično matrico (N. Ciaussen, “Fracture Toughness of A1₂O₃ with Unstabilized ZrO₂ Dispersed Phase, J. Am. Ceram. Soc. 59(1976), 49 - 51). Pod vplivom zunanjega napetostnega stanja se ti delci lahko transformirajo v monoklinsko modifikacijo in s tem absorbirajo del energije loma, zaradi volumske spremembe, ki spremlja fazno transformacijo pa se v matrici ustvarijo tlačne napetosti, ki zavirajo napredovanje razpoke (F. F. Lange, “Transformation Toughening”, J. Mat. Sci. 17(1982), 225 - 262). Transformacijsko utrjeno mulitno keramiko (ZTM - Zirconia-Toughened Mullite) se da izdelati iz različnih naravnih ali sintetičnih surovin, na primer iz mešanice sintetičnega mulitnega prahu in prahu ZrO₂, ki navadno vsebuje tudi manjše količine Y₂O₃, CeO₂ ali kakšnega drugega oksida, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂, (T. Fandel, K. Kroenert, “Investigations of Mullite-Zirconia Composites”, Proč. VHIth German-Yugoslav Meeting on Mat. Sci. Dev., KFA Jullich, 1988, 73 80, ISBN 3-89336-001-8; S. Prochazka et al., “Microstructure of Sintered Mullite-Zirconia Composites”, J. Mat. Sci. 19(1984), 2909 - 2914) ali iz mešanice prahov cirkonijevega silikata in glinice, ki med sintrajem reagirata ob tvorbi mulita in ZrO₂, (N. Claussen , J. Jahn, “Mechanical Properties of Sintered In-Situ Reacted Mullite-Zirconia Composites”, J. Am. Ceram. Soc. 63(1980), 228 - 229), možna je izdelava iz mešanic prahov, v kateri je ena od komponent kovinski alumnij, kovinski silicij ali SiC (S. Wu, N. Claussen, “Reaction Bonding and Mechanical Properties of Mullite/Silicon Carbide Composites”, J. Am. Ceram. Soc. 77(1994), 2898 - 2904; J. Brandt, R. Lundberg, “Processing of Mullite-based Long Fibre Composites via Slurry Routes and by Oxidation of an Al-Si Alloy Powder, J. Europ Cera. Soc. 16 (1996), 261 - 267; EPO 531 378 BI; US 6,083,861). V vseh teh primerih so poročali o izboljšavah trdnosti in lomne žilavosti mulitne keramike, ki ju je možno dodatno izboljšati še z vgrajevanjem monokristalnih vlaken, tako imenovanih whiskerjev SiC (US 4,657,877, Apr. 14, 1987). Navadno se prostominski deleži dodatkov ZrO₂ za izboljšanje mehanskih lastnosti, to je trdnosti in lomne žilavosti, gibljejo med 3 % in 50 %, glede na mulitno osnovo.

Po tem izumu je naloga rešena z batkom hidravličnih zavor in z uporabo keramike po neodvisnih patentnih zahtevkih.

Pri izdelavi zavornih batkov po tem izumu se lahko kot osnovni surovini uporabita sintetični mulitni prah, izdelan bodisi s pretaljevanjem, sintranjem, koprecipitacijo, šol-gel rekcijo ali katerokoli drugo reakcijo v trdnem, tekočem ali plinastem stanju, ter prah ZrO₂, ki je lahko dopiran z Υ2Ο3 ali CeO₂ ali kakšnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂, lahko se uporabi mešanica konstituentov v ustreznih molskih razmerjih ali pa njihove spojine, skupaj z naravnimi minerali, ki med sintranjem reagirajo ob tvorbi mulita in tetragonalnega ZrO₂; za oblikovanje surovcev se lahko uporabi katerikoli znan postopek suhega, mokrega ali plastičnega oblikovanja, kot je stiskanje, ulivanje, brizganje, ekstruzija s poznejšo mehansko obdelavo, po oblikovanju se vzorce suši ali se iz njih odstrani organske dodatke, ki so potrebni za oblikovanje, in sintra pri temperaturah, pri katerih se tovrstna keramike zgosti do zaprte poroznosti oz. do čim višje relativne gostote.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje opisan na osnovi izvedbenih primerov.

Primer 1. Kot surovini za izdelavo batkov iz transformacijsko utrjene mulitne keramike smo uporabili fino frakcijo(<100 pm) mletega elektrotaljenega mulita in prah tetragonalnegega ZrO₂, stabiliziranega z molskim deležem CeO₂ 12 % Zatehtali smo 200 g mešanice prahu, kije vsebovala 180 g mulitnega prahu in 20 g prahu tetragonalnegega ZrO₂. Mešanico smo 3 h mokro mleli v atritorskem mlinu v acetonu, ki smo mu primešali 1,6 g stearinske kisline. Po sušenju smo prah dispergirali v staljenem parafinu, surovce zavornih batkov pa smo oblikovali s postopkom nizkotlačnega injekcijskega brizganja. Po izgonu organskega medija v zasipu aktivne glinice pri temperaturi 200 °C smo surovce sintrali pri temperaturi 1550 °C 4 h na zraku. Gostota batkov iz ZTM-keramike po sintranju je bila 3,34 g/cm³, upogibna trdnost 262 MPa, lomna žilavost

2,9 MPa m^1/2, koeficient linearnega toplotnege raztezanja a = 5,5 . 10⁶K’, in toplotna prevodnost λ = 3,5 W/mK.

Primer 2. Kot surovine za izdelavo batkov iz transformacijsko utrjene mulitne keramike smo uporabili po sol-gel postopku sintetiziran sintetični mulitni prah s submikrometrskimi delci, nestabiliziran (monoklinski) prah ZrO₂ in prah Y₂O₃ Zatehtali smo 160 g mulitnega prahu, 38 g prahu monoklinskega ZrO₂ in 2 g prahu Y₂O₃ Mešanico praškov smo mokro mleli v atritorskem mlinu v izopropanolu 3 h. Po sušenju smo prah ročno granulirali z dodatkom 2 % kafre, ki smo jo predhodno raztopili v acetonu. Surovce zavornih batkov smo oblikovali po postopku hladnega izostatskega stiskanja. Pritisk stiskanja je bil 120 MPa. Po stiskanju smo surovce sintrali pri temperaturi 1520 °C 2 h na zraku. Gostota batkov iz ZTM-keramike po sintranju je bila 3,44 g/cm³, upogibna trdnost 345 MPa, lomna žilavost 3,6 MPa m^1/2, koeficient linearnega toplotnega raztezanja a =5,7 . 10⁶K' in toplotna prevodnost λ = 3,4 W/mK.

Primer 3. Za izdelavo batkov iz transformacijsko utrjene mulitne keramike smo uporabili prah cirkonijevega silikata ZrSiO₄, prah A1₂O₃, prah Y₂O₃ in fino frakcijo (<100 pm) mletega elektrotaljenega mulita. Masni deleži surovin so bili:

ZrSiO₄............................... 42,5%

A1₂O₃...................................................35,5 %

Y₂O₃.................................. 1,5%

Elektrotaljeni mulitni prah...........20,5 %

Zatehtali smo 200 g mešanice prahu, ki smo jo 3 h mokro mleli v atritorskem mlinu v vodi. Kot deflokulant smo uporabili poliakrilno kislino, in sicer z masnim deležem 0,5 % glede na maso prahu. Po mletju smo mešanico prahu posušili in jo ponovno dispergirali v vodi, ki je vsebovala prostominski delež hidroksi-metil-celuloze 15 % kot veziva in 5 % petrolejskega olja kot maziva. Po homogenizaciji v trovaljčnem mlinu smo plastificirano maso, kije vsebovala prostominski delež 50 % suhe snovi, s tlakom 10 MPa ekstrudirali (izstisnili) skozi okroglo odprtino premera 40 mm. Ekstrudirano palico smo posušili in narezali na krajše valje, ki smo jih nato z odrezavanjem na stružnici oblikovali v surovce zavornih batkov. Te smo najprej v zasipu aktivne glinice počasi (2 °C/min) segreli na temperaturo 500 °C in iz njih odstranili organske komponente. Surovce smo sintrali po posebnem režimu, tako da smo jih najprej s hitrostjo 5 °C/min segreli na 1400 °C, pri tej temperaturi smo jih ogrevali 60 min, nato pa smo jih s hitrostjo 10 °C/min segrevali do temperature 1580 °C. Po 4 h sintranja pri tej temperaturi smo vzorce ohladili na sobno temperaturo in jih na stružnici z diamantnim orodjem fino zbrusili do zahtevanih toleranc in predpisane hrapavosti. Gostota batkov iz te reakcijsko sintrane ZTM-keramike je bila 3,82 g/cm³, upogibna trdnost 320 MPa, lomna žilavost 3,7 MPa m^1/2, koeficient linearnega toplotnege raztezanja a = 5,8 . lO^K¹, in toplotna prevodnost λ = 3,2 W/mK.

Batek hidravličnih zavor iz keramike po izumu je torej izdelan iz transformacijsko utrjene mulitne keramike ki sestoji iz mulitne matrice in dispergiranih delcev ZrO₂, katerih prostominski delež se giblje med 3 % in 50 %. Kot osnovni surovini za izdelavo keramike se uporabita sintetični mulitni prah, izdelan bodisi s pretaljevanjem, sintranjem, koprecipitacijo, sol-gel rekcijo ali katerokoli drugo reakcijo v trdnem, tekočem ali plinastem stanju, ter prah ZrO₂, ki je lahko dopiran z Y₂O₃ ali CeO₂ ali kakšnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂. Za izdelavo keramike uporabi mešanica konstituentov v ustreznih molskih razmerjih ali pa njihove spojine, skupaj z naravnimi minerali, ki med sintranjem reagirajo ob tvorbi mulita in ZrO₂, ki je lahko dopiran z Y₂O₃ ali CeO₂ ali kakšnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂.

Postopek za izdelavo batkov po izumu je značilen po tem, da se za oblikovanje surovcev uporabi katerikoli znan postopek suhega, mokrega ali plastičnega oblikovanja (stiskanje, ulivanje, brizganje, ekstruzija s poznejšo mehansko obdelavo), po oblikovanju se vzorce suši ali se iz njih odstrani organske dodatke, ki so potrebni za oblikovanje, in sintra pri temperaturah, pri katerih se tovrstna keramike zgosti do zaprte poroznosti oz. do čim višje relativne gostote.

Transformacijsko utrjena mulitna keramika se uporablja za izdelavo batka hidravličnih zavor.

Zavorne batke smo kot del zavornega sistema za motocikle preskusili na laboratorijskem preskuševališču in na dirkališki stezi. Rezultati so primerni in popolnoma v skladu z nalogo in ciljem izuma.

Claims

1. Batek hidravličnih zavor iz keramike, označen s tem, daje izdelan iz transformacijsko utrjene mulitne keramike.

2. Batek hidravličnih zavor po zahtevku 1, označen s tem, da se transformacijsko utrjena mulitna keramika sestoji iz mulitne matrice in dispergiranih delcev ZrO₂, katerih prostorninski delež se giblje med 3 % in 50 %.

3. Batek hidravličnih zavor po zahtevku 1, označen s tem, da se kot osnovni surovini za izdelavo keramike uporabita sintetični mulitni prah, izdelan bodisi s pretaljevanjem, sintranjem, koprecipitacijo, sol-gel rekcijo ali katerokoli drugo reakcijo v trdnem, tekočem ali plinastem stanju, ter prah ZrO₂, ki je lahko dopiran z Y₂O₃ ali CeO₂ ali kakšnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂.

4. Batek po zahtevku 1, označen s tem, da se za izdelavo keramike uporabi mešanica konstituentov v ustreznih molskih razmerjih ali pa njihove spojine, skupaj z naravnimi minerali, ki med sintranjem reagirajo ob tvorbi mulita in ZrO₂, ki je lahko dopiran z Y₂O₃ ali CeO₂ ali kakšnim drugim oksidom, ki stabilizira tetragonalno fazo ZrO₂.

5. Postopek za izdelavo batkov iz keramike po zahtevku 1, označen s tem, da se za oblikovanje surovcev uporabi katerikoli znan postopek suhega, mokrega ali plastičnega oblikovanja (stiskanje, ulivanje, brizganje, ekstruzija s poznejšo mehansko obdelavo), po oblikovanju se vzorce suši ali se iz njih odstrani organske dodatke, ki so potrebni za oblikovanje, in sintra pri temperaturah, pri katerih se tovrstna keramike zgosti do zaprte poroznosti oz. do čim višje relativne gostote.

6. Uporaba transformacijsko utrjene mulitne keramike za izdelavo batka hidravličnih zavor po zahtevku 1 za izdelavo hidravličnih zavor.