Элемент тормозного устройства и способ его изготовления
ELEMENT OF THE BRAKING DEVICE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к композиционным материалам C/C-SiC для элементов тормозов, таких как тормозные диски и/или тормозные башмаки.
Известен элемент тормозного устройства из УУКМ на основе каркаса объемной структуры [пат. США №4790052].
Недостатком устройства является то, что эффективность торможения существенным образом меняется в зависимости от интенсивности торможения, и она оказывается весьма низкой в условиях повышенной влажности. Кроме того, имеет место значительный износ тормозных устройств, что определяет их слишком короткий срок службы.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является элемент тормозного устройства, состоящий из сердечника, выполненного из УУКМ, и окружающих его с торца рабочих слоев фрикционного материала, содержащего углеродные волокна, расположенную вблизи них первую фазу в виде пироуглерода, затем вторую фазу из углерода и/или керамики, получаемых из жидкого предшественника, и карбид кремния, получаемый в процессе силицирования [заявка WO 98/16484 от 23.04.98., пат. RU №2201542, 2003 г.].
Элемент тормозного устройства обладает стабильной и воспроизводимой эффективностью торможения вне зависимости от интенсивности торможения и от степени влажности окружающей среды. Кроме того, он обладает сравнительно высокой износостойкостью.
Недостатком его является то, что из-за неполного уплотнения материала сердечника он имеет прочность, которая могла быть выше при условии его полного уплотнения углеродной матрицей (материал сердечника как и фрикционный материал находится в состоянии углеродной основы для силицирования, в которой специально оставляют часть открытых пор для введения в них кремния). Кроме того, необходимость оставить сердечник без карбида кремния за счет введения кремния в поры углеродной основы для силицирования на ограниченную глубину от поверхности трения приводит либо к усложнению способа изготовления изделий, либо к неравномерности распределения карбида кремния по глубине. Все это приводит к снижению эффективности работы тормозного устройства в условиях интенсивного торможения и влажности окружающей среды.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы элемента тормозного устройства в условиях интенсивного торможения и влажности окружающей среды без существенного усложнения технологии и увеличения затрат на его изготовление.
Известен способ изготовления элемента тормозного устройства, включающий формирование каркаса объемной структуры, уплотнение его пироуглеродом вакуумным изотермическим методом из газовой фазы и силицирование жидкофазным методом путем пропитки расплавом кремния [пат. ЕР-А-0300756].
Недостатком способа являются сравнительно большие затраты на изготовление изделий, так как процесс химического осаждения пироуглерода из газовой фазы вакуумным изотермическим методом остается достаточно длительным и дорогостоящим.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления элемента тормозного устройства по п. 1, включающий формирование каркаса из углеродных волокон и уплотнение его матричным материалом, первой стадией которого является уплотнение каркаса пироуглеродом из газовой фазы вакуумным изотермическим методом, второй стадией - уплотнение углеродом и/или керамическим материалом из жидкого прекурсора путем пропитки им заготовки и термообработки, третьей стадией - формирование в порах фрикционного материала (вблизи рабочей поверхности элемента тормозного устройства) карбида кремния, получаемого в процессе силицирования заготовки путем обработки ее в парах кремния [пат. RU №2201542, 2003 г.].
Следует отметить, что в описании к патенту приведены примеры изготовления с' использованием процесса силицирования только жидкофазным методом путем пропитки расплавом кремния. Что касается силицирования путем обработки заготовки из УУКМ в парах кремния, то имеет место лишь декларативное заявление без подкрепления его примером конкретного выполнения. Тем не менее мы включили признак «путем обработки в парах кремния» в ограничительную часть формулы изобретения.
Способ позволяет снизить затраты на изготовление изделий.
Недостатком способа является то, что изготавливаемый в соответствии с ним элемент тормозного устройства имеет недостаточно высокую прочность и недостаточно равномерное распределение карбида кремния в глубину от поверхности трения, а также недостаточно высокую износостойкость, в результате чего снижается эффективность его работы в условиях, интенсивного торможения и влажности окружающей среды.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы изготавливаемых элементов тормозных устройств в условиях интенсивного торможения и влажности окружающей среды без существенного усложнения технологии изготовления и увеличения затрат на их изготовление.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. При разработке нового элемента тормозного устройства изобретен новый способ его изготовления. Применение элемента тормозного устройства и способа его изготовления обеспечивает получение требуемого технического результата, а именно: повышения эффективности работы элемента тормозного устройства в условиях интенсивного торможения и влажности окружающей среды без существенного усложнения технологии и повышения затрат на изготовление. Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию единства изобретения.
Поставленная задача решается за счет того, что в элементе тормозного устройства, состоящем из сердечника, выполненного из УУКМ, и окружающих его с торца рабочих слоев фрикционного материала, содержащего углеродные волокна, расположенную вблизи них первую фазу в виде пироуглерода, затем вторую фазу из углерода и/или керамики, получаемых из жидкого предшественника, и карбид кремния, получаемый в процессе силицирования, в соответствии с заявляемым техническим решением объемное содержание волокон в УУКМ сердечника в 2-4 раза выше, чем во фрикционном материале, и они (волокна) входят в состав ткани и максимально уплотнены углеродной матрицей; при этом углеродные волокна фрикционного материала дискретны по длине и фрагментированы по толщине, вплоть до филаментов, и часть их входит в УУКМ сердечника.
То, что объемное содержание волокон в УУКМ сердечника в 2-4 раза выше, чем во фрикционном материале, и они (волокна) входят в состав ткани и максимально уплотнены углеродной матрицей, позволяет придать материалу сердечника наибольшую прочность, в том числе и за счет исключения карбидизации углеродных волокон при получении фрикционного материала, при котором используется процесс силицирования. Кроме того, благодаря сравнительно низкому содержанию углеродных волокон во фрикционном материале' повышается содержание в нем углерод-карбидокремниевой матрицы и, в частности, карбида кремния в ней. Тем самым создаются предпосылки для получения элемента тормозного устройства с высокой прочностью и износостойкостью.
То, что углеродные волокна фрикционного материала дискретны по длине и фрагментированы по толщине, вплоть до размеров филаментов, позволяет равномерно их (и заполняющую промежутки между ними углерод-карбидокремниевую матрицу) распределить по объему материала. Тем самым обеспечивается равномерность износа фрикционного материала. То, что часть дискретных по длине и фрагментированных по толщине углеродных волокон входит в УУКМ сердечника, обеспечивает (наряду с матричным материалом) достаточно высокую прочность соединения фрикционного материала с материалом сердечника, несмотря, на сравнительно низкое содержание указанных волокон. Тем самым создаются предпосылки для получения элемента тормозного устройства с высокой прочностью.
Наличие во фрикционном материале тормозного элемента (в предпочтительном варианте его выполнения) наноразмерного карбида кремния позволяет дополнительно повысить прочность и износостойкость тормозного элемента.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность придать тормозному элементу более высокую прочность и износостойкость, используя при его изготовлении прежние технологические операции (переделы).
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается эффективность работы элемента тормозного устройства в условиях интенсивного торможения и влажности окружающей среды, а также создаются предпосылки его изготовления без существенного усложнения технологии и увеличения затрат.
3
3
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления элемента тормозного устройства, включающем формирование каркаса из углеродных волокон и уплотнение его матричным материалом, первой стадией которого является уплотнение каркаса пироуглеродом из газовой фазы вакуумным изотермическим методом, второй стадией - уплотнение углеродом и/или керамическим материалом из жидкого прекурсора путем пропитки им заготовки и термообработки, третьей стадией - формирование в порах фрикционного материала (вблизи рабочей поверхности элемента тормозного устройства) карбида кремния, получаемого в процессе силицирования заготовки путем обработки ее в парах кремния, в соответствии с заявляемым техническим решением каркас со стороны рабочих поверхностей элемента тормозного устройства изготавливают из иглопробивного материала плотностью 0,15-0,36 г/см на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до размеров филаментов, углеродных волокон, а сердцевину каркаса (по его толщине) изготавливают плотностью 0,6-0,9 г/см на основе слоев углеродной ткани; при этом иглопробивной волокнистый материал соединяют с пакетом из слоев ткани углеродными нитями, осуществляя это иглопробивным методом, уплотнение каркаса пироуглеродом проводят до достижения УУКМ сердечника открытой пористости не более 15%, после чего доуплотняют его углеродной матрицей до максимально возможной плотности для данного типа материала, а силицирование осуществляют паро-жидкофазным методом. Решению поставленной задачи способствует также то, что (в предпочтительном варианте выполнения способа) перед силицированием в порах фрикционного материала выращивают наноуглерод каталитическим газофазным методом, а при силицировании паро-жидкофазным методом первоначальный массоперенос кремния в поры материала осуществляют по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1550°С.
3
3
Изготовление каркаса со стороны рабочих поверхностей элемента тормозного устройства проводят до достижения УУКМ сердечника открытой пористости не более 15%, после чего из иглопробивного материала плотностью 0,15-0,36 г/см на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до размеров филаментов, углеродных волокон позволяет увеличить равномерность распределения компонентов фрикционного материала, а также увеличить содержание в нем матричного материала, в том числе карбида кремния. Тем самым создаются предпосылки для увеличения износостойкости тормозного элемента. Изготовление сердцевины каркаса (по его толщине) плотностью 0,6-0,9 г/см на основе слоев углеродной ткани в совокупности с предыдущим рассмотренным признаком позволяет придать материалу сердцевины за одинаковое время насыщения каркаса пироуглеродом более высокую плотность, чем материалу со стороны рабочих поверхностей как за счет увеличения диффузии углеродсодержащего газа к сердцевине каркаса так и за счет ее более высокой плотности.
В свою очередь за счет меньшей в этот период плотности УУКМ рабочих поверхностей создаются условия для формирования в нем большего количества карбида кремния как при формировании из жидкого прекурсора, так и в процессе силицирования.
Следует отметить, что при рассмотренной структуре каркаса исключается преждевременное образование корочки при насыщении его пироуглеродом вакуумным изотермическим методом и, как следствие, исчезает необходимость ее удаления, а значит уменьшается длительность указанного процесса.
Соединение иглопробивного волокнистого материала с пакетом из слоев ткани углеродными нитями (осуществляется это иглопробивным методом) работает на увеличение прочности соединения материала рабочих слоев (фрикционного материала) с материалом сердечника. Эта операция по длительности нисколько не больше, чем формирование каркаса иной структуры.
Проведение операции уплотнения каркаса пироуглеродом до достижения УУКМ сердечника открытой пористости не более 15%, после чего доуплотняют его углеродной матрицей до максимально возможной плотности, позволяет исключить его объемное силицирование, а значит, исключить или существенно снизить наличие SiC в материале сердечника. В свою очередь отсутствие или лишь малое содержание в сердечнике фазы карбида кремния снижает его жесткость, и это гарантирует его высокие механические свойства при переменном режиме торможения, когда эти усилия, как правило, передаются за счет механических связей от рабочих поверхностей тормозного элемента к его сердечнику.
Проведение процесса силицирования паро-жидкофазным методом обеспечивает возможность введения кремния в поры материала сколь угодно малых размеров, а также в поры, образованные или устланные активным к кремнию углеродом, что обусловлено порционным характером образования конденсата паров кремния. Благодаря этому возникает возможность увеличения содержания карбида кремния в углерод-карбидокремниевой матрице за счет формирования его вначале из жидких прекурсоров, а затем за счет проведения процесса силицирования, перед которым в порах материала силицируемой заготовки формируют углерод. Кроме того, благодаря этому обеспечивается равномерное содержание карбида кремния по толщине фрикционного материала, что в свою очередь обеспечивает высокую износостойкость материала на всем протяжении эксплуатации тормозного элемента. Кроме того, благодаря этому обеспечивается прочное соединение фрикционного материала с материалом сердечника, т.к. кремний в данном случае выступает в роли клея с образованием в месте контакта фрикционного материала с материалом сердечника клеевого слоя в виде карбида кремния (что это дает, рассмотрено выше).
Силицирование паро-жидкофазным методом в сравнении с жидкофазным методом немного длительнее, но при этом отпадает необходимость нагрева с высокой скоростью (600-800 град/час). Последнее позволяет упростить проведение процесса силицирования. Выращивание (в предпочтительном варианте выполнения способа) в порах фрикционного материала - перед его силицированием - наноуглерода каталитическим газофазным методом позволяет измельчить поры, оставив их преимущественно открытыми. Тем самым создаются условия для введения кремния в материал в большем количестве, но малым количеством в каждую отдельную пору, следствием чего является получение фрикционного материала с более высоким содержанием карбида кремния при низком содержании и малых размерах фрагментов свободного кремния, а также придание фрикционному материалу низкой проницаемости.
Осуществление первоначального массопереноса кремния в поры материала (в предпочтительном варианте осуществления способа) в процессе силицирования паро-жидкофазным методом по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале 1300-1550°С обеспечивает реализацию условий, созданных предыдущим признаком. К тому же при карбидизации наноуглерода образуется наноразмерный карбид кремния.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность придать фрикционному материалу высокую износостойкость, а материалу сердечника - высокую прочность и обеспечить их прочное соединение между собой и тем самым придать тормозному элементу более высокую прочность и износостойкость, используя при его изготовлении операции, не приводящие к увеличению длительности его изготовления в целом, а также не усложняющие технологию.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается эффективность работы элемента тормозного устройства в условиях интенсивного торможения, и влажности окружающей среды без существенного усложнения технологии и увеличения затрат на его изготовление.
Элемент тормозного устройства состоит из сердечника, выполненного из УУКМ, и окружающих его с торца рабочих слоев фрикционного материала, содержащего углеродные волокна, расположенную вблизи них первую фазу в виде пироуглерода, затем вторую фазу из углерода и/или керамики, получаемых из жидкого предшественника, и карбид кремния, получаемый в процессе силицирования. Объемное содержание волокон в УУКМ сердечника в 2-4 раза выше, чем во фрикционном материале. Волокна входят в состав углеродной ткани и максимально уплотнены углеродной матрицей. При этом углеродные волокна фрикционного материала дискретны по длине и фрагментированы по толщине, вплоть до филаментов. Часть фрагментированных по толщине дискретных углеродных волокон входит в УУКМ сердечника.
Фрикционный материал может содержать в своем составе наноразмерный карбид кремния.
3
3
Изготовление элементов тормозного устройства осуществляют следующим образом. Из углеродных волокон формируют каркас. Причем со стороны рабочих поверхностей элемента тормозного устройства каркас изготавливают из иглопробивного материала плотностью 0,15-0,36 г/см на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до размеров филаментов, углеродных волокон, а сердцевину каркаса (по его толщине) изготавливают плотностью 0,6-0,9 г/см на основе слоев углеродной ткани. При этом иглопробивной волокнистый материал соединяют с пакетом из слоев ткани углеродными нитями. Осуществляют это иглопробивным методом.
Затем сформированный каркас уплотняют матричным материалом. Причем первой стадией уплотнения каркаса матричным материалом является уплотнение его пироуглеродом из газовой фазы, второй стадией - уплотнение углеродом и/или керамическим материалом из жидкого прекурсора путем пропитки им заготовки и термообработки, третьей стадией -формирование в порах фрикционного материала (вблизи рабочей поверхности элемента тормозного устройства) карбида кремния, получаемого в процессе силицирования заготовки путем обработки ее в парах кремния. Для этого вначале каркас уплотняют пироуглеродом до достижения УУКМ сердечника открытой пористости не более 15%. А затем полученную заготовку пропитывают коксо- и/или керамообразующим полимером и термообрабатывают при температуре образования кокса и/или керамического материала. При этом пропитку коксообразующим полимером, чередующуюся с карбонизацией, проводят до тех пор, пока УУКМ сердцевины не приобретет максимально возможную плотность для данного типа материала.
Затем полученную заготовку силицируют паро-жидкофазным методом. В предпочтительном варианте выполнения способа перед силицированием в порах фрикционного материала выращивают наноуглерод каталитическим газофазным методом, а при силицировании, первоначальный массоперенос кремния в поры материала осуществляют по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1550°С.
Ниже приведены примеры изготовления элементов тормозного устройства заявляемой конструкции заявляемым способом. Во всех примерах тормозные элементы представляют собой кольца размерами ∅ 78 × ∅ 43 × h 16 мм.
Пример 1
3
3
Вначале сформировали каркас в виде пластины толщиной 20 мм, из которых 10 мм приходились на сердцевину. Со стороны рабочих поверхностей элемента тормозного устройства каркас изготовили из иглопробивного материала плотностью 0,18 г/см на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до размеров филаментов, углеродных волокон марки УКН-2500. Сердцевину каркаса (по его толщине) изготовили плотностью 0,7 г/см на основе углеродной ткани марки УТ-900, наработанной из углеродных волокон марки УКН-2500. Слои каркаса (внешние и сердцевину) соединили между собой углеродными нитями, используя для этого иглопробивной метод.
Затем произвели уплотнение каркаса пироуглеродом вакуумным изотермическим методом до достижения углерод-углеродным композиционным материалом (УУКМ) открытой пористости не менее 15%, а именно: в конкретном случае до открытой пористости 8,3%. При этом плотность УУКМ составила 1,57 г/см; это близко к максимально возможной плотности для данного типа материала. Для этого каркас насытили пироуглеродом по режиму: температура - 1000°С, давление в реакторе - 8 мм рт.ст., рабочий газ - сетевой газ с содержанием метана ≈ 98% об., время уплотнения - 360 часов.
3
3
Затем полученную заготовку, в которой фрикционный материал имел плотность 1,03 г/см и открытую пористость 40,2%, а материал сердцевины (сердечника) - плотность 1,57 г/см и открытую пористость 8,3%, пропитали раствором жидкого бакелита в изопропиловом спирте условной вязкостью 40 с. После этого произвели отверждение связующего при 160°С и карбонизацию при 850°С.
Затем произвели пропитку полученной заготовки раствором резорцина в фурфуроле (с добавлением в него в качестве катализатора процесса поликонденсации водного раствора щавелевой кислоты) с последующими его поликонденсацией, отверждением и карбонизацией. Причем перед карбонизацией произвели мехобработку заготовки в размеры будущей детали.
3
3
В результате перед силицированием фрикционный материал имел плотность 1,29 г/см и открытую пористость 21,8%, а материал сердцевины - плотность 1,63 г/см и открытую пористость 4,5%.
3
Силицирование провели паро-жидкофазным методом в вакууме при температуре 1800-1850°С. В результате силицирования получили элемент тормозного устройства, в котором фрикционный материал (а именно: УККМ) имел плотность 1,91 г/см, открытую пористость 5,9%, содержание в нем карбида кремния составляло 39,2% вес, а свободного кремния -4,9% вес.
Пример 2
Изделие изготовили аналогично Примеру 1 с тем существенным отличием, что при повторной пропитке заготовки жидким прекурсором вместо раствора резорцина в фурфуроле использовали раствор полидиметилкарбосилана в толуоле условной вязкостью 30 с.
Свойства фрикционного материала и материала сердечника, в том числе на переделах изготовления элемента тормозного устройства, приведены в таблице.
Пример 3
Изделие изготовили аналогично Примеру 1 с тем существенным отличием, что непосредственно перед силицированием в порах материала заготовки дополнительно сформировали наноуглерод каталитическим газофазным методом. Для этого заготовку пропитали раствором предкатализатора, в качестве которого использовали формиат никеля. После сушки заготовки при 80°С ее выдержали в среде метана при 500°С и атмосферном давлении в течение 24 часов.
После формирования наноуглерода в порах материала заготовки ее силицировали паро-жидкофазным методом. При этом первоначальный массоперенос кремния в поры материала осуществили по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1550°С. Для этого нагрев заготовки в указанном интервале температур произвели при температуре тиглей с кремнием, превышающей температуру силицируемой заготовки на 100 градусов. После выхода на температуру 1550°С продолжили нагрев и выдержку при 1800-1850°С в отсутствие указанной разницы температур.
Свойства фрикционного материала и материала сердечника, в том числе на переделах изготовления элемента тормозного устройства, приведены в таблице.
Остальные примеры 4-11 конкретного выполнения способа, в том числе вышерассмотренные 1-3, где примеры 1-7 и 10, 11 соответствуют заявляемому способу, а примеры 8 и 9 - с отклонением от него, приведены в таблице. Здесь же приведен Пример 12 изготовления элемента тормозного устройства в соответствии со способом-прототипом.
На основе анализа данных, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы:
1. Изготовление тормозного элемента в соответствии с заявляемым способом (примеры 1-7) позволяет получить фрикционный материал с более высоким содержанием SiC (и низким содержанием свободного кремния), а материал сердцевины - более высокой прочности, чем в материале-прототипе (Пример 12), и обеспечить тем самым его более высокую износостойкость и прочность.
2. Изготовление тормозного элемента с отклонением от заявляемого способа (примеры 8, 9), а именно: с отклонением от заявляемой плотности наружных слоев каркаса, приводит к существенному уменьшению содержания SiC (и увеличению содержания свободного кремния) во фрикционном материале, а также к небольшому снижению прочности материала сердцевины. Кроме того, при этом увеличивается длительность процесса насыщения каркаса пироуглеродом вакуумным изотермическим методом. Последнее обстоятельство объясняется тем, что по мере насыщения более плотных наружных слоев каркаса затрудняется диффузия углеродсодержащего газа к сердцевине каркаса, что неминуемо привело бы к уменьшению плотности УУКМ, а чтобы этого избежать, приходится удлинить процесс и начинать его с более низкой температуры.