DE2653665A1

DE2653665A1 - Oxidationsschutzueberzug fuer kohlenstoffbremsscheiben

Info

Publication number: DE2653665A1
Application number: DE19762653665
Authority: DE
Inventors: Melvin F Browning; Fred P Kirkhart; Ronald L Trauger
Original assignee: Goodyear Aerospace Corp
Current assignee: Goodyear Aerospace Corp
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1976-11-23
Publication date: 1977-06-08
Also published as: JPS5268676A; GB1544994A; FR2334013B1; FR2334013A1

Description

Oxidationsschutzüberzug für Koh]enstoffbreipssoheibe-n

Die Erfindung bezieht sich auf eiren Oxidationsschutzüberzug auf die nicht reibenden Flächen einer Bremsscheibe, im allgemeinen, und auf einen überzug mit Bornitrid, Zirkoniumborid,"geschmolzenes Silikon-Nickelaluminid und metallische Carbide, Si]ikoncarbide, Zirkoncarbid und dergl. wie^;auch verschiedenen Oxiden wie Silikondioxid, 'im besonderen.

Bisher haben auf dem Gebiet der Kohlenstoffbremsscheibe diese eine "Verstärkung aus unveränderbaren Kohlenstofffasern in der Form von z.B. Klumpen, zerhackten und ähnln chen. verflochtene "Fasern verwendet. Der Hauptzweck dieser Fasern ist der Erhalt hoher ^eohanisoher Eigenschaften wie Festigkeit und Starrheit der Scheiben, so daß diese die bei einer üblichen Brenneranordnung iuftretenden Kräfte wie beim Lande^etriebe eines Flugzeugs

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aushalten körmen. Die Herstellung; geschichteter Bremsscheiben mit Kohlenstoffklunrpen oder Faserschichten wird in der Technik allgemein als Eohlenstoff-Kohlenstoffzusammen setzum? (C-C) bezeichnet.

(Der Ausdruck "Kohlenstoff" wird im allgemeinen verwendet und kann entweder amorphen Kohlenstoff oder kristalisches Graphit bedeuten).

Außerdem sind Bremsscheiben hergestellt worden, die eine kohlenstoffhaltige ^Ti/ra ssen schicht wie Fassenprraphit erthalten, um die lange Herstellungszeit der C-O-Fompositionsschicht sowie die Kosten und dergl. zu verringern. Diese Brems; cheiben enthalten auch Eombirationen von C-O Fompositions- und ^assengraphitschichten.

Während des Bremens und eine Zeit danach befindet sich die Tenperatur der Scheiben bei einer Bremse im allgemeinen oberhalb der Oxidati onsschwelle für Kohlenstoff (4^5°C) und kann leicht 1080⁰C überschreiten. So hohe Temperaturen führen zur Oxidation der Scheibe an den nicht reibenden Stellen. Übermäßiger Gebrauch führt somit oft zur Gasbildung, mechanischen Abbaus oder Abblät tem einer nicht reibenden Fläche. Der Fassenverlust im äußeren Gebiet von Rotoren und im Innengebiet von Statoren führt zu Verlusten mechanischer Integrität in dem Drehmomentausnehmflächen der Scheiben. Mechanische Metallbefestiger (Clips), die gewöhnlich an diesen Außen- ixrA Tnrenflachen angebracht sind, werden lose und fallen oft ab. Außerdem, ergibt der Massenverlust an den Innendurchmesserrotoren und den Außendurchraesserstatoren eine Verringerung und einen Abrieb der Bremsfläche.

Obwohl die nicht reibenden Flächen der Bremsscheiben im-

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prägniert und mit einem organischen Harz gehärtet worden sind, können sie oder such ein pyrolytischer Fohlenstoff hohen Temperaturen mechanisch widerstehen, was aber nur eine geringe Verbesserung hinsichtlich der Oxidation erbringt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ei^en Oxidationsschutzüberzug für eine Kohlenstoffbremsscheibe anzugeben, insbesondere, der an nicht reibenden Flächen aufgebracht wird. Dieser Überzug soll die Oxidation auf Temperaturen bis zu HOO⁰G und beim "überschreiten von HOO⁰O bis zu Temperaturen von etwa 2000⁰O begrenzen oder herabsetzen. Die Bremsscheibe kann eine 0-0-Zusammensetzung, Klumpenkohlenstoff z.B. Klumpengraphit und Kombinationen hier von enthalten.

Der Schutzüberzug kann entweder durch "Verfahren mit Dampfniederschlag oder mit Bettpackung aufgebracht werden und im allgemeinen Bornitrid, Zikondiborid, Siliconmetall und verschiedene metallische Carbide wie auch verschiedene Oxide wie Silicondioxid, aber vorzugsweise Carbide enthalten.

Diese und andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, ohne daß alle Abänderungen diskutiert werden sollen, bei denen die Erfindung angewendet v/erden könnte.

Im allgemeinen enthält ein Oxidationsschutzüberzug für Kohlenstoffbremsscheiben eine Bremsscheibe mit einer nicht reibenden fläche, die einen Oxidationsschutsüber-

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zug enthält, der die Oxidation bei Temperaturen über der Oxidationsschwelle für Kohlenstoff begrenzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Tn diesen ist:

Fiprur 1 eine Seitenansicht einer Bremsscheibe mit Klemmen, und dem Oxidationsüberzug an den nicht reibenden Stellen;

Figur 2 ein Querschnitt an der Linie 2-2 der Figur 1; und

Figur 3 ein schematischer -Querschnitt einer Bremse mit drei Bremsscheiben.

Die Gedanken der Erfindung beziehen sich, auf einen Überzug für eine Kohlenstoffbremsscheibe, der die Oxidation insbesondere bei Temperaturen über dem Oxidationswert des Kohlenstoffs begrenzt. Im allgemeinen kann ein Schutzüberzug an vielen Arten von Kohlenstoffbremsscheiben aufgebracht werden. Diese unifassen Bremsscheiben aus Graphit oder einem auf Kohlenstoff basierendem Material, einer Kohlenstoff-Kohlenstoffzusammensetzung, einer Graphit-Kohlenstoff zusammensetzung oder einer Graphit-Graphitzusammensetzung und dergl. oder Kombinationen von diesen wie bei geschichteten Bremsscheiben, die dem Fachmann bekannt sind.

Darüberhinaus können im allgemeinen mehrere Arten von Scheiben wie z.B. segmentierte oder kontinuierlich aufgebaute, wie auch Scheiben mit Keilnuten, Klemmen oder dergl. benutzt werden.

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Die Erfindung betrifft das Aufbringen eines Oxidationsschutzüberzuges auf eine Bremsscheibe ohne Rücksicht auf die A±?t, Ausbildung, TForm usw. der Scheibe. In Figur 1 wird eine übliche Bremsscheibe 3 0 gezeigt, die die Form eines Ringes aufweist und, da sie ein Rotor ist, ist sie mit gleichmäßig "verteilten Schlitzen 12 an ihrem Umfang versehen. A^ der ringförmigen Scheibe 10 sind an ,jedem Schlitz 12 Keilruttreiber, Verstärkungen oder K] andern 14 in üblicher Weise befestigt, die von Hie ten 16 gehalten werden. Jeder Fei Ir.utklammer 14- besitzt eine ^?Tut zur Aufnahme von Keilen des sich drehenden Rades, so dsß die Scheibe sich in einer Bremseinrichtung (nicht dargestellt) drehen, während sie sich auch axial zum Rad bewegen können. Es ist auch dieselbe Art axialer Bewegung mit Statorscheiben möglich, die in der Bremse feststehen und an einem Drehir.omentrohr oder einer Achse durch Keilschlitze an ihrem Innenrand (nicht dargestellt) befestigt sind.

Die Bremsscheibe 10 besitzt Reibflächen 20 und nichtreibende !lachen 21. Die Dicke des Oxidationsschutzüberzuges 22 kann im Bereich von etwa 25 bis 250 Mikron sein, Ein Bereich von etwa 50 bis 125 Mikron ist mit einem Ausdehnungskoeffizienten des Überzuges versehen, der sich von dem des Kohlenstoffbremsmaterials stark unterscheidet. Wenn die Ausdehnungskoeffizienten von Überzug und Kohlenstoffmattrial fact gleich sind, können dickere i.berzüge angebracht werden, da die Chance eines Reißens des Überzuges stark verringert ist. Somit kann der Überzug auch an die Reibflächen (nicht dargestellt) aufgebracht werden.

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Al IHSFECTED

-JS-

Da die beim Bremsen, wie beim Notbremsen auftretende Temperatur im Bereich bis zu 1050 C oder höher liegen kann, verdampft das Überzucrsmaterial, das sich nicht abbaut, rasch für kurze Zeit oder verliert schnell ihre Schutzfp>igkei t, die bei dieser Temperatur erwünscht ist. Dps he-i ßt. daß'Verbindungen . die den I7ert des ar der Kohlen s to ff oberfläche rar Verf U¹¹On o\steh ei-, bei Pe^- triebste'Tjer^turen oberhalb der Oxidationsscbwelle von kohlenstoff erwöns"ht si"d. ^Τττ a]] gemeiner si^d verschiedene feuerfeste "Vet^.le, 7.."". Ohror-1 und. Silicon.-TiTeta 11 carbide wie ^p.orc£?rbid. ^jobiuvcarbnd .■ ^r/ir>o"cnr_ bid. 5ji licn^c^rbid v™ä ^TTidrid.e. wie ".⁷^₀ ^or^itrid, u^d Si] ir.ornj-hni.d ^eein'net. ^eso^dere ^Rir-nieip anderer Schnt7i"^verii^e enthalte" ^iekel, ITiobiuin, Bor, Oxide wj ^"SiI ■i.'-.cnd-roxid . ^!'-'."elnl^pi^id u^d Forbinatiore^ wie O^roinsi licon , Ohrorr-inkelsilicor , Si] icon-S: lconcarbi d, Si liconnj trid, Si liconcgrbid und SiIi conni.tridbor^i.trid.* Silicon wird im allpe^eiren und Bornitrid noch ^ehr bevorzugt» Bei der Verwendung der verschiedenen. C^rbMe, die sich abschleifen, wie auch von anderen sbrasivem Material nuß Sor^fslt ar rewendet v/erden, um Reibflächen pcanz oder teilweise so zu überziehen, damit das abrasive Material/*-p:ef2;en Kohlenstoff reibt. Andererseits würde ein solcher Schutzüberzug leicht benachbarte Keibflacher-, wie sie sich in der Bremse befinden, abschleifen.

Der Oxidationsschutzüberzug kann er nach den übliche"! Vorgängen und Verfahren wie das OVD-Verfahren, das PackzeTnentierun'^sverfahren und las Plasmasprühverfshrnn aufgebracht v/erden. Beim Packze^enti erverfrhren wird ein 'überzug aus dem Oxidati onsschutzmaterial auf die Fläche in dem Gebiet aufgetragen, in dem der Überzug erwünscht ist.

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BAD ORjQfNAL

- sr-

D^e Kohlenstoffbremsscheibe wird dann von einer best inmten Teilchenkonzentrption des .gewünschten i-etalls und/oder Fetallcarhids in einem .inerten zerkleinertem Material umgeben und in einer inerten Atmosphäre auf eine a-eeignete Temperatur erhitzt, damit das ÜberzugsmateriPl in die Scheibe diffundiert. Bei einer Temperatur, bei der die Diffusion hoch ist, wi-rd dsts Metall durch die Eeaktion mit dem Kohlenstoff in der Scheibe umgewandelt.

Beim CVD-(oheni sehe Dawpfniederschlafoing) "Verfahren wird im allgemeinen eine gasförmige Verbind \jno- (ζ.T. ein Baloprenid) des tiberzupsmetalls über den erhitzten Kohlenstoff geleitet. Wie bei einem CVD-Verf'bren reagiert somit das Metall reagiert mit dem Kohlenstoff im Substrat und bildet ein Garbi.d_e Sollte ein Ficht-Oarbidniederschlarf erwünscht sein, so wird ein zweites Gas mit der Reaktion hinzubegeben, das dann zwischen die Metall chi oridverbir.dung und die zweite gasförmige Verbindung gelangt. Die Geschwingkeit der Umwandlung hängt in Jedem Fall von der Temperatur und der Konzentration der Keija.1]arten im Trägergasstrom ab. Das Eindringer, der Fetallatome in die Kohlenstoffbremsscheiben wird von der Diffusionscharakteristik des Kohlenstoffs bei dieser Temperatur beeinflußt.

Ein Merkmal des CVD-Verfahrens ist seine Fähigkeit weiter .in die Scheibe einzudringen als wie bei der Packzementierung und ergibt geringeres Gewicht durch Umwand]un°: von nur der Oberflächenkohlenstoffatome in Carbid. Das CVD-Verfahren kann aber auch zum Aufbau einer Flächenschioht verwendet werden.

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AO

Der Überzug bildet eine Schutzschranke, die verhindert, daß Sauerstoff den Kohlerstoff durchdringt u^d oxidiert, insbesondere während der 7.eit, in der der Kohlenstoff si"h auf honen Temperature^¹ befindet. Wie erwähnt, kann der Überzug nur auf die nicht reibenden Teile der Bremsscheibe gegeben werden.

Die Figuren 1 und 2 ^.ei^en den Schutzschrankenüberzug, der sich nur auf einer einzigen bremsscheibe befindet. Wenn mehrere Scheiben verwendet werden, wie bei der üblichen "Rr e-n se in richtung, 7.B. bein Lande ge triebe eines Flugzeugs, w"ird der überzug nur auf alle der Luft ausgesetzten oder ^i. ent reibenden Flächen aufgebracht. Beispielsweise zeigt Figur 3 eir Ausführungsbeispiel mit drei Bremsscheiben und zwei Statorscheiben 23 und eine Rotorscheibe 25. Die S^>eiber in dieser Bremse weisen ei^en Außendurchmesser des Rotors von etwa 250 mm auf, und alle nicht reibenden Fischen sind durch das CVD-Verfahreη unter Verwendung von Bornitrod beschichtet worden. Es laufen beispielsweise vierzig Bremskreise bei Überlastungsbedingungen, so daß die Temperatur in der Fitte der Statorscheiben etwa 1100⁰G beträgt. Eine Prüfung zeigt, daß an keiner nicht reibenden Fläche ein Angriff erfolgt, außer daß die Statoren am unterer. Teil der Rotorscheiben 25 leicht angegriffen werden, was mit 27 angezeigt ist. Dagegen fiel bei einem ähnlichen Test, bei dem kein Überzug aufgebrecht worden war, der Scheibensatz infolge der übermäßigen Oxidation an den nicht reibenden Flächen nach 35 Überlastungsnotbremsungen aus.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Angaben verständlicher. Tabelle I zeigt eine Zusammenfassung von üblichen Überzugsreaktionen, die z-um Aufbringen von Überzügen auf Kohlenstoffverbindungen dienen, und gibt auch

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die notwendigen Bestandteil e urd 'lusgangss-toffe wie auch die üblichen Temperaturen zum Herstellen eines besonderen oxidationsbeständigen Lberzuesrnaterials an. Es können aber auch andere Techniken und höhere oder niedrigere Temperaturen verwendet werden.

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Tabelle I
Zusammenstellung von Überzugsreaktionen zum Aufbringen von Überzügen auf Kohlenstoffverbindungen

Oxidationsbeständiges Überzugsmaterial

Überzugsreaktionen Überzugs-Charakteristik

3SiCl, +

2. · SiC

3. Si₃N₄-SiC (Niederschlag)

S 4. BN
00

to 5. Si₃N₄-BN (Niederschlag)

CH₃SiCl₅ (Überschuß ) CH₃SiCl₃ (Überschuß)-fööÖ~*C^SiC!

O* BN + 4HCl

+ 16HC1

^5Ησι

3SiCl₄ + BCl, + NH,

Si₃N₄ + 16HC1

1000 C

BN + 4HCl nicht-abrasiv

abrasiv

gemischt abrasiv und
nicht-abrasiv

nicht-abrasiv

nicht—Abrasiv

6. Silicon

SiCl₄ +

-1000 σ

-»•Si + 4H01 abrasiv

entweder (a) oder (b)

->SiO₂ + 4HCl + 2CO

SiCl₄ +

^ * 900 σ

Si(OCpH₁-). > SiO₀ + organische Stoffe

^ ^D 900C ^ Chrom (Isothermal

chromierend)

CrCl₂ + C _Substrat

+ Cl

Cr Zuführung + Cl₂ zum Auffüllen mäßig-abrasiv

Tabelle I

Oxidationsbeständiges Überzugsmaterial

überzugsreaktionen

Überzugs-Charakteristik

9· Cr-Si (Niederschlag von Silicon und gleichzeitig Diffusion in Cr-beschichtete Verbindung)

10.	ο co co Ν*	Cr-M-Si	(1) (2)
	TJiAl^ (3-Schritt- ⁵ verfahren)	(3)
S 12.
Silicon

13 ο Si-SiC

14.

15. 8 gefolgt von SiCl₄ + 2H₂—>Si + 4HCl mäßig-abrasiv

Cr + Si-

-^CrSi

1000 C
Farbe urd Schmelze >125O C

TTi (CO)

190 C

=»· Ni + CO

nicht-abrasiv nicht-abrasiv

+ 1-1/2H₂ +

Hitze bis 650 zum Reagieren von TTi mit Al

Farbe mit Si-Pulver gemischt mit Ver— dünnungsnatriumsilicat und Schmelze (14-50 C) abrasiv

abrasiv

(Siliconniederschlag als Flüssigkeit) SiC C S^Si-SiC + HCl

g
SiCl. + Έ_ο + C Substrat

1600 C

4-BCl₅, + CH, +⁴H_P

⁰ * ^Ü

»B,C + 12HC1 ÜberschußΉ₂

ITbCl₅ + CH₄ + 1/2H₂

1200⁰C

Überschuß

+ 5

abrasiv

Oxidationsbeständiges Überzugsmaterial

Tabelle I

Überzugsreaktionen

überzugs-Charakteri st ik

16ο ZrO

17. B

-4 O CO OO

1200⁰G

10500
+ 1 1/2H₂ >B + 3HOl

Überschuß H₀

abrasiv

nicht— abrasiv

Wie aus der Tabelle I leicht zu ersehen ist, werden Überzüge wie Silicon, Silicondioxid und die Carbide als abrasiv bezeichnet, während Bornitrid und die meisten Metalle nichtabrasiv sind«

Beispiele von Bremsscheiben aus Kohlenstoffverbindungen sind etwa 6,1 mm dick und 12,2 mm breit und 50 mm lang und mit einem Oxidationsschutzüberzug nach Tabelle II versehen. Die Beispiele sind wiederholt hohen Temperaturen von 825°C und HOO⁰G für eine Dauer von etwa acht bis zehn Minuten ausgesetzt worden. Sie wurden dann gewogen und mit ihrem ursprünglichem Gewicht verglichen. Der sich ergebende Verlust war durch die Oxidation des Kohlenstoffs oder Graphitmaterials in den BremsScheibenproben und durch Verflüchtigung bedingte

Aus Tabelle II können die Schutzüberzüge entnommen werden, die einen stark verringerten Gewichtsverlust und somit gute Wirksamkeit der Überzüge aufweisen_o Wie erwähnt, sind Silicon und Bornitrid sehr gute Überzüge.

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Tabelle II

Überzugs reaktion	Überzugs- Material	Überzugs- dicke ca.	Gewichtsverlust 825°C	in % nach 5 Umläufen 1100⁰C
4	BN	1.5-5	0.15	7.12
4	BN	4-5	O.32
4	BN	8-10	O.72
4	BN	5-5.5		11.2
6	Si	5-10	0.802	4.92
6	Si	>4	2.44
^₃ 6	Si	>5	6.7O
ο 3	SiC-Si₅N₄	1-1.5	6.97
co oo 5	Si₅N₄-BN	2	I.09
ro ο GO	SiC		.124
^ 7 CD co 8	SiO₂ Or	———	2.66 5.31	:::
^ 9	Cr-Si		5.32	—
Steuerung	keine		47.1	—
Steuerung	keine	___		51.7

Die Proben werden auf eine endlose Kette gebracht und können durch eine vorgeheizte Zone mit
einer Reisegeschwindigkeit haben, bei der ,jeder Gang durch die heiße Zone ein Umlauf ist.

Dieselbe Probe durchläuft den Durchlauf mit HOO⁰C und den mit 825°C_O

cn cn cn

Somit ist zu erkennen, daß nach de^n Π-edanken der ¹Erfindu™^ die ihr zugrunde liegender Aufgabe¹·* voll relöst worden sind. Der "^a ohne -ir: Ice^nt viele AbärderunRsraöp:- lichkeiten ohne vom Sinn der Erfindung· abzuweichen. Der Umfang der Erfindung ist auf die Ausführungsbeispiele nicht beschränkt.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims

Kohlenstoff bremsscheibe., dadurch gekennzeichnet, daß die Flehen' einen- Oxidatio^sschutzüberzug trafen ,' der die Oxidation bei Betriebstemperaturen oberhalb der Oxidationsschwelle des F"ohler¹ stoffs begrenzt.
2. Pressscheibe nach Ar-spruoh 1, dadurch ■ _.. daß der überzug ei^e Diclre von etwa 25 bis 250 aufweist._it
3. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch p-ekerrzeich.net, daß der ÜberzuiT eine Dicke von 50 bis 12.5 Mikron aufweist. . -";,..
^-. BreTsschfiibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht reibende¹-» Flächen mit dem Oxidationsschutzüberz.ug versehen sind.
5. Bremsscheibe nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsschutzüberzug bis zu Temperaturen von

2200 O wirksam ist,

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BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: 8 MÖNCHEN 22 1-856 44 INVENTION - ■ BERLIN ST. ANNASTR. 11 INVEN d BERLIN 030/885 60 37 TEL: 089/22 36 44 030/888 23 82

BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO:

BERLINER BANK AG. W. MEISSNER, BLN-W

BERLIN 31 122 82-109 3695716000
6. Bremsscheibe η ach Ar s-nruch 4, dadurch <~ekennzeichnef , daß das Faterial:der Scheibe ei^ Grnphitmateria], ein auf.-FOhI er stoff -basierendes Material, eine ICohlenstoff Kohlenstpf fY^rblridunn-, eine ^rot] ^nstoff-Orraphitverbineine Graph it-^T-~oV en stoff Verbindung, eine G-raphitit-Yerbi.-ndur.^"j ein FluTrpenVohlenstoff, ein pensrrapnit oder.dere^ Fornbinaticnen ist.
7. Bremsscheibe nach 'Anspruch 4, da-:lurnh p-eVer^, daß der Oxidatiorsschutzüber^uf aus der ^T<la.sse ";e\vählt · ist, die ans feuerfester '-'etglJen, Metall carbiden, ¥etallnitroden ur-d Fetalloxiden besteht.
S₀ Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug at^s der Klasse gevählt ist, die aus Chrom, Silicon, nickel, Bor, Borcarbid, Zirkoncarbid, liobiumcarbid, Bornitrid, Si]iconnitrid, Silicondioxid, Fickelaluminid und deren Kombinationen besteht.
9. Breipsscheibe nach Änsnruch 7i dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfesten T'etalle aus der Gruppe gewählt sind, die Chrom und Silicon enthält.

Bremsscheibe ^ach Anspruch 7, dadurch ^eker.nzei ch^et, daß die Metallcarbide aus der Gruppe gewählt sird, die Borcarbid, !"Tiobiumcarbit und 7irkoncarbid enthält.

DTpI.-Ing. P. H. Meissner

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