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Diese
Erfindung bezieht sich auf Artikel aus Eisenmetall mit einer schützenden,
anhaftenden, verschleißfesten
Beschichtung aus Metalloxiden und auf Verfahren zur Bildung einer
schützenden,
anhaftenden, verschleißfesten
Beschichtung aus Metalloxiden auf solchen Artikeln. Die Beschichtung
hat wünschenswerterweise
eine Dicke von etwa 6 bis etwa 102 μm (1/4 mil bis etwa 4 mil) und
wird durch Einwirkenlassen einer oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise
Luft, auf den Artikel, vorzugsweise während einer Wärmebehandlung des
Artikels, gebildet. Solche Artikel eignen sich unter anderem als
Drehmomentantriebseinsätze
für eine Reibscheibe
für eine
Mehrscheibenbrems- oder Kupplungsanordnung. Eine solche Reibscheibenbremsanordnung
hat entlang einem oder mehreren gepassten Splintelementen, die fest
an einer Kardanwelle befestigt sind, mehrere axial ausgerichtete
ringförmige
Rotorscheiben, die für
eine axiale Bewegung genutet sind, und dazwischenliegende ringförmige Statorscheiben,
die für
eine axiale Bewegung genutet sind. Die Statorscheiben und die Rotorscheiben
weisen entlang des Randes jeweils eine Menge von um den Umfang herum
beabstandeten Schlitzen auf, in denen sich metallische verstärkende Antriebseinsätze befinden,
um die Last auf die Scheiben zu übertragen.
Die Antriebseinsätze
sind aus einer Legierung, wie A286-Legierungsstahl, gebildet, der
eine anhaftende Beschichtung von Metalloxiden aufweist, die durch
kontrollierte Oxidation des darunterliegenden Grundmetalls gebildet
wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Material der Antriebseinsätze einen
erheblichen Einfluss auf die dynamische Stabilität einer Mehrscheibenbremse
haben kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Foley
et al. offenbaren die Ergebnisse ihrer Bewertung der Gleitreibungseigenschaften
von Cobalt auf Cobalt, Nickel auf Nickel und Eisen auf Eisen unter verschiedenen
atmosphärischen
Bedingungen über
einen Temperaturbereich hinweg unter Verwendung eines halbkugelförmigen Zapfens
in kontinuierlichem Gleitkontakt mit 3,63 m/min auf einer rotierenden
Scheibe (R.T. Foley, M.B. Peterson und C. Zapf, Frictional Characteristics
of Cobalt, Nickel, and Iron as Influenced by Their Surface Oxide
Films, ASLE Transactions 6, 1963, S. 29–39). Obwohl eine erhebliche
Datenmenge vorgelegt wird, die darauf hinweist, dass das Verhalten
dieser verschiedenen Metalle mit wechselnder Temperatur und Atmosphäre weit
variiert, wird keine Lehre in Bezug auf das potentielle Verhalten
von komplexen Systemen, wie legierten Stählen, angegeben.
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Rabinowicz
schlägt
vor, dass ein Oxidfilm von etwa 0,01 μm Dicke auf dem Grundmetall
benötigt
wird, um eine effektive Trockengleitwirkung zu erzielen (E. Rabinowicz,
Lubrication of Metal Surfaces by Oxide Films, ASLE Transactions
10, 1967, S. 400–407).
Eine erhebliche Datenmenge wird vorgelegt, die darauf hinweist,
dass das Verhalten verschiedener Metalle einschließlich Nickel,
das auf Edelstahl Typ 303 gleitet, Edelstahl Typ 303, der auf Nickel
gleitet, Nickel, das auf Nickel gleitet, und Edelstahl Typ 303,
der auf sich selbst gleitet, mit wechselnder Temperatur und Atmosphäre weit
variiert.
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Ein
Verfahren zur Bildung von Schutzbeschichtungen aus gemeinsam abgeschiedenem
Aluminiumoxid und Titanoxid auf Verschleißoberflächen von Substraten, wie gehärtetem oder
behandeltem Stahl oder Sinterhartmetallen, ist im US-Patent Nr. 4,052,530
(Fonzi) offenbart. Gemäß diesem
Patent wird die Beschichtung gebildet, indem man ein Aluminiumhalogenidgas
und ein Titanhalogenidgas auf einer Oberfläche, die auf einer Temperatur
von etwa 900 °C
bis etwa 1250 °C
gehalten wird, gleichzeitig mit Wasser umsetzt. Die Beschichtung
umfasst alpha-Aluminiumoxid
(Al2O3) mit etwa
2% bis etwa 10% hexagonalem alpha-Titanoxid (Ti2O3), das in der Aluminiumoxidmatrix dispergiert
ist. Das Verfahren von Fonzi erfordert die Verwendung eines chemischen
Aufdampfverfahrens mit den damit verbundenen speziellen Verfahrensgeräten und
Kosten und kann die Morphologie der als Substrat dienenden eisenhaltigen
Legierung aufgrund der Verwendung von relativ langen Zeiten bei
hohen Temperaturen beeinträchtigen.
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Artikel aus eisenhaltiger Legierung mit
einer verschleißfesten
Beschichtung aus Metalloxiden, die durch kontrollierte Oxidation
der Grundlegierung gebildet werden, und auf ein Verfahren zur Bildung
einer anhaftenden Beschichtung aus Metalloxiden auf einem Artikel,
der ein Substrat aus eisenhaltiger Legierung der folgenden allgemeinen
Zusammensetzung umfasst, ausgedrückt
in Gewichtsprozent: C 0 bis 0,08, Cr 13,5 bis 16, Ni 24 bis 27,
Rest Eisen. Es können
auch weitere Legierungselemente anwesend sein. Die Beschichtung
hat eine Dicke von etwa 6 μm
(1/4 mil) bis etwa 102 μm
(4 mil) oder etwa 13 μm
(1/2 mil) bis etwa 76 μm
(3 mil) oder etwa 25,5 μm
(1 mil) bis etwa 51 μm
(2 mil) und wird gebildet, indem man den Artikel einer oxidierenden
Atmosphäre,
vorzugsweise Luft, aussetzt, vorzugsweise während einer Wärmebehandlung
des Artikels.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Reibungsbremssysteme
und insbesondere auf Flugzeugreibscheiben mit verstärkten Randschlitzen
zur Verwendung in Mehrscheibenbremsen. Bei Bremsanordnungen, bei
denen eine Menge von Bremsscheiben eingesetzt werden, die abwechselnd
mit dem Rad und der Achse eines Flugzeugs genutet sind, ist es wichtig,
speziell aufgebaute Antriebseinrichtungen bereitzustellen, um Randschlitze
in den Scheiben zu verstärken
und dadurch die starke Beanspruchung zu mildern, die ansonsten den
Rand der Scheiben schnell verschlechtern würde. Als Scheibenbremsen aus
Stahl gebaut wurden, konnten die Scheiben wegen ihrer physikalischen
Eigenschaften den Scher- und Druckkräften, die zwischen den Schlitzen
und den drehmomentübertragenden
Elementen darauf ausgeübt
werden, widerstehen. Nachdem die Stahlscheiben durch Kohlenstoff-
und/oder Keramik-Verbundscheiben ersetzt wurden, ist es wichtig,
verstärkende
Antriebseinsätze
an den Randschlitzen vorzusehen, da die Verbundstoffe unter dieser Art
von Belastung eine geringere Haltbarkeit haben als Stahl. Die Antriebseinsätze übertragen
die Kräfte über eine
größere Fläche auf
die Verbundscheiben und reduzieren dadurch die Kontaktbeanspruchungen,
was die Belastbarkeit der Verbundscheiben erhöht.
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In
der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein Drehmomentantriebseinsatz
verwendet, wie er im US-Patent 4,469,204 beschrieben ist. Ein solcher Antriebseinsatz
in den Randschlitzen greift in die Verbundscheibe ein und treibt
das rotierende Element an oder überträgt die Spannung
ohne nachteilige Wirkungen für
die Kohlenstoff-Verbundstoffe auf das stationäre Element. Der Antriebseinsatz
weist ein Paar von einander entgegengesetzten Flächen auf, die im Reibungskontakt
mit den einander gegenüberliegenden
Wänden der
Schlitze stehen, um die Belastung zu verteilen. Bei der Gestaltung
des Antriebseinsatzes wird ein Kanal verwendet, um die Antriebseinsätze innerhalb
des Schlitzes in Position zu halten. Durch eine solche Struktur wird
das Abschälen
oder Ausfransen des Kohlenstoff-Verbundstoff-Wärmesenkenmaterials verhindert,
während
auch ein Teil der Beanspruchungen aufgrund einer Fehlausrichtung
von Rad und Bremse aufgenommen wird. Die Struktur des Antriebseinsatzes
und des Bügels
sorgt für
eine große
Lagerfläche
im Kohlenstoff-Verbundstoff und minimiert das Gewicht, das erforderlich
ist, um die Festigkeit zu erhalten, um im Falle einer gewissen Fehlausrichtung
mit den Seitenbelastungen fertig zu werden. Der Aufbau erlaubt es,
dass der Antriebseinsatz im Schlitz der Kohlenstoffscheibe Spiel
hat, wodurch die Spannungsbelastung der Befestigungsnieten beseitigt
wird.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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In
der vorliegenden Erfindung wird ein Artikel aus Eisen-Chrom-Legierung,
der eine Schutzbeschichtung aus anhaftenden, verschleißfesten
Metalloxiden aufweist, wie es in Anspruch 1 definiert ist, und ein
Verfahren zur Bildung einer Beschichtung aus schützenden, anhaftenden Metalloxiden
auf einem Artikel, der ein Substrat aus Eisen-Chrom-Legierung umfasst,
in Betracht gezogen. Die Beschichtung hat eine Dicke von etwa 6 μm (1/4 mil)
bis etwa 102 μm
(4 mil) und hat besonders bevorzugt eine Dicke von wenigstens etwa
12 μm (1/2
mil) und wird durch Einwirkenlassen einer oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise
Luft, auf den Artikel, vorzugsweise während einer Wärmebehandlung
des Artikels, gebildet. Insbesondere wird in der Erfindung auch
eine Mehrscheibenbremse in Betracht gezogen, die Scheiben mit aus
oxidbeschichtetem A286-Legierungsstahl
gebildeten Drehmomentantriebseinsätzen aufweist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird auch eine Anordnung des Reibungsbremsscheibentyps
in Betracht gezogen, wobei die Scheiben flache ringförmige Oberflächen und
eine Menge von um den Umfang herum beabstandeten Schlitzen entlang
des äußeren Randes
der rotierenden Scheiben und Schlitze entlang des inneren Randes
einer stationären
Scheibe aufweisen. Ein Drehmomentantriebseinsatz befindet sich innerhalb
jedes Schlitzes zum Kontaktieren entweder des Keils einer Drehmomentvorrichtung
im Falle der rotierenden Scheibe oder mit den Splintelementen, die
fest an einer stationären
Kardanwelle befestigt sind. Die Antriebseinsätze sind U-förmig, wobei
jeder Schenkel ein Paar von Seitenteilen hat, die sich entlang der
flachen ringförmigen
Fläche
der Scheibe von den Schlitzen weg erstrecken. Bügel sind fest an den Scheiben
befestigt und halten die Antriebseinsätze innerhalb ihrer Schlitze
und erlauben wegen eines Zwischenraums zwischen den Bügeln und
den Antriebseinsätzen
ein leichtes Maß an
Bewegung. Bestimmte Flächen
des Antriebseinsatzes unterliegen einem Gleitreibungskontakt mit
den zugehörigen,
ihnen gegenüberstehenden
Flächen
des dazugehörigen
Drehmomentantriebselements, z.B. eines Flugzeugrads, während das
belastete Rad rotiert. Eine Mehrscheibenbremse, die mit Antriebseinsätzen versehen
ist, welche aus oxidbeschichtetem A286-Legierungsstahl gebildet
sind, sorgt für
eine erhöhte
Stabilität
gegenüber
Schwingungen während
eines Bremsereignisses im Vergleich zu einer ansonsten identischen
Bremse, die einen Bremsstapel hat, bei dem alle Antriebseinsätze aus
AMS-5385F-Legierung
auf Cobaltbasis gebildet sind, die als StelliteTM-21-Legierung
von The Haynes Stellite Co., Kokomo, Indiana, oder von Stoody Deloro
Stellite, Inc., St. Louis, Missouri, kommerziell erhältlich ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine fragmentarische Seitenaufsicht einer Bremsscheibenanordnung
mit einer Keilnut und Drehmomentantriebseinsatz, der mit Bügeln an
den jeweiligen Randschlitzen befestigt ist.
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2 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Drehmomentantriebseinsatzes
und des Bügels
in Bezug auf eine perspektivische Ansicht eines fragmentarischen
Teils einer Rotorbremsscheibe.
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3A ist
eine sekundärelektronenmikroskopische
Aufnahme der Oberfläche
eines oxidbeschichteten Artikels gemäß der Erfindung.
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3B ist
eine EDS-(energiedispersive Spektroskopie)-Elementarbild-Mikrophotographie,
die 3A in reduziertem Maßstab entspricht und den Sauerstoffgehalt
der Oberfläche
des oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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3C ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 3A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Titangehalt der Oberfläche des oxidbeschichteten Artikels
zeigt.
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3D ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 3A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Chromgehalt der Oberfläche des oxidbeschichteten Artikels
zeigt.
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3E ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 3A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Eisengehalt der Oberfläche des oxidbeschichteten Artikels
zeigt.
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3F ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 3A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Nickelgehalt der Oberfläche des oxidbeschichteten Artikels
zeigt.
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3G ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 3A in
reduziertem Maßstab
entspricht und die von der Oberfläche des oxidbeschichteten Artikels
ausgehende Hintergrundemission zeigt.
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4A ist
eine sekundärelektronenmikroskopische
Aufnahme eines Querschnitts durch die Dicke eines oxidbeschichteten
Artikels gemäß der Erfindung.
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4B ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Sauerstoffgehalt der Querschnittsfläche des
oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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4C ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Titangehalt der Querschnittsfläche des
oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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4D ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Chromgehalt der Querschnittsfläche des
oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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4E ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Eisengehalt der Querschnittsfläche des
oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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4F ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und den Nickelgehalt der Querschnittsfläche des
oxidbeschichteten Artikels zeigt.
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4G ist
eine EDS-Elementarbild-Mikrophotographie, die 4A in
reduziertem Maßstab
entspricht und die vom Querschnitt des oxidbeschichteten Artikels
ausgehende Hintergrundemission zeigt.
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5 ist
eine Graphik der vergleichenden Schwingungsreaktion einer Mehrscheibenbremsanordnung,
die mit Drehmomentantriebseinsätzen
gemäß dem Stand
der Technik ausgestattet ist, und einer ähnlichen Mehrscheibenbremsanordnung,
die mit Drehmomentantriebseinsätzen
gemäß der Erfindung
ausgestattet ist.
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6 ist
eine Graphik der vergleichenden Schwingungsreaktion einer Mehrscheibenbremsanordnung,
die mit Drehmomentantriebseinsätzen
gemäß der Erfindung
ausgestattet ist, und derselben Mehrscheibenbremsanordnung, die
mit Drehmomentantriebseinsätzen
gemäß dem Stand
der Technik ausgestattet ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Wir
beziehen uns nun auf die Zeichnungen, bei denen durchweg in den
verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile bezeichnen. In 1 ist eine Reibungsbremsscheibe 10 in
Form eines Rotors einer Mehrscheiben-Flugzeugbremse gezeigt. Obwohl
nur ein Teil von einer Rotorscheibe gezeigt ist, sollte man sich
darüber
im Klaren sein, dass sich "Mehrscheiben-" auf die Menge der
axial voneinander beabstandeten ringförmigen Rotorscheiben bezieht,
die entlang eines gepassten Splints oder Keils 16 (in gestrichelten
Linien gezeigt), der Bestandteil des rotierenden Rads ist oder an
diesem befestigt ist, in geeigneter Weise für eine axiale Bewegung genutet
sind. Die Menge der ringförmigen
Rotoren sind abwechselnd mit ringförmigen Statorscheiben geschichtet,
wie ihrerseits entlang eines oder mehrerer gepasster Splintelemente,
die fest an einer Kardanwelle (nicht gezeigt) befestigt sind, in
geeigneter Weise für
eine axiale Bewegung genutet sind. Die Scheibe 10 ist ein
ringförmiges
Element mit flachen ringförmigen
Wandflächen
mit einem inneren und einem äußeren Rand.
Wie man in den 1 und 2 sieht,
weist die Scheibe 10 entlang ihres äußeren Randes 13 eine
Menge von um den Umfang herum beabstandeten Schlitzen 12 auf.
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Die
Scheibe 10 wird in geeigneter Weise aus einem geeigneten
Reibungsmaterial, wie Kohlefaser-Verbundstoff, hergestellt, wie
es in den US-Patenten Nr. 3,657,061 (Carlson), 4,790,052 (Olry),
5,217,770 (Morris et al.), 5,480,678 (Rudolf et al.), 5,546,880
(Ronyak et al.) und 5,662,855 (Liew et al.) beschrieben ist, aber nicht
auf diese beschränkt.
Viele Verfahren zur Herstellung von geeigneten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundscheiben
sind in der Technik wohlbekannt und werden daher hier nicht beschrieben.
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Eine
Drehmomentvorrichtung 14 (in 1 in gestrichelten
Umrissen gezeigt) befindet sich am äußeren Rand der Scheiben 10 (in 1 ist
nur ein Teil von einem davon gezeigt). Die Drehmomentvorrichtung 14 weist
eine Menge von Keilen, Rippen oder Scheibeneingriffselementen 16 auf,
die in die Schlitze 12 hineinragen, um ein Mittel bereitzustellen,
um durch sein Eingreifen in den Schlitz 12 eine Last oder
Kraft an die Scheibe 10 anzulegen. Der Schlitz 12 hat
eine untere Oberfläche 18 und
zwei radial sich erstreckende Planare Seitenwände 19 und 20.
Die Drehmomentvorrichtung kann ein mit Keilen, Rippen oder Scheibeneingriffselementen 16 versehenes
Rad sein.
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Ein
Metall-Drehmomentantriebseinsatz 25 (2)
befindet sich innerhalb jedes Schlitzes 12, was ein Verstärkungsmittel
für einen
Antriebskontakt von den Keilen 16 der Drehmomentvorrichtung 14 ergibt.
Jeder Einsatz hat eine im Allgemeinen U-förmige Konfiguration mit einem
Paar von Endabschnitten 26 und 27, die so angepasst
sind, dass sie an die planaren Seitenwände 19 und 20 des
Schlitzes 12 angreifen, so dass die auf die Endabschnitte 26 und 27 ausgeübten Kräfte die
Kräfte
auf die planaren Seitenwände 19 und 20 übertragen.
Die Endabschnitte 26 und 27 sind durch einen verbrückenden
Abschnitt 28 miteinander verbunden. Die untere Fläche des
verbrückenden
Abschnitts 28 ist in anstoßendem Kontakt mit der unteren
Fläche 18 des Schlitzes 12.
Die jeweiligen Endabschnitte 26 und 27 haben ein
Paar Arme 30 und 31, die sich nach außen von
dem verbrückenden
Abschnitt 28 weg erstrecken. Jeder der Arme 30 und 31 ist
an seiner oberen äußersten
Ecke eingekerbt, so dass er eine Schulter 32 und einen
Anschlag 33 aufweist. Die Paare von Armen 30 und 31 erstrecken
sich in entgegengesetzte Richtungen und sind im Wesentlichen parallel
und stehen in leichtem Kontakt mit der äußeren Randfläche der
Scheibe 10. Jedes Paar von Armen 30 und 31 sitzt
auf dem Rand 13 der Scheibe auf. Der äußere Rand der Scheibe 10 enthält ein Paar
von Bohrlöchern 35 auf
beiden Seiten jedes Schlitzes 12. Da sich die Paare von
Armen 30 und 31 des Antriebseinsatzes 25 entlang
des Randes 13 der Scheibe 10 erstrecken, befinden
sich die Paare von Bohrlöchern 35 entlang
des Randes, aber jenseits der jeweiligen Kanten der Arme 30 und 31.
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Die
Drehmomentantriebseinsätze 25 werden
durch Bügel 36 in
ihren jeweiligen Schlitzen zurückgehalten.
Jeder Bügel 36 ist
ein längliches
Element mit einem ausgesparten oder reduzierten Ende, das einen Anschlag 37 definiert,
der eine Schulter bildet, die reibungsschlüssig an die Schulter 32 des
Einsatzes 25 anstößt. Durch
Reduzieren der Breite des Bügels 36 neben
dem Anschlag 37 entsteht eine Aussparung 38, so dass
der Anschlag 33 des Einsatzes 25 aufgenommen werden
kann, während
der Anschlag 37 in die eingekerbte obere äußerste Ecke
der benachbarten Arme 30 und 31 eintritt, so dass
der Anschlag 37 reibungsschlüssig an die Schulter 32 dieser
Arme anstoßen
kann. Jeder Bügel 36 weist
ein Paar von Öffnungen 40 auf, die
denselben Abstand zwischen sich aufweisen wie die Paare von Bohrlöchern 35 entlang
des Randes der Scheibe 10. Nach dem Ausrichten der Öffnungen 40 mit
den Bohrlöchern 35 können die
Bügel 36 durch
Nieten 41, die sich durch die jeweiligen Öffnungen
und Bohrlöcher
erstrecken, fest am Rand der Scheibe 10 befestigt werden.
Die Bügel
können
aus einer Metalllegierung bestehen, die dieselbe wie die zur Bildung
der Antriebseinsätze
verwendete oder von dieser verschieden ist.
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Bei
Mehrscheibenbremsen erstrecken sich die Keile 16 der Drehmomentvorrichtung 14 in
die Schlitze 12 der axial ausgerichteten Rotorbremsscheiben 10.
Die jeweiligen Schlitze 12 nehmen die Antriebseinsätze 25 auf,
so dass die jeweiligen Bügel 36 auf
beiden Seiten jedes Antriebseinsatzes 25 den Einsatz 25 innerhalb des
Schlitzes halten, da die jeweiligen Anschläge 37 des Bügels 36 über dem
Anschlag 33 des Einsatzes 25 liegen. So kann die
Schulter 32, die durch den Aussparung in den Armen 30–31 des
Einsatzes 25 gebildet wird, die Oberfläche oder Kante des Anschlags 37 des
Bügels 36 anstoßend berühren. Diese
Gestaltung erlaubt es dem Einsatz 25, im Schlitz 12 der
Kohlenstoffscheibe 10 Spiel zu haben, so dass jede Spannung
beseitigt wird, die ansonsten darauf ausgeübt würde, wenn der Einsatz 25 fest
mit der Scheibe 10 vernietet wäre. Indem man dem Einsatz 25 Spiel
gibt, treten die jeweiligen planaren Flächen der Endabschnitte 26 oder 27 in
vollen Kontakt mit den Seitenwänden 19 und 20 des
Schlitzes 12 in der Scheibe 10.
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Statorscheiben
(nicht gezeigt) können
ebenfalls mit ähnlichen
drehmomentübertragenden
Antriebseinsätzen
versehen sein, und zwar in ähnlicher
Weise wie bei der oben beschriebenen Rotorscheibe 10. Jede Statorscheibe
beinhaltet Antriebsschlitze, die um ihren inneren Rand herum beabstandet
sind. Ein einziger Bügel
kann an einander gegenüberliegende
Teile von zwei benachbarten Antriebseinsätzen angreifen und sie zurückhalten.
Bügel sind
auf beiden Seiten der flachen ringförmigen Oberfläche der
Scheiben montiert.
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Im
Betrieb der Scheiben 10 in Mehrscheibenbremsen erstrecken
sich die Keile 16 der Drehmomentvorrichtung 14 in
die Schlitze 12 der axial ausgerichteten Rotorbremsscheiben 10 hinein.
Die axial ausgerichteten Statoren, die zwischen den ringförmigen axial
ausgerichteten und axial beabstandeten Rotorscheiben 10 angeordnet
sind, sind in geeigneter Weise für
eine axiale Bewegung entlang eines gepassten Splintelements genutet,
das fest an einer stationären
Kardanwelle befestigt ist und durch geeignete Betätigungsmittel,
wie einen Kolben, axial bewegt werden kann. Wenn die Bremsen eingesetzt
werden, werden die Rotorscheiben 10 und die Statorscheiben
axial zusammengepresst. Die Reibungskräfte zwischen den Flächen der
Rotorscheiben und der Statorscheiben erzeugen eine Belastung an
den Schlitzen 12, während
sie gegen die Keile 16 und die gepassten Splintelemente
der stationären
Bremsscheiben drücken.
Diese Last wird auf die Seiten oder Schenkel der U-förmigen Antriebseinsätze 25 übertragen,
die über
ihre flachen Oberflächen
eine Kraft direkt auf die passenden Wände der Schlitze 12 ausüben. Keine
Drehmomentlast wird von den Antriebseinsätzen 12 auf die Bügel oder
ihre Nieten übertragen,
sondern sie wird gleichmäßig über die
flachen Wandflächen
der Schlitze der Kohlenstoffscheiben verteilt. Wenn die Drehmomentlast
von den Antriebseinsätzen
auf die Flächen
der Schlitze in den Scheiben übertragen
wird, drücken
die Antriebseinsätze
fest gegen die Kohlenstoffscheiben. Während des Betriebs befinden
sich die Verschleißflächen der
sich radial erstreckenden Endabschnitte 26, 27 der Antriebseinsätze 25 in
Reibungsangriff an den entsprechenden, ihnen gegenüberliegenden
Flächen
der Keile 16 der Drehmomentvorrichtung 14. Und
während
des Betriebs befinden sich die Verschleißflächen der sich radial erstreckenden
Endabschnitte der Statorscheiben-Antriebseinsätze in Reibungsangriff an den
entsprechenden, ihnen gegenüberliegenden
Flächen
von Rippen der Kardanwelle, die nicht gezeigt sind.
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Im
Betrieb unterliegen die Antriebseinsätze einem Gleitreibungskontakt
aufgrund eines Angriffs an den ihnen gegenüberliegenden Flächen der
zugehörigen
Keile 16 der Drehmomentvorrichtung 14 und der
Rippen der Kardanwelle. Im Falle einer Flugzeugrad- und -Bremsanordnung
verschärft
die Abweichung der Drehmomentvorrichtung, während sie im Betrieb unter
Last rotieren gelassen wird, diesen Gleitreibungskontakt. Außerdem liegen
bei solchen Flugzeugbremsanwendungen die Betriebstemperaturen bei
Landungen und Stops des Flugzeugs im normalen Flugbetrieb im Bereich
von 300 bis 480 °C.
Aus diesem Grund werden die Antriebseinsätze und die zugehörigen Keilelemente
aus verschleißfesten
Materialien mit hoher Betriebstemperatur hergestellt, z.B. die auf
Cobalt beruhende Legierung StelliteTM 21 für die Antriebseinsätze und
InconelTM IN 100 für die Keilelemente, wobei die
letzteren zusätzlich
mit einer verschleißfesten
Beschichtung, wie galvanischer Hartverchromung oder flammgesprühtem Wolframcarbid/Cobalt(WC/Co)-Material,
versehen sind. InconelTM IN 100 ist eine
Legierung auf Nickelbasis, die von der International Nickel Company,
Huntington, West Virginia, erhältlich
ist.
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Die
Drehmomentantriebseinsätze 25 werden
vorzugsweise aus einer Eisenmetalllegierung hergestellt, wie A286-Legierungsstahl,
der als Teil der Wärmebehandlung
der Einsätze
einem gezielten Oxidationsschritt unterzogen wurde. Die Antriebseinsätze werden
vorzugsweise durch ein Wachsausschmelzverfahren gebildet, was die
Notwendigkeit einer anschließenden
spanabhebenden Bearbeitung vermeidet, wie sie typischerweise erforderlich
ist, wenn andere Verfahren, wie Schmieden, verwendet werden. Die
Antriebseinsätze könnten auch
durch spanabhebende Bearbeitung aus Blöcken gebildet werden.
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Nach
dem Gießen
werden die Antriebseinsätze
vorzugsweise einem HIP-Arbeitsgang (heißes isostatisches Pressen)
unterzogen, im Falle von A286-Legierungsstahl vorzugsweise etwa
4 Stunden bei 1060 °C und
103,4 MPa (15 000 psi) Argon. Da die durch Wachsausschmelzverfahren
gebildeten Antriebseinsatzteile eine relativ geringe Porosität, d.h.
typischerweise etwa 1%, und eine Außenhautschicht mit noch geringerer Porosität haben,
braucht vor dem HIP keine Umhüllungs-
oder Siegelschicht aufgebracht zu werden. Nach dem HIP-Arbeitsgang
werden die Einsatzartikel aus A286-Legierungsstahl wärmebehandelt
und während
der Lösungsbehandlung
an der Oberfläche
gezielt und kontrolliert oxidiert. Für Artikel, die aus A286-Legierungsstahl
gebildet werden, ist ein bevorzugter kombinierter Wärmebehandlungs-
und Oxidationsplan in Tabelle 9 angegeben (Wärmebehandlung 11). Zweckmäßigerweise
kann "Wärmebehandlung" im Folgenden durch
die Buchstaben "HT" abgekürzt werden.
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Die
Oberflächenoxide
der Antriebseinsätze
aus oxidiertem A286-Legierungsstahl wurden untersucht, und diejenigen,
die unten in Tabelle 1 aufgeführt
sind, wurden gefunden. Die Oxide wurden unter Verwendung von Röntgenbeugung
und SEM/EDS-(Rasterelektronenmikroskopie/energiedispersive Spektroskopie)-Mikroskopie identifiziert.
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Tabelle
1 In
286 identifizierte Oxide
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In
der äußeren Schicht
des Oberflächenoxids
bildet ein Gemisch von Fe2O3 und
Fe3O4 die Hauptbestandteile,
wenn keine Abblätterung
vorliegt, aber Cr2O3 wird
typischerweise ebenfalls identifiziert, wobei die relativen Mengen
jeweils von der verwendeten Wärmebehandlung/Oxidationsbehandlung
abhängen.
In einer Schicht unmittelbar oberhalb des Grundmetalls sind alle
drei Oxide Cr2O3,
Fe3O4 und Fe2O3 vorhanden, aber Cr2O3 ist der Hauptbestandteil.
Wie in den 4A bis 4F gezeigt
ist, erstrecken sich Finger der Oxide in das Grundmetall hinein
und sorgen für
eine mechanische Haftung der Oxidschichten am Grundmetall. Unter dem
chromoxidreichen Bereich liegt ein nickelreicher Bereich des Grundmetalls.
Der nickelreiche Bereich entsteht vermutlich durch eine Abreicherung
von Eisen und Chrom während
des Oxidationsvorgangs.
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Bei
A286 und ähnlichen
Nickel-Chrom-Stählen
beträgt
die minimale anwendbare Temperatur, die man für die Bildung der gewünschten
Oxidbeschichtung beobachtet, etwa 880 °C. Bei niedrigeren Temperaturen entsteht
keine ausreichende Menge der gewünschten
Oxidbeschichtung in vertretbarer Zeit für die kommerzielle Produktion,
welche vorzugsweise so gewählt
wird, dass es die minimale Zeit ist, die bei einer erhöhten Temperatur
benötigt
wird, welche notwendig ist, um die mechanischen Eigenschaften des
Grundmetalls zu entwickeln. Im Falle von A286-Legierungsstahl beruht
diese Zeit primär
auf Anforderungen der Lösungsbehandlung.
Wie erwartet, erhöht
die Verwendung einer höheren
Temperatur die Geschwindigkeit der Oxidbildung, die Dicke der Beschichtung
und die relativen Mengen der Oxidspezies. Eine übermäßige Bildung der Oxidbeschichtung
ist nicht wünschenswert,
da die resultierende Beschichtung anschließend wahrscheinlich abblättert, möglicherweise
während
des Abkühlens
des Artikels von den Oxidations- und Wärmebehandlungstemperaturen.
Wenn die Oxidbeschichtung übermäßig dick
ist, kann es zu starkem Abblättern
kommen, da extreme thermisch induzierte mechanische Spannungen entstehen,
wenn die Temperatur gegenüber
derjenigen, bei der die Oxide gebildet wurden, geändert wird.
Eine ungenügende
Bildung der Oxidbeschichtung führt
zu verschlechterten tribologischen Eigenschaften der Artikel.
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A286-Legierungsstahl
ist eine Art von fällungshärtbarem
Edelstahl. Richtlinien für
die Wärmebehandlung
von A286-Legierungsstahl werden im "Superalloys Source Book", 9. Auflage, veröffentlicht
von ASM International, auf den Seiten 358–361 gegeben. Die folgenden
Tabellen veranschaulichen mehrere der verschiedenen Wärme/Oxidationsbehandlungen,
die in Betracht gezogen werden, um die gewünschte Oxidbeschichtung auf
einem aus A286-Legierungsstahl gebildeten Artikel zu erhalten, während gleichzeitig
die Entwicklung der mechanischen Eigenschaften des Grundmetalls
in ein ausgewogenes Verhältnis
gebracht wird. Man beachte, dass alle Verweilzeiten ab dem Zeitpunkt
gezählt
sind, wenn der Artikel, der wärmebehandelt
wird, innerhalb des aufgeführten
Temperaturbereichs isotherm ist.
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Tabelle
2 – A286-Wärmebehandlung
7
-
Die
Wärmebehandlung
7 führte
zur Bildung einer übermäßigen Oxidschicht,
was zu starkem Abblättern
beim Abkühlen
auf Raumtemperatur führte.
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Tabelle
3 – A286-Wärmebehandlung
8
-
Die
Wärmebehandlung
8 ist dieselbe wie Wärmebehandlung
7, außer
dass der Lösungsbehandlungsteil
in Argon statt Luft durchgeführt
wurde. Es sei jedoch angemerkt, dass technisches Argongas, wie es
hier verwendet wurde, typischerweise eine kleine Menge Sauerstoff
enthält,
d.h. etwa 10–4 atm,
aber selbst diese kleine Menge ist ausreichend, um eine erhebliche
Oxidbildung bei den eingesetzten Temperaturen zu verursachen.
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Tabelle
4 – A286-Wärmebehandlung
9
-
Die
Wärmebehandlung
9 führte
zur Entwicklung von guten mechanischen Eigenschaften des Grundmetalls
aus A286-Legierung, erwies sich aber als nicht optimiert in Bezug
auf die Bildung der gewünschten Oxidschicht,
obwohl beim Testen der Bremsen-Drehmomentantriebseinsätze, die
in dieser Weise hergestellt wurden, eine sehr gute Leistung erzielt
wurde, wie im Folgenden beschrieben ist. Die Wärmebehandlung 9 erzeugte eine
dünnere
Oxidschicht, als für
die Antriebseinsätze
gewünscht
wird.
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Tabelle
5 – A286-Wärmebehandlung
10.1
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Tabelle
6 – A286-Wärmebehandlung
10.2
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Tabelle
7 – A286-Wärmebehandlung
10.3
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Tabelle
8 – A286-Wärmebehandlung
10.4
-
Die
Wärmebehandlungen
10.1 bis 10.4 wurden durchgeführt,
um die Wirkung der Variation des Ausmaßes der Einwirkung von Umgebungsluft
während
der Lösungsbehandlung
bei konstanter Gesamtzeit und konstanter Temperatur zu bestimmen.
In allen diesen Fällen
lag die Menge der erzeugten Oxidschicht unter derjenigen, die zur
Verwendung in Antriebseinsätzen
gewünscht
wird, d.h. wenigstens etwa 12,7 μm
(0,5 mil), was zu einem beschleunigten Verschleiß in anschließenden Stift-auf-Platte-Tribologietests
im Vergleich zu Artikeln mit einer Oxidschicht einer Dicke zwischen
25,5 und 102 μm
führte.
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Tabelle
9 – A286-Wärmebehandlung
11
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Bei
Experimenten wurde festgestellt, dass eine Änderung von 55 °C (100 °F) einen
größeren Einfluss auf
die Dicke der Oxidschicht in dem in Betracht gezogenen Bereich der
Wärmebehandlungszeiten
hat. Eine Änderung
der Oxidationstemperatur hat einen größeren Einfluss auf die, Menge
der gebildeten Oxidschicht als eine Änderung der Einwirkungszeit
bei demselben Bruchteil des Grundwerts. Eine Erhöhung der Oxidtemperatur, während andere
Parameter konstant gehalten werden, führt zu einer Erhöhung des
relativen Anteils von Eisenoxid in der Beschichtung.
-
Die
chemische Zusammensetzung von A286-Legierung ist im Folgenden aufgeführt. Weitere
Superlegierungen auf Eisenbasis, wie V57, das eine leichte Modifikation
von A286 ist, und die Familie der Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen
(IncoloyTM) bilden vermutlich dieselben
wünschenswerten
Oxide wie A286-Legierungsstahl. Wenn diese Oxide auf anderen Superlegierungen
gebildet werden, ergeben sie ebenso eine verschleißfeste und
gleitfähige
Beschichtung. Die Elemente, die vermutlich wichtig für die Bildung
dieser Oxide sind, sind Fe und Cr. Von diesen ist Cr vermutlich
am wichtigsten, um die gewünschten
tribologischen Eigenschaften zu erhalten. Man glaubt, dass die äußerste,
eisenoxidreiche Schicht im Betrieb entweder abblättert oder schnell verschlissen
wird und dass die darunterliegende chromoxidreiche Schicht für die unerwarteten
tribologischen Eigenschaften sorgt. Die zweitrangigen Legierungselemente
Si, Al und Ti reduzieren die Wachstumsgeschwindigkeit der darunterliegenden
chromoxidreichen Schicht; dies wird gewöhnlich als Drittelementeffekt
auf die Legierungsoxidation bezeichnet. Zwischen der Chromoxidschicht
und dem Grundmetall befindet sich eine nickelreiche Schicht, die
vermutlich aufgrund der Abreicherung von Fe und Cr aus dem ursprünglichen
Grundmetall, die mit fortschreitender Oxidation erfolgt, gebildet
wird. Der Gewichtsprozentbereich dieser Elemente, von dem man glaubt,
dass er erforderlich ist, um diese günstigen Oxide zu bilden, ist
in den folgenden Tabellen 10 und 11 angegeben.
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Quelle für die stardardmäßige chemische
Zusammensetzung von A286: AM5 5732E
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Vorzugsweise
werden die in Tabelle 10 für
A286 aufgeführten
nominellen Werte verwendet, abgesehen davon, dass es bevorzugt ist,
dass die Mengen von P, S und Co so nahe bei Null liegen, wie es
innerhalb der in der Praxis vertretbaren Kosten möglich ist.
Ein Boranteil von 0,012 und darüber
ist wegen Sprödigkeit unerwünscht.
-
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Tabelle
11 führt
die Elemente, die vermutlich entscheidend für die Bildung der gewünschten
Oxidbeschichtung sind, und ihren Anteilsbereich auf. Für die meisten
praktischen Anwendungen sind jedoch noch andere Legierungselemente üblicherweise
und wünschenswerterweise
vorhanden, wie sie in Tabelle 12 aufgeführt sind.
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Tabelle
12 führt
die chemische Zusammensetzung für
geeignete Legierungen auf Eisenbasis auf. Der bevorzugte Bereich
für Cr
ist 13,5 bis 19%. Wenn der Cr-Gehalt
erhöht
wird, wird der Ni-Gehalt entsprechend gesenkt. Die Obergrenze für Cr wird
durch die Notwendigkeit bestimmt, die Sigmaphase zu vermeiden, eine intermetallische
Eisen-Chrom-Verbindung, die eine unerwünschte Sprödigkeit des Grundmetalls verursacht.
-
Wir
beziehen uns nun auf die 3A bis 3F und
die 4A bis 4F. Gezeigt
ist eine Probe, die aus einem gegossenen Artikel entnommen wurde,
der aus A286-Legierungsstahl gebildet wurde und unter Verwendung
einer Wärmebehandlung,
die HT 10.2 entspricht (2 Stunden an der Luft bei 900 °C (1652 °F) oxidiert),
verarbeitet wurde. In 3A ist ein Sekundärelektronenbild
der Oberflächenansicht
gezeigt, und die 3B bis 3F sind
EDS-Elementarbilder, die die Verteilung verschiedener chemischer
Elemente in demselben Bereich der Oberfläche der Probe zeigen, wie in 3A gezeigt
ist, aber bei der Hälfte
der in 3A verwendeten Vergrößerung. 3G zeigt
die Hintergrundemission für
diese Oberfläche.
In 4A ist ein Sekundärelektronenbild eines Querschnitts
der in den 3A bis 3F abgebildeten
Probe gezeigt. Die 4B bis 4F sind
EDS-Elementarbilder, die die Verteilung verschiedener chemischer
Elemente in demselben Bereich der Oberfläche der Probe zeigen, wie in 4A gezeigt
ist, aber bei der Hälfte
der in 4A verwendeten Vergrößerung. 4G zeigt
die Hintergrundemission für
diese Querschnittsfläche.
Der gegossene Artikel wurde gemäß der Erfindung
so verarbeitet, dass auf seinen äußeren Oberflächen eine
schützende, verschleißfeste,
anhaftende Beschichtung aus Metalloxiden aus dem darunterliegenden
Grundmetall entstand, wobei die äußeren Oberflächen die
Verschleißflächen umfassen,
die im Betrieb mit einem komplementären Drehmomentantriebselement
in Kontakt treten sollen. Wie in 4A gezeigt
ist, befindet sich angrenzend an das Substrat aus der Grundlegierung
und dessen Verschleißoberfläche bildend
eine Beschichtung aus Metalloxiden, die einen äußeren eisenoxidreichen Bereich
und einen darunterliegenden kohäsiven
chromoxidreichen Bereich, der wenigstens einen Teil der Verschleißoberfläche bedeckt,
umfasst. Die Dicke des inneren (am nächsten zum Grundmetall liegend),
chromoxidreichen Bereichs beträgt
vorzugsweise etwa 12,7 bis 51 μm
(1/2 bis 2 mil). Unter dem chromoxidreichen Bereich befindet sich
ein nickelreicher Bereich des Grundmetalls. Die Dicke des äußeren, eisenoxidreichen
Bereichs (am nächsten
zur äußeren Oberfläche des Artikels
liegend) beträgt
vorzugsweise etwa 12,7 bis 51 μm
(1/2 bis 2 mil). Die Gesamtdicke der Beschichtung aus Metalloxiden
beträgt
vorzugsweise etwa 25 bis 102 μm
(1 bis 4 mil). Im Allgemeinen ist die Struktur der Beschichtung
so, wie es in diesen Mikrophotographie-Reproduktionen gezeigt ist,
obwohl die Gesamtdicke der Beschichtung und die relative Dicke des
inneren und äußeren Bereichs
gemäß der Zusammensetzung
des Grundmetalls und den Oxidationsbedingungen, die während der
Herstellung des Artikels eingesetzt werden, variiert.
-
Einige
der fertigen Antriebseinsätze
wurden in einer Mehrscheiben-Kohlenstoffbremse installiert, die mit
Rotorantriebskeilen ausgestattet ist, die aus InconelTM 100
gebildet wurden, das durch Flammsprühen mit einem Wolframcarbid/Cobaltmaterial
(WC/Co) beschichtet wurde, das von der White Engineering Surfaces Corporation,
Philadelphia, Pennsylvania, kommerziell erhältlich ist, und es wurde auf
einem Labor-Straßenraddynamometer
getestet. Weitere fertige Antriebseinsätze wurden in einer Mehrscheiben-Kohlenstoffbremse
installiert, die mit Rotorantriebskeilen ausgestattet ist, die aus
InconelTM 100 gebildet wurden, das durch
Galvanisieren mit Chrom von Armaloy of Ohio Inc., Springfield, Ohio,
beschichtet wurde, und es wurde auf einem Labor-Straßenraddynamometer
getestet.
-
Beispiel 1
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Zu
Vergleichszwecken wurden zwei Wärmesenken
für eine
große
Mehrscheiben-Flugzeugbremse
mit derselben Gestaltung, Größe und Konfiguration
aus derselben Produktionscharge von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial
hergestellt. In der einen Wärmesenke
wurden die Rotorscheiben mit Antriebseinsätzen aus der auf Cobalt beruhenden
Legierung AMS 5385 ausgestattet. In der anderen Wärmesenke
wurden die Rotorscheiben mit Antriebseinsätzen aus A286-Legierungsstahl
mit einer Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet, wobei Wärmebehandlung
9 angewendet wurde. Beide Wärmesenken
wurden danach auf einem Labor-Straßenraddynamometer getestet,
das mit einer Apparatur ausgestattet war, um die Reaktion einer
Rad- und Bremsenanordnung zu simulieren, die auf dem entsprechenden
Flugzeugfahrwerk montiert ist. In beiden Fällen wurde die Anordnung aus
dem Rad der Mehrscheibenbremse und dem Rad mit Rotorantriebskeilen
ausgestattet, die aus der auf Nickel basierenden Legierung InconelTM IN 100 gebildet wurden und deren Antriebskontaktflächen mit
galvanisch aufgetragenem Chrommaterial behandelt worden waren, wie
es oben beschrieben ist. Wie in 5 gezeigt
ist, gibt es drei Gruppen von Daten. Die linke und die rechte Gruppe
von Balken und zugehörigen
Datenpunkten oberhalb der mittleren Gruppe von Balken stellen das
beobachtete Schwingungsniveau für
eine Reihe von Betriebsenergiestops für eine Kohlenstoff- Kohlenstoff-Mehrscheibenbremse
mit Rotoren dar, die mit Antriebseinsätzen aus der auf Cobalt beruhenden
Legierung AMS 5385 ausgestattet sind. Die mittlere Gruppe von Balken
und Datenpunkten oberhalb der Balken stellt das beobachtete Schwingungsniveau
für eine
Reihe von Betriebsenergiestops für
eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrscheibenbremse mit Rotoren dar,
die mit Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl ausgestattet sind, der gemäß der oben
beschriebenen Wärmebehandlung
9 hergestellt wurde und eine Beschichtung aus Metalloxiden aufweist, die
einen äußersten
eisenoxidreichen Bereich und darunter einen inneren chromoxidreichen
Bereich, der die gesamten äußeren Oberflächen der
Antriebseinsätze
einschließlich
ihrer Verschleißkontaktteile
bedeckt, umfasst. Die Datengruppen wurden durch Testen in der in 5 angezeigten
Reihenfolge von links nach rechts erhalten, d.h., die linke Testgruppe
wurde vor der mittleren Gruppe durchgeführt, und die mittlere Gruppe
wurde vor der rechten Gruppe durchgeführt. Die rechte Testgruppe
wurde durchgeführt,
um zu gewährleisten, dass
das Datenerfassungssystem des Dynamometers sich nach den ersten
Tests der Bremse, die mit Antriebseinsätzen aus der auf Cobalt beruhenden
Legierung AMS 5385F ausgestattet war, nicht verschoben hatte. Jeder
vertikale Balken entspricht einem Betriebsenergiestop, der aus einem
Cyclus mit sieben Stops besteht, welcher ein Flugzeug-Landeereignis
und anschließendes
Lotsen zu einem Flughafen-Gate oder einer Dockstation simuliert.
Zur Verwendung im Reibungskontakt sollte wenigstens ein Teil und
vorzugsweise die gesamte Verschleißoberfläche mit der Oxidbeschichtung
bedeckt werden. In 5 ist das beobachtete Schwingungsniveau
als senkrechter Balken für
jedes Betriebsenergie-Bremsereignis in Beschleunigungs-g-Einheiten ausgedrückt, wobei
1 × g
der Beschleunigung im Schwerefeld der Erde entspricht. Die dominante
Frequenz der Schwingung wird als im Wesentlichen horizontale Liniengraphik
oberhalb der Balken aufgezeichnet und liegt im Bereich von etwa
220 bis etwa 270 Hz, wobei in den meisten Tests eine dominante Frequenz
von etwa 255 Hz beobachtet wurde. Wie in 5 zu erkennen
ist, variierte das beobachtete Schwingungsniveau für die Wärmesenke
der Bremse, die mit AM5-5385F-Antriebseinsätzen ausgestattet
war, stark von Stop zu Stop und übertraf
häufig
30 × g.
Außerdem
variierte die dominante Frequenz von etwa 220 bis etwa 270 Hz. Dagegen führte eine ähnliche
Wärmesenke
aus derselben Charge von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material, die mit
Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl mit einer Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet war, zu Schwingungsniveaus, die von etwa 20 × g bis
etwa 30 × g
variierten und von Stop zu Stop weitaus konstanter waren als bei
der Wärmesenke,
die mit Einsätzen
aus AMS 5385 ausgestattet war. Außerdem war die beobachtete
dominante Frequenz bei der Wärmesenke,
die mit Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl mit einer Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet war, von Stop zu Stop fast konstant bei etwa 255 Hz.
Das dynamische Verhalten der Bremse, die mit den oxidbeschichteten
Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl ausgestattet war, war merklich besser,
da die Amplitude der Schwingungskraft geringer war, und sowohl in
Bezug auf die Amplitude als auch die dominante Frequenz der Schwingung
von Bremsereignis zu Bremsereignis konstanter. Für bestimmte kommerzielle Flugzeuge
ist ein Niveau der dynamischen Schwingung von über 30 × g aufgrund der Gefahr eines
nachteiligen Einflusses auf das Flugzeug unannehmbar. Wenn die dominante
Frequenz der Schwingung konstant ist, ist es außerdem leichter, das betroffene
System durch die Gestaltung abzustimmen oder zu dämpfen und
dadurch eine potentiell zerstörerische
Resonanzschwingung von assoziierten Strukturen, wie Fahrwerken,
zu vermeiden.
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Beispiel 2
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Da
die in Beispiel 1 beschriebenen und in 5 zusammengefassten
Testergebnisse durch Testen von zwei verschiedenen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Wärmesenken
erhalten wurden, wurde zuerst angenommen, dass die Variation von
Wärmesenke
zu Wärmesenke
und nicht der Unterschied zwischen den Antriebseinsätzen die
beobachteten Ergebnisse dominiert haben könnte. Daher wurde eine weitere
Flugzeugbremsen-Wärmesenke
mit derselben Modellkonfiguration, wie sie in Beispiel 1 verwendet
wurde, mit Reibscheiben aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Material desselben
Typs hergestellt und in derselben Weise auf demselben Labor-Dynamometer-Aufbau
getestet. Für
diese besondere Bremse wurde eine Schwingungskraft, die 25 × g nicht überstieg,
bei 250 Hz erwünscht.
Für die
erste Reihe von Betriebsstops, die in der linken Datengruppe in 6 gezeigt ist,
wurden die Rotoren der Mehrscheibenbremse mit Antriebseinsätzen aus
der auf Cobalt beruhenden Legierung AMS 5385 ausgestattet. Danach
wurde die Bremse zerlegt, und die Rotoren wurden erneut mit Antriebseinsätzen aus
A286-Legierungsstahl
ausgestattet, der eine gemäß Wärmebehandlung
9 hergestellte Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung aufwies, wobei
die Testdaten als mittlere Gruppe in 6 vorgelegt werden.
Danach wurde die Bremse zerlegt, und die Rotoren wurden erneut mit
Antriebseinsätzen
aus der auf Cobalt beruhenden Legierung AMS 5385F ausgestattet,
wobei diese Testdaten als rechte Gruppe in 6 vorgelegt
werden. Noch einmal zeigten die mit Antriebseinsätzen aus oxidbeschichtetem
A286-Legierungsstahl ausgestatteten Bremsen eine größere dynamische
Stabilität
gegenüber
Schwingungen von Stopereignis zu Stopereignis. Wenn die Bremsen
mit Antriebseinsätzen
aus der auf Cobalt beruhenden Legierung AMS 5385F ausgestattet waren,
wiesen mehrere der Betriebsstopereignisse eine Amplitude von über 25 × g auf,
wobei einige 30 × g überstiegen,
andere 35 × g überstiegen
und noch andere 40 × g überstiegen.
Wenn dieselbe Bremsen-Wärmesenke
mit Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl mit einer Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet war, überstiegen
nur drei der Betriebsstopereignisse 25 × g, und zwar nur um etwa 2 × g. Ähnlich war
die beobachtete Frequenz auf dem maximalen Schwingungskraftniveau
von Stop zu Stop stabiler und variierte bei der Bremse, die mit
Antriebseinsätzen
aus A286-Legierungsstahl
mit einer Oxidbeschichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet war, innerhalb eines engeren Bereichs. Zusätzlich und
bemerkenswerterweise kehrte das dynamische Stabilitätsverhalten
der Bremse, wenn sie erneut mit den Antriebseinsätzen aus der auf Cobalt basierenden
Legierung ausgestattet wurde, zu dem Muster zurück, das man in der ersten Gruppe
der Betriebsstoptests beobachtete. Das Schwingungsverhalten, das
während
dieser letzten Gruppe von Betriebsstoptests beobachtet wurde, war
schlechter als während
der ersten Gruppe von Betriebsstoptests für diese Bremse, wie sie in 6 links
vorgelegt wurden.
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Beispiel 3
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Ähnliche
Tests der dynamischen Bremsstabilität wurden auch an einem anderen
großen
Flugzeug-Mehrscheibenbremsen-Modell durchgeführt, dessen Rotor-Antriebskeile
aus der auf Nickel basierenden Legierung InconelTM-In-100
gebildet waren, deren Antriebsoberflächen durch kommerzielle Flammsprühbeschichtung
mit Wolframcarbid/Cobalt-(WC/Cr)-Material behandelt worden waren,
wie es oben beschrieben ist. Wie in den Beispielen 1 und 2 zeigte
die Bremse, die mit Rotor-Antriebseinsätzen aus oxidbeschichtetem A286-Legierungsstahl
ausgestattet war, eine größere dynamische
Stabilität
gegenüber
Schwingungen von Stopereignis zu Stopereignis im Vergleich zu einer
anderen Bremse desselben Modells, die mit Antriebseinsätzen aus
der auf Cobalt beruhenden Legierung AMS 5385 ausgestattet war.
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Beispiel 4
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Die
Tests, die in Beispiel 3 zusammengefasst sind, wurden mit der folgenden Änderung
wiederholt: Die Rotoren 1, 3 und 5 wurden mit Antriebseinsätzen aus
oxidbeschichtetem A286-Legierungsstahl ausgestattet, und die Rotoren
2 und 4 wurden mit Antriebseinsätzen
aus der auf Cobalt beruhenden Legierung AMS 5385F ausgestattet.
Diese Bremse zeigte ebenfalls eine größere dynamische Stabilität gegenüber Schwingungen
von Stopereignis zu Stopereignis im Vergleich zu einer anderen Bremse
desselben Modells, bei der alle Antriebseinsätze aus der auf Cobalt beruhenden
Legierung AMS 5385F bestanden.
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Die
Gleitreibungsmerkmale verschiedener Kombinationen von Materialien
sind in den Tabellen 13 und 14 zusammengefasst. Stifte aus A286,
die so behandelt wurden, dass sich die gewünschte anhaftende Oxidschicht
bildete, wurden ebenfalls getestet, um die Reibungs- und Verschleißmerkmale
im Gleitkontakt mit flachen Metallplatten, die so beschichtet waren,
dass es der Beschichtung auf den Antriebskeilen der Bremsen entsprach,
zu bestimmen. Die Tests wurden auf einer Cameron Plint TE77 High
Frequency Friction Machine gemäß ASTM G
133/95 "Standard
Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear" durchgeführt und
betrafen den trockenen und geschmierten Verschleiß von Keramiken,
Metallen und Keramik-Verbundstoffen. Die Cameron Plint TE77 High
Frequency Friction Machine war für
die Bewertung von Schmierstoffen und der Reibungs- und Verschleißeigenschaften
von Materialien unter trockenen und geschmierten hin- und hergleitenden
oder rollenden/gleitenden Kontaktbedingungen gestaltet. Der sich
bewegende Probekörper
(Stift) wird in einem Trägerkopf
montiert und gegenüber
dem befestigten Probekörper
(Platte) über
einen Hebel- und Bügelmechanismus
durch eine Federwaage belastet. Die Normalkraft wird mittels des
Nadelrollen-Nockenstößels am
Trägerkopf
und der Laufplatte am Lastbügel
direkt auf den sich bewegenden Probekörper übertragen. Ein Belastungskraftwandler
ist an einem Punkt direkt unterhalb des Kontaktpunkts auf dem Hebel
montiert und misst die angelegte Last. Der Probekörper (Stift)
wird mechanisch gegenüber
dem befestigten unteren Probekörper
(Platte) oszillieren gelassen. Der mechanische Antrieb, der aus
einem Exzenter, einer Kreuzschleife und einfachen Führungslagern
besteht, wird durch eine Tachometer-Generator-Rückkopplung
gesteuert, um eine stabile Schwingungsfrequenz zu gewährleisten
und wechselnde Reibungsbedingungen sowie eine aufgrund der Reibung
sich ändernde
Temperatur zu kompensieren. Der befestigte Probekörper (Platte)
befindet sich auf zwei Schraubenteilen in einem Edelstahlreservoir.
Das Reservoir ist auf einen Block geklemmt, der durch vier elektrische
Widerstandselemente erhitzt wird. Die Temperatur des befestigten
Probekörpers
wird überwacht
und auf einen gegebenen Sollwert geregelt. Der Heizblock ist auf
zwei flexiblen Stützen
montiert, die in vertikaler Richtung (Richtung der Belastung) starr
sind, aber nur einen geringen Widerstand gegenüber horizontalen Kräften bieten.
Die Bewegung in horizontaler Richtung erfolgt gegen den Widerstand eines
starren piezoelektrischen Kraftwandlers, und dieser misst die Reibungskräfte im oszillierenden
Kontakt. Eine Cameron-Plint-Apparatur ist beim NASA Lewis Research
Center, Cleveland, Ohio, erhältlich.
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Die
Ergebnisse der Gleitreibungs- und Verschleißtests bestätigten die selbstheilende (selbstregenerierende)
Natur der gewünschten
anhaftenden Oxidschicht, da die Stiftköpfe aufgrund des Kontakts mit
der Platte von ihrer anfänglichen
abgerundeten Konfiguration zu einer Konfiguration mit einem abgeflachten
Ende verschlissen wurden. Der beobachtete Reibungskoeffizient blieb
während
der gesamten Tests im Wesentlichen konstant.
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Tabelle
13 Mittelwerte Verschleißgeschwindigkeit
(inch/Stunde) von mit Wolframcarbid/Cobalt beschichteten IN100-Platten
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Tabelle
14 Mittelwerte Reibungskoeffizient
von mit Wolframcarbid/Cobalt beschichteten IN100-Platten
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Verschiedene
Modifikationen werden in Betracht gezogen, auf die vom Fachmann
offensichtlich zurückgegriffen
werden kann, ohne von den beschriebenen Erfindungen abzuweichen,
die im Folgenden durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, da von
diesen nur eine bevorzugte Ausführungsform
definiert wurde.
und die Beschichtung Oxide von Fe und Cr umfasst.