DE69932687T2

DE69932687T2 - Partielles Leichtkompositprodukt und Vorform zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69932687T2
Application number: DE69932687T
Authority: DE
Inventors: c/o Mazda Motor Corporation Makoto Aki-gun Fujita
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: EP0992307B1; US6309743B1; JP2000104147A; JP3376292B2; EP0992307A1; DE69932687D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft partielle Leichtkomposit-Metallprodukte, welche dort eingesetzt werden, wo Forderungen nach höherer Abrasionsbeständigkeit und Festigkeit wie beispielsweise bei einem Bremsrotor oder ähnlichem für Fahrzeuge bestehen, und eine poröse Vorform, welche eingesetzt wird, um die partiellen Leichtkomposit-Metallprodukte herzustellen.
Hinsichtlich der Teile wie beispielsweise ein Bremsrotor oder ähnliches für Fahrzeuge, welche eine hohe Abriebsbeständigkeit erfordern, wurde üblicherweise Gußeisen eingesetzt. Die Anwendbarkeit verschiedener Materialien wurde erprobt unter dem Blickwinkel der Verbesserung der Bremsfähigkeit eines Fahrzeugs durch ein verbessertes Abkühlungsverhalten und einen höheren Reibungskoeffizienten des Bremsrotors zusammen mit dem Verbessern der Laufstabilität durch die Verminderung an nichtaufgehängtem Gewicht, d.h. das Gewicht von Teilen, wie beispielsweise der Räder unterhalb der Fahrgestellfedern, durch den Einsatz von leichtgewichtigen Produkten.
Als eine dieser Technologien wird ein Barren einer Aluminiumlegierung, in welchem SiC-Teilchen verteilt sind, eingesetzt, um Produkte wie beispielsweise Bremsrotoren durch Sandformguss oder Metallformguss herzustellen. Solch ein Bremsrotor wurde in elektrischen Autos, Sportwagen und ähnlichem eingesetzt. Allerdings ist da die folgende Art von Problemen, worin Raum für weitere Verbesserungen bleibt, sogar wenn der Aluminiumlegierungsbarren in dem Bremsrotor angewandt wird. In dieser Art der Technologie ist eine Grenze zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten des Bremsrotors gesetzt, da SiC, welches eine Keramik ist, wenig Wahl an Teilchenvolumina und -größen lässt. Darüber hinaus ist es in dieser Art von Technologie notwendig, ein Grundmaterial einzusetzen, welches eine günstige Affinität zu SiC aufweist. Während eine Aluminiumlegierung, welche der AC4C entspricht, unter diesem Gesichtspunkt als Grundmaterial eingesetzt wird, verursacht die Verwendung von Aluminiumlegierungen als Grundmaterial das Problem, dass die nutzbare Grenztemperatur fällt. Insbesondere erleidet der Bremsrotor bei 450°C während des Bremsens Schaden und verschleißt schnell, was gerade das zu lösende Problem ist. Da das Produkt, welches eine hohe Abriebsbeständigkeit zeigt, schwer zu bearbeiten ist, weil es überall Verstärkungen enthält, sind darüber hinaus nicht nur die Kosten für das Material des Produkts hoch sondern auch die Kosten zur Herstellung des Produkts.
In den letzten Jahren wurde vorgeschlagen, als eine der Methoden zur Herstellung von partiellen Kompositprodukten, von denen nur Teil (z.B. ein Gleitflächenabschnitt) eines Produktes als ein Verbundteil zur Verstärkung gemacht ist, zunächst eine poröse Vorform, welche eine genau festgelegte Form der kontinuierlichen Poren aufweist, bereit zu stellen, die poröse Vorform mit geschmolzenen leichtgewichtigen Metall zu imprägnieren und das geschmolzene leichtgewichtige Metall unter Druck zu setzen, um es in die Poren der porösen Vorform zu füllen. Es wurden verschiedene Vorschläge für poröse Vorformen, welche im Verfahren zur Herstellung der partiellen Kompositprodukte eingesetzt werden, und zu einem Verfahren zur Herstellung der porösen Vorform gemacht.
Eine dieser porösen Vorformen, welche z.B. bekannt ist aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-108370, enthält TiO₂ und anorganische Fasern. Eine andere poröse Vorform, welche z.B. bekannt ist aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-182524, enthält Aluminiumborat-Whisker, Natriumsilikat und Siliziumcarbid.
Die bekannte poröse Vorform ist schwer anpassbar an jene, die eingesetzt wird bei Produkten, welche einen Bedarf an höherer Abriebsbeständigkeit und hoher Festigkeit haben wie beispielsweise ein Bremsrotor, und von denen erwartet wird, dass die Eigenschaften, so wie die Dinge liegen, verbessert werden. Das ist, auch wenn bekannte poröse Vorformen bei partiellen Leichtkomposit-Metallprodukten wie beispielsweise einem Bremsrotor eingesetzt werden, das, dass solche partielle Leichtkomposit-Metallprodukte Unregelmäßigkeiten zulassen, welche verhältnismäßig schnell auf ihrer Gleitoberfläche erzeugt werden, die zur Verursachung von der Erzeugung von Geräuschen, Schwingungen und Schaudern führen. In dem Fall, in dem eine poröse Vorform wie oben beschrieben eingesetzt wird, um ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt herzustellen, ist es üblich, ein geschmolzenes, leichtgewichtiges Metall wie beispielsweise eine geschmolzene Aluminiumlegierung in einen Hohlraum einer Metallform, in welchem die poröse Vorform eingesetzt ist, zu giessen und so in die Poren der porösen Vorform zu füllen, dass dabei die poröse Vorform mit dem geschmolzenen Metall zugedeckt und überzogen wird. Allerdings sind die porösen Körper der bekannten Vorform vorgesehen, in der Herstellung verhältnismäßig kleiner Produkte eingesetzt zu werden, und sogar wenn versucht wird, partielle Leichtkomposit-Metallprodukte herzustellen, welche angewandt werden bei Teilen von verhältnismäßig großen Ausmaßen wie beispielsweise einem Bremsrotor, lassen sie solch ein Problem zu, dass das Produkt geneigt ist, auf Grund von unzureichender Imprägnierung des geschmolzenen, leichtgewichtigen Metalls in den Poren leicht Nichtkompositanteile auszuformen, als ein Ergebnis, von welchem das Endprodukt, d.h. der Bremsrotor, eine Verschlechterung der Abriebseigenschaften und Festigkeit erfährt.
Die vorliegende Erfindung hat deshalb als ein Hauptziel, ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt zur Verfügung zustellen, welches, auch wenn es eine verhältnismäßig große Größe aufweist, bessere Abriebsbeständigkeit und hohe Festigkeit zusammen mit der Erhöhung seines Reibungskoeffizienten zeigt und darüber hinaus in Lage ist, die Oberflächenqualität zu bewahren, um über einen langen Zeitraum gerade und glatt zu bleiben.
Die vorliegende Erfindung hat als weiteres Ziel, ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt zur Verfügung zu stellen, welches am besten als Material für Bremsrotoren geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung hat als weiteres Ziel, eine poröse Vorform zur Herstellung dieser Art von partiellen Leichtkomposit-Metallprodukten zur Verfügung zu stellen.
Die vorhergehenden Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch das zur Verfügung Stellen einer porösen Vorform erreicht, welche aus einem harten Material wie in Anspruch 3 definiert hergestellt ist und eine Anzahl von Poren aufweist, zur Herstellung eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts, welches mindestens eine Gleitfläche umfasst, die als Kompositteil ausgeformt ist. Das harte Material umfasst ein Rohgemisch, welches TiO₂-Teilchen, mindestens eine Art von kurzen Keramikfasern und Whiskern sowie SiC-Teilchen, welche eine durchschnittliche Teilchengröße von 20 bis 100 μm aufweisen, enthält und gesintert ist.
Die Poren der porösen Vorform sind bevorzugt kontinuierlich und können jedoch teilweise nichtkontinuierlich sein. Die poröse Vorform weist eine Struktur auf, in welcher die SiC-Teilchen in die TiO₂-Teilchen gesintert sind in der Form, welche Inselstruktur genannt wird, und diese TiO₂-Teilchen und SiC-Teilchen an die kurzen keramischen Fasern oder Whisker angeheftet sind.
Das Rohgemisch enthält 2 bis 20% Volumenbestandteile an TiO₂-Teilchen und 10 bis 30 Volumenbestandteile an SiC-Teilchen.
Ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt wird durch das Füllen der Poren der porösen Vorform mit einem geschmolzenen leichtgewichtigem Metall hergestellt.
Die obigen und andere Ziele sowie die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden genau verstanden werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform, wenn sie betrachtet werden in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:
1 und 2 schematische Zeichnungen zur Darstellung eines Verfahrens zur Ausformung einer porösen Vorform der vorliegenden Erfindung sind;
3 eine schematische, erklärende Zeichnung ist, welche ein Beispiel einer äußeren Erscheinung einer porösen Vorform zur Herstellung eines Bremsrotors zeigt, in welcher die Dimensionen in mm-Einheiten ausgedrückt werden;
4 und 5 schematische Zeichnungen zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts der vorliegenden Erfindung sind;
6 eine Graphik ist, welche das Verhältnis zwischen dem SiC-Volumenbestandteil und der maximalen Oberflächenrauhigkeit (Rmax) eines Bremsrotors als ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt zeigt;
7 eine Graphik ist, welche das Verhältnis zwischen der SiC-Teilchengröße und der maximalen Oberflächenrauhigkeit (Rmax) eines Bremsrotors zeigt;
8 eine Graphik ist, welche das Verhältnis zwischen dem SiC-Volumenbestandteil und der maximalen Oberflächenrauhigkeit (Rmax) des Bremsrotors zeigt;
9 eine Graphik ist, welche den Einfluß zeigt, welchen die SiC-Teilchengröße auf den Reibungskoeffizienten μ, d.h. ein Durchschnitt der Reibungskoeffizienten bei allen Untersuchungstemperaturen ausübt;
10 eine Graphik ist, welche das Ergebnis einer Reibungsprüfung bei verschiedenen Temperaturen an einem Bremsrotors des Vergleichsbeispiels I zeigt, und
11 eine Graphik ist, welche das Ergebnis einer Reibungsprüfung bei verschiedenen Temperaturen an einem Bremsrotor des Vergleichsbeispiels II zeigt.
Der Erfinder dieser Anmeldung bezog die Untersuchung der porösen Vorformen unter verschiedenen Gesichtspunkten mit ein, welche die Herstellung der partiellen Leichtkomposit-Metallprodukte ermöglicht, bei welchen eine Gleitoberfläche bewahrt wird, um unverändert in ihrer Beschaffenheit und ihren Eigenschaften über einen langen Zeitraum bestehen zu bleiben. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass, wenn (1) TiO₂-Teilchen, (2) kurze keramische Fasern und/oder Whisker und (3) SiC-Teilchen in einer geeigneten Zusammensetzung zu einem Material einer porösen Vorform gegeben wurden, die Oberfläche des partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts nach den Reibungsprüfungen gerader und glatter ausgebildet war, obgleich die SiC-Teilchen verhältnismäßig große Teilchengrößen aufwiesen. Das ist zu sagen, obwohl in dem Fall, in dem SiC-Teilchen zu einer porösen Vorform hinzugefügt wurden, es unter dem Gesichtspunkt der Dispersionsfähigkeit üblich war, Gebrauch von SiC-Teilchen, welche eine Teilchengröße von etwa 10 μm aufwiesen, zu machen, erreichte der Erfinder dieser Anmeldung die Erfindung aus der Tatsache, dass die Ebenheit und Glätte der Gleitoberfläche zufriedenstellender beibehalten werden konnte in dem Fall, in dem SiC-Teilchen eine verhältnismäßig große Größe größer als 20 μm aufweisen, als in dem Fall, in dem SiC eine kleinere Teilchengröße von 10 μm aufwies, welches aufgedeckt wurde als ein Ergebnis der Auswertung unter Bezug auf einen Wechsel im Oberflächenreibungskoeffizient μ nach Reibungsprüfungen an den Oberflächen von Bremsrotoren (partiellen Leichtkomposit-Metallprodukten), welche hergestellt wurden durch Imprägnieren verschiedener poröser Vorformen, die aus den Rohmaterialien (1)–(3) in verschiedenen Zusammensetzungen mit einer Aluminiumlegierung hergestellt wurden.
Die poröse Vorform der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt durch Sintern eines Rohmaterials, welches (1) TiO₂-Teilchen, (2) kurze keramische Fasern und/oder Whisker und (3) SiC-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 bis 100 μm als seinen grundlegenden Bestandteil enthielt. Die Wirkungen dieser Bestandteile werden unten zusammengefasst.
TiO₂-Teilchen bilden ein hartes Grundmaterial der porösen Vorform der Erfindung, und es ist notwendig, um die Festigkeit der porösen Vorform zu bewirken. Darüber hinaus ist die Zugabe von selbst einer kleinen Menge an TiO₂-Teilchen wirksam zur Beibehaltung der Ebenheit und Glätte einer Reibungsoberfläche eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts. Um diese Wirkung zu zeigen, während es wünschenswert ist TiO-Teilchen, welche mehr als 2% Volumenbestandteile (Vf) enthalten, zu haben, es ist stark bevorzugt weniger als 20% Volumenbestandteile zu haben aus dem Grund, um Gaspermeabilität sicher zu stellen, welche gebraucht wird, um es verhältnismäßig einfach zu machen, ein partielles Kompositprodukt in einem Druckgussteil herzustellen, sogar wenn der Gehalt an TiO₂-Teilchen steigt. Da die TiO₂-Teilchengröße nicht für einen Einfluß auf verschiedene Eigenschaften der porösen Vorform sorgt, ist es ohne Bedeutung wie groß die Teilchengröße ist und zur Verwendung kommen gewöhnlich Teilchen von annähernd 0,3 μm. Es wird angemerkt, dass der Volumenbestandteil Vf ein Volumen bestimmter Teilchen bezüglich einem Gesamtvolumen einer porösen Form bezeichnet. Wenn V₁ und V₀ ein Gesamtvolumen einer porösen Vorform sind, welches jeweils die Poren und das Gesamtvolumen der Poren umfasst, ist das Volumen eines harten Materials gegeben durch (V₁ – V₀). Daher ist der Volumenbestandteil Vf des harten Materials bezüglich der gesamten porösen Vorform durch (V₁ – V₀)/V₁ gegeben. In dem Fall, in dem eine poröse Vorform der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren, das später beschrieben werden wird, hergestellt wird, ist die poröse Vorform beinahe frei von Volumenminderung nach dem Sintern, so dass der Volumenbestandteil Vf aus einem Schüttgewicht eines fein gefüllten und vakuumextrahierten Gemisches, sowie dem Gewicht und den Schüttgewichten der Bestandteile des Gemisches berechnet werden kann. Der Volumenbestandteil Vf in Prozent wird im Folgenden einfach angegeben durch Vf%. Kurze Fasern, Whisker und ähnliche, welche in dem harten Material enthalten sind, bilden notwendige Bestandteile, welche ein Skelett der porösen Vorform aufbauen. Aluminiumfasern, SiC-Fasern und ähnliche mit einem Faserdurchmesser von etwa 2 bis 10 μm und einer Faserlänge von etwa 200 bis 300 μm werden als diese Art kurze Fasern verwendet, sowie Aluminiumboratwhisker mit einem Faserdurchmesser von rund 2 bis 10 μm und einer Faserlänge von rund 10 bis 30 μm werden verwendet. Wie oben erwähnt ist das SiC-Teilchen eines der Materialien wirksam zur Bewahrung der Ebenheit und Glätte der Gleitoberfläche eines Produkts, wenn es eine Teilchengröße von 20 μm oder größer aufweist, und nützlich für das Erreichen eines erhöhten Reibungskoeffizienten des partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts wie beispielsweise eines Bremsrotors. Um diese Wirkungen zu haben, während es wünschenswert ist für die poröse Vorform mindestens 10% Vf SiC-Teilchen zu enthalten, ist es stark bevorzugt, weniger als 30% Vf zu enthalten aus dem Grund, die Gaspermeabilität sicher zu stellen, welche benötigt wird, um das Herstellen eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts in einem Druckguss verhältnismäßig einfach zu machen, sogar wenn der Gehalt an SiC-Teilchen und auch an TiO₂-Teilchen ansteigt. In Bezug auf eine obere Grenze der Teilchengröße der SiC-Teilchen ist 100 μm der größte Wert angesichts der Notwendigkeit einer gleichmäßigen Dispersion in der porösen Vorform. Materialien des Bestandteils der porösen Vorform der vorliegenden Erfindung, welche TiO₂- und SiC-Teilchen als keramische Teilchen enthalten, bilden eine Struktur der porösen Vorform mit SiC-Teilchen, welche in TiO₂-Teilchen gesintert sind in einer Form, welche Inselstruktur genannt wird, mit der Wirkung, dass die porösen Vorform mit hinreichender Festigkeit zur Verfügung gestellt wird. Zusätzlich zu diesen Materialien des Bestandteils ist es verträglich, wenn nötig, keramische Teilchen wie Al₂O₃ oder ähnliche hinzu zu geben. Die kurzen keramischen Fasern und Whisker werden in der Form zur Verfügung gestellt, dass die keramischen Teilchen an ihren Oberflächen anhaften.
Obwohl die poröse Vorform der vorliegenden Erfindung ein hartes Material wie ein Grundkomponentenmaterial wie oben beschrieben umfasst, kann es durch Sintern eines Materials, welches mit einem Sinterhilfsmittel zugegeben wird, eines brennbaren Pulvers zur Einstellung eines Volumenbestandteils, eines anorganischen Bindemittels und/oder eines Flockungsmittels hergestellt werden. Das Sinterhilfsmittel bildet durch eine Reaktion mit keramischen Teilchen bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von rund 1100°C einen Bestandteil aus und kann insbesondere ein Carbonat wie CaCo₃ oder ähnliches sowie ein Metalloxid wie CaO, MgO, Al₂O₃ oder ähnliches sein. Das Volumen einstellende, rückstandsfrei verbrennende Pulver kann aus Teilchen bestehen wie zum Beispiel Harzpulver von Polypropylen, Polyethylen oder Polyarcrylamid und Graphitpulver, welches bei der Sintertemperatur rückstandsfrei verbrennt. Unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit des rückstandsfreien Verbrennens werden wünschenswerterweise Graphitpulver ausgewählt. Der Zusatz solcher rückstandsfrei verbrennenden Pulvern erhöht einen Hohlraumgehalt der porösen Vorform während die Festigkeit der porösen Vorform aufrechterhalten bleibt, welcher die einfache Herstellung eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts durch den Einsatz der porösen Vorform ermöglicht. Kolloidale Substanzen wie Kieselgel und Aluminiumoxid-Sol werden als anorganische Bindemittel eingesetzt. Ein Polyacrylamidgel wird als das Flockungsmittel eingesetzt. Ferner ist es verträglich, dem Gemisch, aus welchem die porösen Vorform hergestellt wird, einen Hilfsstoff hinzu zu geben wie beispielsweise Ammoniumsulfat oder ähnliches.
Unter Bezug auf die Zeichnungen im Einzelnen und insbesondere 1 bis 4 wird zur Herstellung der porösen Vorform der vorliegenden Erfindung ein Schlamm 7 bereitet durch das Bilden eines gerührten Gemisches aus einem harten Material, welches TiO₂-Teilchen, kurze keramische Fasern und/oder Whisker und SiC-Teilchen sowie ein Sinterhilfsmittel in einem Dispersionsmedium oder einer Trägerflüssigkeit wie beispielsweise Wasser enthält, und dem Zugeben eines Volumen einstellenden, rückstandsfrei verbrennenden Pulvers und eines anorganischen Bindemittels, wenn nötig, oder eines Flockungsmittels zum Gemisch. Anschließen wird der Schlamm 7 in einen Behälter 6 gegeben, welcher in seinem unteren Bereich mit einer Filterwand 4 versehen ist und an seinem Boden mit einem Vakuumanschluß 5 ausbildet ist wie in 1 dargestellt, und die Trägerflüssigkeit wird unter Anlegen eines Vakuums vom Schlamm 7 durch den Vakuumanschluß 5 abgezogen, um ein entwässertes Gemisch 8 zurückzulassen wie in 2 dargestellt. Anschließend wird das entwässerte Gemisch 8 auf eine Temperatur von rund 600°C aufgeheizt, um das Volumen einstellende, rückstandsfrei verbrennende Pulver, welches beispielsweise ein Graphitpulver umfasst, zu verbrennen und zu entfernen, und danach getrocknet. Ferner wird das entwässerte Gemisch 8 auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, um das Sintern des harten Materials, welche die keramischen Teilchen umfasst, durch Sinterhilfsmittel zu fördern, um so eine poröse Vorform für einen Bremsrotor zu bilden, welche einen porösen Körper mit hoher Luftpermeabilität und besserer Abriebsbeständigkeit umfasst. Die Ausmaße einer porösen Vorform für einen Bremsrotor werden im Beispiel in 3 dargestellt.
Zum Beispiel werden, in dem Fall, in dem CaCO₃ als Sinterhilfsmittel einsetzt wird, CaCo₃-Teilchen zersetzt in CaO-Teilchen und CO₂-Gas bei einer Temperatur von rund 900°C, und die CaO-Teilchen reagieren mit den keramischen Teilchen, welche TiO₂-Teilchen umfassen, zu einem Oxidbestandteil, und zwar CaTiO₃. Dieser Oxidbestandteil, d.h. CaTiO₃, kann im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen als die sinterbare Keramik gesintert werden. In Folge dessen kann das CaTiO₃, das bei einer Temperatur von rund 1100°C gesintert wurde, mit den harten keramischen Teilchen, welche SiC umfassen, fest verbunden werden. Entsprechend hat die poröse Vorform sogar noch in dem Fall, in dem verschiedenen Typen von keramischen Teilchen, welche unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, miteinander in der porösen Vorform als hartes Material kombiniert werden, einen erhöhten Hohlraumgehalt, was die Herstellung eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts erleichtert und große Größen ermöglicht während die Gewandtheit gewahrt wird. Mittels einer neu gebildeten Keramik, welche sich aus der Reaktion der keramischen Teilchen mit den Sinterhilfsmitteln ergibt, schmelzen auf diese Art und Weise die keramischen Teilchen und das Skelett bildende Material und sind an ihren Verbindungspunkten zusammengesintert, so dass eine poröse Vorform mit einer Anzahl an kontinuierlichen Poren, welche Spalte umfassen, hergestellt wird. Das zusammengesetzte Sinterhilfsmittel, welches Carbonate oder Metalloxide umfasst, ist als ein Bestandteil vorhanden, welcher aus einer Reaktion mit einem Teil der keramischen Teilchen in der porösen Vorform hergestellt wird. In dem Fall, in dem das Volumen einstellende, rückstandsfrei verbrennende Pulver, welches ein Graphitpulver umfasst, verbunden ist, wird das Graphitpulver ausgebrannt und in der Form von CO oder CO₂ aus der porösen Form während des Sinterns freigesetzt, die poröse Vorform wird dort mit Poren versehen, wo die Graphitpulver waren, so dass damit ein erhöhter Hohlraumgehalt erhalten wird.
Es ist wünschenswert, dass die Sintertemperatur auf einer Höhe liegt, welche die keramischen Teilchen befähigt, gesintert zu werden. In dem Fall, in dem die eingesetzten TiO₂eine Teilchengröße von 0,2 bis 1 μm aufweisen, wird das Sintern der keramischen Teilchen bei einer Temperatur über 1000°C, oder bevorzugt zwischen 1000 und 1200°C, über etwa zwei Stunden erreicht. In dem Fall, in dem andere Pulver als Graphitpulver als Volumen einstellendes, rückstandsfrei verbrennendes Pulver eingesetzt werden, fängt das Pulver bei einer Temperatur von annähernd 600°C an zu brennen und wird in Form von CO und CO₂ aus der porösen Vorform während des Sinterns freigesetzt, so dass es damit verschwindet. Wenn andere Hilfsstoffe wie beispielsweise ein anorganisches Bindemittel verbunden werden, wirkt das anorganische Bindemittel zusammen mit den keramischen Teilchen, um eine Skelettstruktur der porösen Vorform zu bilden.
Die folgende Beschreibung wird ausgerichtet werden auf ein Verfahren zur Herstellung eines partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts, und zwar eines Bremsrotors, durch den Einsatz der porösen Vorform, welche wie oben [erwähnt] hergestellt wurde.
Unter Bezug auf die 4 und 5, welche das Verfahren zur Herstellung eines Bremsrotors darstellen, wird die poröse Vorform 1 in eine Metallgussform 10 eingesetzt, so wie in 4 dargestellt, und ein unter Druck stehendes, geschmolzenes, leichtgewichtiges Metall 12 wie beispielsweise geschmolzenes Aluminium, welches das Grundmaterial der porösen Vorform ist, welche hergestellt wird, wird in die poröse Vorform 1 durch einen Kolben 13 injiziert wie in 5 dargestellt. Als ein Ergebnis wird das geschmolzene, leichtgewichtige Metall 12 mit einer hohen Wirksamkeit in die Poren der porösen Vorform 1 imprägniert, so dass ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt zur Verfügung gestellt wird, dessen poröse Vorform richtig und vollständig mit dem geschmolzenen, leichtgewichtigen Metall zugedeckt und überzogen ist. Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und ähnliche können als leichtgewichtiges Metall für das partielle Leichtkomposit-Metallprodukt der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Ein Aluminiumkompositmaterial, in welchem TiO und SiC als eine Verstärkung (eine poröse Vorform) enthalten sind, wird vorausgesetzt, um einen Ti-Al-Si-Bestandteil aufgrund einer Wärmebehandlung wie beispielsweise eine verflüssigende Behandlung (T4-Lösungswärmebehandlung) herzustellen. Aus der Tatsache, das dieser Bestandteil Eigenschaften aufweist, in denen er geneigt ist, leicht an einem Bremsbelag, welcher mit dem Bremsrotor verbunden ist, festzukleben, ist das Anwenden der Wärmebehandlung als ein wirksames Verfahren gedacht angesichts der Erzielung der Erhöhung des Reibungskoeffizienten des partiellen Leichtkomposit-Metallprodukts, d.h. des Bremsrotors. In dem Fall der Anwendung einer solchen Wärmebehandlung allerdings, in dem der porösen Vorform CaCo₃ als ein Sinterhilfsmittel hinzugefügt wird, findet, da TiO₂ mit CaO, welches ein stabiles, durch die Zersetzung von CaCO₃ hergestelltes Oxid ist, zu CaTiO₃ reagiert, keine Reaktion zwischen dem TiO₂ und Al und/oder Si statt, sogar dann, wenn eine Wärmebehandlung bei der porösen Vorform angewandt wird. Damit ist es in dem Fall der Anwendung einer Wärmebehandlung bei einem Aluminiumkompositmaterial wünschenswert, eine poröse Vorform herzustellen, ohne dem Aluminiumkompositmaterial CaCO₃ als Sinterhilfsmittel zuzusetzen. In diesem Fall, obwohl es unter Umständen erwartet wird, dass die poröse Vorform einen Abfall der Festigkeit erfährt, kann eine ausreichende Festigkeit durch das Schaffen eines SiC-Teilchengehaltes von 5 Vf% oder höher gesichert werden. Ein Ti-Al-Si-Bestandteil wird erzeugt und auch angesichts der Verbesserung der Haftung des Bremsrotors zum Bremsbelag ist es wünschenswert den Ti-Gehalt von 2 Vf% oder mehr zu schaffen.
Als ein Ergebnis einer Untersuchung mit Bezug auf einen Aluminiumbremsrotor, welcher eine Kompositscheibe, welche mit einem Material wie beispielsweise keramische Teilchen, kurze Fasern und Whisker verstärkt wird, aufweist, um das nichtaufgehängte Gewicht eines Fahrzeugs zu verringern, welche von den Erfindern der vorliegenden Erfindung gemacht wurde, wurde gefunden, dass es wirksam war zum Erreichen der Erhöhung des Reibungskoeffizienten der Gleitoberfläche des Bremsrotors zu einen Anfangszeitraum der Reibung, nach dem Glanzpolieren der Gleitoberfläche des Bremsrotors das Ätzen der polierten Gleitoberfläche des Bremsrotors anzuwenden. Wenn die Gleitoberfläche dieser Art von Aluminiumbremsrotor nur maschinell bearbeitet ist, sind, da Aluminium als Grundmaterial der Gleitoberfäche weich ist im Vergleich zu den harten keramischen Teilchen und kurzen Fasern, diese harten keramischen Partikel und kurzen Fasern in einem Zustand, in welchem sie durch das Grundmaterial bedeckt sind. Aus der Untersuchung heraus wurde überlegt, dass das Aluminium, welches an der Oberfläche des Bremsbelags in einem Anfangszeitraum der Gleitbewegung zwischen dem Bremsrotor und dem Bremsbelag haftet, welches eine Verschlechterung des Reibungskontakts da zwischen in diesem Anfangszeitraum verursacht, es schwer macht, die Erhöhung des Reibungskoeffizienten der Gleitfläche des Bremsrotors zu erreichen. Angesichts der Bewertung, wurde es überlegt, dass das Erhöhen des Reibungskoeffizienten der Gleitoberfläche des Bremsrotors erreicht wurde durch Freilegen und Entfernen des Aluminiums über den harten keramischen Teilchen und kurzen Fasern, welches die harten Teilchen befähigt, in einen reibenden Kontakt mit dem Bremsbelag in dem Anfangszeitraum der Gleitbewegung zwischen dem Bremsrotor und dem Bremsbelag gebracht zu werden.
Die Wirkung wird genauer dargelegt mit Bezug auf die folgenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung, auf welche die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist und welche im Ausführungsgegenstand angesichts des vorangehenden Bereichs der Erfindung gewechselt werden können.
Beispiele
Poröse Vorformen für einen Bremsrotor, welche in 3 dargestellt werden, wurden aus verschiedenen Rohmaterialien hergestellt, welche bereitgestellt wurden durch Mischen von SiC-Teilchen und TiO₂-Teilchen in Verhältnissen, welche in der unteren Tabelle angegeben werden, und Zusammensetzungen verschiedener Bestandteile, welche unten dargestellt werden. Die TiO₂-Teilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,3 μm. Die poröse Vorform wurde 3 Stunden bei einer Temperatur von 1140°C gesintert.
Zusammengesetzte Bestandteile
Skelett bildendes Material:

Aluminiumoxid-Kurzfasern (3,0 Vf%)
Aluminiumborat-Whisker (3,0 Vf%)

Sinterhilfsmittel:

CaCO₃ (1,0 Vf%)

Andere:

Aluminiumoxid-Sol (geeignete Menge)
Polyacrylamidgel (geeignete Menge)

Tabelle
Aluminiumbremsrotoren wurden durch Giessen der partiellen Kompositprodukte derjenigen porösen Vorformen hergestellt, welche mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung erstellt wurden. Die Aluminiumkompositbremsrotoren wurden Reibungsprüfungen in einem Temperaturbereich von 100 bis 400°C unterworfen, um verschiedene Eigenschaften der Aluminiumkompositbremsrotoren herauszufinden. Die Reibungssprüfung wurde ausgeführt durch Reiben des Bremsrotors an einem Bremsbelagsmaterial TS-16 (Handelsname), welche von Nisshinbo Co., Ltd. geliefert wurde.
Eine Untersuchung wurde zu den Einflüssen gemacht, welche SiC-Volumenbestandteile, SiC-Teilchengröße, TiO₂-Bestandteil auf die Oberflächenrauhigkeit der Gleitoberfläche der Aluminiumbremsrotoren (Rmax) nach der Reibungsprüfung ausüben. Die Ergebnissen werden in den 6 bis 8 dargestellt. In den 6 bis 8 werden ebenfalls die Ergebnisse der Reibungsprüfungen dargestellt, welche an einem Bremsrotor angewandt wurden, der durch Metallschmelzen-Rührguß [molten metal stirring casting] aus einem Duralcan-Material (Handelsname) hergestellt war, welches ein Hilfsmittel von 20 Vf% SiC-Verstärkungsteilchen, welche eine Teilchengröße von rund 10 μm aufwiesen, enthielt.
Wie aus 6, welche die Beziehung zwischen SiC Volumenbestandteil und maximaler Oberflächenrauhigkeit (Rmax) für 2 bis 6 Vf% TiO₂-Teilchen darstellt, ersichtlich ist, wird es deutlich gemacht, dass das Rohmaterial, welches mehr als 10 Vf% SiC-Teilchen, welche eine Teilchengröße von 25 μm aufweisen, enthält, dafür sorgt, dass die Oberflächenrauhigkeit (Rmax) gering bleibt. Wie aus 7, welche die Beziehung zwischen SiC-Teilchengröße und maximaler Oberflächenrauhigkeit (Rmax) für 2 bis 6 Vf% TiO₂-Teilchen darstellt, ersichtlich ist, wird es deutlich gemacht, dass das Rohmaterial, welches SiC-Teilchen, welche eine Teilchengröße größer als 20 μm aufweisen, enthält, dafür sorgt, dass die Oberflächenrauhigkeit (Rmax) gering bleibt. Mit Bezug auf 8, welche das Verhältnis zwischen TiO₂-Volumenbestandteil und maximaler Oberflächenrauhigkeit (Rmax) für 18 bis 22 Vf% SiC-Teilchen darstellt, wird es deutlich gemacht, dass durch das Hinzufügen nur einer kleinen Menge von jedoch mehr als 2 Vf% an TiO₂-Teilchen die Oberflächenrauhigkeit (Rmax) gering beibehalten wird. 9 ist eine Graphik, welche den Einfluß zeigt, welchen SiC-Volumenbestandteile auf den Reibungskoeffizienten μ (einen Durchschnitt der Reibungskoeffizienten bei allen Untersuchungstemperaturen) ausüben. Es wird deutlich gemacht, dass der Reibungskoeffizient μ eine stärkere Abhängigkeit von dem Volumenbestandteil aufweist als von der SiC-Teilchengröße.
Vergleichsbeispiel I
Als Vergleichsbeispiele wurden Aluminiumbremsrotoren (das Grund-Al war AC-4-Material) in der gleichen Art und Weise die Bremsrotoren der Beispiele hergestellt aus Rohmaterialien, welche ein Grundmaterial aus einem Gemisch von 8 Vf% TiO₂, 12 Vf% SiC und 3 Vf% Aluminiumoxid-Kurzfasern umfassen. Eines der Rohmaterialien, welches keinen CaCO₃-Hilfsstoff enthielt, wurde einer Lösungswärmebehandlung (T4-Wärmebehandlung) unterworfen unter der Bedingung, dass das Rohmaterial, nachdem es 4 Stunden bei 520°C gehalten wurde, Wasser-gekühlt wurde, und ein anderes, als ein Gußmaterial, von den Rohmaterialien, welches keinen CaCO₃-Hilfsstoff enthielt, wurde nicht der Lösungswärmebehandlung unterworfen. Diese Vergleichsbeispiele der Bremsrotoren wurden den gleichen Reibungsprüfungen wie die Beispiele der Bremsrotoren unterworfen, um den Einfluß herauszufinden, welchen die Lösungswärmebehandlung auf den Reibungskoeffizienten μ ausübt. Das Ergebnis wird in 10 dargestellt.
Wie aus 10 ersichtlich, wird es dargelegt, dass das Anwenden der Wärmebehandlung auf das Rohmaterial, welches keinen CaCO₃-Hilfsstoff enthält, in Bezug auf das Erreichen der Erhöhung des Reibungskoeffizienten des Aluminiumbremsrotors wirksam ist.
Vergleichsbeispiel II
Als weitere Vergleichsbeipiele wurden Aluminiumbremsrotoren in der gleichen Art und Weise wie die Beispiel-Bremsrotoren hergestellt aus einem Rohmaterial, welches umfasst ein Grundmaterial aus einem Gemisch von 8 Vf% TiO₂, 12 Vf% SiC und 3 Vf% Aluminiumoxid-Kurzfasern und einem CaCO₃-Hilfsstoff. Einer der Aluminiumbremsrotoren der Vergleichsbeispiele wurde nach dem Glanzpolieren einer Ätzbehandlung unterworfen. Beide Aluminiumbremsrotoren der Vergleichsbeispiele wurden Reibungsprüfungen unterworfen, um den Reibungskoeffizienten μ während eines Anfangszeitraums der Gleitbewegung zwischen Bremsrotor und Bremsbelag auszurechnen. Das Ergebnis wird in 11 dargestellt.
In Bezug auf 11 wird es verdeutlicht, dass der Aluminiumbremsrotor nach dem Glanzpolieren und Ätzen eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten in dem Anfangszeitraum der Gleitbewegung erreicht:
Wie oben beschrieben sorgt das partielle Leichtkomposit-Metallprodukt der vorliegenden Erfindung für eine bessere Abriebsbeständigkeit und eine hohe Festigkeit während eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten erreicht wird, sogar wenn es eine verhältnismäßig große Größe aufweist. Ferner ist es geeignet, die Gleitoberfläche über einen langen Zeitraum so zu bewahren, dass sie eben und glatt bleibt. Insbesondere stellt die poröse Vorform der vorliegenden Erfindung das partielle Leichtkomposit-Metallprodukt als ein am besten für einen Bremsrotor geeignetes Material zur Verfügung.

Claims

Poröse Vorform (1), die aus einem harten Material hergestellt ist und aus der ein partielle Leichtkomposit-Metallprodukt mit wenigstens einer Gleitoberfläche als Kompositteil hergestellt wird, gekennzeichnet dadurch, dass das harte Material eine Mischung umfasst, die enthällt: 2 bis 20% Volumenbestandteile TiO₂-Teilchen, wenigstens eines von kurzen keramischen Fasern und Whiskern, und 10 bis 30% Volumenbestandteile SiC-Teilchen, die eine mittlere Teilchengröße von 20 bis 100 μm haben, und dass es gesintert wird.
Poröse Vorform (1) nach Anspruch 1, worin die SiC-Teilchen in den TiO₂-Teilchen in Form einer Meer-Insel-Struktur gesintert werden.
Poröse Vorform (1) nach Anspruch 1 oder 2, worin die kurzen keramischen Fasern oder Whisker zu den TiO₂-Teilchen und den SiC-Teilchen hinzugegeben werden.
Kompositprodukt mit einer porösen Vorform (1), wie sie in einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 definiert ist, wobei die poröse Vorform (1) mit einer leichten Legierung in kontinuierlichen Poren gefüllt ist, um ein partielles Leichtkomposit-Metallprodukt herzustellen.