ES2197546T3

ES2197546T3 - Procedimiento para la fabricacion de cuerpos de friccion que contienen fibras de refuerzo.

Info

Publication number: ES2197546T3
Application number: ES99111457T
Authority: ES
Inventors: Kolja Rebstock
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-06-12
Publication date: 2004-01-01
Anticipated expiration: 2019-06-12
Also published as: EP0976945A1; DE59905290D1; DE19834542C2; EP0976945B1; DE19834542C5; DE19834542A1; US6517756B1

Abstract

La fabricación de cuerpos que contienen fibras reforzadas utilizados en la fabricación de materiales compuestos cerámicos reforzados con carbono, consta de material de moldeo a presión para formar un cuerpo reforzado con fibra con vaciados. El material de moldeo se presiona en un molde que tiene piezas insertadas de tal forma que el cuerpo que contiene las fibras reforzadas resultantes tiene vaciados correspondientes a las piezas insertadas. Las fibras reforzadas están orientadas a lo largo de los vaciados aproximadamente paralelas a los bordes laterales de los vaciados. La fabricación de cuerpos que contienen fibras reforzadas consta del mezclado de fibras, haces de fibras o aglomerados de fibras con un aglutinante de carbonización para formar un material de moldeo, y presionado del material hasta un cuerpo que contiene las fibras reforzadas. El material de moldeo se presiona en un molde que tiene piezas insertadas de tal forma que el cuerpo que contiene las fibras reforzadas resultantes tiene vaciados correspondientes a las piezas insertadas. Las fibras reforzadas están orientadas a lo largo de los vaciados aproximadamente paralelos a los bordes externos de los vaciados. También se incluye una reivindicación independiente para un proceso para unir cuerpos que contienen fibras de mezclado, haces de fibras o aglomerados de fibras con aglutinante de carbonización para formar un material de moldeo y presionar el material a un cuerpo que contiene fibras reforzadas. El cuerpo resultante se piroliza de tal forma que el aglutinante se convierte en una matriz de carbón porosa y subsecuentemente dos o más de estos cuerpos porosos se ponen en contacto y se filtran con fusión metálica o de silicona.

Description

Procedimiento para la fabricación de cuerpos de fricción que contienen fibras de refuerzo.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de los cuerpos de fricción, que contienen unas fibras de refuerzo; a este efecto, las fibras, las haces de fibras o unos aglomerados de fibras, con por lo menos un agente aglomerante carbonizable - y, en su caso, con otros aditivos o ingredientes de relleno - son mezclados para obtener una masa de moldeo, que es comprimida para así conseguir un cuerpo, que contiene las fibras de refuerzo, empleándose para ello un dispositivo de moldeo con un molde, que es parecido a la configuración definitiva de la pieza.

El procedimiento, al cual se refiere la presente invención, es aplicado sobre todo en la fabricación de unos materiales cerámicos compuestos y reforzados de fibras de carbono. Para ello, y en una primera fase de procedimiento, unos tejidos o unas esterillas hechos de fibras de carbono o de haces de fibras - que, dado el caso, están recubiertos de un agente aglomerante, son mezclados con otros agentes aglomerantes e ingredientes de relleno. La mezcla es comprimida para obtener una pieza en bruto o el cuerpo de CFK, que luego es sometido a pirólisis. De este modo, el agente aglomerante - o por lo menos uno de los agentes aglomerantes - se transforma en una matriz de carbono poroso. El resultante cuerpo poroso con contenido en carbono o cuerpo tipo C/C es sometido, a continuación, a una infiltración de silicio fundido. La presente invención se refiere a la primera fase de este procedimiento, es decir, a la fabricación de una pieza en bruto o de un cuerpo de CFK.

Este procedimiento está descrito, por ejemplo, en la Patente Alemana Núm. DE 44 38 455 C1. La referido Memoria de Patente se refiere a la fabricación de unos discos de freno ventilados por dentro; en este caso, los canales de ventilación se constituyen por el ensamblaje de unos cuerpos, reforzados de fibras y con una geometría diferente. Este procedimiento tiene el problema de que en los procedimientos ya conocidos son empleados unos tejidos o unas esterillas de fibras, que están impregnados con el agente aglomerante y son conformados en capas, que son puestas la una sobre la otra. De ello resulta un cuerpo anisótropo, cuyas fibras están orientadas en dos direcciones preferentes, en función de las piezas postizas dentro del tejido. Esto trae consigo algunos problemas en el ensamblaje de varios cuerpos de este tipo para conseguir una estructura compleja, habida cuenta de que el enlace entre los elementos individuales no tiene la suficiente estabilidad.

Otro procedimiento más de esta clase está descrito en la Solicitud de Patente Alemana Núm. 197 11 829.1, no publicada aún. En este caso, en vez de tejidos de fibras o de esterillas de fibras, son empleadas fibras individuales o unas haces de carbono que, por casualidad, están orientadas en todas las tres direcciones. También de ello resulta un cuerpo anisótropo y con unas propiedades, que son esencialmente idénticas en las tres direcciones espaciales. Sigue existiendo, sin embargo, el problema de ensamblar los cuerpos de esta clase de tal manera, que se produzca un enlace estable en los lugares del ensamblaje.

Por consiguiente, la presente invención tiene el objeto de proporcionar un procedimiento de la clase arriba mencionada, el cual haga posible fabricar unos cuerpos ensamblados y con unos enlaces estables en los puntos del ensamblaje.

De acuerdo con la presente invención, este objeto se consigue por el hecho de que la mata de moldeo es comprimida dentro de un molde, que posee una o bien varias piezas postizas, de tal manera que el cuerpo resultante - que contiene las fibras de refuerzo - tenga unas escotaduras, que están en correspondencia con estas piezas postizas y esto de tal modo, que las fibras de refuerzo estén orientadas - a lo largo de estas escotaduras - más o menos de forma paralela a los bordes laterales de las escotaduras.

Por medio del procedimiento de la presente invención son fabricados, por ejemplo, los cuerpos de CFK o unas piezas en bruto con una optimada orientación de las fibras. Este procedimiento se distingue por el hecho de que las piezas en bruto tienen unas escotaduras o bien unos salientes o botones, que están en correspondencia con las escotaduras; en este caso, y debido a la fluidez de la masa de moldeo, la alineación entre las fibras tiene lugar - dentro de la zona de las escotaduras - a continuación de la fuerza de compresión. Durante el ensamblaje de los cuerpos de este tipo se produce - debido a la orientación de las fibras - un enlace estable en los puntos del ensamblaje.

Unas convenientes ampliaciones de la forma de realización de la presente invención se pueden desprender de las reivindicaciones secundarias. Las piezas postizas dentro del molde comprenden tanto las piezas salientes, que están rígidamente unidas con la superficie interior del molde, o bien otras rugosidades de ésta última, como asimismo unas piezas colocadas de forma suelta en el molde como, por ejemplo, unos pasadores u otras piezas postizas de cualquier configuración como, por ejemplo, unas piezas rectangulares, las estrellas, las espigas u otros elementos similares.

Como fibras de refuerzo pueden ser empleados, por ejemplo, las fibras, las haces de fibras o los aglomerados de fibras sobre la base de carbono, de boro y/o de silicio. Son especialmente apropiadas, por ejemplo, las fibras de carbono o las fibras de SiC. Las fibras tienen preferentemente una longitud de 1 hasta 30 mms.

Por lo menos un agente aglomerante - carbonizable y endurecible - es empleado, de forma preferente, con una parte proporcional de aproximadamente un 5 hasta un 60% de peso, en relación con la masa de moldeo.

Gracias a una variación en la parte proporcional del agente aglomerante y en la longitud de las fibras puede ser ajustada la fluidez de la mata de moldeo resultante. En el caso de necesidad, también pueden ser empleados uno o varios medios auxiliares de la fluidez de la masa de moldeo.

A continuación, una forma de realización de la presente invención es explicada con más detalles por medio de los planos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 indica la vista esquematizada de dos piezas en bruto, que pueden ser fabricadas por el procedimiento de la presente invención y las cuales están previstas para la fabricación de unos discos de freno, que están ventilados por dentro;

La Figura 2 muestra la vista esquematizada de un cuerpo, que está ensamblado a partir de las piezas en bruto indicadas en la Figura 1;

La Figura 3 indica una imagen de pieza rectificada de un ensamblaje con una masa de moldeo, que contiene unas fibras con una longitud de 15 hasta 25 mms. y con un 40 hasta un 60% de peso en resina fenólica;

La Figura 4 muestra una imagen de pieza rectificada de un ensamblaje con una masa de moldeo, que contiene unas fibras con una longitud de 15 hasta 25 mms. y con un 5 hasta un 10% de peso en resina fenólica;

La Figura 5 indica una imagen de pieza rectificada de un ensamblaje con una masa de moldeo, que contiene unas fibras con una longitud de 2 hasta 5 mms. y con un 40 hasta un 60% de peso en resina fenólica;

La Figura 6 muestra una imagen de pieza rectificada de un ensamblaje con una masa de moldeo, que contiene unas fibras con una longitud de 2 hasta 5 mms. y con un 5 hasta un 10% de peso en resina fenólica; mientras que

Las Figuras 7 y 8 indican unas fotografías de la probeta cortada e indicada en la Figura 6.

El procedimiento según la presente invención está basado en el conocimiento de que, dentro de las zonas de borde por el interior de un dispositivo de moldeo - es decir, a lo largo, por ejemplo, de unas partes salientes previstas en el dispositivo de moldeo o a lo largo de unos pasadores u otros elementos, colocados dentro del dispositivo de moldeo - las fibras de la masa de moldeo se alinean por la longitud de la fuerza de moldeo, que actúa sobre las mismas. Para la fabricación de, por ejemplo, unos discos de botones, esta alineación u orientación tiene lugar dentro de la zona de los botones. A este efecto, dentro del dispositivo de moldeo es colocada la masa de moldeo y es introducida una chapa perforada. Después del moldeo, pueden ser extraídos dos discos de botones, 1 y 2, que en la Figura 1 están indicados de forma esquematizada. Aquí, se pone de manifiesto, que las fibras 3 de la masa de moldeo tienen - a lo largo de los botones 4 - una orientación especial, tal como esta ha sido indicada en la Figura 1. Durante el siguiente ensamblaje, se ha descubierto que la zona del ensamblaje está prácticamente exenta de grietas (Figuras 2 hasta 8). El lugar del ensamblaje puede ser observado claramente. La estructura se compone de unas fibras de carbono así como de unos granos de carbono. Las partes componentes de silicio están presentes en la forma de carburo de silicio y de silicio libre.

Según este ejemplo de realización, las piezas prensadas han sido fabricadas de la siguiente manera: Unas haces de fibras de carbono - con una longitud de 15 hasta 25 mms. y de 2 hasta 5 mms., respectivamente, así como con un grosor indefinido del haz - han sido impregnadas por empaparse las haces de fibras de carbono con una solución de resina fenólica.

A continuación, se han efectuado el secado y el endurecimiento de la resina fenólica a la temperatura de 130 grados C. dentro de un armario de secado con aire circulante. Seguidamente, las haces de fibras de carbono, secadas y recubiertas, han sido acondicionadas por ser empapadas con una solución de betún. Las fibras, recubiertas de esta manera, constituyen la base para la fabricación de una masa de moldeo que, con la adición de un polvo de carbono y de un 40 hasta un 60% de peso y de un 5 hasta un 10% de peso, respectivamente, de una resina fenólica (Novolak ``Bakelite 8978 FL''), han sido preparadas dentro de un mezclador-amasador. Durante el amasado ha sido añadida, de una manera continua, una mezcla de carburo de titanio y de carburo de boro en forma de polvo. La masa, preparada de este modo, ha sido moldeada para obtener un disco de botones, habiéndose empleado para ello una matriz de moldeo, que es parecida a la forma definitiva de la pieza y dentro de la cual la masa ha sido endurecida a una temperatura de por lo menos 50 grados C., para constituir unos discos de botones con estabilidad de forma. A continuación, se ha efectuado una pirólisis a aproximadamente 800 grados C. dentro de un horno de pirólisis y bajo un gas de protección. Seguidamente, el material ha sido sometido - a una temperatura por encima de la temperatura de fusión del silicio, es decir, a aproximadamente 1.600 grados C. y bajo vacío - a una infiltración con una fusión líquida del silicio, para luego enfriar el material a la temperatura ambiente.

Tal como se puede desprender de las imágenes de una pieza rectificada (Figuras 3 hasta 8), las haces de fibras muestran - dentro de la zona de los botones

\hbox{- una}

orientación preferente, que es paralela a los bordes laterales de los botones. A este efecto, todas las combinaciones de una masa de moldeo de una más elevada parte proporcional en agente aglomerante, de un 40 hasta un 60% de peso de resina fenólica (Figuras 3 y 5) y de una masa de moldeo de una más reducida parte proporcional en agente aglomerante, de un 5 hasta un 10% de peso de resina fenólica (Figuras 2 y 4), han sido comparadas con unas fibras de una longitud de 15 hasta 25 mms. (Figuras 1 y 2) y con unas fibras de una longitud de 2 hasta 5 mms. (Figuras 3 y 4). En ambos casos, la presión de compresión estaba alrededor de 100 bar.

En las imágenes, se puede observar claramente la favorable orientación de las fibras en función de la aplicación de la fuerza. Por medio de una variación

\hbox{- en}

el sentido de una más reducida longitud de la fibra y de unas más elevadas partes proporcionales en agente aglomerante - puede ser mejorada claramente la fluidez del material.

Claims

1. Procedimiento para la fabricación de unos cuerpos de fricción, que contienen fibras de refuerzo; a este efecto, las fibras, las haces de fibras o unos aglomerantes de fibras son mezclados con por lo menos un agente aglomerados carbonizable para obtener una masa de moldeo, que es comprimida para conseguir un cuerpo, que contiene estas fibras de refuerzo, siendo empleado para ello un dispositivo de moldeo con un molde, que es parecido a la configuración final de la pieza; procedimiento éste que está caracterizado porque la masa de moldeo es comprimida dentro de un molde, que posee unas piezas postizas, de tal manera que el cuerpo resultante - que contiene las fibras de refuerzo - tenga unas escotaduras, que están en correspondencia con estas piezas postizas, y esto de tal modo que las fibras de refuerzo se encuentren orientadas - a lo largo de estas escotaduras - aproximadamente de forma paralela a los bordes laterales de las escotaduras.

2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) y caracterizado porque a la masa de moldeo son añadidos otros aditivos y/o ingredientes de relleno.

3. Procedimiento conforme a las reivindicaciones 1) o 2) y caracterizado porque las piezas postizas están previstas en la forma de unas partes salientes, que están rígidamente unidas con la superficie interior del molde, y/o en la forma de unas piezas colocadas de manera suelta dentro del molde.

4. Procedimiento conforme a la reivindicación 3) y caracterizado porque como piezas móviles son empleados unos pasadores.

5. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizado porque como fibras de refuerzo son empleados las fibras, las haces de fibras o unos aglomerados de fibras sobre la base de carbono, de nitrógeno, de boro y/o sobre la base de silicio, en especial de carbono o de carburo de silicio.

6. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizado porque son empleadas unas fibras con una longitud de aproximadamente 1 hasta 30 mms.

7. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizado porque es empleado un agente aglomerante - carbonizable y endurecible - con una parte proporcional de un 5 hasta un 60% de peso, aproximadamente, en relación con la masa de moldeo.

8. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizado porque como otro ingrediente de relleno son empleados por lo menos uno o varios medios auxiliares para la fluidez de la masa de moldeo.

9. Empleo del cuerpo, fabricado conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 8), como unos discos de botones de tipo CFK, a efectos de su posterior ensamblaje como discos de freno.

10. Procedimiento para el ensamblaje de unos cuerpos, que contienen fibras de refuerzo; en este caso, las fibras, las haces de fibras o unos aglomerados de fibras son mezclados, con por lo menos un agente aglomerante carbonizable, para conseguir una masa de moldeo, que es comprimida para obtener un cuerpo, que contiene las fibras de refuerzo; a este efecto, es empleado un dispositivo de moldeo, que es parecido a la configuración definitiva de la pieza, y el resultante cuerpo es sometido a pirólisis, de tal manera que por lo menos un agente aglomerante carbonizable sea transformado en una matriz de carbono poroso y, a continuación, dos o varios de estos cuerpos porosos son puestos en contacto entre sí y son sometidos a una infiltración de fusión de metal o de silicio; procedimiento éste que está caracterizado porque son empleados unos cuerpos, que contienen fibras de refuerzo y que pueden ser fabricados conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 8).

11. Procedimiento conforme a la reivindicación 10) y caracterizado porque a la masa de moldeo son añadidos otros ingredientes de relleno y/o sustancias adicionales.

12. Empleo de un cuerpo, fabricado conforme a las reivindicaciones 10) u 11), para la fabricación de unos discos de freno ventilados por dentro y hechos de una cerámica compuesta y con fibras de refuerzo.