NO312113B1 - Fremgangsmåte ved overflatebehandling av friksjonselementer, samt friksjonselement - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for overflatebehandling av friksjonselementer som bremseskiver, -tromler, clutchdeler og mer spesielt behandling av PMMC-baserte elementer og videre friksjonselementer fremstilt ved fremgangsmåten.

Konvensjonelle bremseskiver lages i dag av jernlegeringer/støpejern som har tilfredsstillende ytelse og er funksjonelle også ved vesentlig forhøyet temperatur, opptil over 700°C.

Trenden i bilindustrien i dag er å redusere totalvekten av kjøretøyene, og dette gir en utfordring til å finne nye lettere materialer også til det spesifikke segmentet av bilens konstruksjon. Når man skal lete etter erstatninger for dagens materialer, er det også en oppgave å forbedre korrosjonsbestandigheten og slitasjemotstanden og dermed øke levetiden til friksjonselementene opptil den samme levetid som for kjøretøyene.

Derfor er det over hele verden de siste årene innlevert en rekke patentsøknader som beskriver bruk av komponenter basert på PMMC (Particle Metal Matrix Composite, f.eks. matriks av Al-legering forsterket med keramiske partikler) til bruk for forskjellige formål i kjøretøy. Problemer som er felles for alle disse søknadene som er basert på PMMC-basismaterialer, er fenomener som er forbundet med at de mykner ved høye temperaturer, noe som riper opp materialet og til og med kan gi plastisk deformering av elementets overflate, slik at den maksimalt tillatte arbeidstemperaturen for elementet senkes betraktelig. Som et botemiddel er det derfor avgjørende å forsyne de grunnleggende friksjonselementene av PMMC-materiale enten med et spesielt kompositt/keramisk overflatesjikt (termisk påsprøyting av keram) eller med et overflateoverføringslag.

Hvis elementet forsynes med et alternativt overføringslag, kreves det at laget både er stabilt (god vedheft til underlaget og bestandig) og homogent. Dessuten ønskes det at laget dannes raskt med tilstrekkelig tykkelse både utfra et fremstillings-, kostnads- og ytelsessynspunkt.

En gjennomførbar måte å øke den maksimale arbeidstemperaturen er ganske enkelt å øke volumprosenten av de forsterkende partiklene. Uheldigvis er denne "løsningen" forbundet med to viktige ulemper, nemlig økte utgifter til PMMC-basismaterialet og vanskeligheter ved produksjon/støping og spesielt skjæring/bearbeiding av overflaten, noe som eliminerer dette som en mulighet for en kostnadseffektiv produksjonsmetode.

Det er derfor et formål ved foreliggende oppfinnelse å frembringe en ny, rask og kostnadseffektiv metode for å fremstille friksjonselementer og unngå de ovennevnte ulempene og vanskelighetene som er forbundet med de hittil kjente metodene og produktene.

Et annet formål ved foreliggende oppfinnelse er å frembringe et homogent overføringslag som utvikler seg raskt og viser forbedrede friksjonsegenskaper.

Et tredje formål ved foreliggende oppfinnelse er å frembringe bedre beskyttelse for det grunnleggende matriksmaterialet mot forhøyede temperaturer og skjærbelastninger.

Disse og andre formål og aspekter ved foreliggende oppfinnelse er oppnådd ved en ny produksjonsmetode for fremstilling av friksjonselementer som fremgår av krav 1 og det resulterende friksjonselementet og den foretrukne utførelse av det i krav 6-7.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj i det følgende med eksempler på foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten og de resulterende elementene med henvisning til figur 1 og 2, hvor

Fig. 1 viser et typisk skivebremssystem i perspektiv,

Fig 2 illustrerer skjematisk og prinsipielt den nye overflatetopografien av friksjonselementet som er behandlet i overensstemmelse med foreliggende, oppfinnelse. Fig 1 viser et skivebremssystem hvor bremseskiven 1 er den roterende delen som sammen med bremseklossene 15, som holdes på plass av caliper 13, skaper friksjonen.

Den nye overflatebehandlingen i henhold til oppfinnelsen anvendes på friksjonsflatene 12 på bremseskiven.

Fig. 2 gir et skjematisk detaljbilde av overflaten til elementet (skiven) 12, behandlet i henhold til foreliggende oppfinnelse.

I motsetning til dagens praksis og trend som går ut på å legge til et spesielt overflatelag, f.eks. i form av et komposittsjikt eller påsprøytet keramisk sjikt, ligger poenget med den foreliggende nye behandlingsmetoden i at matriksmaterialet i basis selektivt delvis fjernes fra den (de) aktive friksjonsflaten(e) på elementet.

Figuren viser i tverrsnitt den øvre overflaten 2 av elementet 1, hvor det opprinnelige topplaget 23 er fjernet i henhold til foreliggende oppfinnelse, fortrinnsvis ved kjemisk etsing. Denne behandlingen resulterer i en ny overflatetopografi hvor det stikker forsterkende (keramiske) partikler 22 ut av matriksen 21, og disse vil senere under den første aktiveringen av bremsesystemet gå inn i overføringslaget som oppstår ved den første slitasjen og materialoverføringen fra bremsebelegget på bremseklossene. Den resulterende økte tykkelsen av overføringslaget vil gi bedre beskyttelse av matrikslegeringen mot temperatur og skjærkrefter.

Tester utført på prøver av PMMC-skiver som er fremstilt (overflatebehandlet) i samsvar med metoden bekrefter at det dannes et overføringslag som utvikler seg raskt, sitter fast, er homogent og gir det behandlede elementet vesentlig forbedrede ytelseskarakteristika.

Eksempel

Prøver av bremseskiver laget av to forskjellige AlSiMg matrikslegeringer forsterket med 10 til 30 volumprosent SiC-partikler med kornstørrelse i området fra 5 til 30 u. har blitt utsatt for kjemisk etsing med 10% NaOH-løsning i 20 minutter.

En sammenlikning med referanseprøvene basert på måling av overflateruhet, friksjon og ytelse ved høy temperatur viser forbedrede egenskaper for alle de målte parametrene.

Foreliggende oppfinnelse begrenser seg ikke til de eksemplene som beskrives ovenfor når det gjelder foretrukket fremgangsmåte for overflatebehandling. Også andre metoder for overflatebehandling, f.eks. elektrokjemisk avvirkning eller kjemisk etsing ved hjelp av en passende syre, kan brukes uten å avvike fra prinsippet og omfanget av foreliggende oppfinnelse.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for overflatebehandling av friksjonselementer, spesielt bremseskiver/-tromler eller clutchplater i kjøretøy, som innbefatter trinn av å fremskaffe friksjonselementer laget av PMMC-materiale ved en hvilken som helst kjent konvensjonell metode, karakterisert ved at det dannes et overføringslag in-situ på overflaten av den (de) aktive siden(e) av elementet ved å fjerne en forhåndsbestemt andel av det ytterste sjiktet av matriksmaterialet og dermed avdekke overflaten av de innkapslede forsterkende partiklene i en slik grad at det oppstår et overføringslag med økt tykkelse og stabilitet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dannelsen av overføringslaget in-situ blir sterkt forbedret ved hjelp av forutgående kjemisk etsing av PMMC-materialet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det brukes natriumhydroksyd (NaOH) i konsentrasjoner fra 5 til 30% som etsemiddel.

4. Fremgangsmåte ifølge til krav 2, karakterisert ved at det brukes syrereagent som etsemiddel.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dannelsen av overføringslaget in-situ gjøres ved elektrokjemisk avvirkning av PMMC-materialet.

6. Friksjonselement, spesielt en bremseskive/-rotor i et motorkjøretøy, karakterisert ved at elementet som omfatter et PMMC-basert element av en Al-legering forsterket med keramiske partikler, har en overflatetopografi som karakteriseres ved at det stikker forsterkende partikler ut fra overflaten slik at den totale (tilgjengelige) friksjonsflaten til elementet dermed øker og konsentrasjonen av partiklene blir høyere sammenliknet med basismaterialet.

7. Element i henhold til krav 6, karakterisert ved at Al-legeringen er en AlSi-legering forsterket med SiC-partikler.