CN101687251A

CN101687251A - 可渗透的环形物

Info

Publication number: CN101687251A
Application number: CN200780048024A
Authority: CN
Inventors: 毛里西奥·冈萨雷斯-罗查; 詹森·米特奇克
Original assignee: Rassini Frenos S A De C V
Current assignee: Rassini Frenos S A De C V
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2010-03-31
Also published as: WO2008051591A2; US20100247840A1; WO2008051591A3; CA2703639A1; MX2009004406A; EP2158052A2; EP2158052A4

Abstract

一种用于制备开孔碳化硅插入物(20)的方法，所述开孔碳化硅插入物允许金属浸渗以产生金属基复合材料部件(100，300)，其用于诸如开孔陶瓷环的摩擦/磨损部件。该开孔陶瓷插入物(20)被铸铁浸渗，并且对铁铸造过程或最终的金属基复合材料产品(100，300)不产生诸如铸件多孔性或模具内部的气体积累的不利影响。根据本发明制造的插入物(20)能够操纵并控制最终金属基复合材料产品(100，300)的密度和重量。该插入物(20)的一个有利特征是它们能够操纵并控制最终的金属基复合材料产品(100，300)的阻尼特性。

Description

可渗透的环形物

与其他申请的关系

本申请要求于2006年10月24日提交的美国临时专利申请第60/854,115号的权益，其公开内容在此通过引用并入。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及用于车辆制动系统的摩擦/磨损部件，并且更具体地涉及由陶瓷化合物形成的金属基复合材料(“MMC”)部件。

相关领域的描述

在过去的数十年中，先前持续进行的与开发新型灰口铁合金(gray ironalloys)有关的研究已显著延缓，这主要是由于20世纪50年代晚期和60年代初期的材料科学的发展。灰口铸铁由于其有利的耐磨性、机械加工性和传热性，因而是选择用于摩擦/磨损部件的材料。因此，这些材料对制动转子、离合器板以及其中主要关注磨损特性的其他部件来说是优良的。

本发明的一个目的是使用简单和低成本的方法提供开孔陶瓷环或环形物。

本发明的另一个目的是提供可以被铸铁浸渗的陶瓷环或环形物。

本发明的又一个目的是提供对铁铸造过程或最终的MMC产品不产生不利影响(诸如铸件多孔性(casting porosity)或模具内部的气体积累(gasbuild-up)的陶瓷环或环形物。

本发明的一个进一步的目的是提供能操纵并控制最终的MMC产品的密度和重量的插入物。

本发明的另外一个目的是提供能操纵并控制最终的MMC产品的阻尼特性的插入物。

本发明的又一个进一步的目的是提供用于制动转子和摩擦离合器板的开孔陶瓷插入物以改善这些部件在摩擦学、热控制以及噪音、振动和粗糙度(“NVH”)特性上的总体性能。

发明概述

本发明实现了上述目的及其他目的，根据方法的一个方面，本发明提供了形成用于铸件的预成型插入物的方法。该方法包括以下步骤：

形成陶瓷浆料化合物；以及

将开孔结构浸渍于陶瓷浆料化合物中，从而涂覆开孔结构以形成预成型插入物。

在一个实施方案中，预成型插入物被成形为环形物或环。在其他的实施方案中，预成型插入物是环形物的一部分。

在另一个实施方案中，进一步提供了铸造铸件的步骤，铸造铸件的步骤包括以下的进一步的步骤：

将预成型插入物放置于模具中；以及

用熔融金属浸渗预成型插入物。

在执行用熔融金属浸渗预成型插入物的步骤之前，提供进一步的步骤：在模具中固定预成型插入物。在另一个实施方案中，提供进一步的步骤：在模具中设置预成型插入物，以确保在用熔融金属浸渗预成型插入物的步骤期间预成型插入物被熔融金属完全地覆盖。

在其它实施方案中，提供了以下步骤：减小对铁铸造过程或金属基复合材料产品的不利影响，诸如铸件多孔性或模具内部气体积累；操纵并控制金属基复合材料产品的密度和重量；以及操纵并控制金属基复合材料产品的阻尼特性。

在本发明的一个有利的实施方案中，陶瓷浆料化合物包括50-90％碳化硅和10-50％膨润土以及0-25％二氧化硅。然而，在其他的实施方案中，陶瓷浆料化合物可包括95-60％碳化硅和5-40％铝酸钙；或50-90％碳化硅和10-50％飞灰以及0-25％二氧化硅；或50-90％碳化硅和10-50％稻壳灰以及0-25％二氧化硅。

根据本发明的进一步方面，提供了具有陶瓷预成型插入物的铸造磨损元件，所述陶瓷预成型插入物具有预定的构型和多孔性。布置一定体积的金属(a volume of metal)如灰口铁以浸渗并基本上包围陶瓷预成型插入物。

在本发明的此进一步方面的一个实施方案中，所述体积的金属设置有磨损表面，并且陶瓷预成型插入物安置在距磨损表面的预定距离处。以这种方式，陶瓷预成型插入物可以用作磨损的可视指示物。

在其中铸造磨损元件是旋转磨损元件的一个实施方案中，陶瓷预成型插入物被成形为环形物。可选地，陶瓷预成型插入物被成形为环形物的弧形部分。

根据本发明的又一个进一步方面，提供具有陶瓷预成型插入物的旋转铸造磨损元件，所述陶瓷预成型插入物具有预定的构型和多孔性，该陶瓷预成型插入物是由已经烧结的涂覆有陶瓷浆料化合物的开孔结构形成。布置一定体积的铸铁以浸渗并基本上包围陶瓷预成型插入物，所述体积的铸铁具有磨损表面。

在本发明的此进一步方面的一个实施方案中，陶瓷预成型插入物安置在距磨损表面的预定距离处。

本发明提供用于制造例如环或环形物的形式的开孔陶瓷插入物的简单和低成本的系统和方法。开孔陶瓷插入物可容易地被铸铁浸渗，并且对铁铸造过程或最终的MMC产品不产生诸如铸件多孔性或模具内部的气体积累的不利影响。此外，根据本发明制造的插入物能够操纵并控制最终的MMC产品的密度和重量。这样的插入物的一个有利特征是它们能够操纵并控制最终的MMC产品的阻尼特性。

应该认识到，传递到给定系统的能量必须以相同或更快的速率释放，以便将能量中断保持在原始速率下。更具体地说，如果能量的释放以低于能量输入速率的速率进行，则出现能量饱和，导致部件中的NVH、热断裂或不利的摩擦事件。因此，需要增加铸铁件中每单位时间吸收能量的量，而同时改善噪音衰减方面的性能以及热机械性能和摩擦性能。

如所指明的，为了确保开孔陶瓷插入物被完全地包封，从而实现本发明的全部益处，在本发明的某些实施方案中需要将开孔插入物(i)通过化学或机械手段附着到砂芯，以及(ii)通过使铸模机能够水平或垂直定向的方式来附着。

最终产品是在其中心具有开孔陶瓷插入物的铸件。在优选的实施方案中，在摩擦表面该开孔插入物被铸铁完全包封。然而，在一些实施方案中，在非摩擦表面允许开孔插入物的一些暴露。

在其他的实施方案中，开孔陶瓷插入物另外地用作磨损指示物。因此，当开孔陶瓷插入物在摩擦表面可见时，这提供该部件超前磨损，需要更换的指示。

记住以上所述，需要实现对磨损/摩擦部件中的相对摩擦力的控制，该摩擦力在微尺度(micro scale)上是可变更的。此外，需要增加该铸件的阻尼系数。主要通过控制浆料中陶瓷的比例、每线性英寸孔隙数以及在由熔融铸铁浸渗的部件中开孔碳化硅插入物的相对位置，来实现铸件性能的这种改变。

当在高温下操作铸件时，另外需要增加该材料的热机械性能以实现材料的增加的抗拉强度和导热性的益处。

在重量为考虑因素的应用中，诸如制动盘转子的铸件的总重量从8％至15％。所实现的重量减少将取决于铸件的几何形状和使用开孔碳化硅插入物的位置。当然，另外需要增加在极端条件下操作的摩擦表面的耐磨性，并且需要提供用于摩擦表面的可视磨损指示。

附图简述

通过结合附图阅读以下详细描述更容易理解本发明，在附图中：

图1是陶瓷浆料化合物的图；

图2是插入到陶瓷浆料化合物中的开孔结构的图；

图3是烧结后的陶瓷预成型物的图；

图4是根据本发明制造的MMC摩擦/磨损部件的剖面图；

图5是显示其开孔构型的陶瓷预成型物的放大图；

图6是模具的制动盘转子砂芯的一部分的图，其显示在浇注铁前其上的陶瓷预成型物部分；以及

图7a和7b是根据本发明的原理制造的制动盘转子的剖面图，图7a显示制动盘转子的制动表面部分的剖面，而图7b显示图7a的制动盘转子的放大部分。

详细描述

图1是陶瓷浆料化合物10的图。如该图所示，第一个步骤是制备陶瓷浆料化合物。在本发明的这一实施方案中，浆料化合物10主要由碳化硅粉末和其他粉末材料，诸如膨润土、铝酸钙、飞灰、稻壳灰和二氧化硅的组合组成。关于浆料化合物的一些细节在下文描述。干燥粉末与液化剂混合以产生液态浆料，所述液化剂可包括胶态氧化硅、烷基芳基胺磺酸盐或酯(Alkyl Aryl Amine Sulfonate)和水。

图2是插入到陶瓷浆料化合物10中的开孔结构12的图。在本发明的方法的这一步骤中，开孔结构12是由合成的或天然的有机材料制成，其浸渍于陶瓷浆料化合物中。在本发明的这一具体示例性实施方案中，开孔结构是在5-40PPI(每英寸孔隙数)之间。重复浸渍步骤，直到开孔结构12被陶瓷浆料化合物10涂覆至所需的涂层厚度。在将开孔结构浸渍于浆料化合物后，清除填充孔隙的过量的浆料化合物。

在一个实施方案中，所得的被涂覆的元件成形为被涂覆的环，然后将其在约80℃下在炉(未显示)中加热以蒸发掉水或产生浆料的任何其他液体。在插入物的预热步骤完成后，然后将插入物在窑(未显示)中烧制以烧结保留在开孔结构上的浆料。这一烧结过程还将蒸发掉初始的合成的或天然的有机开孔结构，仅留下烧结的开孔陶瓷插入物。烧制温度可根据化学组成从1000℃至1600℃变化。

此处，本发明人已经发现以下浆料混合物规格中的一些是成功的：

50-90％碳化硅；10-50％膨润土；0-25％二氧化硅

95-60％碳化硅；5-40％铝酸钙

50-90％碳化硅；10-50％飞灰；0-25％二氧化硅

50-90％碳化硅；10-50％稻壳灰；0-25％二氧化硅

以上混合物的比例可以变化，并可以被改变以获得不同重量、强度、多孔性和阻尼特性的最终MMC产品。不同的混合物组合还可应用于相同插入物上的不同涂层以获得不同重量、强度、多孔性和阻尼特性的最终MMC产品。

图3是烧结后的陶瓷预成型物20的图。该图显示陶瓷预成型物的结构和其多孔性。

图4是根据本发明制造的MMC摩擦/磨损部件的剖面图。如该图所示，铸件100，例如制动盘转子形式的旋转铸件，是由铁部件110形成的，该铁部件110已被铸造成包围并浸渗陶瓷预成型物120。陶瓷预成型物可成形为环，其在浇注铁之前就安装在模具(未显示)中。然而，在其他的实施方案中，陶瓷预成型物可成形为多个弧形部分(未显示)，其在浇注铁之前就同心地安装在模具(未显示)中。

图5是显示其开孔结构和构型的陶瓷预成型物120的放大图。如所指示的，浆料涂层的厚度将决定所得的插入物的孔径大小(pore sizing)。

图6是用于模具(未显示)的制动盘转子砂芯200的一部分的图，并且其进一步显示在浇注铁前(该图中未显示)，其上的数个陶瓷预成型物部分210。制动盘转子砂芯200属于用于制造制动盘转子以在平行的同心制动板(未显示)之间形成空隙区的类型。在浇注熔融铁期间，预成型物部分210，例如，通过合适粘合剂的小的沉积物(未显示)固定在合适的位置，所述粘合剂诸如是CORFIX 10粘合剂，其可从Foseco Metallurgical，Inc.商业获得。在一些实施方案中，预成型物部分210固定到砂芯，并从砂芯升起(raised off of)以确保预成型物部分被完全地包在浇注的铁内。

图7a和7b是根据本发明的原理制造的制动盘转子300的剖面图。图7a显示制动盘转子300具有制动板310和311。在这一实施方案中，制动板310具有已加工的制动表面312。此外，该图显示了包封于外壳(casing)内的包埋的陶瓷预成型物315。

图7b显示图7a的制动盘转子，特别是制动板310和制动表面312的放大部分。在该图中，类似地指明了先前已经讨论的结构的元件。在本发明的这一具体的示例性实施方案中，已观察到包埋的陶瓷预成型物315被包埋，从而在内部远离制动表面312一段距离w。因此，在如此使用以至制动板310磨损了距离w后，在制动表面上将见到包埋的陶瓷预成型物315，因此其作为磨损指示物。

尽管已经用具体实施方案和应用来描述本发明，但本领域技术人员可以根据这一教导产生另外的实施方案而没有超越本文描述的发明的范围或偏离其精神。因此，应理解，本公开中的附图和描述是提供来促进对本发明的理解的，而不应该解释为限制本发明的范围。

Claims

1.一种形成用于铸件的预成型插入物的方法，所述方法包括以下步骤：

形成陶瓷浆料化合物；以及

将开孔结构浸渍于所述陶瓷浆料化合物中，从而涂覆所述开孔结构以形成所述预成型插入物。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述预成型插入物被成形为环形物。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述预成型插入物被成形为环形物的一部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中进一步提供铸造所述铸件的步骤，铸造所述铸件的所述步骤包括以下的进一步的步骤：

将所述预成型插入物放置于模具中；以及

用熔融金属浸渗所述预成型插入物。

5.如权利要求4所述的方法，其中在执行用熔融金属浸渗所述预成型插入物的所述步骤之前，提供进一步的步骤：在所述模具中固定所述预成型插入物。

6.如权利要求4所述的方法，其中在执行用熔融金属浸渗所述预成型插入物的所述步骤之前，提供进一步的步骤：在所述模具中设置所述预成型插入物，以确保在用熔融金属浸渗所述预成型插入物的所述步骤期间所述预成型插入物被所述熔融金属完全地覆盖。

7.如权利要求1所述的方法，其中进一步提供以下步骤：减小对铁铸造过程或金属基复合材料产品的不利影响，诸如铸件多孔性或模具内部的气体积累。

8.如权利要求1所述的方法，其中进一步提供操纵并控制金属基复合材料产品的密度和重量的步骤。

9.如权利要求1所述的方法，其中进一步提供操纵并控制金属基复合材料产品的阻尼特性的步骤。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷浆料化合物包括50-90％碳化硅；10-50％膨润土；0-25％二氧化硅。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷浆料化合物包括95-60％碳化硅；5-40％铝酸钙。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷浆料化合物包括50-90％碳化硅；10-50％飞灰；0-25％二氧化硅。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷浆料化合物包括50-90％碳化硅；10-50％稻壳灰；0-25％二氧化硅。

14.一种铸造磨损元件，其包括：

具有预定的构型和多孔性的陶瓷预成型插入物；以及

被布置成浸渗并基本上包围所述陶瓷预成型插入物的一定体积的金属。

15.如权利要求14所述的铸造磨损元件，其中所述体积的金属设置有磨损表面。

16.如权利要求15所述的铸造磨损元件，其中所述陶瓷预成型插入物安置在距所述磨损表面的预定距离处。

17.如权利要求14所述的铸造磨损元件，其中所述铸造磨损元件是旋转磨损元件，并且所述陶瓷预成型插入物被成形为环形物。

18.如权利要求14所述的铸造磨损元件，其中所述铸造磨损元件是旋转磨损元件，并且所述陶瓷预成型插入物被成形为环形物的弧形部分。

19.一种旋转铸造磨损元件，其包括：

具有预定的构型和多孔性的陶瓷预成型插入物，所述陶瓷预成型插入物是由已经烧结的涂覆有陶瓷浆料化合物的开孔结构形成；以及

被布置成浸渗并基本上包围所述陶瓷预成型插入物的一定体积的铸铁，所述体积的铸铁具有磨损表面。

20.如权利要求19所述的旋转铸造磨损元件，其中所述陶瓷预成型插入物安置在距所述磨损表面的预定距离处。