DE3326728A1

DE3326728A1 - Lasttragender waermeisolator

Info

Publication number: DE3326728A1
Application number: DE19833326728
Authority: DE
Inventors: Thomas Gerard Longford Coventry West Midlands Fennell; Ronald Rugby Warwickshire Fisher
Original assignee: Dunlop Ltd
Current assignee: Dunlop Aerospace Ltd
Priority date: 1982-07-27
Filing date: 1983-07-25
Publication date: 1984-02-02
Anticipated expiration: 2003-07-26
Also published as: DE3326728C2; IT1163853B; GB8319341D0; GB2124658B; IT8322239A0; US4526616A; GB2124658A; FR2532037A1; IT8322239A1; FR2532037B1

Description

W 45 04 6

Lasttragender Wärmeisolator

Die Erfindung betrifft lasttragende Wärmeisolatoren.

Gegenwärtig verfügbare Materialien, die gute Wärmeisolatoren sind, haben keine gute Lasttragfähgikeit. Polymere Materialien sind verformbar und verschlechtern sich, wenn sie erhitzt werden, während keramische Materialien spröde und gewöhnlich für Endbearbeitung auf enge Toleranzen nicht geeignet sind, wie sie für gewisse mechanische Anwendungen erforderlich sind.

Ein Beispiel eines Bedarf für einen lasttragenden Wärmeisolator ist eine Mehrscheibenbremsanlage, bei welcher es erwünscht ist, daß lasttragende Elemente, die vorgesehen sind, um den Schub von hydraulischen Kolben auf die Bremsscheiben zu übertragen, auch dazu dienen sollten, die Kolben und deren hydraulische Betätigungseinrichtungen gegenüber den hohen Temperaturen zu schützen, die durch die Reibflächen erzeugt werden. Schubelemente, die zuvor für diesen Zweck verwendet wurden, wurden aus mit Asbestfasern verstärkten Phenolharzen hergestellt, jedoch haben diese das Bestreben, sich bei Temperaturen oberhalb 400⁰C zu verschlechtern bzw. sich abzubauen, wodurch deren Lasttragfähigkeit nachteilig beeinflußt wird.

Eine Alternative, die für diese Schubelemente vorgeschlagen wurde, besteht darin, sie aus keramischem Material zu bilden. Dieses ist mechanisch stark und kann hohen Temperaturen widerstehen, jedoch hat es die Nachteile, daß es teuer und spröde ist, und daß eine Formbearbeitung und

eine Endbearbeitung innerhalb enger Toleranzen große Probleme bietet, wenn sie überhaupt ausgeführbar ist.

Vom Gesichtspunkt der Lasttragfähigkeit würde das ideale Material für diese Schubelemente Metall sein, welches verhältnismäßig billig ist und welches bequem geformt und/ oder bearbeitet werden kann, jedoch ist die hohe Wärmeleitfähigkeit eines aus Metall bestehenden Schubelementes nachteilig, weil durch diese Wärme sehr leicht zu der hydraulischen Einrichtung geleitet wird, wobei ein Sieden des Druckmittels mit einem Verlust an Bremswirksamkeit hervorgerufen werden kann, und außerdem besteht die Möglichkeit einer Beschädigung oder Zerstörung der Bauteile.

Ein Hauptzweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Material zu schaffen, welches hinsichtlich der Lasttragfähigkeit, der niedrigen Kosten und der leichten Formbarkeit und Bearbeitbarkeit die Vorteile von Metall besitzt, welches jedoch dennoch eine wirksame Wärmesperre schafft.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein lasttragender Wärmeisolator geschaffen, der Teilchen oder Fasern aus einem wärmeisolierenden Material aufweist, die in einer Metallmatrix dispergiert sind. Eine Mehrzahl der Teilchen oder Fasern ist so vorgesehen, daß ihre Hauptachsen derart ausgerichtet oder orientiert sind, daß der Fluß von Wärme durch das Matrixmaterial in einer Richtung behindert ist.

Wärmefluß in einem Bauteil verläuft von einer heißen Zone zu einer kalten Zone, und, wenn die Flußlinien oder Fließlinien nicht abgeleitet oder umgeleitet werden, nehmen sie den kürzesten Weg. In einem Material gemäß der Erfindung

-y-c.

sind die Teilchen oder Fasern derart orientiert, daß die Fließwege durch die Matrix, entlang von denen Wärme fließen kann, unterbrochen und verlängert sind. Demgemäß sind die Teilchen oder Fasern so orientiert oder ausgerichtet, daß eine Mehrzahl von ihnen annähernd rechtwinklig zur Richtung des Wärmeflusses angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Teilchen die Form von Blättchen oder Plättchen oder Flocken aus keramischem Material, die in der Matrix derart verteilt sind, daß die größeren Flächen wenigstens der meisten von ihnen allgemein parallel zueinander liegen. Bei einem Schubübertragungselement für eine Bremsanlage verlaufen die größeren Flächen wenigstens der meisten der Plättchen, Blättchen oder Flocken allgemein parallel zu den Stirnflächen des Elementes, die mit der Bremsscheibe bzw. mit der hydraulischen Einrichtung in Eingriff treten sollen, oder sie bilden einen kleinen Winkel mit diesen Stirnflächen.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines lasttragenden Wärmeisolators gemäß der Erfindung umfaßt das Mischen von Blättchen oder Flocken (nachstehend der Einfachheithalber Blättchen genannt) oder Plättchen aus keramischem Material mit Metallpulver und ein Kaltpressen des Gemisches derart, daß in dem erhaltenen Körper die größeren Flächen wenigstens der meisten der Blättchen oder Plättchen ähnlich orientiert sind, und zwar quer zur Richtung des Anlegens der Preßkraft. Der gepreßte Körper wird danach gesintert, wonach er, falls erforderlich, auf endgültige Gestalt bearbeitet werden kann.

Ein Vorteil des Verfahrens mit Kaltpressen und Sintern besteht darin, daß durch es ein Grad an Porosität in dem fertiggestellten Element geschaffen ist, wobei die Poro-

sität, vorausgesetzt, daß die Leerräume nicht so groß sind, daß die Festigkeit verringert wird, zu der Wärmeisolierung beiträgt. Ein bevorzugter Bereich der Porosität umfaßt 5 bis 20 Volumenprozent.

Ein bevorzugtes Matrixmaterial ist austenitischer rostfreier Stahl, der seinerseits bereits verhältnismäßig niedrige Wärmeleitfähigkeit hat. Ein bevorzugtes keramisches Material sind Glimmerblättchen oder Glimmerflocken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische axiale Querschnittsansicht eines Teiles eines Gebildes aus Bremskolben und Schubelement;

Fig. 2 ist eine Stirnansicht des Gebildes gemäß Fig. 1, gesehen vom rechten Ende der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht in der gleichen Ebene wie die Darstellung der Fig. 1, wobei in stark vergrößertem Maßstab ein Teil des Schubelementes dargestellt ist.

Ein Bremskolben 10 gemäß den Fig. 1 und 2 ist von üblicher Gestalt für Gleitsitz in einem nicht-dargestellten hydraulischen Bremsenbetätigungszylinder, wobei das Vorderende 11 von dem Zylinder vorragt, um mit einer Statorscheibe in Eingriff zu treten, welche die äußerste Statorscheibe eines Stapels von ineinander angeordneten Statorscheiben und Rotorscheiben aus Kohlenstoff in einer Mehrscheiben-Luftfahrzeugbremse ist.

Das Vorderende 11 des Kolbens 10 ist mit einer Ausnehmung versehen, um eine Fassung 12 zu schaffen, in welcher ein wärmeisolierendes lasttragendes Element 13 befestigt ist. Das Element bzw. der Isolator 13 (nachstehend der Einfachheit halber als Isolator bezeichnet) kann mit Preßsitz in der Fassung 12 angeordnet sein, er kann jedoch alternativ oder zusätzlich in der Fassung 12 mittels eines Klebstoffes befestigt sein. Es können auch zusätzlich mechanische Mittel, beispielsweise ein Niet, verwendet werden, um den Isolator 13 in der Fassung 12 zu halten.

Der Isolator 13 umfaßt eine gesinterte Metallmatrix 14, in welche Blättchen oder Flocken 15 aus Glimmer eingebettet sind. Das Verfahren der Herstellung des Isolators 13 ist derart gesteuert, daß gewährleistet ist, daß der Hauptanteil der Glimmerblättchen 15 so ausgerichtet ist, daß ihre Hauptebenen sich parallel zu der Ebene der Stirnfläche 16 des Isolators 13 oder in einem kleinen Winkel zu dieser erstrecken. Fig. 3 zeigt schematisch im Querschnitt das Aussehen einer typischen Verteilung der Glimmerblättchen 15 in dem Isolator 13, und es ist zu bemerken, daß die Glimmerblättchen 15, die niedrige Leitfähigkeit haben, den Wärmefluß in axialer Richtung des Isolators 13 versperren bzw. behindern und demgemäß die Fließwege wirksam verlängern, entlang von welchen die Wärme durch die Metallmatrix 14 fließen muß, um Wärme von der vorderen Stirnfläche 16 des Isolators 13 in axialer Richtung durch den Isolator 13 zu dem Körper 17 des Kolbens 10 und damit zu dem hydraulischen Arbeitsmittel auf der Hinterseite des Kolbens 10 zu übertragen. Ein typischer Weg für Wärmefluß ist durch die gestrichelte Linie A-A angezeigt, obwohl zu verstehen ist, daß in der Praxis die Wege, entlang von denen Wärme fließen kann, dreidimensional rund um die Blättchen 15 verlaufen. Die sich ergebenden langen Wärme-

fließwege in dem Material des Isolators 13 führen dazu, daß dessen Gesamtwärmeleitfähigkeit in axialer Richtung wirksam erniedrigt ist, so daß der Isolator 13 mit guten Isoliereigenschaften versehen ist, während die Festigkeit und die bequeme Verformbarkeit und Bearbeitbarkeit der gesinterten Metallmatrix beibehalten sind.

Typische Gliinmerblättchen, von denen gefunden wurde, daß sie für die Herstellung des Isolators 13 geeignet sind, sind unregelmäßige Plättchen, die in der Ebene, in der ihre größere Fläche liegt, Abmessungen im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm haben und die eine mittlere oder durchschnittliche Dicke im Bereich von 0,01 bis 0,04 mm haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden 20 Gew.-% Glimmerblättchen (ein Bereich von 10 % bis 30 % ist geeignet) mit 80 Gew.-% austenitischem rostfreien Stahlpulver (ein entsprechender Bereich von 70 % bis 90 % ist geeignet) gemischt. Das kalte Gemisch wurde zuerst in einer Form einem Druck im Bereich von 300 bis 600 Mega Newton je m² unterworfen, um die Gestalt des Isolators 13 zu bilden, und der erhaltene Körper wurde in Vakuum bei einer Temperatur von etwa 1.100⁰C gesintert (eine Temperatur im Bereich von 1.000⁰C bis 1.200⁰C ist geeignet).

Proben dieses Materials, die hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit getestet wurden, ergaben Werte von 1,75 W· m-^oC rechtwinklig zur Preßrichtung, und 0,67 Wirr ⁰C in der Preßrichtung. Entsprechende Werte für einen Standardisolator aus Phenolharz mit Asbest waren 1,2 W'm"°C in beiden Richtungen.

Die Festigkeit des Isolators 13 gemäß diesem Beispiel in axialer Richtung, gemessen bei einer Temperatur von 500⁰C,

-/JO.

betrug 35 0 Mega Newton je m

Bei einem anderen Beispiel wurden 20 % Glimmerflocken (wie oben) mit 80 % pulverförmiger Titanlegierung (sie enthielt 5 % Aluminium und 2,5 % Zinn) gemischt und bei einem Druck von 45 0 Mega Newton je m² auf die Gestalt des Isolators 13 kaltgepreßt. Der erhaltene Körper wurde dann in Vakuum bei 1.100⁰C gesintert, wobei ähnliche Bereiche von Bestandteilen und Temperaturen geeignet sind, wie sie bei dem vorhergehenden Beispiele angegeben wurden.

Proben dieses Materials, die hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit getestet wurden, ergaben Werte von 6,3 Wm¹⁰C rechtwinklig zur Kaltpreßrichtung, und 2,6 Wm^-0C in der Preßrichtung.

Die Festigkeit des Isolators 13 bei diesem Beispiel betrug in der axialen Richtung 147 Mega Newton je m².

Die obigen Beispiele zeigen, daß durch Anwendung der Erfindung ein vorherrschend metallisches lasttragendes Element, welches die Eigenschaften hoher Festigkeit und leichter Bearbeitbarkeit hat, geschaffen ist mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit in der gewünschten Richtung, wodurch es ermöglicht ist, ein solches Element beispielsweise für einen Wärmeisolator eines Bremskolbens zu verwenden. Diese Art von Isolator hat sich zur Verwendung mit Stapeln aus aus Kohlenstoff bestehenden Bremsscheiben als besonders geeignet erwiesen.

Andere mögliche Verwendungen für Wärmeisolatoren gemäß der Erfindung umfassen Kolben in Brennkraftmaschinen und Isolatoren in Gasturbinenmaschinen.

Claims

ELISABETH J U 1*312 dr.phiu■bipl.-coeh.: : : - : JÜRGEN SCHIRDEWA H" N" "dh." her. nat.', dipL-phys. CLAUS QiRWHÄBßT dipl-inq. PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS W 45 046 (Gh/sm) Dunlop Limited London, Großbritannien 8000 MÜNCHEN 40, P. O. BOX 40 14 68 CLEMENSSTRASSE 30 TELEFON: (089) 3450 TELEGRAMM/CABLE: INVENT MÖNCHEN TELEX: 5-29 686 TELECOPIERER (FAX): (089) 39 9239 (GR. MiUl) .25. J ü LS1983 Lasttragender Wärmeisolator Beanspruchte Prioritäts 27 ο Juli 1982 - Großbritannien - Nr. 82 21692 Patentansprüche

1. Lasttragender Wärmeisolator (13) mit in einer Matrix dispergierten Teilchen oder Fasern aus einem wärmeisolierenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Metallmatrix ist, und daß der Hauptanteil der Teilchen oder Fasern (15) in der Matrix so vorliegt, daß ihre Hauptachsen derart orientiert sind, daß der Fluß von Wärme durch das Matrixmaterial (14) in einer Richtung behindert ist.

POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 50175-809 · BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.G. MÖNCHEN, LEOPOLDSTR. 71, KONTO-NR. SO/35 794

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (15) die Form von Plättchen oder Blättchen aus keramischem Material haben, die in der Matrix (14) derart verteilt sind, daß die größeren Flächen der meisten der Teilchen im wesentlichen parallel oder in einem kleinen Winkel zueinander liegen.

3. Isolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Schubübertragungselement (13) für eine Bremsanlage ist, und daß die größeren Flächen wenigstens der meisten der Plättchen oder Blättchen (15) zu einer axialen Stirnfläche (16) des Elementes allgemein parallel oder in einem kleinen Winkel liegen.

4. Isolator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen oder Blättchen (15) aus Glimmer bestehen.

5. Isolator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (15) aus Glimmer bestehen und in der Ebene, in welcher ihre größere Fläche liegt, Abmessungen in dem Bereich von 0,2 bis 0,5 mm haben sowie eine durchschnittliche Dicke im Bereich von 0,01 bis 0,04 mm haben.

6. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial (14) gesinterter austenitischer rostfreier Stahl ist.

7. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial (14) eine gesinterte Titanlegierung ist.

8. Isolator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge-

kennzeichnet, daß 10 bis 30 Gew.-% Glimmerblättchen (15) in einer Matrix (14) dispergiert sind, die aus 70 bis 90 Gew.-% gesintertem Pulver gebildet ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines lasttragenden Wärmeisolators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Blättchen oder Plättchen (15) aus keramischem Material mit Metallpulver gemischt werden, das Gemisch danach derart kaltgepreßt wird, daß in dem sich ergebenden Körper die größeren Flächen wenigstens der meisten der Blättchen oder Plättchen im wesentlichen quer zur Richtung des Anlegens der Preßkraft orientiert sind, und daß der gepreßte Körper dann gesintert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in einer Form bei einem Druck im Bereich von 300 bis 600 Mega Newton je m² kaltgepreßt wird, und daß der erhaltene Körper in Vakuum bei einer Temperatur zwischen 1.000 und 1.200⁰C gesintert wird.