DE69513951T2

DE69513951T2 - Burning disc and process for its manufacture

Info

Publication number: DE69513951T2
Application number: DE1995613951
Authority: DE
Inventors: John Barlow
Original assignee: GKN Sankey Ltd
Current assignee: Sankey Holding Ltd
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2015-05-13
Also published as: DE69513951D1

Description

Brake disc and method for its manufacture Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für eine Bremsscheibenanordnung des Typs, der beispielsweise in industriellen und fahrzeugtechnischen Anwendungen weitverbreitet ist.The invention relates to a brake disc for a brake disc arrangement of the type which is widely used, for example, in industrial and automotive applications.

In einer solchen Anordnung rotiert die Scheibe, (die manchmal auch Rotor genannt wird), mit einem zu bremsenden Bauteil, wie z. B. einem Rad. Von einem Paar von axial zueinander beweglichen Bremsklötzen, die in einem Bremssattel gehalten sind, ist auf jeder Seite der Scheibe je einer angeordnet, so daß ein Bremsdruck auf die sich drehende Scheibe ausgeübt wird, der üblicherweise von einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Anordnung erzeugt wird, wenn das genannte Bauteil gebremst werden soll. Die Verschleißflächen der Scheibe, auf die die gegenüberliegenden Bremsklötze einwirken, umfassen ringförmige ebene Flächen, je eine auf jeder Seite der Scheibe, die sich radial zwischen den radial innenliegenden und den radial außenliegenden Rändern der Scheibe befinden.In such an arrangement the disc (sometimes called a rotor) rotates with a component to be braked, such as a wheel. A pair of axially movable brake pads, held in a brake calliper, are arranged one on each side of the disc so that a braking pressure, usually generated by a hydraulic cylinder-piston arrangement, is applied to the rotating disc when said component is to be braked. The wearing surfaces of the disc, which are acted upon by the opposing brake pads, comprise annular flat surfaces, one on each side of the disc, located radially between the radially inner and radially outer edges of the disc.

Die Scheiben solcher Scheibenbremsenanordnungen werden üblicherweise aus einer Eisenlegierung hergestellt, die die erforderlichen Eigenschaften aufweist, um der wiederholten Beaufschlagung mit Bremsdruck durch die Bremsklötze standzuhalten. Zu diesen Eigenschaften gehören gute Verschleißfestigkeit sowie gute Wärmeleitfähigkeit, wobei konventionelle Bremsscheiben aus Gußeisen hergestellt werden, um diese Eigenschaften bereitzustellen. Für fahrzeugtechnische Anwendungen, insbesondere für Rennmotorräder oder Rennwagen, besteht die Notwendigkeit, Gewicht, wo immer möglich, zu reduzieren, und so wurde vorgeschlagen, eine Bremsscheibe zu verwenden, die aus einem leichteren Werkstoff besteht als aus Eisenlegierungen.The discs of such disc brake arrangements are usually made of an iron alloy that has the necessary properties to withstand the repeated application of braking pressure by the brake pads. These properties include good wear resistance as well as good thermal conductivity, with conventional brake discs being made of cast iron to provide these properties. For automotive applications, especially for racing motorcycles or racing cars, there is a need to reduce weight wherever possible and so it has been suggested to use a brake disc made from a lighter material than ferrous alloys.

Beispielsweise wurde die Verwendung von Aluminiumlegierungen anstelle von Eisenlegierungen vorgeschlagen, da eine Bremsscheibe aus einer Aluminiumlegierung viel leichter sein würde als eine Scheibe entsprechender Größe aus einer Eisenlegierung. Eine Scheibe aus einer Aluminiumlegierung würde auch die erforderliche gute Wärmeleitfähigkeit mitbringen, ein gravierender Nachteil besteht jedoch darin, daß der Schmelzpunkt einer Aluminiumlegierung viel niedriger ist, als der einer Eisenlegierung und daß die Verschleißfestigkeit einer Aluminiumlegierung ebenfalls viel geringer ist, als beispielsweise die von Gußeisen. Eine wiederholte Ausübung des Bremsdrucks auf die Scheibe aus Aluminiumlegierung würde genügend Hitze erzeugen, um die Aluminiumlegierung weich zu machen und die Scheibe zu zerstören.For example, the use of aluminum alloys instead of iron alloys has been suggested because a brake disc made of an aluminum alloy would be much lighter than a correspondingly sized disc made of an iron alloy. An aluminum alloy disc would also provide the required good thermal conductivity, but a serious disadvantage is that the melting point of an aluminum alloy is much lower than that of an iron alloy and that the wear resistance of an aluminum alloy is also much lower than that of cast iron, for example. Repeated application of braking pressure to the aluminum alloy disc would generate enough heat to soften the aluminum alloy and destroy the disc.

Um die Probleme, die bei Aluminiumlegierungen inhärent sind, zu lösen, besteht ein Vorschlag (JP-5 0444 752) darin, eine Bremsscheibe aus einem Metallmatrixverbundwerkstoff herzustellen, der einzelne Partikel, Fasern oder Whisker aus einem Keramikwerkstoff umfaßt, die in einer Alumiumlegierungsmatrix vollständig verteilt sind. Dieser Vorschlag hat keine zufriedenstellende Ergebnisse gebracht, obwohl er der Scheibe die erforderliche große Verschleißfestigkeit verleiht, da die hohen Temperaturen, die bei den im Rennsport auftretenden Bedingungen während des harten, wiederholten Bremsens erzeugt werden, weiterhin ein Weichwerden der Aluminiumlegierungsmatrix zur Folge haben. Wenn die Matrix genügend erweicht ist, wird sie zusammen mit den darin enthaltenen Keramikpartikeln, Fasern oder Whiskern aus den Verschleißbereichen der Scheibe, an denen die Bremsklötze angreifen, herausgeschleudert, so daß die Scheibe zerstört wird.To solve the problems inherent in aluminum alloys, one proposal (JP-5 0444 752) is to make a brake disc from a metal matrix composite comprising individual particles, fibers or whiskers of a ceramic material completely dispersed in an aluminum alloy matrix. This proposal, although it gives the disc the required high wear resistance, has not produced satisfactory results because the high temperatures generated in racing conditions during hard, repeated braking continue to cause the aluminum alloy matrix to soften. When the matrix is sufficiently softened, it is ejected, together with the ceramic particles, fibers or whiskers it contains, from the wear areas of the disc where the brake pads engage, thus destroying the disc.

Ein weiterer Vorschlag, um die den Bremsscheiben aus Alumiumlegierung eigenen Probleme zu lösen, besteht darin, zumindest die Verschleißflächen der Scheibe mit einem verschleißfesten und temperaturbeständigen Werkstoff zu beschichten. Dieser Vorschlag würde die Herstellungskosten jeder Bremsscheibe erhöhen, und er liefert keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da die hohen Temperaturen, die während des harten Bremsens entstehen, immer noch den Aluminiumlegierungskörper der Scheibe erweichen können, mit der Folge, daß es zu einem plötzlichen Totalausfall kommen kann.Another proposal to solve the problems inherent in aluminum alloy brake discs is to coat at least the wear surfaces of the disc with a wear-resistant and temperature-resistant material. This proposal would increase the manufacturing cost of each brake disc and does not give satisfactory results because the high temperatures generated during hard braking can still soften the aluminum alloy body of the disc, with the result that sudden total failure can occur.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Bremsscheibe bereitzustellen, die die Probleme, die bislang mit Scheiben aus Aluminiumlegierung verbunden waren, zu lösen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe vorzuschlagen.It is the object of the present invention to provide a new and improved brake disc which solves the problems previously associated with aluminum alloy discs. A further object of the invention is to propose a new and improved method for producing such a brake disc.

Erfindungsgemäß wird eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremsenanordnung vorgeschlagen, die zumindest einen Verschleißabschnitt umfaßt, der eine Verschleißfläche bildet, wobei der genannte Abschnitt einen harten porösen Keramikkörper umfaßt, der mit einer Leichtmetalllegierung getränkt ist, wobei der Verschleißabschnitt zu 55 bis 75 Vol.-% aus dem genannten harten, porösen Körper und zu 45 bis 25 Vol.-% aus der genannten Leichtmetalllegierung besteht, und wobei der harte poröse Keramikkörper eine gesinterte kohärente Masse aus Keramikpartikeln umfaßt, die eine miteinander verbundene Porenstruktur bildet, in der die tränkende Leichtmetalllegierung aufgenommen ist.According to the invention, a brake disc for a disc brake arrangement is proposed, which comprises at least one wear section which forms a wear surface, wherein said section comprises a hard porous ceramic body which is impregnated with a light metal alloy, wherein the wear section consists of 55 to 75 vol.% of said hard, porous body and 45 to 25 vol.% of said light metal alloy, and wherein the hard porous ceramic body comprises a sintered coherent mass of ceramic particles which forms an interconnected pore structure in which the impregnating light metal alloy is accommodated.

Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremsenanordnung vorgeschlagen, die zumindest einen Verschleißabschnitt aufweist, der eine Verschleißfläche bildet, umfassend die Arbeitsschritte des Formens eines harten porösen Keramikkörpers, mit einer Porenstruktur im wesentlichen zu einer erforderlichen fertigen Konfiguration des genannten zumindest einen Verschleißabschnitts der Bremsscheibe sowie des Tränkens der Porenstruktur des genannten Körpers mit einer Leichtmetalllegierung, wobei der Verschleißabschnitt zu 55 bis 75 Vol.-% aus dem genannten harten, porösen Körper und zu 45 bis 25 Vol.-% aus der genannten Leichtmetalllegierung besteht, und wobei der harte poröse Keramikkörper aus gesinterten Keramikpartikeln zu einer kohärenten Masse geformt wird, um eine miteinander verbundene Porenstruktur zur Aufnahme einer tränkenden geschmolzenen Leichtmetalllegierung während der Herstellung der Bremsscheibe bereitzustellen.Also according to the invention, a method is proposed for producing a brake disc for a disc brake arrangement, which has at least one wear section which forms a wear surface, comprising the steps of forming a hard porous ceramic body with a pore structure substantially to a required finished configuration of said at least one wear section of the Brake disc and impregnating the pore structure of said body with a light metal alloy, wherein the wear portion consists of 55 to 75 volume percent of said hard, porous body and 45 to 25 volume percent of said light metal alloy, and wherein the hard porous ceramic body is formed from sintered ceramic particles into a coherent mass to provide an interconnected pore structure for receiving an impregnating molten light metal alloy during manufacture of the brake disc.

Typischerweise kann die Porosität des harten porösen Körpers in einem Bereich von 25 bis 45% Hohlraumanteil liegen.Typically, the porosity of the hard porous body can be in a range of 25 to 45% void content.

Der harte poröse Körper kann eine Porengröße im Bereich von 0,02 bis 2 mm aufweisen.The hard porous body can have a pore size in the range of 0.02 to 2 mm.

Der Werkstoff, aus dem der poröse Körper besteht, wird so ausgewählt, daß er eine gute Verschleißfestigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, die erforderlich sind, um den Bedingungen, unter denen die Bremsscheibe betrieben wird, standzuhalten. Ein Werkstoff mit einer guten Verschleißfestigkeit und einer guten Wärmeleitfähigkeit ist Siliziumkarbid, obwohl auch andere Keramikwerkstoffe mit den erforderlichen Eigenschaften ausgewählt werden können.The material from which the porous body is made is selected to have good wear resistance and good thermal conductivity, which are necessary to withstand the conditions under which the brake disc is operated. A material with good wear resistance and good thermal conductivity is silicon carbide, although other ceramic materials with the required properties can also be selected.

Der Porositätsgrad wird so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Porenstruktur des gesinterten Körpers in der Lage ist, die tränkende geschmolzene Leichtmetalllegierung aufzunehmen; er steht somit in Beziehung zum gewählten Tränkungsverfahren.The degree of porosity is chosen to ensure that the pore structure of the sintered body is able to absorb the impregnating molten light metal alloy; it is thus related to the selected impregnation process.

Solche Tränkungsverfahren können ein Gießverfahren umfassen, bei dem ein genannter poröser Keramikkörper in einer Form angeordnet und geschmolzene Leichtmetalllegierung um den genannten Körper herumgegossen wird, damit dessen Porenstruktur damit getränkt wird. Es kann beispielsweise ein Preßgießverfahren angewendet werden, bei dem die Leichtmetalllegierung noch im geschmolzenen Zustand Bedingungen von kontinuierlichem Druck und Wärme ausgesetzt wird. In einem solchen Preßgießverfahren kann ein Keramikkörper mit größerer Porendichte eingesetzt werden, als beispielsweise bei Anwendung eines Schwerkraftgießverfahrens.Such impregnation processes may include a casting process in which a porous ceramic body is placed in a mold and molten light metal alloy is poured around said body to impregnate its pore structure. For example, a compression casting process may be used. in which the light metal alloy is subjected to conditions of continuous pressure and heat while still in the molten state. In such a pressure casting process, a ceramic body with a higher pore density can be used than, for example, when using a gravity casting process.

Der harte Keramikkörper kann so ausgebildet sein, daß er nur die allgemeine Konfiguration eines Verschleißabschnitts der Scheibe umfaßt, der die genannte Verschleißfläche aufweist, oder er kann im wesentlichen die Konfiguration der gesamten Scheibe umfassen, so daß ein Scheibenelement von entsprechender Konfiguration bereitgestellt wird. Der harte Keramikkörper kann als Ring ausgebildet sein, der eine radiale Abmessung aufweist, die kleiner ist als die der fertigen Scheibe, oder der harte Keramikkörper kann als Ring ausgebildet sein, mit einer radialen Abmessung, die im wesentlichen gleich groß ist, wie die der fertigen Scheibe.The hard ceramic body may be formed to comprise only the general configuration of a wear portion of the disk having said wear surface, or it may comprise substantially the configuration of the entire disk so as to provide a disk member of corresponding configuration. The hard ceramic body may be formed as a ring having a radial dimension smaller than that of the finished disk, or the hard ceramic body may be formed as a ring having a radial dimension substantially equal to that of the finished disk.

Der getränkte Keramikkörper erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Dicke des Verschleißabschnitts und weist ein Paar von sich gegenüberliegenden Verschleißflächen auf. Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe behält selbst unter rauhen Bremsbedingungen ihren festen Gefügeverband, weil der Keramikkörper, selbst bei Auftreten lokaler Erweichung der Leichtmetalllegierung, die Unversehrtheit der Bremsscheibe als Ganzes aufrechterhält. Die genannte Leichtmetalllegierung umfaßt vorzugsweise eine hochwarmfeste Aluminiumlegierung, wie die mit der internationalen Bezeichnung 2618A.The impregnated ceramic body preferably extends over the entire thickness of the wear section and has a pair of opposing wear surfaces. A brake disc according to the invention retains its solid structure even under harsh braking conditions because the ceramic body maintains the integrity of the brake disc as a whole even if local softening of the light metal alloy occurs. The light metal alloy mentioned preferably comprises a high-temperature aluminum alloy such as that with the international designation 2618A.

Andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, die hier ausschließlich exemplarisch unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben wird, wobeiOther features of the invention will become apparent from the following description, which is given here purely by way of example with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe zeigt;Fig. 1 shows a view of a brake disc according to the invention;

Fig. 2 eine Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 zeigt; undFig. 2 shows a cross-section along the line II-II in Fig. 1 ; and

Fig. 3 eine Fotografie mit 43-facher Vergrößerung ist, die ein Muster von einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe zeigt, die die gleiche Konfiguration aufweist, wie die in den Fig. 1 und 2, und bei der ein Maß von 1 mm angegeben ist.Fig. 3 is a photograph at 43x magnification showing a sample of a brake disc according to the invention having the same configuration as that in Figs. 1 and 2 and having a dimension of 1 mm.

Eine in den Figuren dargestellte Bremsscheibe 10 kann jede konventionelle Größe aufweisen und einen Ring mit gegenüberliegenden ebenen Ringflächen umfassen. Typischerweise kann der Ring einen Außendurchmesser von etwa 300 mm, einen Innendurchmesser von 140 mm und eine Dicke von rund 7 mm aufweisen.A brake disc 10 shown in the figures may be of any conventional size and may comprise a ring having opposing flat annular surfaces. Typically, the ring may have an external diameter of about 300 mm, an internal diameter of 140 mm and a thickness of about 7 mm.

Erfindungsgemäß umfaßt die Bremsscheibe 10 einen harten porösen Keramikkörper 12, der mit einer Leichtmetalllegierung getränkt ist, dabei ist der genannte poröse Keramikkörper in der dargestellten Ausführung ringförmig ausgebildet und weist eine maximale radiale Abmessung auf, die im wesentlichen die gleiche ist, wie die der Scheibe 10, und er hat eine radiale Innenabmessung, die kleiner ist, als die der Scheibe. In einer fertigen Scheibe kann der Keramikkörper 12 also, wie in der Zeichnung dargestellt, so angeordnet sein, daß er sich über die gesamte Dicke des Verschleißabschnitts der Scheibe erstreckt und gegenüberliegende Verschleißflächen 14, 16 der Scheibe aufweist, die dem Druck der Bremsklötze der Bremsenanordnung ausgesetzt sind.According to the invention, the brake disc 10 comprises a hard porous ceramic body 12 which is impregnated with a light metal alloy, the porous ceramic body in the embodiment shown being annular and having a maximum radial dimension which is substantially the same as that of the disc 10 and having an inner radial dimension which is smaller than that of the disc. In a finished disc, the ceramic body 12 can thus be arranged, as shown in the drawing, so that it extends over the entire thickness of the wear section of the disc and has opposing wear surfaces 14, 16 of the disc which are subjected to the pressure of the brake pads of the brake arrangement.

In einer veranschaulichenden Ausführung der Herstellung einer Bremsscheibe 10 der in der Zeichnung gezeigten Art, wird der ringförmige, harte, poröse Keramikkörper 12 als gesinterte, kohärente Masse von Keramikpartikeln hergestellt. Diese Partikel sind typischerweise Siliziumkarbidpartikel, durch die die daraus gesinterte Masse gute Verschleißfestigkeits- und gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist. Als Alternative kann der harte poröse Keramikkörper als keramische Schaumstruktur hergestellt werden.In an illustrative embodiment of the manufacture of a brake disc 10 of the type shown in the drawing, the annular hard porous ceramic body 12 is manufactured as a sintered coherent mass of ceramic particles. These particles are typically silicon carbide particles, which give the sintered mass good wear resistance and good thermal conductivity properties. Alternatively, the hard porous ceramic bodies can be manufactured as ceramic foam structures.

Der Körper 12 erhält die erforderliche Konfiguration, um als Verschleißabschnitt 13 der fertigen Bremsscheibe aufgenommen zu werden, und umfaßt, wie dargestellt, einen Ringkörper mit gegenüberliegenden porösen ebenen Verschleißflächen 14 und 16. Die Bremsscheibe wird durch ein Gießverfahren hergestellt, das günstigerweise Preßgießen umfaßt, welches ein bekanntes Verfahren an sich ist und das Einfüllen des geschmolzenen Metalls in einen ersten Teil einer Form, das Schließen der Form unter Druck, so daß das flüssige Metall den Formhohlraum ohne Einschluß von Luft ausfüllt, das Aufrechterhalten des Druckes auf das Metall, während sich das Metall verfestigt, um sicherzustellen, daß alle Lunkerhohlräume geschlossen und aufgefüllt werden, sowie das Öffnen der Form und das Entnehmen des Gußstücks umfaßt. Der auf das geschmolzene Metall ausgeübte Druck liegt üblicherweise in einer Größenordnung von 24 bis 100 MPa und wird typischerweise während einer Dauer von 15 bis 90 Sekunden aufrechterhalten. Zu Beginn des kontinuierlich ausgeübten Druckes liegt die Temperatur des geschmolzenen Metalls üblicherweise zwischen 700 und 770ºC, während am Ende des kontinuierlich ausgeübten Druckes die Temperatur typischerweise zwischen 250 und 400ºC liegt.The body 12 is given the required configuration to be received as wear section 13 of the finished brake disc and, as shown, comprises an annular body with opposing porous planar wear surfaces 14 and 16. The brake disc is manufactured by a casting process which conveniently comprises compression casting, which is a known process per se and comprises charging the molten metal into a first part of a mold, closing the mold under pressure so that the liquid metal fills the mold cavity without entrapment of air, maintaining pressure on the metal while the metal solidifies to ensure that all void cavities are closed and filled, and opening the mold and removing the casting. The pressure applied to the molten metal is usually in the order of 24 to 100 MPa and is typically maintained for a period of 15 to 90 seconds. At the start of the continuously applied pressure, the temperature of the molten metal is usually between 700 and 770ºC, while at the end of the continuously applied pressure, the temperature is typically between 250 and 400ºC.

Um demgemäß die in den Zeichnungen dargestellte Bremsscheibe 10 herzustellen, wird der harte poröse Keramikkörper 12 in einen ersten Teil eines Formhohlraums eingesetzt und das geschmolzene Metall wird dort eingefüllt. Erfindungsgemäß ist das geschmolzene Metall eine Leichtmetalllegierung, die die Porenstruktur des Keramikkörpers 12 während des Gußverfahrens tränkt, wobei der Keramikkörper bei Anwendung eines Preßgießverfahrens eine Porosität innerhalb eines Bereichs von 25 bis 45% Hohlraumanteil in Volumenprozent (Vol.-%) aufweisen kann. Die Leichtmetalllegierung in diesem Beispiel ist eine hochwarmfeste Aluminiumlegierung wie z. B. die mit 2618A bezeichnete (internationale Bezeichnung).Accordingly, to manufacture the brake disc 10 shown in the drawings, the hard porous ceramic body 12 is inserted into a first portion of a mold cavity and the molten metal is filled therein. According to the invention, the molten metal is a light metal alloy which impregnates the pore structure of the ceramic body 12 during the casting process, whereby the ceramic body can have a porosity within a range of 25 to 45% void fraction in volume percent (vol%) when using a compression molding process. The light metal alloy in this example is a high temperature aluminum alloy such as that designated 2618A (international designation).

Nachdem das Gießverfahren abgeschlossen ist, wird die Bremsscheibe aus der Form entfernt, wobei die Scheibe 10 im dargestellten Beispiel einen radial innenliegenden Abschnitt 18 aus gegossener Aluminiumlegierung mit einem radial außenliegenden Verschleißabschnitt 13 aufweist, der den harten, porösen Keramikkörper 12 umfaßt, dessen gesamte Porenstruktur mit der Aluminiumlegierung getränkt ist. Der Abschnitt 18 ist mit Mitteln, z. B. Öffnungen 18a, zur Aufnahme von Befestigungselementen versehen, um die Scheibe an einer Nabe oder dergleichen anzubringen, so daß sie mit einem Rad drehbar ist.After the casting process is completed, the brake disc is removed from the mold, the disc 10 in the example shown having a radially inner portion 18 of cast aluminum alloy with a radially outer wear portion 13 comprising the hard, porous ceramic body 12, the entire pore structure of which is impregnated with the aluminum alloy. The portion 18 is provided with means, e.g. openings 18a, for receiving fastening elements in order to attach the disc to a hub or the like so that it can be rotated with a wheel.

Der Verschleißabschnitt 13 besteht zu 55 bis 75 Vol.-% aus dem genannten harten porösen Körper und zu 45 bis 25 Vol.-% aus der genannten Leichtmetalllegierung, vorzugsweise jedoch zu etwa 65 Vol.-% aus dem Keramikkörper 12 und zu 35 Vol.-% aus einer Aluminiumlegierung. Die Poren der Körpers 12 haben eine Größe von etwa 1 mm, die Porengröße kann jedoch in einem Bereich von 0,02 bis 2,0 mm liegen. Fig. 3 zeigt ein typisches Feingefüge des Verschleißabschnitts 13, dessen Feingefüge im wesentlichen einheitlich ist. In Fig. 3 stellen die hellen Areale die Aluminiumlegierungsphase und die dunklen Areale die Phase des Keramikkörpers aus Siliziumkarbid dar.The wear section 13 consists of 55 to 75 vol.% of the hard porous body mentioned and 45 to 25 vol.% of the light metal alloy mentioned, but preferably about 65 vol.% of the ceramic body 12 and 35 vol.% of an aluminum alloy. The pores of the body 12 have a size of about 1 mm, but the pore size can be in a range of 0.02 to 2.0 mm. Fig. 3 shows a typical fine structure of the wear section 13, the fine structure of which is essentially uniform. In Fig. 3, the light areas represent the aluminum alloy phase and the dark areas the phase of the ceramic body made of silicon carbide.

Die Anwendung des Preßgießverfahrens ermöglicht es, ein Produkt mit nahezu endgültiger Form herzustellen, wodurch jede nachfolgende Bearbeitung auf ein Minimum reduziert wird.The use of the compression molding process makes it possible to produce a product with an almost final shape, reducing any subsequent machining to a minimum.

Im Betrieb beeinträchtigen selbst wiederholte hohe Bremsdrücke, denen die Verschleißflächen der Scheibe 10 ausgesetzt sind, nicht den festen Gefügeverband der Scheibe als Ganzes. Selbst wenn die tränkende Aluminiumlegierung örtlich erweicht, hält der harte Keramikkörper 12 die Unversehrtheit der Scheibe aufrecht. Da der harte poröse Körper sich durch die gesamte Dicke des Verschleißabschnitt 13 der Scheibe hindurch erstreckt und beide genannten Verschleißflächen 14, 16 bildet, wird die Unversehrtheit der Scheibe über ihre gesamte Dicke im Verschleißabschnitt aufrechterhalten. Dadurch wird erfindungsgemäß eine Bremsscheibe hergestellt, die wesentlich leichter ist als die Scheiben aus Eisenlegierungen, die zur Zeit für fahrzeugtechnische Anwendungen gefordert werden, die jedoch gleichzeitig einen festen Gefügeverband und gute Verschleiß- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist.In operation, even repeated high braking pressures to which the wear surfaces of the disc 10 are subjected do not affect the solid structure of the disc as a whole. Even if the impregnating aluminum alloy softens locally, the hard ceramic body 12 maintains the integrity of the disc. Since the hard porous body extends through the entire thickness of the wear section 13 of the disc and forms both of the aforementioned wear surfaces 14, 16, the integrity of the disc is maintained over its entire thickness in the wear section maintained. According to the invention, a brake disc is produced which is considerably lighter than the iron alloy discs currently required for automotive applications, but which at the same time has a solid structural bond and good wear and thermal conductivity properties.

Der Verschleißabschnitt 13, der den getränkten Körper 12 umfaßt, kann, anstatt nur einen äußeren Teil der Bremsscheibe zu bilden, die ganze Bremsscheibe oder zumindest den ganzen ringförmigen Teil davon umfassen, sofern dies gewünscht wird.The wear portion 13 comprising the impregnated body 12, instead of forming only an outer part of the brake disc, may comprise the entire brake disc or at least the entire annular part thereof, if desired.

Auf Wunsch kann die Bremsscheibe eine andere Konfiguration aufweisen, als hier beschrieben und dargestellt ist. Sie kann z. B. mit einem Nabenwulst oder mit einem anderen Teil mit einer geeigneten Form mit Öffnungen oder anderen Mitteln zur Befestigung derart versehen sein, daß sie sich mit einem Rad dreht.If desired, the brake disc may have a different configuration than that described and illustrated here. For example, it may be provided with a hub bead or with another part of a suitable shape with openings or other means of attachment so that it rotates with a wheel.

Obwohl ein einzelner ringförmiger Verschleißabschnitt beschrieben wird, der den getränkten Keramikkörper umfaßt und der sich durch die gesamte Dicke der Bremsscheibe hindurcherstreckt, wäre es in speziellen Anwendungen auch möglich, mehr als einen Verschleißabschnitt vorzusehen, wobei diese in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Konstruktion der übrigen Bremsscheibe je einen mit einer Leichtmetalllegierung getränkten Keramikkörper umfassen und durch anders konfigurierte Teile der Scheibe voneinander getrennt sind. Die hier beschriebene Konstruktion wird jedoch bevorzugt, da sie den festen Gefügeverband der Scheibe über die gesamte Dicke und über die Ausdehnung über die Breite des Verschleißabschnitts der Scheibe sicherstellt, wo die große Hitze und die hohen Bremsdrücke auftreten.Although a single annular wear section is described which comprises the impregnated ceramic body and which extends through the entire thickness of the brake disc, it would also be possible in special applications to provide more than one wear section, each comprising a ceramic body impregnated with a light metal alloy and separated from each other by differently configured parts of the disc, depending on the operating conditions and the design of the rest of the brake disc. The design described here, however, is preferred because it ensures the solid structural bond of the disc across the entire thickness and across the width of the wear section of the disc, where the high heat and high braking pressures occur.

Obwohl Siliziumkarbid der bevorzugte Werkstoff für den Keramikkörper ist, weil es eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann auf Wunsch ein anderer poröser Keramikwerkstoff, wie z. B. Aluminiumoxid oder Zirkondioxid verwendet werden, insbesondere dort, wo die Betriebsbedingungen weniger hart sind. Gleiches gilt für die oben als Leichtmetall genannte Aluminiumlegierung; wahlweise kann die Leichtmetalllegierung aus einem anderem Metall sein, wie beispielsweise aus Legierungen auf Magnesiumbasis.Although silicon carbide is the preferred material for the ceramic body because of its relatively high thermal conductivity, another porous ceramic material, such as silicon carbide, can be used if desired. For example, aluminium oxide or zirconium dioxide can be used, particularly where the operating conditions are less severe. The same applies to the aluminium alloy referred to above as light metal; alternatively, the light metal alloy can be made of another metal, such as magnesium-based alloys.

Die in der vorstehenden Beschreibung oder den folgenden Ansprüchen oder den beiliegenden Zeichnungen offenbarten Merkmale, ausgedrückt in ihrer spezifischen Form oder als Mittel zur Durchführung der offenbarten Funktion oder als Verfahren oder Prozeß zum Erreichen des offenbarten Resultats können, je nachdem, einzeln oder in jeder Kombination dieser Merkmale verwendet werden, um die Erfindung in verschiedenen Formen zu realisieren.The features disclosed in the foregoing description or in the following claims or in the accompanying drawings, expressed in their specific form or as a means for performing the disclosed function or as a method or process for achieving the disclosed result, may be used individually or in any combination of these features, as appropriate, to realize the invention in various forms.

Brake disc and method for its manufacture Summary

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe (10) für eine Scheibenbremsenanordnung, die zumindest einen Abschnitt (13) mit einer Verschleißfläche (14, 16) umfaßt, wobei der genannte Abschnitt (13) einen harten, porösen Keramikkörper (12) umfaßt, der mit einer Leichtmetalllegierung getränkt ist.The invention relates to a brake disc (10) for a disc brake arrangement, which comprises at least one section (13) with a wear surface (14, 16), wherein said section (13) comprises a hard, porous ceramic body (12) which is impregnated with a light metal alloy.

Claims

1. Brake disc for a disc brake assembly comprising at least one wear section forming a wear surface, characterized in that said section comprises a hard porous ceramic body impregnated with a light metal alloy, the wear section consisting of 55 to 75 vol.% of said hard porous body and 45 to 25 vol.% of said light metal alloy, and in that the hard porous ceramic body comprises a sintered coherent mass of ceramic particles providing an interconnected pore structure within which the impregnating light metal alloy is received.

2. Brake disc according to claim 1, wherein the hard porous body has a porosity which is in a range of 25 to 45% void content.

3. Brake disc according to claim 1 or claim 2, wherein the pore size of the hard porous body is in a range of 0.02 to 2 mm.

4. Brake disc according to one of the preceding claims, wherein the material from which the hard porous ceramic body is made is silicon carbide.

5. Brake disc according to one of the preceding claims, wherein the light metal alloy comprises an aluminum alloy.

6. A brake disc according to any preceding claim, wherein the disc element comprising the impregnated hard porous ceramic body constitutes all or substantially all of the brake disc.

7. Brake disc according to one of claims 1 to 5, wherein the disc element comprising the impregnated hard porous ceramic body comprises a radially outer annular region of the brake disc which forms the said wear regions, and a radially inner portion of the disc is formed by the said light metal alloy material.

6. Brake disc according to one of the preceding claims, wherein the impregnated ceramic body extends through the entire thickness of the wear section and forms a pair of opposing wear surfaces.

9. A method for producing a brake disc for a disc brake arrangement, comprising at least one wear section which forms a wear surface, characterized by the steps of forming a hard porous ceramic body with a pore structure in the essentially to a required finished configuration of said at least one wear portion of the brake disc and impregnating the pore structure of said body with a light metal alloy, wherein the wear portion consists of 55 to 75 vol.% of said hard porous body and 45 to 25 vol.% of said light metal alloy, and wherein the hard porous ceramic body is formed from sintered ceramic particles into a coherent mass to provide an interconnected pore structure for receiving an impregnating molten light metal alloy during manufacture of the brake disc.

10. The method of claim 9, wherein the hard porous body has a porosity that is in a range of 25 to 45% void content.

11. A method according to claim 9 or claim 10, wherein the pore size of the hard porous body is in a range of 0.02 to 2 mm.

12. A method according to any one of claims 9 to 11, wherein the method of impregnating comprises a casting process in which a said porous ceramic body is placed in a mold and a molten light metal alloy is poured around said body to impregnate its pore structure.

13. The method of claim 12, wherein the casting process is a compression casting process.

14. A method according to any one of claims 9 to 13, wherein the hard porous ceramic body is shaped to form a disc element whose configuration corresponds to the whole or substantially the whole of the brake disc.

15. A method according to any one of claims 11 to 14, wherein the hard porous ceramic body is shaped to form a disc element whose configuration corresponds to a radially outer annular region of the brake disc providing said wear regions, wherein a radially inner portion of the disc is formed by said light metal alloy material.