ES2328455T3 - Uso de materiales de friccion para guarniciones de friccion que frotan en humedo. - Google Patents
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Abstract
Uso de un material de fricción que contiene carburo de silicio, C/C-SiC o C/SiC reforzado por haces de fibras de carbono, en donde el material presenta entre los haces de fibras de carbono y/o las fibras de carbono unos poros que están unidos al menos parcialmente entre ellos, y en donde la porosidad abierta asciende a más de un 8% en volumen, referido al volumen del material de fricción, y la densidad aparente de éste está comprendida dentro del intervalo de 1,9 a 2,5 g/cm 3 , para guarniciones de fricción que frotan en húmedo.
Description
Uso de materiales de fricción para guarniciones
de fricción que frotan en húmedo.
La presente invención concierne al uso de un
material de fricción para guarniciones de fricción que frotan en
húmedo, especialmente un forro de fricción de un embrague de
fricción en húmedo, que contiene carburo de silicio reforzado por
haces de fibras de carbono.
Los materiales compuestos o las cerámicas
reforzados con fibras de carbono y dotados de una matriz que
contiene SiC se caracterizan por una alta estabilidad frente a la
temperatura y un pequeño desgaste. Por este motivo, son adecuadas
especialmente para forros de fricción de embragues. En condiciones
comparables, se alcanzan coeficientes de rozamiento sensiblemente
mayores en comparación con los materiales de fricción a base de
telas de fibra de carbono.
Por este motivo, según el documento de tipo
genérico DE 199 39 545 A1, se propone que, para aumentar la
resistencia al desgaste, el coeficiente de rozamiento y
especialmente la estabilidad frente a la temperatura de embragues
de fricción que frotan en seco, se empleen discos de embrague con
forros de fricción hechos de carburo de silicio (SiC) reforzados
con fibras de carbón.
En los llamados embragues en húmedo se evacua
por medio del líquido de refrigeración, en general aceite, el calor
que se origina bajo la fricción y al cual está expuesto el forro de
fricción. Esto tiene la ventaja de que se reduce la carga térmica
del material de fricción y se aumenta la vida útil del embrague.
Como consecuencia de esto, el cometido de la
invención consiste en perfeccionar un material de fricción a base
de carburo de silicio (SiC) reforzado con fibras de carbón de tal
manera que este material sea especialmente adecuado para su empleo
en guarniciones de fricción que frotan en húmedo. Asimismo, se
pretende proporcionar un procedimiento barato de fabricación del
material de fricción.
Este problema se resuelve mediante el uso de un
material de fricción según la reivindicación 1.
Los poros que están unidos uno con otro y que,
como consecuencia, forman un sistema de canales hacen posible, por
un lado, un transporte del líquido refrigerante, especialmente del
aceite, desde la superficie de fricción hasta el interior del
material de fricción o hacia afuera de dicho material de fricción,
con lo que se extrae calor de fricción de la superficie de fricción
altamente solicitada. Por otro lado, los poros impiden la formación
de una película lubricante hidrodinámica no deseada en la superficie
de fricción, ya que el aceite es impulsado hacia adentro de los
poros al contacto con las superficies de fricción asociadas una a
otra y, como consecuencia, no puede establecerse una presión
lubricante de soporte.
Gracias al procedimiento de fabricación del
material de fricción que se explica en lo que sigue resulta evidente
lo que ha de entenderse bajo el término "macroporos". Según un
primer paso del procedimiento, se fabrica una estructura
sustancialmente plana de tela, tejido de punto, género tricotado,
napa o trenzado a base de haces o hilados de fibras de carbono, la
cual se impregna seguidamente con carbono pirolítico. Seguidamente,
la estructura plana impregnada se carboniza produciendo un cuerpo
de C/C. El resultado es un cuerpo de C/C que presenta microporos en
el carbono y macroporos generalmente unidos uno con otro entre los
haces de fibras de carbono. Por tanto, los macroporos están ya
contenidos en la estructura plana de haces o hilados de fibras de
carbono y se conserva sustancialmente durante los pasos del
procedimiento siguientes (impregnación, carbonización). Frente a
esto, por microporos ha de entenderse aquí una porosidad de
dimensión sustancialmente más pequeña, ya que éstos comprenden
aquellos poros que se forman en el carbono después de la
carbonización o que están ya presentes dentro de las distintas
fibras de carbono.
Finalmente, se infiltra el cuerpo de C/C con
silicio para formar carburo de silicio (C/C-SiC).
Para lograr una rigidez y resistencia lo más altas posible del
cuerpo se emplea en el estado de la técnica una cantidad de silicio
que cierra de manera sustancialmente completa tanto los microporos
del carbono como los macroporos formados entre los haces de fibras
de carbono.
Sin embargo, en la fabricación del material de
fricción las propiedades de resistencia y de rigidez son más bien
secundarias en comparación con las propiedades de fricción, ya que
los cuerpos de fricción formados a base del material de fricción se
fijan casi siempre sobre cuerpos portantes, tal como ocurre, por
ejemplo, con los forros de fricción de discos de embrague, en los
que el forro de fricción es soportado por un disco de acero de alta
resistencia.
La siliciación del cuerpo de C/C se realiza de
tal manera que, como resultado, se obtiene un cuerpo de C/SiC o un
cuerpo de C/C-SiC en el que los microporos están
cerrados de manera sustancialmente completa y la porosidad del
mismo asciende a más de un 8% en volumen, referido a los macroporos.
El experto puede conseguir esto mediante una limitación
correspondiente de la oferta de silicio durante la siliciación. Como
comparación se puede aprovechar, por ejemplo, un ladrillo en el que
los microporos están formados por los poros del material de arcilla
calcinado y los macroporos están formados por los canales
cilíndricos paralelos uno a otro que están presentes para fines de
aislamiento térmico. Si se impregna este ladrillo con agua, se
empapan primero los microporos, mientras que los canales permanecen
de momento libres. Únicamente cuando se ha expuesto el ladrillo a
una mayor cantidad de agua se encuentran también bajo agua los
canales que forman macroporos. Transferido al cuerpo de C/C, esto
significa que se limita la oferta de silicio de tal manera que, para
garantizar una rigidez y resistencia suficientes de los forros de
fricción, se cierran de forma sustancialmente completa los
macroporos del cuerpo de C/C, pero una gran parte de los macroporos
que forman un sistema de canales permanece libre para lograr las
ventajas mencionadas al principio respecto del transporte de calor y
del comportamiento de fricción.
Preferiblemente, se utiliza para la infiltración
con silicio una cantidad de silicio que corresponde aproximadamente
al equivalente estequiométrico del carbono libre del cuerpo de C/C,
es decir, del carbono que no se presenta en forma de fibras.
La introducción del silicio en el cuerpo de C/C,
o sea, la infiltración con silicio, puede efectuarse de maneras
diferentes, por ejemplo mediante una siliciación líquida, una
infiltración en fase gaseosa (CVD o CVI) u otros
procedimientos.
Preferiblemente, el procedimiento prevé que la
tela, género de punto, trenzado, napa o tejido tricotado de fibras
de carbono, cuyos haces de fibras están dispuestos preferiblemente
de modo que resulten poros o escotaduras a manera de canales en el
interior y/o en la superficie, se impregnen o se recompacten con
carbono pirolítico que sea generado especialmente por carbonización
de material orgánico o por la separación en fase gaseosa de
carbono, y que el precuerpo de C/C así generado sea infiltrado con
una masa fundida de silicio, convirtiéndose al menos una parte del
carbono pirolítico en SiC.
Preferiblemente, se obtiene como forro de
fricción de un embrague de fricción en húmedo un SiC o un SiSiC
reforzado por medio de tela, tejido de punto, napa, género tricotado
u otra estructura plana a base de fibras de carbono. Este material
se denomina en lo que sigue también C/SiC. Por C/SiC ha de
entenderse una cerámica compuesta de fibras de refuerzo de carbono
y una matriz constituida predominantemente por SiC, así como por
fases menores de Si y/o carbono.
El material de fricción se aplica
preferiblemente como una delgada capa de fricción sobre un cuerpo de
soporte y actúa entonces como forro de fricción. Como cuerpo de
soporte se pueden emplear diferentes metales, prefiriéndose
materiales de latón o aceros. La unión entre el forro de fricción de
C/SiC y el cuerpo de soporte se realiza de la manera conocida para
forros de fricción de C/C, por ejemplo por pegadura o soldadura de
aporte.
Gracias a una clase de tejedura o de tricotado
adecuada o a una geometría adecuada de los haces de fibras, así
como a una cantidad y clase adecuadas de la impregnación o
recompactación de la estructura plana con carbono pirolítico o
polímeros de Si pirolizable y de los parámetros de siliciación, es
posible ajustar la estructura de los poros y el contenido de SiC
y/o Si de modo que se obtengan los coeficientes de rozamientos
deseados y el comportamiento de fricción en húmedo deseado.
El material de fricción presenta una porosidad y
una estructura de poros que pueden formar vías de flujo para
líquidos. Entre los líquidos que se transportan a través de los
poros del material de fricción se cuentan especialmente los aceites
empleados en embragues y transmisiones, las poliolefinas y los
líquidos refrigerantes orgánicos que, entre otros, contienen
poliglicoles.
Preferiblemente, la mayoría de los poros del
forro de fricción se presenta como una estructura a manera de
canales que discurre en el plano de la superficie de fricción. Esta
estructura conduce de manera ventajosa, durante el cierre del
contacto de rozamiento entre el forro de fricción y el cuerpo
antagonista, a un rápido transporte del aceite o del líquido
refrigerante para alejarlo de la superficie de fricción.
La porosidad abierta del material de fricción
asciende a más de un 8% en volumen, referido al volumen del
material de fricción, preferiblemente a más de un 12% en volumen. Se
prefieren especialmente valores de porosidad en el intervalo de 18
a 48% en volumen.
Según sea el espesor de la capa de fricción, los
sistemas de poros o los canales discurren en parte dentro del
material de fricción y en parte en la superficie de fricción de
éste. En el último caso, los canales están abiertos hacia la
superficie de fricción. A los valores de porosidad del material de
fricción que se indican como preferidos no se tienen en cuenta los
canales de poros que discurren hasta la superficie de fricción y
que están allí abiertos.
Debido a la alta porosidad, el material de
fricción presenta una densidad netamente más pequeña que la que es
usual, por ejemplo, para forros de fricción que frotan en seco
hechos de C/SiC. Las densidades están comprendidas dentro del
intervalo de 1,9 a 2,5 g/cm^{3}.
El SiC y/o las fases mixtas de Si y SiC (SiSiC)
se encuentran de la manera típica para materiales de C/SiC en el
espacio intermedio de haces de fibras contiguos, así como
parcialmente entre las distintas fibras.
Según una ejecución ventajosa de la invención,
la parte predominante del SiC y/o del SiSiC está dispuesta en los
espacios intermedios formados por los haces de fibras.
Preferiblemente, el SiC y/o SiSiC se presenta aquí sustancialmente
en forma de partículas discretas que se inmovilizan por medio de los
haces de fibras circundantes. El SiC y/o el SiSiC no forman aquí
una matriz densa y continua de un material compuesto de C/SiC, sino
una estructura suelta atravesada con poros o canales de poros. Esta
constitución contribuye a un buen transporte del líquido a través
del forro de fricción.
De manera preferida, la superficie de fricción
del material de fricción está formada sustancialmente por fibras de
carbono o por fibras de carbono revestidas al menos parcialmente con
carbono. El SiC y/o el SiSiC están presentes solamente en una
pequeña cantidad sobre la superficie de fricción en el estado
descargado del material de fricción. Bajo la carga de fricción,
cuando se presiona el material de fricción contra el cuerpo
antagonista asociado, se comprimen los haces de fibras, con lo que
el SiC y/o el SiSiC que se encuentran en los espacios interfibras
sobresalen de la superficie de fricción. Como consecuencia, en este
estado cargado las fuerzas de fricción son transmitidas
principalmente por las partículas de SiC y/o SiSiC, con lo que se
consiguen coeficientes de rozamiento altos y uniformes. En
consecuencia, especialmente las partículas de SiC segregadas dentro
del material de fricción conducen a altos coeficientes de
rozamiento y a una elevada de resistencia al desgaste del material
de fricción.
El contenido de SiC es típicamente superior a un
12% (porcentaje en masa) del material de fricción. Preferiblemente,
se producen materiales de fricción con contenidos de SiC de más de
un 20% y de manera especialmente preferido un material de fricción
con contenidos de SiC en el intervalo de 15 a 50%. El contenido de
Si libre, que se presenta en general distribuido en una fase de
SiSiC, es preferiblemente inferior a un 20% (porcentaje en masas)
del material de fricción y de manera especialmente preferida
inferior a un 15%.
Según una realización especialmente preferible
de la invención, el material de fricción contiene solamente una
única capa de tela. La tela se forma aquí por medio de fibras
cortadas, siendo las fibras cortadas haces, mechas o hilados que se
forman por hilatura o retorcido de fibras de carbono cortadas. En
esta realización se prefieren especialmente haces de fibras o
hilados de fibras con sección transversal redonda. La tela se ha
tricotado, tejido o trenzado con mallas grandes.
Los haces de fibras de una capa de tela se
tejen, tricotan o trenzan preferiblemente de modo que se sigan en
serie en la superficie, unas tras otros, unas crestas y valles de
haces de fibras o hilados de fibras perpendiculares entre ellos. La
tela se prepara con malla ancha de modo que, aparte de las
segregaciones de SiC o de SiSiC, quede aún un volumen de poros
suficiente para el transporte del líquido refrigerante o del aceite.
En particular, esta clase de tejedura preferida de mallas grandes
conduce a un material de fricción de C/SiC relativamente flexible
que se puede comprimir también en la dirección perpendicular a la
superficie de fricción. Durante el prensado del cuerpo antagonista
se exprime aceite y líquido refrigerante de la superficie de
fricción y las materias duras Si y/o SiC entran en contacto directo
con el cuerpo antagonista.
Debido a la alta dureza de las partículas de SiC
del material de fricción son adecuados especialmente como
compañeros de fricción los metales duros o los materiales cerámicos.
Forman parte de las cerámicas adecuadas, entre otras, las cerámicas
a base de óxido de aluminio, óxido de zirconio o SiC. Usualmente, no
se utilizan cuerpos antagonistas completamente cerámicos, sino
cuerpos metálicos revestidos con cerámicas adecuadas.
Como compañeros de fricción se utilizan
preferiblemente acero aleados.
Una constitución típica para embragues prevé
disponer alternativamente varios discos de acero revestidos de
material de fricción de C/SiC y varios discos de acero sencillos y
combinarlos para formar un paquete de embrague. El forro de
fricción presenta en esta forma de construcción coeficientes de
rozamiento estáticos y dinámicos constantes en amplios
trayectos.
Una aplicación típica para transmisiones prevé
anillos sincronizadores provistos del material de fricción de
C/SiC.
C/SiC.
Otro aspecto concierne a un procedimiento para
fabricar los materiales de fricción de C/SiC reforzados con tela de
fibras de carbono. En este caso, para la producción del material
compuesto de C/SiC se utiliza preferiblemente el procedimiento LSI
(Liquid Silicon Infiltration - infiltración con silicio líquido). Un
paso de procedimiento determinante del proceso LSI es la
infiltración de un cuerpo de carbono poroso con silicio líquido,
reaccionando al menos una parte del carbono con el silicio para
producir SiC, con lo que se forma una matriz densa de cerámica de
SiC.
El procedimiento comprende los pasos
siguientes:
a) fabricación de una estructura plana de fibras
de carbono por tejedura, tricotado, trenzado o deposición
unidireccional de hilados de fibras, mechas de fibras o haces de
fibras,
b) eventualmente, ensamble de varias capas de
esta estructura, en particular con ayuda de la tecnología de los
preimpregnados (RTM o prensado),
c) recompactación o impregnación de la
estructura plana con carbono pirolítico, a cuyo efecto el carbono
pirolítico puede depositarse a partir de la fase gaseosa o puede
formarse por la carbonización de compuestos orgánicos,
d) infiltración de la estructura plana porosa de
C/C con una masa fundida de silicio, por ejemplo por LPI (Liquid
Polymer Infiltration - infiltración con polímero líquido), por una
infiltración en fase gaseosa (CVD o CVI) o por el procedimiento LSI
(Liquid Silicon Infiltration - infiltración con silicio
líquido).
\newpage
En el primer paso del procedimiento se prefieren
estructuras planas de fibras de carbono con mallas grandes o
anchas. Las fibras de carbono están orientadas aquí preferiblemente
de tal manera que resulten sistemas de poros o escotaduras a manera
de canales.
Se prefieren especialmente las telas de fibra
bidireccionales o bidimensionales hechas de fibras cortadas, en
donde los haces de fibras, las mechas o los hilados presentan
especialmente una sección transversal lo más redonda posible. La
relación de la anchura al espesor de los haces o hilados de fibras
eventualmente no redondos está comprendida preferiblemente en el
intervalo de 0,5 a 2, estando comprendido típicamente el número de
filamentos de un haz, una mecha o un hilado en el intervalo de 1000
a 12000 monofilamentos.
Para la mayoría de las aplicaciones son
suficientes forros de fricción de C/SiC que presenten tan sólo una
única capa de tela de fibras de carbono. Sin embargo, es
eventualmente posible también que varias capas, casi siempre de
material de tejedura diferente, sean unidas una con otra de manera
conocida, por ejemplo por la técnica de los preimpregnados. En este
modo de proceder hay que prever antes de la infiltración con masa
fundida de silicio un paso de carbonización en el que se
descomponga el aglutinante orgánico de los preimpregnados para
proporcionar carbono pirolítico.
En el siguiente paso del procedimiento se
recompacta o impregna la estructura plana de fibras de carbono con
carbono pirolítico y se forma un cuerpo de C/C. Por carbono
pirolítico han de entenderse compuestos, especialmente de material
orgánico, que contienen carbono, obtenidos tanto por deposición en
fase gaseosa (CVD o CVI) como por descomposición térmica. Como
material orgánico se utilizan preferiblemente resinas fenólicas o
breas. La solución de impregnación puede contener eventualmente
también sólidos a base de material de carbono, hollín o grafito. El
material orgánico o la solución de impregnación se introduce en el
cuerpo de fibras de carbono por medio de una impregnación en fase
líquida y se carboniza sobre dicho cuerpo. Esta
recompactación/carbonización puede eventualmente repetirse.
Preferiblemente, se realizan al menos dos recompactaciones en fase
líquida.
La descomposición térmica de los compuestos que
contienen carbono, llamada también carbonización, se efectúa a
temperaturas en el intervalo de 700ºC a 1600ºC. Sin embargo, es
posible también calentar a temperaturas de hasta 2400ºC e iniciar
así la grafitización del material de carbono.
El carbono depositado en la recompactación o
impregnación sirve en parte como una protección que protege las
fibras de carbono contra el ataque del silicio líquido fundido, y en
parte como reaccionante con el silicio para formar las partículas
de SiC y/o SiSiC.
En una variante especialmente preferida del
procedimiento se deposita carbono pirolítico sustancialmente sólo
en el interior de la estructura plana, de modo que la capa
superficial del cuerpo de fibras no está cubierta por una película
de carbono. Se puede conseguir así que no se forme una capa de SiC
continua o incluso densa por efecto de la siliciación. El peso por
unidad de superficie del cuerpo de C/C es preferiblemente inferior
a 2,2 g/cm^{3} y está comprendido de manera especialmente
preferida en el intervalo de 1,5 a 2 g/cm^{3}.
En el último paso se infiltra el cuerpo de C/C
con una masa fundida de silicio. La masa fundida de silicio, además
de llevar silicio, puede contener también otros metales. Entre éstos
se cuentan especialmente uno o más metales del grupo de Ti, Cr, Fe,
Mo, W o Cu. Se efectúa preferiblemente una adición de Cu cuando la
guarnición de fricción deba exponerse a fuerzas de apriete muy
grandes.
La proporción en masa de SiC en el material de
fricción está típicamente por encima de un 15% después de la
siliciación. El SiC está dispuesto aquí preferiblemente fuera de los
haces de fibras y dentro de los sistemas de poros formados por la
tela de fibra de carbono. Preferiblemente, al menos un 30% en
volumen de todo el SiC presente en el material de fricción está
dispuesto dentro de los haces o hilados de fibras de carbono.
Claims (9)
1. Uso de un material de fricción que contiene
carburo de silicio, C/C-SiC o C/SiC reforzado por
haces de fibras de carbono, en donde el material presenta entre los
haces de fibras de carbono y/o las fibras de carbono unos poros que
están unidos al menos parcialmente entre ellos, y en donde la
porosidad abierta asciende a más de un 8% en volumen, referido al
volumen del material de fricción, y la densidad aparente de éste
está comprendida dentro del intervalo de 1,9 a 2,5 g/cm^{3}, para
guarniciones de fricción que frotan en húmedo.
2. Uso según la reivindicación 1, en el que se
utiliza un espesor inferior a 10 mm.
3. Uso según la reivindicación 1 ó 2, en el que
más del 50% de los poros está presente en el plano de la superficie
de fricción.
4. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el que la relación de anchura a espesor de los haces
o mechas de fibras de carbono está comprendida dentro del intervalo
de 0,5 a 2,0.
5. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el que el contenido en masa de SiC es superior a un
15%.
6. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el que los haces de fibras de una capa de tela están
preferiblemente tejidos, tricotados o trenzados de modo que se sigan
en serie en la superficie, unas tras otros, unas crestas y valles
de haces de fibras o hilados de fibras perpendiculares entre
ellos.
7. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el que el contenido en masa de SiC en espacios
intermedios entre los haces de fibras de carbono asciende a más de
un 10%.
8. Uso según una o más de las reivindicaciones 1
a 7, en el que el material de fricción está sujeto como cuerpo de
fricción sobre un cuerpo de soporte de acero.
9. Uso según una o más de las reivindicaciones 1
a 8 en embragues o transmisiones de fricción en húmedo de vehículos
automóviles o para anillos sincronizadores de transmisiones.
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