MATERIAL PARA UN DISCO DE FRENO.

Método para formar un material para al menos un componente de un sistema de fricción compuesto por dos componentes acoplables por fricción,

el método comprende las etapas de: (i) proporcionar al menos un cuerpo poroso; (ii) introducir en los poros del cuerpo poroso uno o más materiales precursores para formar o depositar un material cerámico; y (iii) formar el material componente mediante la formación o el depósito del material cerámico a partir del material precursor dentro de los poros del cuerpo, en donde el material precursor es un líquido que contiene una suspensión de partículas de cerámica y/o fosfato ácido, y en donde el material precursor se introduce sustancialmente en todo el cuerpo poroso

La presente invención se refiere a un método para formar materiales para su uso en componentes de fricción, particularmente en discos de freno o 5 placas de embrague.

Los frenos de disco que comprenden una pinza de freno y un disco se han utilizado ampliamente, particularmente para aplicaciones de automoción. Durante el frenado, el disco se aprieta contra las pastillas de material de fricción montadas en la pinza de freno. El disco está montado para que gire

10 sobre un eje paralelo al eje de rotación de la rueda. Durante su uso, el disco de freno soporta tensiones considerables, particularmente fuerzas de corte, fricción y abrasivas. El disco de freno, a menudo, se desgasta debido a las fuerzas abrasivas ejercidas durante un período de tiempo. De ahí que se quiera fabricar un disco que sea más

15 resistente al desgaste que los actualmente disponibles. Los discos de freno que pueden someterse a fuerzas de frenado con energía particularmente alta contienen generalmente algún tipo de refuerzo, a menudo, filamentos de carbono en alguna forma como tela, fibras cortadas, fibras tejidas y similares. El propósito principal de estos filamentos es transmitir altas propiedades mecánicas, como la resistencia y rigidez, a una temperatura elevada a los discos para que puedan soportar las fuerzas encontradas durante el frenado en aplicaciones de alto rendimiento. Estas aplicaciones suelen encontrarse, pero no de forma exclusiva, en las industrias de automoción y aeroespacial, por ejemplo, en los sistemas de frenado de alto rendimiento de coches deportivos, aviones y similares. Los discos de freno pueden contener un material de carbono, que puede presentarse en forma de un compuesto carbono-carbono (C/C), por ejemplo, un disco de freno que contenga tela de carbono o capas de filamento contenidas dentro de una matriz de carbono. (El término "carbono" se utiliza en sentido genérico y se refiere a cualquier tipo de carbono, tanto si es carbono amorfo como grafito cristalino). Además, los discos de freno se han fabricado utilizando una capa de material carbonáceo a granel, como el grafito a granel a fin de reducir el largo tiempo de fabricación del compuesto laminado C/C y reducir los costes. Obviamente, para los discos de freno también se utilizan combinaciones de compuesto C/C y capas de grafito a granel.

En funcionamiento, los frenos de disco pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1000 ° C. Estas altas temperaturas producen la oxidación del disco (el umbral para la oxidación del carbono es de aproximadamente 1010 ° C y muchos usuarios establecen un limite superior de operación de 800 ° C) y ocasiona altas tasas de desgaste en las áreas de fricción y no-fricción.

Varias publicaciones de patentes tratan el recubrimiento de las regiones de no fricción del disco para reducir la oxidación y la pérdida de masa en esas zonas. Por ejemplo, en la GB 1544994 se explica que los recubrimientos se pueden aplicar a los discos C/C de superficie resistente al desgaste con el fin de suministrar un recubrimiento que limite la oxidación.

En la patente EP 0 548 196 se explica el proceso de aplicación de un recubrimiento cerámico sobre substrato metálico, preferentemente un compuesto de matriz metálica (CMM) de aluminio, con la intención de mejorar la capacidad de temperatura del disco de aluminio mediante la formación de una barrera térmica.

En la solicitud de patente PCT/GBO3/01783 se explica el proceso de aplicación de un recubrimiento cerámico sobre la superficie de un freno carbono-carbono. En la patente de EE. UU. 6.455.159 se describe el proceso de recubrimiento de las composiciones que contienen fosfato de aluminio (pero excluyendo específicamente las composiciones que contienen fosfato de monoaluminio) en los discos de freno carbono-carbono mediante el pintado con brocha, la inmersión u otras técnicas de pintura.

En la patente WO 88/07506 se describe un proceso de recubrimiento mejorado antioxidante para la superficie de los frenos de disco carbono-carbono.

En la publicación de la patente internacional n ° WO 2004/011392 se describen las composiciones de recubrimiento antioxidantes para el recubrimiento de discos de freno carbono-carbono. Este documento indica que no es apropiado recubrir la superficie de fricción de un disco de freno con un recubrimiento antioxidante, ya que disminuye la "condiciones del servicio de frenado", es decir, las propiedades de fricción de la superficie funcional (o de fricción) se reducen cuando se recubre con el recubrimiento antioxidante.

La eficacia de frenado de los discos de freno recubiertos está limitada por la naturaleza discreta de los materiales de recubrimiento y de sustrato en sus puntos de contacto. Se ha demostrado que el punto de contacto entre el recubrimiento y el sustrato es un punto débil que limita la eficacia de estos sistemas.

En general, se ha demostrado que la aplicación de los recubrimientos antioxidantes sobre una superficie de fricción disminuye las propiedades de fricción de la superficie. Otra desventaja de los discos de freno recubiertos es que el recubrimiento se elimina durante el uso exponiendo el material de frenado subyacente del freno, lo que puede conducir a una mayor oxidación de la superficie de fricción debido a su exposición al aire. Por lo tanto, existe la necesidad de fabricar un disco de freno que sea más resistente a la oxidación que el disco estándar de carbono-carbono y que, a su vez, no muestre un rendimiento de frenado inferior al disco estándar de carbono-carbono, preferentemente durante la vida útil del disco.

Los discos de freno carbono-carbono se fabrican generalmente mediante la compresión entre sí de un conjunto de fibras de carbono formando un cuerpo de fibras en forma de disco (preformas). En uno de los métodos de fabricación, el cuerpo se calienta en un horno con gas orgánico de tal manera que el carbono se deposita en la mayor parte de las fibras de la preforma (proceso CVD (deposición química de vapor)/IVC (infiltración química en fase vapor)). De este modo, se forma el material compuesto carbono-carbono. Para fabricar un disco se deben alcanzan altas temperaturas para calentar el cuerpo con el consiguiente consumo de grandes cantidades de gas y energía, además, a menudo, el proceso CVD se repite varias veces. Por ello, la fabricación del disco de freno mediante este método implica un tiempo y costes considerables. De ahí, la necesidad de fabricar un disco de freno mediante un proceso que consuma menos energía y requiera menos tiempo.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un método para formar un material para, al menos, un componente de un sistema de fricción compuesto por dos componentes acoplables por fricción, el método comprende las siguientes etapas de:

(i) proporcionar al menos un cuerpo poroso;

(ii) introducir en los poros del cuerpo poroso uno o más materiales precursores para formar o depositar un material cerámico; y

(iii) formar el material componente mediante la formación o el depósito del material cerámico a partir del material precursor dentro de los poros del cuerpo, en donde el material precursor es un líquido que contiene una suspensión de partículas de cerámica y/o fosfato ácido, y en donde el material precursor se introduce sustancialmente en todo el cuerpo poroso.

Una "pila de discos de freno múltiples" es un conjunto de dos o más discos de freno. No es necesario que todos los discos de freno de la pila sean del material fabricado de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, los discos alternos de la pila pueden contener el material de la presente invención.

El sistema de fricción compuesto por dos componentes acoplables por fricción comprende preferentemente un disco de freno o una placa de embrague como uno de los componentes.

En el aspecto anterior y en la siguiente descripción, el término "disco de freno" puede ser sustituido por "placa de embrague". Un disco de freno y una placa de embrague, en un automóvil u otro vehículo, debe presentar propiedades similares de modo que ambos proporcionen un componente rígido contra el que otro componente, por ejemplo, una pastilla de freno u otra placa de embrague, deba acoplarse por fricción.

El experto definiría el embrague como un sistema mecánico para transmitir rotación en la que un objeto que gira puede acoplarse y desacoplarse a otro objeto, que a su vez, también puede girar. Tal como se ha mencionado anteriormente, en el primer aspecto,...

1. Método para formar un material para al menos un componente de un sistema de fricción compuesto por dos componentes acoplables por fricción, el método comprende las etapas de:

(i) proporcionar al menos un cuerpo poroso;

(ii) introducir en los poros del cuerpo poroso uno o más materiales precursores para formar o depositar un material cerámico; y

(iii) formar el material componente mediante la formación o el depósito del material cerámico a partir del material precursor dentro de los poros del cuerpo, en donde el material precursor es un líquido que contiene una suspensión de partículas de cerámica y/o fosfato ácido, y en donde el material precursor se introduce sustancialmente en todo el cuerpo poroso.

2. Método según la reivindicación 1, en el que el cuerpo poroso compuesto por uno o más de los materiales seleccionados entre el carbono, el carburo de silicio y la alúmina.

3. Método según la reivindicación 1 o reivindicación 2, en el que el cuerpo comprende un compuesto carbono-carbono.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que en la etapa (i), el cuerpo poroso puede comprender un conjunto de fibras que contienen carbono.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las partículas cerámicas comprenden un material seleccionado entre uno o más de los siguientes: alúmina, zirconia, magnesio, itria, carburo de silicio, silicio, carburo de boro, nitruro de boro, boruro de titanio, óxidos de hierro y óxidos de cromo.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material precursor comprende una solución de partículas cerámicas.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que

el material precursor se introduce en los poros del cuerpo poroso mediante una

o más de las siguientes técnicas seleccionadas: infiltración al vacio, inmersión del cuerpo, al menos parcialmente, en el material precursor, pintar el cuerpo con el material precursor y pulverizar el cuerpo poroso con el material precursor.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las partículas cerámicas del material precursor se depositan en los poros mediante la selección de uno o más de los siguientes medios seleccionados: cargar eléctricamente el cuerpo poroso, congelar el cuerpo poroso, introducir un material ácido o alcalino e introducir en los poros un material que contenga partículas con una carga opuesta a la de las partículas de la suspensión.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que en la etapa (ii) y/o la etapa (iii) el cuerpo y el material precursor se exponen a un tratamiento ultrasónico.

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las partículas del material precursor, una vez depositadas en los poros, se pueden hacer reaccionar, endurecer o vitrificar para formar el material cerámico.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el fosfato ácido comprende uno o más de entre los siguientes: fosfato ácido potásico, fosfato ácido calcico, fosfato ácido amónico y fosfato ácido de aluminio.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el fosfato ácido comprende monofosfato de aluminio.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el fosfato ácido se vitrifica dentro de los poros del cuerpo poroso para formar el material cerámico.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que

el material precursor contiene (i) una suspensión de partículas cerámicas y (ii) fosfato ácido y/o ácido fosfórico.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 13, en el que un primer líquido precursor que contiene una suspensión de partículas cerámicas y un segundo líquido precursor que contiene fosfato de ácido y/o ácido fosfórico se introducen por separado en los poros del cuerpo.

16. Método según la reivindicación 15, en el que las partículas del primer líquido precursor se depositan en los poros del cuerpo poroso antes de la introducción del segundo líquido precursor.

17. Método según la reivindicación 16, en el que el cuerpo se calienta para hacer reaccionar, endurecer o vitrificar las partículas de cerámica y el fosfato ácido depositados.

18. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el fosfato ácido se hace reaccionar en los poros ante la presencia de un óxido de metal para formar el material cerámico, que comprende una cerámica de fosfato enlazada químicamente.

19. Método según la reivindicación 18, en el que el óxido de metal es un óxido de metal divalente o trivalente.

20. Método según la reivindicación 18, en el que el óxido de metal comprende uno o más de óxido de aluminio, óxido de calcio, óxido de hierro, óxido de magnesio y óxido de zinc.

21. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, con el que en la etapa (iii) o tratamiento posterior se puede formar:

(a) un disco de freno;

(b) una placa de embrague; o

(c) una pila de discos de freno múltiples; a partir del material componente.

22. Método según la reivindicación 21, en el que la rugosidad de la superficie media del disco de freno formado es de 30μm Rz o menos.

23. Método según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a 20, en el que

5 con el método comprendido en la etapa (i) se pueden obtener dos o más cuerpos porosos y los cuerpos porosos se colocan juntos para formar un cuerpo poroso combinado, y llevar a cabo las etapas (ii) y (iii) en el cuerpo poroso combinado para formar el material.

24. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en el que con el método se obtienen dos o más cuerpos porosos y los cuerpos porosos se colocan juntos para formar un cuerpo poroso combinado. que puede ser una pila de discos de freno múltiples, en la que, al menos, uno de los cuerpos porosos contiene un material cerámico dentro de sus poros.