AT526715B1 - Bremselement - Google Patents

Bremselement

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AT526715B1
AT526715B1 ATA50869/2022A AT508692022A AT526715B1 AT 526715 B1 AT526715 B1 AT 526715B1 AT 508692022 A AT508692022 A AT 508692022A AT 526715 B1 AT526715 B1 AT 526715B1
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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Bremselement (1) vorgesehen, umfassend einen Grundkörper (2) sowie eine Reibschicht (3), wobei die Reibschicht (3) aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln (8) gebildet ist und wobei die Reibschicht (3) einen Stahl umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist: 10 – 15 Gew.-% Mn 18 – 24 Gew.-% Cr < 1 Gew.-% Si < 1 Gew.-% N < 0,1 Gew.-% C Rest Fe.

Description

Ss N
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Bremselement, umfassend einen Grundkörper sowie eine Reibschicht.
[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bremselements.
[0003] Bremselemente der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird ein sich bewegendes, bspw. rotierendes Element an seiner Oberfläche durch Bremsbeläge berührt, sodass Reibung zwischen dem sich bewegenden Element und dem Bremsbelag entsteht. Diese Reibung bewirkt eine Umwandlung der Bewegungsenergie des sich bewegenden Elements in thermische Energie und damit eine Abbremsung des sich bewegenden Elements. Ein Beispiel hierfür ist eine Scheibenbremse, bei der eine rotierende Bremsscheibe mithilfe von wahlweise an die Bremsscheibe andrückbaren Bremsklötzen, die die Bremsbeläge aufweisen, bei Bedarf gebremst werden kann.
[0004] Während dem Bremsvorgang sind die Bremselemente, bspw. Bremsscheiben, hohen Belastungen ausgesetzt. Einerseits wird aufgrund der mechanischen Belastung Material von dem Bremselement abgerieben und andererseits wird aufgrund der thermischen Belastung das Bremselement stark erhitzt. Dies führt dazu, dass Bremselemente in regelmäßigen Abständen bzw. bei Erreichen einer Verschleißgrenze getauscht und durch neue Bremselemente ersetzt werden müssen, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Bremselemente und damit des jeweiligen Bremssystems zu gewährleisten.
[0005] Bekannte Bremselemente, insbesondere Bremsscheiben, sind bspw. aus Grauguss, Stahl oder Keramik hergestellt. Weiters sind bspw. aus der WO 2020/043712 A1 Bremsscheiben bekannt, die zweifach beschichtet sind. Hierbei ist auf dem Grundkörper eine Zwischenschicht angeordnet, die ihrerseits eine Deckschicht trägt. Die aus einer Ni- oder Cr-Legierung gebildete Zwischenschicht soll insbesondere temperaturbedingte Spannungen ausgleichen während die aus einer Edelstahlmatrix miteingebetteten Hartstoffen bestehende Deckschicht möglichst hart ist, um eine lange Haltbarkeit zu erzielen.
[0006] In dem Dokument EP 0902099 A1 wird einerseits eine verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung mit einer Stahllegierung zum Beschichten eines keramischen, metallischen oder anderen Gegenstandes und andererseits ein Verfahren zum Herstellen einer verschleißund korrosionsbeständigen Beschichtung beschrieben.
[0007] In dem Dokument WO 2010130529 A1 wird eine beschichtete Leichtmetallscheibe beschrieben, die eine Tragscheibe aus einer thermisch beständigen Leichtmetall-Legierung und eine wärmedämmende Reibschicht umfasst.
[0008] Das Dokument DE 102014008844 A1 beschreibt eine Bremsscheibe, umfassend eine Graugussbasis, eine auf dem Grauguss angeordnete Reibfläche und eine auf der Reibfläche aufgebrachte Deckschicht.
[0009] Das Dokument EP 3620546 A2 zeigt eine Bremsscheibe mit einem Grundkörper, einer Korrosionsschutzschicht und einer Verschleißschutzschicht.
[0010] In der Dokument WO 2013156244 A2 wird eine Gegenfläche einer Reibpaarung beschrieben, die eine Reibfläche sowie ein Trägermaterial umfasst.
[0011] In dem Dokument EP 1621644 A1 wird ein martensitischer Stahl für Bremsscheiben beschrieben.
[0012] Nachteilig bei den bekannten Bremselementen ist allerdings, dass durch den durch die Bremsklötze während des Bremsvorganges ausgeübten Druck auf die Bremselemente die Oberfläche der Bremselemente, insbesondere die Reibschicht, beschädigt bzw. verschlissen werden kann. Durch diese Materialabtragung wird die ursprünglich unterhalb der Oberfläche des Bremselements befindliche Materialschicht ungewollt freigelegt und der Umwelt ausgesetzt. Dies
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ermöglicht das unerwünschte Bilden von Korrosion an den Bremselementen und reduziert die Lebensdauer der Bremselemente deutlich.
[0013] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Bremselement bereitzustellen, welches eine geringere Anfälligkeit für Korrosion aufweist. Insbesondere soll das Bremselement einen geringeren Verschleiß der Reibschicht im Betrieb sowie eine verbesserte Dämpfung aufweisen.
[0014] Erfindungsgemäß ist bei einem Bremselement der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Reibschicht aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln gebildet ist und dass die Reibschicht einen Stahl umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist:
10 — 15 Gew.-% Mn (Mangan) 18 — 24 Gew.-% Cr (Chrom)
< 1 Gew.-% Si (Silizium)
< 1 Gew.-% N (Stickstoff)
< 0.1 Gew.-% C (Kohlenstoff) Rest Fe (Eisen).
[0015] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht aus dem Stahl besteht. Die Reibschicht schließt einerseits ggf. vorhandene Öffnungen in der Oberfläche des Grundkörpers, wodurch gleichzeitig der Korrosionsschutz gegenüber der Umwelt erhöht wird und verbessert weiters den Verschleiß sowie die Dämpfung des Bremselements. Dies verlängert insbesondere die Lebensdauer des Bremselements, bis es ersetzt werden muss.
[0016] Besonders bevorzugt weist der Stahl die folgende Richtanalyse auf: 10 - 11 Gew.-% Mn (Mangan) 18 - 20 Gew.-% Cr (Chrom)
< 1 Gew.-% Si (Silizium)
< 1 Gew.-% Ni (Nickel)
< 0,1 Gew.-% C (Kohlenstoff) 0,06 Gew.-% P (Phosphor) 0,03 Gew.-% S (Schwefel)
0,4 - 0,65 Gew.-% N (Stickstoff) < 1 Gew.-% Mo (Molybdän) Rest Fe (Eisen).
[0017] Der Stahl ist bevorzugt ein Manganhartstahl, besonders bevorzugt ein Manganhartstahl 1.3820 (X8CrMnN20-10).
[0018] Bei einer bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass die Reibschicht weiters eine Legierung umfasst, die die folgende Richtanalyse aufweist:
4 - 6 Gew.-% Mn (Mangan)
22 - 28 Gew.-% Cr (Chrom) 3-5 Gew.-% B (Bor)
< 1 Gew.-% Si (Silizium)
0,4 - 0,6 Gew.-% C (Kohlenstoff) Rest Fe (Eisen).
[0019] Die Reibschicht besteht bei dieser bevorzugten Ausführung also aus einer Mischung aus
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dem Stahl mit der oben genannten Richtanalyse und der Legierung. Das Mischverhältnis zwischen dem Stahl und der Legierung beträgt bevorzugt ca. 80:20, 60:40, 40:60 oder 20:80. Durch das Vorsehen einer Mischung aus dem Stahl und der Legierung kann die Härte und die Festigkeit der Reibschicht weiter verbessert werden.
[0020] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht im Wesentlichen kein Nickel aufweist. Bevorzugt weist die Reibschicht weniger als 0,2 Gew.-% Nickel, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% Nickel auf. Nickel gilt als bedenklich für die Gesundheit von Menschen. Durch das Vorsehen einer nickelfreien Reibschicht wird vermieden, dass Nickel durch den Abrieb während des Bremsvorganges in die Umgebungsluft gelangen und anschließend eingeatmet werden kann.
[0021] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Reibschicht im Wesentlichen keine CMRStoffe aufweist. Bevorzugt weist die Reibschicht weniger als 0,2 Gew.-% CMR-Stoffe, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% CMR-Stoffe auf. CMR-Stoffe sind krebserzeugende, mutagene oder reproduktionstoxische Stoffe, die für den Menschen gefährlich sind bzw. sein können. Beispiele hierfür sind Acrylamid, Beryllium oder Chromtrioxid. Um zu vermeiden, dass durch den Abrieb der Reibschicht im Gebrauch giftige Stoffe in die Umgebung gelangen, sind diese bevorzugt nicht in der Reibschicht enthalten.
[0022] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die gröBer als das 1,1-fache der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers ist. Bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Reibschicht 1,1 bis 10-mal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Reibschicht ca. 1,12 bis 1,36-mal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers. Diese Ausbildung ermöglicht es, dass die beim Bremsvorgang entstehende Wärmeenergie zu einem großen Teil über die Reibungsschicht abgeführt wird und die über den Grundkörper abgeführte Wärmeenergie reduziert wird. Dies erlaubt eine Reduzierung der thermischen Masse des Grundkörpers und damit eine Gewichtsreduzierung des Bremselements.
[0023] Bevorzugt weist die Reibschicht eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 65 bis 85 W/mK auf. Grauguss, ein bevorzugtes Material für den Grundkörper, weist üblicherweise eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 48 bis 52 W/mK auf.
[0024] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Reibschicht aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln gebildet ist. Hierdurch wird eine besonders harte Reibschicht bereitgestellt, wodurch der Verschleiß der Reibschicht und damit des Bremselements verringert wird.
[0025] Die Hartstoffpartikel umfassen bzw. sind bevorzugt Chromcarbidpartikel und/oder Vanadiumcarbidpartikel.
[0026] Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Grundkörper ein Grauguss ist bzw. einen Grauguss umfasst. Grauguss weist Kohlenstoff in Form von Graphit auf. Dieser Graphit kann bspw. genutzt werden, um Hartstoffpartikel während des Auftragens der Reibschicht mithilfe der Wärmequelle und eines Schweißzusatzstoffes, bspw. einem Pulver, in der Reibschicht zu formen, wobei sich die Hartstoffpartikel als primär ausgeschiedene Hartstoffe beim Erstarren der aufgebrachten Schmelze bilden. Hierbei wirkt die Wärmequelle, bspw. ein Laser, mit dem Schweißzusatzstoff, bspw. einem Pulver, und dem im Grauguss befindlichen Graphit zusammen, um die Hartstoffpartikel in der Reibschicht zu bilden. Die Hartstoffpartikel werden also in der Schmelze gebildet und nicht über eine externe Quelle zugeführt. Die entstehenden Hartstoffpartikel bestehen hierbei bspw. aus Chromcarbid und/oder Vanadiumcarbid. Bevorzugt weisen die Hartstoffpartikel eine durchschnittliche Korngröße von ca. 3 bis 5 um auf. Weiters bevorzugt beträgt der Anteil der Hartstoffpartikel in der Reibschicht ca. 20 bis 70 Vol.-%, bevorzugt 35 bis 55 Vol.-%, um einerseits eine hohe Härte und andererseits eine ausreichende Festigkeit der Reibschicht sicherzustellen.
[0027] Die Dicke der Reibschicht beträgt bevorzugt 3,5 mm oder mehr. Bevorzugt ist die Reibschicht direkt auf dem Grundkörper angeordnet, also ohne eine Zwischenschicht. Dies erlaubt
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die Abführung der Wärme direkt von der Reibschicht auf den Grundkörper. Weiters erlaubt dieser Aufbau eine einfache Herstellung des Bremselements.
[0028] Die Erfindung betrifft weiters eine Bremsscheibe, umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Bremselement. Bevorzugt ist die Bremsscheibe ein erfindungsgemäßes Bremselement, wobei der Grundkörper besonders bevorzugt ringförmig ausgebildet ist. Der Grundkörper der Bremsscheibe kann einseitig mit einer erfindungsgemäßen Reibschicht beschichtet sein.
[0029] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper der Bremsscheibe beidseitig an zwei im Wesentlichen einander gegenüberliegenden Oberflächen mit einer erfindungsgemäßen Reibschicht beschichtet ist. Dies ermöglicht es, beim Bremsvorgang beidseitig Druck auf die Bremsscheibe auszuüben.
[0030] Erfindungsgemäß ist weiters ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bremselements vorgesehen, wobei die Reibschicht auf den Grundkörper durch AuftragschweiBen aufgebracht wird. Es wird also zunächst der Grundkörper bereitgestellt, der anschließend mithilfe eines Auftragschweißverfahrens mit einer Reibschicht mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschichtet wird. Beim Auftragschweißen wird der Schweißzusatzwerkstoff durch eine Wärmequelle, bspw. einen Laserstrahl, geschmolzen und auf den Grundkörper aufgebracht. Nach dem Erstarren des aufgebrachten Materials ist eine feste Reibschicht gebildet. Auftragschweißen eignet sich hierfür, da es ein erprobtes Verfahren ist, welches einfach, schnell und kostengünstige anwendbar ist, um das erfindungsgemäße Bremselement herzustellen.
[0031] Weiters ist es möglich, dass durch das Auftragschweißen während des Auftrages Hartphasen in der Reibschicht gebildet werden, die den Verschließ der Reibschicht weiter reduzieren. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper ein Grauguss ist bzw. diesen umfasst, wodurch sich beim Auftragschweißen wie oben ausgeführt Hartstoffpartikel aus den Graphitlamellen bilden. Bevorzugt wird beim Auftragschweißen ein Laser als Wärmequelle und ein Pulver als Schweiß zusatzwerkstoff genutzt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Reibschicht keine Karbide zugeführt werden, sondern die Hartstoffpartikel ausschließlich während des AuftragschweiBens aus der Schmelze gebildet werden.
[0032] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht nach dem Aufbringen kontrolliert abgekühlt wird. Die Abkühlung erfolgt also nicht durch eine einfache Abkühlung an der Luft, sondern der Entzug bzw. ggf. die Einbringung von Wärme zum Bremselement wird gesteuert, um die gewünschte Abkühlungskurve zu erhalten. Das gewünschte Abkühlverhalten ist insbesondere von der genauen Zusammensetzung der Reibschicht abhängig. Durch die kontrollierte Abkühlung wird erreicht, dass Risse oder andere Beschädigungen in der Reibschicht bzw. im Übergangsbereich zwischen der Reibschicht und dem Grundkörper bestmöglich reduziert bzw. vermieden werden.
[0033] Bevorzugt wird die Reibschicht bzw. der Grundkörper nach dem Aufbringen der Reibschicht mit einer im Wesentlichen linearen Abkühlrate von 25°C pro 10 Sekunden bis 35°C pro 10 Sekunden, besonders bevorzugt ca. 30°C pro 10 Sekunden abgekühlt. Die kontrollierte Abkühlung erfolgt bevorzugt bis zu einer Temperatur des Bremselements von ca. 30°C.
[0034] Nach der Beschichtung des Grundkörpers mit der Reibschicht kann die Reibschicht weiterbearbeitet werden, bspw. indem die Oberfläche der Reibschicht teilweise abgetragen wird, um eine Reibschicht mit im Wesentlichen homogener Dicke zu erhalten.
[0035] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bremselement und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0036] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Bremselement 1 dargestellt, umfassend einen Grundkörper 2 und eine beidseitig aufgetragene Reibschicht 3. Im Betrieb während eines Bremsvorganges wirkt die Reibschicht 3 mit einem Bremsbelag, bspw. Bremsklötzen zusammen, um das sich bewegende Bremselement 1 abzubremsen. Bei dieser Ausbildung können Bremsbeläge an beiden Seiten des Grundkörpers 2 angeordnet sein, um beidseitig Druck auf das Bremselement 1 auszuüben und dieses damit zu bremsen.
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8 N 8
[0037] In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auftragen einer erfindungsgemäßen Reibschicht 3 auf einen Grundkörper 2 gezeigt. Der Grundkörper 2 ist hierbei als Grauguss ausgebildet. Ein Bearbeitungsgerät 4 bringt einen Laserstrahl 5 sowie beidseitig des Laserstrahls 5 Pulver 6 auf die Oberfläche des Grundkörpers 2 auf. Durch die Hitze des Laserstrahls 5 wird eine lokale Schmelze aus dem Pulver 6 und einem Teil des Materials des Grundkörpers 1 erzeugt, sodass sich die Reibschicht 3 mit dem Grundkörper 1 verbindet. Im als Grauguss ausgebildeten Grundkörper 1 befinden sich Graphitlamellen 7, die während des Aufbringens der Reibschicht 3 zusammen mit dem Pulver 6 Hartstoffpartikel 8 ausbilden, die nach dem Erstarren in der Reibschicht 3 angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonders harte Reibschicht 3 erzeugt, die sowohl weniger verschleißanfällig als auch weniger korrosionsanfällig ist und daher eine längere Lebensdauer aufweist.

Claims (6)

A ‚hes AT 526 715 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche
1. Bremselement, umfassend einen Grundkörper (2) sowie eine Reibschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln (8) gebildet ist und dass die Reibschicht (3) einen Stahl umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist:
10 - 15 Gew.-% Mn 18 - 24 Gew.-% Cr < 1 Gew.-% Si <1Gew.-% N
< 0,1 Gew.-% C Rest Fe.
2. Bremselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) weiters eine Legierung umfasst, die die folgende Richtanalyse aufweist:
4 - 6 Gew.-% Mn 22 - 28 Gew.-% Cr 3-5 Gew.-% B
< 1 Gew.-% Si
0,4 - 0,6 Gew.-% C Rest Fe.
3. Bremselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als das 1,1-fache der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers (2) ist.
4. Bremsscheibe, umfassend zumindest ein Bremselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
5. Verfahren zum Herstellen eines Bremselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) auf den Grundkörper (2) durch Auftragschweißen aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) nach dem Aufbringen kontrolliert abgekühlt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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