CN116685784A - 用于制造制动元件的方法和制动元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车辆工程和工业设备工程的领域，并且涉及一种用于制造制动元件的方法以及由此制造的制动元件。根据本发明的目的包括提供一种方法和制动元件，其具有改进的防磨损和防腐蚀以及较大层厚的摩擦面，并且其制造时间缩短、成本有效。所述目的通过一种制动元件来解决，制动元件具有至少一个金属基体，金属基体具有施加在所形成的表面区域上的摩擦面，摩擦面是金属半成品的预制层，预制层借助接合方法与金属基体以材料锁合的方式连接。所述目的还通过一种方法来解决，其中摩擦面由至少一个层金属半成品形成，并且摩擦面通过接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接。根据本发明的制动元件例如可以使用在车辆、工业设备或风力发电设备中。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程和工业设备工程的领域，并且涉及一种用于制造制动元件的方法以及由此制造的制动元件。根据本发明的制动元件例如可以应用在车辆、工业设备或风力发电设备中。
背景技术
在车辆和工业应用中，传统的制动元件例如被设计成由金属或陶瓷材料制成的单件式制动盘或制动鼓，或者被设计成由一种或多种金属或陶瓷材料制成的复合制动盘或多件式制动盘。
在此，制动元件具有多个功能区域。例如，在机动车辆中，制动盘被紧固到前车轴和后车轴，并且为此制动盘具有平坦的接触面，所述平坦的接触面一方面与轮辋接触并且另一方面与车轮轴承接触。整个制动盘通过接触面利用车轮螺栓连接。风力设备、工业设备和动力设备也具有制动元件，所述制动元件例如挤压在转子轴上或者以其它方式与所述转子轴连接。
制动元件具有带有摩擦面的区域，通过所述区域实现与摩擦制动衬片相互作用的制动效果。
为了更好地消散所产生的热量，例如制动盘可以设计成内部通风的盘式制动器。为此，所述盘式制动器在摩擦面之间具有不同几何形状的通风通道，所述通风通道吸入空气、穿过盘式制动器、消散热量并且因此确保制动盘的冷却。
在现有技术中，制动元件在摩擦面的区域中和/或在通风通道的区域中设置有短期防腐蚀部或者设置有具有或没有硬质材料涂层的长期防腐蚀部。所述短期防腐蚀部仅在很短的时间内保护制动元件免受腐蚀，尤其是防止腐蚀直到制动系统投入运行。
从现有技术中已知不同的解决方案，以便保护制动盘免受腐蚀和磨损。
DE 20 2018 107 169 U1公开了一种尤其用于制动盘、制动鼓和离合器盘的涂层，所述涂层具有第一层和第二层，所述第一层具有包含以重量计小于20％的碳化钨或其它碳化物的金属基材料，所述第二层涂覆在第一层上并且具有包含以重量计20％至94％的碳化钨的含碳化钨材料，其中第一层和第二层是热喷涂层。
DE 20 2018 102 703 U1公开了一种用于车辆的制动元件，所述制动元件具有：基体，所述基体具有通过粗糙化形成为摩擦面的表面；以及涂层，所述涂层在进行粗糙化之后借助热喷涂方法施加到摩擦面上。
此外，DE 102 03 507A1公开了一种用于车辆的制动盘，所述制动盘包括由金属材料、尤其是灰口铸铁制成的基体，所述基体具有至少一个摩擦面，所述摩擦面具有由硬材料制成的涂层，其中，所述基体在涂层之下具有沿着轴向平行于制动盘的轴的方向被移除的材料厚度，其中，所述基体沿着轴向平行于制动盘的轴的方向被移除的材料厚度近似为涂层的层厚或者为相对于涂层的层厚最多大约+/-20％、优选+/-10％。
并且DE 10 2014 008 844 A1也公开了一种用于机动车的制动盘，所述制动盘包括：衬底、尤其灰口铸铁衬底；形成在衬底上的至少一个摩擦面；和至少施加在至少一个摩擦面上的至少一个覆盖层，其中覆盖层比衬底更硬且更薄，并且其中在覆盖层中引入不穿透覆盖层的凹陷和/或颜色变化。
已知解决方案的缺点是，防腐蚀和防磨损部仅在摩擦面的区域中施加到制动元件的基体上，并且紧接在第一制动过程之后被磨损掉，从而摩擦面在短时间之后被腐蚀并且通过腐蚀过程直接损坏基体材料。尤其在例如电动车辆或混合动力车辆中，进行明显更少数量的制动过程。由此，摩擦面承受较少的应力并且腐蚀沉积物未被消除。这种腐蚀沉积物可能不可避免地导致故障。故障显示出噪音问题并且在极端情况下可能导致制动功率的损失。此外，另一个缺点在于，由于摩擦面的区域中出现的腐蚀，因此导致摩擦面更快地磨损。
此外不利的是，通过扩散过程可实现的层的层厚不足以补偿在传统的制造过程中存在的公差而不必再次移除本来层厚就小的大部分，以便建立偏差、摩擦带厚度和轴向跳动的制造公差。
还不利的是具有硬质材料涂层的制动盘的高材料成本和制造成本，所述制动盘涂覆有基于碳化物(诸如碳化钨、碳化铬或碳化硼)的层系统。已用于制造填料材料的能量消耗和已知的涂覆方法的材料效率以及用于在涂覆时熔化材料的高热能消耗和将能量引入到衬底中都会为待涂覆的制动元件产生高的制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造制动元件的方法以及由此制造的制动元件，利用它们克服了现有技术中的上述缺点。
所述目的通过在权利要求中给出的发明来实现。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题，其中，本发明还包括各个从属权利要求在“与”联接的意义上的组合，只要其不相互排斥。
所述目的通过一种用于制造制动元件的方法来实现，所述制动元件具有至少一个金属基体，所述金属基体具有至少一个用于形成摩擦面的表面区域，其中，在设置用于形成摩擦面的表面区域上至少部分地布置金属半成品的至少一个层，所述层随后借助接合方法以材料锁合的方式连接到金属基体。
有利的是，金属半成品的层基本上完全布置在金属基体的作为摩擦面设置的表面上。
有利的是，布置金属半成品的两个或更多个层。
也有利的是，以相同或不同的层厚来布置金属半成品的多个层。
还有利的是，所述两个或更多个层在一个或多个方法步骤中借助接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接和/或上下叠置地彼此连接。
在所述方法的一个有利的实施例中，金属半成品的至少一个层布置成由两个或更多个区段组成。
还有利地，层和/或层的区段由不同材料、形状和/或层厚布置而成，其中，尤其有利地将区段布置为圆形的、椭圆形的、多边形的和/或平坦自由形状的小板片。
还有利的是，在布置了由区段形成的层之后，至少在该层上布置Al基合金，随后对制动元件实施热处理，使得至少由区段形成的层和Al基合金形成扩散结构。
有利地，金属半成品的至少一个层借助磁脉冲焊接、钎焊焊接、滚压包覆、超声波焊接、摩擦焊接和/或其改型以材料锁合的方式与金属基体连接。
还有利地，对所述制动元件的至少所述摩擦面的表面进行最终机械加工。
根据本发明的目的利用一种制动元件来实现，所述制动元件具有至少一个金属基体，所述金属基体具有施加在所形成的表面区域上的摩擦面，所述摩擦面是金属半成品的预制层，所述预制层借助接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接。
有利地，至少一个层由不锈钢、金属基体复合材料、陶瓷基体复合材料、金属陶瓷、硬金属、纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料(Glidcop)和/或铝化物材料类的材料制成。
还有利的是，摩擦面具有0.1mm至4.0mm的层厚。
在一个有利的实施例中，存在由金属基体和金属半成品的层构成的接合区和/或在金属基体和金属半成品的层之间存在接合区，所述接合区在1μm至50μm之间。
在制动元件的另一个有利的实施例中，摩擦面由两个或更多个层形成。
同样有利地，所述层由不同材料、形状和/或层厚构成。
在一个有利的实施例中，金属半成品的至少一个层由区段形成，其中，区段特别有利地是圆形的、椭圆形的、多边形的和/或平坦自由形状的小板片。
此外有利的是，至少摩擦面具有磨损识别特征，其中，磨损识别特征特别有利地是表面凹陷和/或着色物质。
通过本发明，首次实现了制造具有改善的防磨损特性和防腐蚀特性的制动元件，其摩擦面具有大的层厚。此外，提供一种时间和成本有效的制造方法。
在本发明的情况下，制动元件应理解为一种呈制动盘或制动鼓形式的构件，该构件由金属基体组成并且具有不同的功能化区域，所述功能化区域诸如为径向布置的摩擦面、用于将制动元件紧固到车轴或轴上的接触面或通过腹板形成的通风通道。
在本发明的情况下，金属基体应理解为是指形成有功能化区域的制动盘或制动鼓，制动盘或制动鼓由钢、灰口铸铁和/或铝制成。
在本发明的情况下，摩擦面应理解为是指在一侧或两侧上形成的盘状面，经由所述盘状面与适当形成的制动衬片协同地实现制动效果。
在本发明的情况下，金属半成品应理解为是指这样的材料：该材料仅能部分地具有金属组成部分或者也能够完全构造为金属的。金属半成品可以有利地是不锈钢、金属基体复合材料、陶瓷基体复合材料、金属陶瓷、硬金属、纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料和/或铝化物材料类的材料。
通过本发明，首次实现了提供一种具有改进的防腐蚀和防磨损特性的制动盘或制动鼓，所述制动盘或制动鼓通过在金属基体上施加金属半成品的层而制成，其中摩擦面由金属半成品的至少一个层形成，所述至少一个层通过接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接。改善的防腐蚀和防磨损特性至少在制动元件的摩擦面的区域中实现，其中，接触面的区域和/或通风通道也可以实现根据本发明的防磨损和防腐蚀。
这通过一种用于制造制动元件的方法实现，在所述方法中，为了形成期望的摩擦面，金属半成品的至少一个层至少部分地布置在至少金属基体的作为摩擦面设置的表面上。
重要的是，金属半成品的至少一个层随后通过接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接。通过将金属半成品的至少一个层和金属基体以材料锁合方式连接而形成接合区，所述接合区有利地为1μm至50μm宽。
材料锁合的连接具有的优点是，实现金属半成品和金属基体之间的均匀的材料连接，由此实现摩擦面与金属基体的改善的连接。此外，实现了金属基体和摩擦面之间的改善的导热特性和粘附强度，这导致制动元件的更长的使用寿命，同时改善了防磨损和防腐蚀。
经预制的金属半成品可以是不锈钢、金属基体复合材料、陶瓷基体复合材料、金属陶瓷、硬金属、纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料和/或铝化物材料类的材料。
特别成本低廉且快速的接合方法有利地是磁脉冲焊接、钎焊焊接、滚压包覆和/或摩擦焊接以及它们的专门的改型，诸如激光辅助的滚压包覆。
为了提供更大的有效摩擦面，有利的是，金属半成品的层基本上完全布置在金属基体的作为摩擦面设置的表面上。尤其对于具有提高的所需制动力的较大和较重的车辆而言，这可能是必需的，而对于具有较低的制动要求的车辆而言，例如由于电动车辆的休整(Rekuperation)，可以将金属半成品的层仅部分地布置在金属基体的作为摩擦面设置的表面上。
也可以设想，有利地布置金属半成品的两个或更多个层，这些层一起形成制动元件的摩擦面的层厚。在这种情况下，具有相同或不同材料、在一层内具有不同层厚或者具有不同层厚层可以上下叠置地布置并且通过接合方法在一个或多个方法步骤中以材料锁合的方式与金属基体连接或上下叠置地彼此连接。
为了简化用于将金属半成品的层与金属基体以材料锁合的方式连接的接合方法，有利的是，金属半成品的至少一个层由各个区段形成。各个区段的布置使得例如可以通过将具有间隙形成的区段彼此间隔开来产生表面结构化的摩擦面，接着可以以有利的方式将Al基合金引入到所述摩擦面中。这种表面结构例如可以是间隙状构造的并且延伸至金属基体的凹陷，其导致从摩擦面的改善的排热和去磨损，并且因此改善制动元件的性能。
金属半成品的层的区段的布置的另一优点在于，可以更为时间和成本有效地设计材料锁合的接合方法，因为实现了每单位面积的更高的能量输入，这导致区段与金属基体的更快的材料方面的连接。此外，可以以简单的方式产生如下表面结构：所述表面结构例如对于细尘的热学特性和移除是有利的。
在层的区段的一个有利的实施例中，可以规定所述区段是圆形的、椭圆形的、多边形的和/或平坦自由形状的小板片，所述小板片布置在金属基体上或布置在一个层上并且与所述金属基体以材料锁合的方式连接。使用小板片具有的优点是，摩擦面例如能够通过小板片的不同的材料选择或数量局部地予以功能化并且在热学特性方面可以被单独地调整。
特别有利的是，在布置金属半成品的至少一个层之前，在保护气体氛围下将制动元件预热到250℃至650℃的温度。已经发现，在预热期间在高于200℃的温度下通常会形成不期望的氧化产物，但是这通过使用保护气体氛围来防止。
令人惊讶地，如果预热温度仅设定在150℃至200℃，则可以在预热制动元件时不用使用保护性气体。
根据本发明制造的制动元件的摩擦面通过金属半成品的所布置的至少一层有利地具有0.1mm至4.0mm的层厚，特别有利地具有0.3mm至1.5mm的层厚。
通过最后的机械加工，可以以简单的方式修正摩擦面和制动元件的可能出现的由热引起的扭曲，而在此不去除改善的磨损特性和腐蚀特性并且不减小摩擦面的所需的层厚。最后的机械加工可以省略用于消除不平衡的附加工序。
通过根据本发明的制动元件，所述制动元件至少在摩擦面的区域中具有金属半成品的至少一个层，消除了所述缺点，因为通过350HV[0.3]至850HV[0.3]的特殊硬度避免了制动衬片进入到摩擦面中。
通过在通风通道的所形成的连接腹板中，Al基合金到铸件或者钢材中的热引发的扩散，可以使连接腹板的壁厚的尺寸较小。
具体实施方式
下面借助两个示例性实施例更详细地阐述本发明。
实施例1
提供一种由灰口铸铁制成的车辆的内部通风式制动盘，所述制动盘具有200-250HV的硬度，平均硬度为211HV。制动盘具有两个沿径向相对布置的摩擦面以及用于将制动盘紧固在车轴上的接触面。两个摩擦面通过腹板状通风通道连接。利用刚玉(99.81％Al2O3、0.1％ Na2O、0.04％ TiO2、0.02％ SiO2、0.03％Fe2O3)并且使用氮气保护气体氛围，将两个摩擦面的表面沿制动盘的旋转方向和与制动盘的旋转方向相反地以45°角机械加工两次，由此去除污物、油脂和油以及铁氧化合物，以便提供用于接下来金属基体与半成品的第一层以材料锁合的方式进行连接的改善的条件。
接着，在金属基体上在所设置的摩擦面的区域中布置由铝铁构成的带材的圆形第一层，并且将该第一层借助磁脉冲焊接以材料锁合的方式与金属基体连接。接着，在第一层上布置由总共6个相同的区段构成的由铝铁构成的带材的圆形第二层。这些区段利用1mm的间隙宽度彼此间隔开地布置并且分别借助磁脉冲焊接以材料锁合的方式与由不锈钢制成的圆形第一层连接。圆形第一层和分段第二层分别具有0.55mm的层厚，从而形成具有1.1mm层高的摩擦面。
Claims (21)
1.一种用于制造制动元件的方法，所述制动元件具有至少一个金属基体，所述金属基体具有至少一个用于形成摩擦面的表面区域，其中，在设置用于形成所述摩擦面的所述表面区域上至少部分地布置金属半成品的至少一个层，所述层随后借助接合方法以材料锁合的方式连接到所述金属基体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属半成品的层基本上完全布置在所述金属基体的作为所述摩擦面设置的表面上。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，布置所述金属半成品的两个或更多个层。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，以相同或不同的层厚来布置所述金属半成品的多个层。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述两个或更多个层在一个或多个方法步骤中借助接合方法以材料锁合的方式与所述金属基体连接和/或上下叠置地彼此连接。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述金属半成品的至少一个层布置成由两个或更多个区段组成。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，层和/或层的区段由不同材料、形状和/或层厚布置而成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述区段布置为圆形的、椭圆形的、多边形的和/或平坦自由形状的小板片。
9.根据权利要求6至8中至少一项所述的方法，其中，在布置了由区段形成的层之后，至少在所述层上布置Al基合金，随后对所述制动元件实施热处理，使得至少由所述区段形成的层和所述Al基合金形成扩散结构。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述金属半成品的所述至少一个层借助磁脉冲焊接、钎焊焊接、滚压包覆、超声波焊接、摩擦焊接和/或其改型以材料锁合的方式与所述金属基体连接。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，对所述制动元件的至少所述摩擦面的表面进行最终机械加工。
12.一种制动元件，所述制动元件具有至少一个金属基体，所述金属基体具有施加在所形成的表面区域上的摩擦面，所述摩擦面是金属半成品的预制层，所述预制层借助接合方法以材料锁合的方式与金属基体连接。
13.根据权利要求12所述的制动元件，其中，至少一个层由不锈钢、金属基体复合材料、陶瓷基体复合材料、金属陶瓷、硬金属、纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料和/或铝化物材料类的材料制成。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，所述摩擦面具有0.1mm至4.0mm的层厚。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，存在由所述金属基体和所述金属半成品的层构成的接合区和/或在所述金属基体和所述金属半成品的层之间存在接合区，所述接合区在1μm至50μm之间。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，所述摩擦面由两个或更多个层形成。
17.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，所述层由不同的材料、形状和/或层厚构成。
18.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其特征在于，所述金属半成品的至少一个层由区段形成。
19.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，所述区段是圆形的、椭圆形的、多边形的和/或平坦自由形状的小板片。
20.根据前述权利要求中至少一项所述的制动元件，其中，至少所述摩擦面具有磨损识别特征。
21.根据权利要求20所述的制动元件，其中，所述磨损识别特征是表面凹陷和/或着色物质。
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