DE102004052673B4

DE102004052673B4 - Verschleißarme Bremsscheibe oder Bremstrommel und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004052673B4
Application number: DE102004052673.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahle; Suryakant Khambekar; Johann Baumgartner
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: WO2006048084A1; EP1812725A1; DE102004052673A1; US20070286961A1; WO2006048084A8

Abstract

Bremsscheibe oder Bremstrommel mit Reibflächen, a) wobei die Bremsscheibe (1) oder die Bremstrommel einen Grundkörper (7) aus einem Eisenguss-Werkstoff aufweist, der zumindest an einer seiner Reibflächen zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag ganz oder abschnittsweise mit einer metallischen Spritzbeschichtung (8) versehen ist, b) wobei die Spritzbeschichtung (8) als Flamm-, Lichtbogen- oder Plasma-Spritzbeschichtung oder Explosionsbeschichtung ausgebildet ist und aus einem härteren Metall als der Grundkörper besteht, das oxidationsresistenter und verschleißresistenter als der Grundkörper ist, c) die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit einem Cr-Gehalt realisiert ist. dadurch gekennzeichnet, dass d) der Spritzdraht einen Cr-Gehalt von mehr als 20 Gew.-% aufweist; und daß e) die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,5 Gew.-% realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bremsscheiben und Bremstrommeln setzen die beim Bremsen aufgebrachte Reibleistung in Wärme um. Durch die Reibarbeit entsteht ein Verschleiß an den Reibpartnern, was einen Austausch der Reibpartner beim Erreichen einer zulässigen Verschleißgrenze erfordert.
Ein weiterer Grund der häufig zum Wechseln von Bremsscheiben und Trommeln zwingt, sind Veränderungen in der Ebenheit bzw. Rundheit und damit verbundene Dickenschwankungen besonders bei Bremsscheiben. Als Folge dieser Veränderungen treten u. U. ein Rubbeln und Dröhnen auf, das zu Schwankungen des Bremsmoments führt und somit Auswirkungen auf die Fahrzeugstabilität und Fahrsicherheit haben kann.
Veränderungen der Oberfläche können zum einen durch thermische Belastungen die zu Verwerfungen des Reibkörpers oder partielle Materialveränderungen durch Hotspotbildung entstehen, oder durch Kaltauswaschungen, d. h. im nicht gebremsten Zustand berühren sich immer wieder kurzzeitig Bremsscheibe und Beläge und führen so zu ungleichmäßigem Verschleiß. Auch bei abgestelltem Fahrzeug können sich Veränderungen in den Oberflächen infolge von Korrosion der Reibfläche oder ein Anrosten der Bremsbeläge ergeben.
Durch den Einsatz von verschleißfesteren Materialien wie speziellen Graugußlegierungen, Aluminiumlegierungen mit Anteilen von Siliziumverbindungen oder Verbundmaterialien aus Faserwerkstoffen mit einer Einlagerung von keramischen Materialien wurde bereits versucht, diesen Effekten zu begegnen. Dabei wird in der Regel versucht, die verschleißreduzierenden Materialien auf den gesamten Reibkörper gleichmäßig zu verteilen. Dies führt zu hohen Kosten und u. U. dennoch nur zu wenig befriedigenden Ergebnissen.
Entwicklungen, bei denen der Verschleißschutz beispielsweise als Spritzbeschichtung nur innerhalb weniger Millimeter in der Oberfläche der Reibfläche konzentriert ist, bringen das Problem mit sich, daß sich bei hohen Belastungen durch die Paarung unterschiedlicher Werkstoffe zwischen Grundkörper und Reibschicht Spannungen aufbauen, die zu Rissen, Riefen und zum Abplatzen der Spritzbeschichtung führen.
Aus der DE 100 56 161 A1 und der DE 101 20 326 A1 ist es bekannt, ein chromhaltiges Material durch Flamm-, Lichtbogen- oder Plasmaspritzen im Verschleißbereich der Reibflächen auf einen Grundkörper aus Grauguss aufzutragen. Da anstelle einer keramischen eine metallische Spritzbeschichtung eingesetzt wird, wird die Haftung der Spritzbeschichtung gegenüber Bremsscheiben mit keramischen Beschichtungen auf einfache Weise optimiert. Dabei besteht die Spritzbeschichtung aus einem härteren Metall als der Kern, insbesondere einem unlegierten oder legierten Stahl.
Vorzugsweise besteht die Spritzbeschichtung aus einer Cr enthaltenden Stahllegierung. Insbesondere liegt der Cr-Gehalt der Spritzbeschichtung zwischen 10 und 20%. Mit einer Spritzbeschichtungsdicke von 0,7 mm lässt sich bei Einsatz einer Spritzbeschichtung mit dem angegebenen Cr-Gehalt oftmals eine Verdopplung der Lebensdauer der Bremsscheibe erreichen. Diese Bremsscheibe eignet sich gut für Nutzfahrzeuge und ist insbesondere auch bei sehr gut bei Personenkraftwagen – gerade im gehobenen und sportlichen Bereich – einsetzbar.
Die EP 0818549 A1 offenbart eine Beschichtung eines durch Verschleiß sehr stark belasteten Schiebeventilsitzes in der Zuckerindustrie mit einem Chromgehalt von über 20 Gew.-%.
Die EP 0818549 A1 offenbart zudem einen Zwischenlagerbehälter einer Zelluloselösung in der Papierfabrik mit einer Beschichtung von mehr als 0,5 gew.-% Kohlenstoff.
Die EP 1 209 246 A2 beschreibt die Beschichtung von Bauteilen aus niedriglegierten Stählen. Bei diesen Oberflächenbeschichtungen geht es primär um den Oberflächen-Korrosionsschutz von Stahlbauteilen vor nassen salzartigen Medien bei Raumtemperatur, wobei auf die Beschichtung noch zusätzlich ein Zweikomponenten-Epoxidharz aufgebracht werden kann.
Die US 3 819 384 A offenbart, eine Ferrochrome Legierung mit einem Anteil von 66 Gew.-% Chrom und 6,4 Gew.-% Kohlenstoff als Vergleichsbeschichtung.
Die Erfindung setzt vor diesem Hintergrund bei der Aufgabe an, die vorteilhaften gattungsgemäßen Bremsscheiben und Bremstrommeln – wie sie prinzipiell in der DE 100 56 161 A1 und der DE 101 20 326 A1 beschrieben sind – noch weiter zu optimieren.
Diese Aufgabe löst die Erfindung in Hinsicht auf die Bremsscheibe und die Bremstrommel durch den Gegenstand des Anspruches 1 und schafft auch ein vorteilhaftes Verfahren zu deren Herstellung, das in Anspruch 7 angegeben ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Nach der Erfindung wird die Spritzbeschichtung des ein- oder mehrstückigen Grundkörpers mittels eines Spritzdrahtes mit mehr als 20 Gew.-% Cr-Gehalt realisiert, da die Verwendung derartiger Spritzdrähte zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit bei ansonsten weiter guten Eigenschaften führt.
Bewährt hat sich insbesondere der Einsatz von Spritzdrähten mit Chromgehalt von 25%–30%, vorzugsweise 28%, der zu einer besonders deutlichen Reduzierung der Korrosionsanfalligkeit bei weiter guten Verschleißeigenschaften führt.
Ergänzt wird die Maßnahme der Erhöhens des Cr-Gehaltes bevorzugt von einem Kohlenstoffgehalt der Spitzdrähte von mindestens 0,5%, da dies zu einer erhöhten Karbidbildung – also großer Verschleißresistenz – führt, ohne die Korrosionsfreiheit zu verlieren.
Besonders bevorzugt wird nach einer weiter Option, die gegenüber den Stand der Technik auch als selbstständige Erfindung zu betrachten ist, eine Sperrschicht zwischen der Spritzbeschichtung und dem Grundmaterial des Grundkörpers ausgebildet, die aus einem weicheren metallischen Material als die Spritzbeschichtung besteht und vorzugsweise eine Dicke von 0,05 bis 0,1 mm hat. Die Speerschicht kann Molybdän- oder nickelhaltig sein.
Die Sperrschicht führt zu einer gleichmäßigen und guten Wärmeverteilung, schützt den Grundkörper im Bereich der Sperrschicht ergänzend vor Korrosion und reduziert durch seine Zähigkeit und geringere Härte Eigenspannungen in der Spritzbeschichtung. Besonders bevorzugt wird nach einer weiteren – wiederum vorzugsweise optional aber auch selbstständig zu betrachtenden – Variante eine Wärmebehandlung nach dem Spritzprozess zur Reduzierung von Eigenspannungen und weiterer Ausscheidung von Karbiden durchgeführt.
Als ganz besonders vorteilhaft hat sich die Kombination der Maßnahmen erhöhter Cr-Gehalt, weichere Zwischenschicht und Wärmebehandlung herausgestellt, die zu einer weitgehend korrosionsbeständigen und dennoch verschleißfesten und abspaltsicheren Reibschicht zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag führt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, wobei auch weitere Vorteile der Erfindung deutlich werden. Es zeigt:
1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe;
2 ein Schliffbild durch einen Bereich einer Spritzbeschichtung und den Rand des Graugusskernes in Vergrößerung.
1 zeigt eine Bremsscheibe 1, die zwei Reibringe 2, 3 aufweist, welche über Stege 4 einstückig miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Reibringen 2, 3 sowie den Stegen ein Lüftkanal 5 ausgebildet wird. An den einen Reibring 2 ist an topfartiger Ansatz 6 zur Befestigung der Bremsscheibe an einer hier nicht gezeigten Radnabe dargestellt.
Die beiden Reibringe 2, 3 sowie die Stege (und hier auch der Ansatz 6) bilden zusammen einen einstückigen Bremsscheibengrundkörper bzw. einen Kern 7.
Ein analoger – entsprechend anders konstruierter – Grundkörper z. B. aus Grauguss kann für eine Bremstrommel realisiert werden (hier nicht dargestellt).
Nach 1 ist der Kern 7 an seinen beiden axialen Außenflächen jeweils mit einer verschleißresistenten metallischen, nichtkeramischen Spritzbeschichtung 8 als Reibfläche versehen. Nach 1 sind die vollständigen axialen Außenflächen mit der Spritzbeschichtung überzogen.
Bei Bremsungen wird also bis zum vollständigen Verschleiß der Spritzbeschichtung 8 lediglich diese als Reibfläche dem bei Bremsungen auftretenden Abrieb ausgesetzt.
Da die metallische Spritzbeschichtung 8 härter ist als der Kern 7 aus Grauguß, wird die Lebensdauer der Bremsscheibe erhöht. Da aber der wesentliche Volumenanteil der Bremsscheibe, nämlich der Kern 7, aus Grauguß besteht, bleiben dessen vorteilhafte weitere Eigenschaften z. B. hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und der Neigung zur Rißbildung erhalten oder werden sogar durch das Auftragen der Spritzbeschichtung verbessert.
Da die Verschleißreduzierung maßgeblich auf die Bildung von Karbiden und Oxiden aus dem Chrom und anderen Bestandteilen des eingesetzten Materials im Spritzprozess beruht, müssen diese Bestandteile in ausreichender Konzentration vorhanden sein.
Beim Einsatz eines Spritzdrahtes mit 17% Cr nach dem Stand der Technik werden in der Spritzbeschichtung 5 bis 7% in Chromcarbide und Chromoxide verwandelt. Gleichzeitig fällt der Anteil des freien Chroms auf 10 bis 13% ab, wodurch die Schicht zwar verschleißfest aber auch anfällig gegen Korrosion wird.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Spritzdrähten mit erhöhtem Cr-Gehalt von insbesondere 25 bis 30% Cr, insbesondere 28% Cr kann dagegen auf einfache Weise eine genügende Korrosionsbeständigkeit gegen Salzwasser erzielt werden.
Gleichzeitig kann durch einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,5% die Karbidbildung deutlich gesteigert werden. Mit der gesteigerten Karbidbildung erhöhen sich aber auch die Gesamthärte der Schicht und die inneren Spannungen.
Bei stärkeren Bremsungen kann es dann u. U. zu Rissen in der Spritzbeschichtung kommen, die im Extremfall zu einem Ablösen der Schicht führen. Diesem Effekt kann wiederum auf einfache Weise durch eine Wärmebehandlung begegnet werden, die nach dem Spitzgussbeschichten durchgeführt wird. So hat eine Wärmebehandlung bei 650°C zu verbesserten Ergebnissen geführt.
Bei flachen Bremsscheiben ist auch ein Induktionsverfahren denkbar, bei dem die Reibflächen stark erhitzt werden und die Bremsscheiben sofort nach der Erwärmung aufeinander gestapelt in einem abgeschlossenen Raum die Temperatur nur sehr langsam wieder abgeben.
Zur weiteren Verbesserung der Haftung der Spritzbeschichtung am Grundmaterial des Grundkörpers 7 ist eine Sperrschicht 9 zwischen Verschleißschutzschicht 8 und Grundmaterial von Vorteil (siehe die linke Seite der Bremsscheibe aus 1 und die Linien, welche die Sperrschicht im Schnittbild der 2 begrenzen).
Die Sperrschicht 9 hat die Aufgabe die Wärme gleichmäßig zu verteilen, das Grundmaterial vor Korrosion zu schützen und durch seine Zähigkeit und geringere Härte Eigenspannungen in der Spritzbeschichtung reduzieren.
Besonders geeignet sind zur Realisierung der Sperrschicht 9 Molybdän und/oder stark nickelhaltige Materialien.
Diese Sperrschicht 9 wird bevorzugt ebenfalls in einem Spritzprozess aufgebracht. In Versuchen wurde der vorteilhafte Effekt für eine nickelhaltige Schicht bestätigt.
Durch die im Vergleich zu der chromhaltigen Spritzbeschichtung deutlich geringere Härte der Nickelschicht (150 bis 180 HV1) können Spannungen in der Spritzbeschichtung deutlich reduziert werden. Die Reibkörper sind so weniger anfällig gegen feine Spannungsrisse.
Begünstigt wird dies auch durch die deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit der Nickelschicht mit ca. 50 W/mK gegenüber der Chromschicht mit ca. 15 W/mK. Die beim Bremsen entstandene Wärme wird schneller von der Nickelschicht aufgenommen als dies Grauguss alleine vermag. Die Hotspotbildung lässt sich damit reduzieren. Die weiche Sperrschicht 9 verhindert weiterhin, daß dann, wenn sich erste Risse in der Spritzbeschichtung 8 gebildet haben, diese bis zum Grundmaterial fortschreiten. Sie wirkt daher vorteilhaft als Rissstopper.
Ein korrosiver Angriff des Grundmaterials wird dadurch und durch die Korrosionsbeständigkeit der Sperrschicht 9 selbst verhindert. Ein Abplatzen der Schicht infolge Korrosion tritt nicht mehr ein. Die Sperrschicht 9 hat eine Dicke von 0,05 bis 0,1 mm. Besonders bewährt haben sich ferner wiederum axiale Spritzbeschichtungsdicken von 0,3 bis 1,5 mm, vorzugsweise 0,5–1,2 mm, insbesondere 0,6–0,9 mm.
Die erfindungsgemäße Bremsscheibe oder Bremstrommel mit Reibfläche ist vorzugsweise für Landfahrzeuge bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: Bremsscheibe
2, 3: Reibringe
4: Stege
5: Lüftkanal
6: Ansatz
7: Kern
8: Spritzbeschichtung
9: Zwischenschicht

Claims

Bremsscheibe oder Bremstrommel mit Reibflächen, a) wobei die Bremsscheibe (1) oder die Bremstrommel einen Grundkörper (7) aus einem Eisenguss-Werkstoff aufweist, der zumindest an einer seiner Reibflächen zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag ganz oder abschnittsweise mit einer metallischen Spritzbeschichtung (8) versehen ist, b) wobei die Spritzbeschichtung (8) als Flamm-, Lichtbogen- oder Plasma-Spritzbeschichtung oder Explosionsbeschichtung ausgebildet ist und aus einem härteren Metall als der Grundkörper besteht, das oxidationsresistenter und verschleißresistenter als der Grundkörper ist, c) die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit einem Cr-Gehalt realisiert ist. dadurch gekennzeichnet, dass d) der Spritzdraht einen Cr-Gehalt von mehr als 20 Gew.-% aufweist; und daß e) die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,5 Gew.-% realisiert ist.
Bremsscheibe oder Bremstrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit 25 bis 30 Gew.-% Cr-Gehalt realisiert ist.
Bremsscheibe oder Bremstrommel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrschicht (9) zwischen der Spritzbeschichtung (8) und dem Grundmaterial des Grundkörpers (7) ausgebildet ist, die aus einem weicheren metallischen Material als die Spritzbeschichtung (8) besteht.
Bremsscheibe oder Bremstrommel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (9) eine Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufweist.
Bremsscheibe oder Bremstrommel nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (9) molybdänhaltig ist.
Bremsscheibe oder Bremstrommel nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (9) nickelhaltig ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe oder Bremstrommel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes aus einem Stahl mit mehr als 20 Gew.-% Cr-Gehalt realisiert wird und daß die Spritzbeschichtung (8) mittels eines Spritzdrahtes mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,5 Gew.-% realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrschicht (9) zwischen der Spritzbeschichtung (8) und dem Grundmaterial des Grundkörpers (7) ausgebildet wird, die aus einem weicheren metallischen Material als die Spritzbeschichtung (8) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Spritzbeschichten eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beschichten eine Wärmebehandlung bei ca. 650°C – zwischen 600°C und 700°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mittels eines Induktionsverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmebehandlung ein Induktionsverfahren eingesetzt wird, bei dem die Reibflächen stark erhitzt werden und die Bremsscheibe oder Bremstrommeln sofort nach der Erwärmung relativ zum Erhitzen langsam wieder abgekühlt werden.