DE102007020891A1

DE102007020891A1 - Bremsscheibe und Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe

Info

Publication number: DE102007020891A1
Application number: DE102007020891A
Authority: DE
Inventors: Christoph Siegl; Xaver Dr. Wirth
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Eine Bremsscheibe mit Reibflächen, vorzugsweise für Landfahrzeuge, weist einen Grundkörper aus einem Basiswerkstoff auf, der zumindest an einer seiner Reibflächen zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag ganz oder abschnittsweise mit einer metallischen Reibbeschichtung versehen ist, die Verschleiß mindernde Hartpartikel, beispielsweise aus Keramik enthält, wobei die Reibbeschichtung (8) als Sprühkompaktierungsbeschichtung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Reibringe von Schienenfahrzeugen bestehen im Allgemeinen aus einem homogenen Werkstoff, z. B. aus Schmiedestahl, Stahlguß, Kugelgraphitguß, Grauguß oder Aluminium. Aluminium-Reibringe werden heute aus einer Keramikpartikel verstärkten Aluminiumlegierung mittels Gießverfahren hergestellt.
Um die Lebensdauer einer Bremsscheibe zu erhöhen, wäre es wünschenswert, die Verschleißschicht aus einem Werkstoff darzustellen, der verschleißfester als der kostengünstige Tragkörperwerkstoff ist.
Folgende Verfahren sind hierzu bekannt:

– Plasmaspritzen im Vakuum
– 3-Schichtgießen
– Heißisostatisches Pressen einer aufgebrachten Pulverschicht (HIP-Verfahren).

Zur Kostenreduzierung wurden bisher zwei Alternativlösungen untersucht bzw. entwickelt.
Die erste Lösung besteht in einem Mehrschichtgießverfahren, wie es im Patent EP 0 846 884 B1 beschrieben ist. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe für Schienenfahrzeuge beschrieben, bei dem die Bremsscheibe durch zeitversetztes Aufeinandergießen von Schmelze des Tragkörpermaterials und Schmelze des Schichtmaterials hergestellt wird, wobei sich im Übergangsbereich der beiden Materialien ein Gradientengefüge bildet, die zuerst gegossene Schmelze auf eine Temperatur zwischen Gießtemperatur und eutektischer Temperatur abgekühlt wird, die Schmelze im Sandgieß-, Niederdruck-, Gegendruck- oder Vakuumverfahren oder einer Kombination dieser Gießverfahren vergossen und die gegossene Bremsscheibe anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
Die zweite Alternativlösung ist das heißisostatische Pressen (HIP), bei dem unter Anwendung hoher Temperaturen, die kleiner als die Materialschmelztemperatur ist, und einer isostatischen Druckbeaufschlagung von mehreren Hundert MPa pulverförmige oder poröse Werkstoffe gleichmäßig verdichtet werden.
Das Plasmaspritzverfahren ist unwirtschaftlich und erlaubt nur das Aufbringen dünner Schichten. Dieses Verfahren wird deshalb nicht auf die Herstellung von Bremsscheiben verwendet.
Die beiden anderen Verfahren ergeben unter Laborbedingungen gute Ergebnisse. Sie werden aber nicht in der Produktion eingesetzt, da sie nicht ausreichend prozeßsicher sind oder der Aufwand für die Qualitätssicherung unwirtschaftlich hoch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremsscheibe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe der gattungsgemäßen Art zu entwickeln, die die oben genannten Nachteile beseitigt und eine kostengünstige und prozeßsichere Herstellung von Bremsscheiben gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere im Vergleich zum HIP-Verfahren eine sehr kostengünstige Beschichtungsart. Auch die Prozeßsicherheit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, verglichen mit dem HIP- oder Schichtgießverfahren, erhöht.
Insbesondere ist das Verfahren auf alle Reibringgrundwerkstoffe anwendbar, so z. B. auf Grauguß, Stahlguß, Schmiedestahl, Kugelgraphitguß oder Aluminium.
Außerdem kann unter verschiedenen verschleißreduzierenden Materialien wie beispielsweise SiC, Al₂O₃ oder Hartmetallpulver ausgewählt werden.
Auch sind Kombinationen von Metallen möglich, die sich nicht durch Schmelzen mischen lassen.
Als Verstärkungskomponenten sind möglich:
Oxide, Karbide, Nitride, Boride und Reinelemente wie C und Si.
Verfahrensbedingt sind überdies beliebige Verschleißschichtdicken erzeugbar.
Desweiteren ist eine geringere Nachbearbeitung notwendig, da nur geringe Bearbeitungsaufmaße erforderlich sind.
Als Reibbeschichtung auf Stahl- oder Graugußreibringen können Metalle mit sehr hoher Wärmeleitungsfähigkeit (z. B. Kupfer) oder geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, wodurch die Rißgefahr merklich reduziert werden kann, oder es können Metall- oder Keramikpartikel mit geringerem spezifischen Verschleiß als dem des Grundwerkstoffes aufgetragen werden.
Das Verfahren ist insbesondere für Bremsscheiben für Schienenfahrzeuge geeignet. Es ist aber auch für Nutzfahrzeugbremsscheiben anwendbar, da es, bedingt durch die großen Stückzahlen, auch in diesem Bereich sehr kostengünstig ist.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaubild einer prinzipielle Anordnung zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens,
2 eine Schnittansicht einer Bremsscheibe mit sprühkompaktierter Reibbeschichtung.
Die prinzipielle Anordnung zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens ist in 1 dargestellt.
Als Sprühkompaktieren bezeichnet man ein Verfahren, das aus der Verdüsung einer metallischen Schmelze und der Abscheidung der erstarrenden Tröpfchen auf einem Substrat besteht.
Zur Herstellung einer Bremsscheibe mit diesem Verfahren wird zuerst ein Bremsscheibentragkörper gegossen und vorbearbeitet.
Dieser Tragkörper kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aus Grauguß, Stahlguß, Schmiedestahl oder Kugelgraphitguß bestehen.
Bei der Vorbearbeitung wird die während des Gießvorgangs entstandene Oxidschicht auf der zu kontaktierenden Tragkörperoberfläche mechanisch oder mit einem sonstigen Verfahren entfernt. Danach wird der Tragkörper vorgewärmt, um die Haftung der darauf aufzubringenden Reibbeschichtung zu erhöhen und um Eigenspannungen nach dem Abkühlen zu minimieren.
Fertigungsablauf (prinzipiell):
Das Depostimaterial (z. B. Aluminiumlegierung) für die Reibbeschichtung wird in einem Tiegel 1 geschmolzen und anschließend in einen trichterförmigen Verteiler 2 gekippt. Unter diesem Verteiler ist eine Zerstäubergasdüse 3 angeordnet, mit Hilfe derer die Metallschmelze zerstäubt und auf den Träger aufgesprüht wird. Das Treibgas erzeugt außerdem eine Schutzgasatmosphäre auf der zu kontaktierenden Tragkörperoberfläche.
Gleichzeitig werden von einer zweiten Düse Hartpartikel (z. B. Keramikpulver) in den Metallschmelzensprühstrahl geblasen.
Die beiden Komponenten treffen unter hohen Geschwindigkeiten auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers auf und verbinden sich mit dieser. Das Aufsprühen der beiden Komponenten auf den Tragkörper wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Reibbelagdicke erreicht ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine solche in dieser Weise hergestellte Bremsscheibe.
Abhängig von den Prozeßparametern läßt sich so eine dichte Schicht aus Komponenten herstellen, die sich nicht legieren lassen, aber als Reibbeschichtung die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Wärmeleitvermögen oder Rißfestigkeit aufweisen.
Die Reibbeschichtung besteht damit aus einer Mischung aus metallischem Werkstoff und Keramikpartikeln. Die verschleißreduzierenden Partikel bestehen bevorzugt aus SiC, können aber auch aus Al₂O₃ oder anderen keramischen oder metallischen Hartwerkstoffen bestehen.
In die Verschleißschicht bzw. Reibbschichtung 8 können außerdem auch Metalle mit einer erhöhten Wärmeleitung (z. B. Kupfer) oder einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten eingebracht werden, wodurch zusätzlich die Rißgefahr der Verschleißschicht reduziert wird.
Die Verschleißschicht bzw. Reibbeschichtung ist vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm dick (je nach Einsatzfall).
Die bevorzugte Keramik-Partikelgröße beträgt 10 bis 40 mm.
Die Reibbeschichtung 8 kann auch Gradienteneigenschaften aufweisen, d. h. die Zusammensetzung ändert sich über die Verschleißdicke (senkrecht zur Reiboberfläche).
Zu diesem Zweck werden die Massenströme aus den Sprühdüsen entsprechend seitlich verändert. Beispielsweise kann dadurch die Hartpartikelkonzentration an der Reiboberfläche höher sein als in der Nähe des Tragkörpers.
Allmähliche Änderungen der Werkstoffeigenschaften, vor allem im Bereich des Überganges zum Grundkörper wirken sich meist günstig in bezug auf Wärmespannungen aus, vor allem dann, wenn Reibbeschichtung und Tragwerkstoff unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

1: Tiegel
2: Verteiler
3: Zerstäubergasdüse
4: Metallschmelzensprühstrahl
5: Keramikpartikeldüse
6: Keramikpartikelsprühstrahl
7: Bremsscheibe
8: Verschleißschicht/Reibbschichtung
9: Tragkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0846884 B [0006]

Claims

Bremsscheibe mit Reibflächen, vorzugsweise für Fahrzeuge, wobei die Bremsscheibe (7) einen Tragkörper (9) aufweist, der zumindest an einer seiner Reibflächen zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag ganz oder abschnittsweise mit einer Reibbeschichtung (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) als Sprühkompaktierungsbeschichtung auf dem Tragkörper (9) ausgebildet ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) aus einer erstarrten metallischen Schmelze und darin eingelagerten Keramikpartikeln besteht.
Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (9) aus Grauguss, Stahlguss, Schmiedestahl, Kugelgraphitguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metalle mit einer Wärmeleitfähigkeit enthält, die größer ist als die des Tragkörpers.
Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Kupfer enthält.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metalle mit geringerer Wärmeausdehnung als die des Tragkörpers enthält.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metall- oder Keramikpartikel mit geringerem spezifischen Abrasivverschleiß als dem des Tragkörpers (9) enthält.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) als Keramikpartikel SiC, Al₂O₃ oder andere Keramiken enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a. Gießen oder Schmieden und Vorbearbeiten des Tragkörpers (9); b. gegebenenfalls Entfernen der Oxidschicht auf der zu kompaktierenden Oberfläche; c. Vorwärmen des Tragkörpers (9); d. Aufsprühen der Reibbeschichtung (8); e. Abkühlen der Reibbeschichtung (8) und des Tragkörpers (9); f. Fertigbearbeiten der Bremsscheibe (7).
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen der Reibbeschichtung derart erfolgt, dass die Metallschmelze von einer Zerstäubergasdüse (3) zerstäubt und auf den Träger aufgesprüht wird und gleichzeitig Hartpartikel von einer zweiten Düse (5) in den Metallschmelzensprühstrahl (4) geblasen werden, wobei die beiden Komponenten Metallschmelze und Hartpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers auftreffen und sich mit der Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers verbinden.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen der Reibbeschichtung (8) unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung dieser Verfahrens Reibbeschichtungsdicken bis etwa 10 mm realisiert werden.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) der art ausgelegt wird, dass sie Gradientencharakter aufweist, d. h. die Reibschichtzusammensetzung ändert sich über ihre Dicke.