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Die
Erfindung betrifft einen Reibring für eine Bremsscheibe
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum
Herstellen eines Reibrings nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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An
Reibringe für Bremsscheiben von Scheibenbremsen werden
mehrfache, teils widersprüchliche Anforderungen gestellt.
Zum einen müssen Reibringe möglichst leicht sein,
um die ungefederten Massen des Kraftwagens so gering wie möglich
zu halten und damit den Komfort der Fahrzeuginsassen zu verbessern.
Weiterhin müssen Reibringe eine gute Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um die beim Bremsbetrieb anfallende Reibungswärme
möglichst gut ableiten zu können. Eine weitere
Anforderung ist ein gutes tribologisches Verhalten, welches für
eine optimale Funktion der Scheibenbremse essentiell ist. Weiterhin
sind Reibringe in ihrem Alltagsbetrieb einer Vielfalt von Umwelteinflüssen
ausgesetzt, da sie sich offen in einem fahrbahnnahen Bereich des
Kraftwagens befinden und somit stark korrodierenden Einflüssen,
wie beispielsweise Steinschlag, Streusalz und dergleichen unterliegen.
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Aufgrund
der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und sehr
guten tribologischen Eigenschaften wird als Grundmaterial für
Reibringe heutzutage meist Gusseisen verwendet. Die Vorteile von
Gusseisen in Bezug auf Wärmeleitung und Reibwert werden jedoch
durch ein nachteilig hohes Gewicht sowie durch eine relativ geringe
Korrosionsbeständigkeit erkauft.
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Um
die Korrosionsbeständigkeit derartiger Reibringe zu erhöhen,
ist es bekannt, auf Reibflächen der Reibringe Beschichtungen
aufzubringen. So offenbart die
DE 103 42 743 A1 eine Bremsscheibe für
ein Fahrzeug, welche eine mindestens im Bereich der äußeren
Oberfläche verschleißfeste Schicht trägt,
wobei zwischen der verschleißfesten Schicht und dem Grundkörper
der Bremsscheibe ein Bereich aus einem Material zur Haftvermittlung
vorgesehen ist. Insbesondere sieht die
DE 104 42 743 A1 vor, die äußere
Schicht als Gradientenschicht auszubilden, deren Zusammensetzung
sich in Schichtdickenrichtung ändert. Solche mehrschichtigen
oder als Gradientenschichten ausgebildete Beschichtungen sind herstellungstechnisch
nur sehr aufwändig zu realisieren und verteuern daher die Bremsscheiben
nicht unbeträchtlich.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bremsscheibe
der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche hochkorrosionsbeständig und
gleichzeitig kostengünstig in ihrer Herstellung ist. Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Herstellen einer solchen Bremsscheibe bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Reibring mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch
5 gelöst.
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Ein
derartiger Reibring für eine Bremsscheibe einer Scheibenbremse
für einen Kraftwagen weist einen Grundkörper mit
wenigstens einer Reibfläche und einer zumindest bereichsweise
auf die Reibfläche aufgetragenen Beschichtung auf. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass die Beschichtung eine direkt auf die Reibfläche
aufgebrachte Schicht aus einer Wolframbasislegierung umfasst.
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Derartige
Hartmetalllegierungen sind für ihre außerordentlich
Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenhärte
bekannt. Wolframbasierte Beschichtungen für Reibringe können
exzellente Oberflächenhärten zwischen 1000 und
1500 HV1 erreichen, was sowohl das Bremsverhalten, als auch die
Korrosionsbeständigkeit der Bremsscheibe wesentlich verbessert. Überraschend
hat es sich herausgestellt, dass bei derartig beschichteten Reibringen
weder aus Gründen der Haftfestigkeit noch aus Gründen
der Wärmeübertragung Zwischenschichten notwendig
sind. Vielmehr können derartige Beschichtungen einfach direkt
auf die Reibfläche – also einen Grundkörper der
Bremsscheibe – aufgebracht werden, was die Herstellung
einer derartigen Bremsscheibe deutlich verbilligt.
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Bevorzugt
weist die Beschichtung zusätzlich Chrom und/oder Nickel
als Legierungsbestandteile auf. Durch das Zufügen von Chrom
oder Nickel können die tribologischen, mechanischen und
die Wärmeleiteigenschaften der Beschichtung weiter verbessert
werden. Bevorzugt enthält die Beschichtung dabei 20 bis
35 Gew.-% Chrom und 5 bis 15 Gew.-% Nickel.
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In
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
enthält die Beschichtung 27 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Nickel
und als Restbestandteil Wolfram sowie die legierungsüblichen herstellungsbedingten
Verunreinigungen. Durch die genannte Zusammensetzung wird eine besonders harte,
korrosionsbeständige und hochwarmfeste Legierung erzielt,
die sowohl den Ansprüchen an Korrosionsbeständigkeit
und Härte als auch an Wärmeleitfähigkeit,
die an Reibringe für Scheibenbremsen gestellt werden, hervorragend
genügt.
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Durch
die hervorragenden Eigenschaften derartiger Beschichtungen ist es
insbesondere auch möglich, den Grundkörper des
Reibringes nicht mehr, wie meist üblich aus Grauguss, sondern
beispielsweise aus Leichtmetallen wie Aluminium zu fertigen. Damit
werden zusätzlich ungefederte Massen des Kraftwagens eingespart,
sodass sich der Komfort der Fahrzeuginsassen erhöht sowie
durch die Gesamtgewichtseinsparung auch die CO2-Emissionen
des Kraftwagens reduziert werden. Weiterhin kann durch die Ausführung
des Reibringes aus Aluminium auf aufwändige Fügetechnik
bei der Herstellung heute üblicher zweiteiliger Bremsscheiben
verzichtet werden, indem die Gesamtbremsscheibe – also
Bremsscheibentopf und Reibring – aus einem Grundwerkstoff
gefertigt werden kann.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines
Reibrings für eine Bremsscheibe einer Scheibenbremse für
einen Kraftwagen, bei welchem auf eine Reibfläche des Reibrings
zumindest bereichsweise eine Beschichtung durch thermisches Spritzen
direkt aufgebracht wird. Erfindungsgemäß ist dabei
vorgesehen, dass die Beschichtung 27 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Nickel
und als Restbestandteil Wolfram und die legierungsüblichen,
herstellungsbedingten Verunreinigungen enthält. Hierdurch
wird auf herstellungstechnisch einfachste Weise eine besonders korrosionsbeständige,
hochwarmfeste und harte Beschichtung eines Reibrings erzielt.
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Bevorzugt
wird die Beschichtung durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgebracht. Hierbei
wird durch Verbrennen eines Brenngases unter Sauerstoffzufuhr eine
Pulvermischung mit den Legierungsbestandteilen aufgeschmolzen und
mit dem Gasstrom durch eine Expansionsdüse geleitet. Durch
die hohen resultierenden Partikelgeschwindigkeiten der aufgeschmolzenen
Legierungspartikel ergibt sich eine besonders hohe Haftfestigkeit
der resultierenden Beschichtung bei sehr geringer Porosität.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen in schematischer
Darstellung;
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2 eine
Schnittdarstellung durch die beschichtete Reibfläche eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Reibrings und
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3 eine
Ausschnittvergrößerung aus 2.
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Zum
Aufbringen einer Beschichtung auf eine Reibfläche eines
Reibrings für eine Scheibenbremse können thermische
Spritzverfahren wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
verwendet werden. In einer Flammspritzvorrichtung 10 wird
dabei ein durch eine erste Zufuhrleitung 12 zugeführtes Brenngas-Sauerstoffgemisch
verbrannt. Dem Brenngas-Sauerstoffgemisch wird durch eine zweite
Zufuhrleitung 14 eine Mischung aus einem Fördergas und
pulverförmigen Legierungsbestandteilen zugesetzt, wobei
die pulverförmigen Legierungsbestandteile in der Flamme
des Brenngas-Sauerstoffgemisches aufschmelzen. Durch eine Expansionsdüse 16 wird
der resultierende Strom aus Verbrennungsgasen, Fördergas
und aufgeschmolzenen Spritzpartikeln auf die zu beschichtende Oberfläche 18 hin
beschleunigt. Aufgrund der hohen zu erreichenden Partikelgeschwindigkeiten
in der Flamme 20 können hierdurch Oberflächenschichten
mit hoher Haftfestigkeit bei geringer Porosität erzielt
werden. Je nach Material und Schichtdicke ist es dabei möglich,
Härten bis zu 1400 HF0,3 zu erzielen.
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In
der vorliegenden Anwendung wird das genannte Verfahren zum Beschichten
einer Reibfläche 22 eines Reibringes 24 für
eine Bremsscheibe verwendet. Hierdurch wird, wie im Schliffbild
in 2 ersichtlich, eine Spritzschicht 24 mit
einer Schichtdicke d von 45 bis 135 μm erhalten, welche
aus einer Wolfram-Chrom-Nickel-Legierung mit ca. 27 Gew.-% Chrom
und 10 Gew.-% Nickel besteht. Die Oberflächenschicht 24 ist
insgesamt extrem kompakt und wenig porös und weist eine
relativ glatte äußere Oberfläche 26 auf.
Zur Verbesserung der Qualität der Oberfläche 26 kann
diese nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen noch schleifend
beispielsweise durch Planumfangsschleifen nachbearbeitet werden.
Die so erhaltene Rauhigkeit rz liegt zwischen 3 μm und
5 μm. Die Beschichtung 25 ist direkt auf den Grundkörper
des Reibringes 24 aufgebracht, ohne dass eine Zwischenschicht
oder ein Gradient verwendet wird. Der Grundkörper 24 des
Reibringes ist im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Grauguss ausgeführt
und weist ein im wesentlichen perlitisches Gefüge mit geringen
Ferrit- und Lamellengraphitanteilen auf.
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Wie
in den Schliffbildern der 2 und 3 zu erkennen,
wird beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen das Spritzgut nicht
vollständig aufgeschmolzen, sodass sich noch Strahlkörner 28 sowohl
in der Beschichtung 26 als auch im Randbereich des Grundkörpers 24 finden.
Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Schicht 25 haben
dabei ergeben, dass die Schicht als wesentlich durchgängige
Nickelbindephase mit eingelagerten Wolframkörnern und stellenweise
reinen Chromphasen aufgebaut ist.
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Bei
Schichtdicken zwischen 45 und 135 μm ergeben sich Härten
im Bereich von 800 bis 1000 HF0,1. Die Körnigkeit der Beschichtung 25 ist äußerst
gering und die Beschichtung 25 weist kaum Poren auf. Im Übergangsbereich
zwischen Beschichtung 25 und Grundkörper 24 des
Reibrings zeigt sich eine Verzahnung zwischen Beschichtung 25 und
Reibring 24, was zu einer außerordentlich hohen
Haftzugfestigkeit der Beschichtung 25 am Grundkörper 24 führt.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wurde diese
in der Größenordnung zwischen 78 und 88 MPa bestimmt.
Dies verdeutlicht nochmals, dass die gezeigte Beschichtung 25 ohne
zusätzliche haftvermittelnde Schichten aufgebracht werden
kann.
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- 10
- Flammspritzvorrichtung
- 12,
14
- Zufuhrleitungen
- 16
- Expansionsdüse
- 18
- Oberfläche
- 20
- Flamme
- 22
- Reibfläche
- 24
- Spritzschicht
- 25
- Beschichtung
- 26
- Oberfläche
- 28
- Strahlkörner
- d
- Schichtdicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10342743
A1 [0004]
- - DE 10442743 A1 [0004]