DE102010008202A1 - Method for manufacturing friction ring of composite brake disk of motor car, involves providing ultrasound for acting on melt during solidification for producing vertical particle density gradient in rigid friction ring - Google Patents

Method for manufacturing friction ring of composite brake disk of motor car, involves providing ultrasound for acting on melt during solidification for producing vertical particle density gradient in rigid friction ring Download PDF

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Abstract

The method involves providing melt (M+K) of matrix metal e.g. aluminum or an aluminum alloy, and hard material particles, and casting the melt into a horizontally aligned mold (5) of a friction ring (1), where the friction ring is made of composite material that contains ceramic hard material particles e.g. silicon carbide and corundum, in a metallic matrix. Ultrasound (US) acts on the melt during solidification for producing vertical particle density gradient in the rigid friction ring. A surface area (2) of the friction ring is ground with increased particle density. An independent claim is also included for a composite brake disk comprising two friction rings arranged in a brake part.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Reibring aus einem Verbundwerkstoff, der keramische Hartstoffpartikel in einer Metallmatrix umfasst, sowie den Reibring selbst und eine Verbundbremsscheibe mit solchen Reibringen.The invention relates to a manufacturing method for a friction ring made of a composite material comprising ceramic hard material particles in a metal matrix, and the friction ring itself and a composite brake disc with such friction rings.

Unter dem Aspekt der Leichtbauweise ist es in der Automobilbranche gewünscht, Fahrzeugkomponenten aus Grauguss durch leichtere Werkstoffe zu ersetzen. Dabei kommen feste Aluminiumlegierungen zum Einsatz, insbesondere die so genannten Metallmatrixverbundlegierungen, die Verstärkungspartikel umfassen, um dem Verbundwerkstoff die erforderlichen mechanischen, thermischen Eigenschaften sowie die Werkstoffcharakteristika zu verleihen. Die Herstellung von Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge auf einer solchen Aluminiummetallmatrixverbundlegierung erfolgt beispielsweise durch Unterdruckinfiltration in eine keramische Pre-Form oder durch Gießen geschmolzener Aluminium-MMC-Barren, die keramische Hartstoffpartikel meistens aus Siliziumkarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen enthalten. Oft werden Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt. Eine häufig verwendete Legierung der Firma Alcan Inc., Canada, ist die Duralcan R-Legierung, die mit bis zu 20 Volumenprozent Siliziumkarbidhartstoffpartikeln verstärkt wird.In terms of lightweight construction, in the automotive industry it is desirable to replace gray cast iron vehicle components with lighter materials. In this case, solid aluminum alloys are used, in particular the so-called metal matrix composite alloys comprising reinforcing particles in order to give the composite the required mechanical, thermal properties and the material characteristics. The production of brake disks for motor vehicles on such an aluminum metal matrix composite alloy is carried out, for example, by vacuum infiltration into a ceramic preform or by casting molten aluminum MMC ingots containing ceramic hard particles mostly of silicon carbide or corundum in different shapes and sizes. Often aluminum-silicon alloys are used. A commonly used alloy from Alcan Inc., Canada, is the Duralcan R alloy, which is reinforced with up to 20 volume percent silicon carbide hardstock.

Insbesondere bei der Verwendung in einem Tribosystem, wie einer Bremsscheibe und dem Bremsbelag spielen die tribologischen Eigenschaften der Legierungen im Vergleich zu den mechanischen oder thermischen Eigenschaften eine wichtige Rolle.In particular, when used in a tribological system, such as a brake disc and the brake pad, the tribological properties of the alloys play an important role compared to the mechanical or thermal properties.

Um die Reibungseigenschaften einer Oberfläche einer solchen Legierung hinsichtlich einer Verbesserung eines Bremsvorgangs und auch des Verschleißens einer Bremse zu modifizieren, werden beispielsweise die Reibflächen des Reibrings einer Bremsscheibe speziell beschichtet. So kann beispielsweise an vorgefertigte Aluminiumreibringe eine Reibschicht angegossen werden, die eine höhere keramische Partikeldichte aufweist. Der Anteil von keramischen Hartstoffpartikeln an der Reibfläche bestimmt die tribologischen Eigenschaften der Bremsscheibe, insbesondere auch die Effizienz der Transferfilmbildung sowie die Verschleißfestigkeit der Oberfläche.In order to modify the friction properties of a surface of such an alloy in terms of improving a braking process and also the wear of a brake, for example, the friction surfaces of the friction ring of a brake disc are specially coated. Thus, for example, a friction layer can be cast onto prefabricated aluminum friction rings, which has a higher ceramic particle density. The proportion of ceramic hard material particles on the friction surface determines the tribological properties of the brake disk, in particular the efficiency of the transfer film formation and the wear resistance of the surface.

Aus der US 5,980,792 ist eine Partikelverteilung in rotationsgegossenen Verbundbauteilen bekannt. Die Komponenten des Verbundwerkstoffs weisen unterschiedliche Dichten auf, so dass sich während des Rotationsgießens des verflüssigten Verbundsmaterials die Partikel mit der höheren Materialdichte infolge der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft am Umfang der so gegossenen Scheibe anhäufen. Zentrumsnahe Bereiche verarmen an Verstärkungspartikeln. Bei dem Verbundwerkstoff handelt es sich hier um eine mit Siliziumkarbid verstärkte Aluminiumlegierung.From the US 5,980,792 is a particle distribution in rotationsgegossenen composite components known. The components of the composite have different densities such that during the rotational molding of the liquefied composite, the higher density particles accumulate on the circumference of the thus cast disk due to the centrifugal force acting thereon. Near-center areas deplete of reinforcing particles. The composite material is a silicon carbide reinforced aluminum alloy.

Aus der WO 2005/06 99 72 A2 ist eine Scheibenbremsenanordnung und ein Herstellungsverfahren dafür offenbart. Reibringe aus einem partikelverstärkten Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoff, Keramikmatrixverbundwerkstoff oder einem Karbongraphitschaum werden an den ringförmigen Flächen einer zentralen Laufscheibe befestigt, die aus einem anderen Material besteht, indem zwischen den Reibringen und der zentralen Laufscheibe Verbindungsschichten auf einer Metalllegierung mit niedrigerem Schmelzpunkt und einem Hochtemperaturklebstoff angeordnet werden. Damit genügt die Bremsscheibe nicht nur Leichtbauanforderungen und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften, sondern weist auch ein verbessertes thermisches und akustisches Verhalten auf.From the WO 2005/06 99 72 A2 there is disclosed a disc brake assembly and method of manufacture therefor. Friction rings of a particle-reinforced aluminum-based metal matrix composite, ceramic matrix composite or carbon graphite foam are attached to the annular surfaces of a central disk made of a different material by interposing interconnecting layers on a lower melting point metal alloy and a high temperature adhesive between the friction rings and the central disk. Thus, the brake disc not only meets lightweight design requirements and the required mechanical properties, but also has an improved thermal and acoustic behavior.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, Reibringe aus einem Verbundwerkstoff, der keramische Hartstoffpartikel in einer Metallmatrix aufweist, kostengünstig und prozesssicher mit an den Reiboberflächen verbesserten tribologischen Eigenschaften herzustellen.Based on this prior art, it is an object of the invention to produce friction rings made of a composite material which has ceramic hard material particles in a metal matrix in a cost-effective and reliable manner with improved tribological properties on the friction surfaces.

Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a manufacturing method having the features of claim 1.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Erschaffung eines Reibrings aus einem mit keramischen Hartstoffpartikeln verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoff, dessen Anteil an keramischen Verstärkungspartikeln an der Reiboberfläche gezielt erhöht ist. Diese Aufgabe wird durch einen Reibring mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.A further object is the creation of a friction ring made of a metal matrix composite material reinforced with ceramic hard material particles, whose proportion of ceramic reinforcing particles on the friction surface is purposefully increased. This object is achieved by a friction ring with the features of claim 3.

Die Aufgabe der Schaffung einer Verbundbremsscheibe, deren Reibring mit verbesserten tribologischen Eigenschaften ausgestattet ist, wird durch eine Verbundbremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.The object of providing a composite brake disc, the friction ring is equipped with improved tribological properties is achieved by a composite brake disc with the features of claim 6.

Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.Further developments are set forth in the respective subclaims.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich auf die Herstellung eines Reibrings aus einem mit keramischen Hartstoffpartikeln verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoff. Die keramischen Hartstoffpartikel weisen dabei eine höhere Dichte auf als die Metallmatrix. Nachdem in einem ersten Schritt eine Schmelze aus dem Matrixmetall mit den Hartstoffpartikeln bereitgestellt wurde, wird diese in eine horizontal ausgerichtete Reibring-Gussform eingegossen.A first embodiment of the method according to the invention relates to the production of a friction ring made of a reinforced with ceramic particles of metal matrix composite material. The ceramic hard material particles have a higher density than the metal matrix. After a melt of the matrix metal has been provided with the hard material particles in a first step, it is poured into a horizontally oriented friction ring mold.

Horizontal ausgerichtet bedeutet hierbei, dass die Reibring-Gussform derart ausgeprägt oder ausgestellt ist, dass sich ein gegossener Reibring in einer horizontalen Ebene erstreckt, das heißt, dass eine virtuelle Drehachse des Reibrings in der Vertikalen liegt. Während des erstarren Lassens der ergossenen Schmelze erfolgt nun erfindungsgemäß ein Beaufschlagen der gegossenen Schmelze mit Ultraschall, wodurch ein vertikaler Partikeldichtegradient in dem erstarrenden Reibring erzeugt wird, der dann in dem erstarrten Reibring erhalten bleibt. Durch das Beaufschlagen mit Ultraschall wird die Viskosität der Matrixmetallschmelze reduziert, so dass ein Absinken der keramischen Hartstoffpartikel, die die größere Dichte besitzen, unter Schwerkrafteinfluss unterstützt wird. In Folge dessen wird eine in der Gussform unten liegende Seite des Reibrings einen erhöhten Anteil an keramischen Hartstoffpartikeln anweisen, während eine in der Gussform oben liegende Seite des Reibrings an Hartstoffpartikeln verarmt. Vorteilhaft wird dadurch eine Reibfläche für den Reibring in einem äußerst kostengünstigen Prozess durch das einfach auszuführende Verfahren bereitgestellt. Die an der Reibfläche erzeugte Oberflächenqualität kann ohne weitere spanabhebende Verarbeitung in der Anwendung eingesetzt werden. In this case, horizontally oriented means that the friction-ring casting is so pronounced or exposed that a cast friction ring extends in a horizontal plane, that is to say that a virtual axis of rotation of the friction ring lies in the vertical direction. During the solidification of the cast melt, according to the invention, ultrasound is applied to the cast melt, whereby a vertical particle density gradient is generated in the solidifying friction ring, which is then retained in the solidified friction ring. By applying ultrasound, the viscosity of the matrix metal melt is reduced, so that a decrease of the ceramic hard particles, which have the greater density, is supported under the influence of gravity. As a result, a lower side of the friction ring in the casting mold will command an increased proportion of ceramic hard material particles, while a side of the friction ring in the casting mold will deplete of hard material particles. Advantageously, a friction surface for the friction ring is thereby provided in an extremely cost-effective process by the method which is simple to carry out. The surface quality produced on the friction surface can be used in the application without further machining.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich ein Verarbeiten von einer oder von beiden Oberflächen des erstarrten Reibringes umfassen. Diese Oberflächenbearbeitungsschritte können ein Schleifen mit oder ohne Kühlschmierung der Oberfläche des Reibrings mit erhöhter Dichte sein. Als Oberflächenbehandlung kann auch eine Spanabhebungsbehandlung der Oberfläche gewünscht sein, was beispielsweise durch Drehen bewerkstelligt werden kann. Für die erfindungsgemäß unterschiedlich ausgeprägten Oberflächen in Folge des Partikelgradienten kann so jeweils eine relativ einfache und kostengünstige Variante der Oberflächenbehandlung gewählt werden.In another embodiment, the method may additionally include processing one or both surfaces of the solidified friction ring. These surface processing steps may be grinding with or without cooling lubrication of the surface of the friction ring with increased density. As a surface treatment, a chip removal treatment of the surface may also be desired, which may be accomplished, for example, by turning. For the differently shaped surfaces according to the invention as a consequence of the particle gradient, a relatively simple and cost-effective variant of the surface treatment can be selected in each case.

Ein erfindungsgemäßer Reibring aus einem mit keramischen Hartstoffpartikeln verstärkter Metallmatrixverbundwerkstoff weist, wenn er durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, bezüglich seiner Drehachse einen axialen Dichtegradienten der Hartstoffpartikeln auf, so dass eine erste Seite des Reibrings, die eine Reibfläche bildet, mit einer hochverschleißfesten und sehr harten Oberfläche erzeugt werden kann, da dort der Anteil der Hartstoffpartikeln gegenüber einem Gesamtvolumenanteil der Hartstoffpartikel, bezogen auf ein Gesamtvolumen aus Hartstoffpartikeln und der Metallmatrix, das im Bereich von 10 bis 30 Vol.-% liegt, erhöht wurde, wohingegen die von der so geschaffenen Reibfläche abgewandt liegende zweite Seite des Reibrings einen entsprechend gegenüber dem Gesamtvolumen an Hartstoffpartikeln verringerten Hartstoffpartikelanteil aufweist.A friction ring according to the invention made of a metal matrix composite material reinforced with ceramic hard material particles, when produced by the method according to the invention, has an axial density gradient of the hard material particles with respect to its axis of rotation, so that a first side of the friction ring, which forms a friction surface, with a highly wear-resistant and very hard Surface can be produced because there the proportion of the hard particles compared to a total volume fraction of the hard particles, based on a total volume of hard material particles and the metal matrix, which is in the range of 10 to 30 vol .-%, increased, whereas the thus created friction surface facing away from the second side of the friction ring has a correspondingly reduced compared to the total volume of hard material particles hard material particle content.

So kann beispielsweise der Gesamtvolumenanteil der keramischen Hartstoffpartikel in der Verbundlegierung 20 Vol.-% betragen und es kann nach Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ein Reibring mit einer Reibfläche geschaffen werden, deren Anteil an keramischen Hartstoffpartikel nahezu beliebig eingestellt werden kann. Dieser Anteil beträgt zumindest über 60 Vol.-% und liegt vorzugsweise zwischen 70 und 80 Vol.-%. Als Matrixmetall ist dabei Aluminium oder eine Aluminiumlegierung geeignet, während als keramische Hartstoffpartikel Siliziumkarbid und/oder Korund in Frage kommen. Die Dichte von Al liegt bei 2,7 g/cm3, Al2O3 bei 3,94 g/cm3 und SiC bei 3,21 g/cm3. Weitere geeignete Hartstoffpartikel umfassen WC (Dichte 15,63 g/cm3), ZTO2 (Dichte 5,6 bis 6,27 g/cm3) oder Chromcarbid (Dichte 6,88 g/cm3).Thus, for example, the total volume fraction of the ceramic hard material particles in the composite alloy can amount to 20% by volume and, after carrying out the production method according to the invention, a friction ring with a friction surface can be created whose proportion of ceramic hard material particles can be set almost as desired. This proportion is at least over 60% by volume and is preferably between 70 and 80% by volume. In this case, aluminum or an aluminum alloy is suitable as the matrix metal, while silicon carbide and / or corundum are suitable as the ceramic hard material particles. The density of Al is 2.7 g / cm 3 , Al 2 O 3 is 3.94 g / cm 3, and SiC is 3.21 g / cm 3 . Other suitable hard material particles include WC (density 15.63 g / cm 3 ), ZTO 2 (density 5.6 to 6.27 g / cm 3 ) or chromium carbide (density 6.88 g / cm 3 ).

Eine Verbundbremsscheibe kann geschaffen werden, indem zwei erfindungsgemäße Reibringe an einem Bremskopf derart angeordnet werden, dass die Reibflächen der Reibringe voneinander wegweisen. Eine derartige Verbundbremsscheibe weist eine erhöhte Leistung auf. Durch die in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren erzielten Verbesserungen in der Oberfläche des Reibringes wird die Effizienz bei der Bildung des Transferfilms, der sich beim ersten Bremsvorgang bildet, verbessert und beschleunigt. Der Transferfilm selbst weist eine verbesserte Beschaffenheit auf, so dass sich die Verschleißfestigkeit der Reibfläche des Reibringes erhöht.A composite brake disc can be created by two friction rings according to the invention are arranged on a brake head such that the friction surfaces of the friction rings point away from each other. Such a composite brake disc has an increased power. Improvements in the surface of the friction ring achieved in a simple and inexpensive process improve and accelerate the efficiency of forming the transfer film that forms during the first braking operation. The transfer film itself has an improved nature, so that the wear resistance of the friction surface of the friction ring increases.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist auch für eine kostengünstige Realisierung in Großserie geeignet. Durch das Gießen mit Ultrabeschallung wird eine Oberflächenqualität erzeugt, die unter Umständen ohne weitere teure spanabhebende Bearbeitung in der Anwendung eingesetzt werden kann.The manufacturing method according to the invention is also suitable for cost-effective implementation in mass production. Ultrasonic sonication produces a surface finish that can potentially be used in the application without further expensive machining.

Ein potenziell erforderliches Nachschleifen kann ferner einfach und kostengünstig erfolgen. Die Seite des Reibrings mit dem niedrigeren Partikelanteil ist bei dem Zusammenbau zu einer Bremsscheibe in einer einfachen Ausführungsform der partikelarmen Seite eines weiteren Reibrings zugewandt, wobei hier die Verringerung des Partikelanteils die spanabhebende Bearbeitung zum Erreichen einer höchsten Oberflächenqualität vereinfacht, die eine optimale Verbindung der beiden Reibringen erfordert. Dadurch, dass diese Oberflächen in Folge des verringerten Partikelanteils eine geringere Härte aufweisen, ist diese spanabhebende Verarbeitung, etwa durch Drehen, auch hier einfacher und kostengünstiger auszuführen.A potentially required regrinding can also be done easily and inexpensively. The side of the friction ring with the lower particle content faces in the assembly to a brake disk in a simple embodiment of the particle-poor side of another friction ring, here reducing the particle fraction simplifies the machining to achieve a highest surface quality, the optimum connection of the two friction rings requires. Due to the fact that these surfaces have lower hardness as a result of the reduced particle fraction, this machining, for example by turning, is also simpler and cheaper to carry out here.

Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures.

Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. Articles or parts of objects which are substantially the same or similar may be given the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 Eine schematische Schnittansicht der Gießform mit angeordnetem Ultraschall-Regelgerät, 1 A schematic sectional view of the casting mold with arranged ultrasonic control device,

2 in einer vergrößerten Schnittansicht einen Querschnitt durch den Reibring während des Gießens unter Ultraschall, 2 in an enlarged sectional view a cross section through the friction ring during casting under ultrasound,

3 in einer perspektivischen Frontansicht zwei zur Bildung einer Bremsscheibe benötigte Reibringe, 3 in a perspective front view of two needed to form a brake disc friction rings,

4 einen Querschnitt durch eine Bremsscheibe mit erfindungsgemäßen Reibringen, 4 a cross section through a brake disc with friction rings according to the invention,

5a in einer Detailschnittansicht erfindungsgemäßen Reibring und einen Bremsbelag bei einem ersten Bremsvorgang, 5a in a detail sectional view friction ring according to the invention and a brake pad in a first braking operation,

5b eine Ansicht entsprechend 5a mit dem im ersten Bremsvorgang gebildeten Transferfilm. 5b a view accordingly 5a with the transfer film formed in the first braking operation.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren betrifft die Optimierung der tribologischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der als Bremsscheibenwerkstoff eingesetzten Metallmatrixverbundlegierungen, insbesondere der Aluminium-Metallmatrixverbundlegierungen. Die verwendeten Aluminium-MMC-Legierungen sind dabei mit keramischen Partikeln verstärkte übereutektische Aluminiumlegierungen. Mittels der während des Gießvorgangs erfolgten Beaufschlagung der Legierung mit Ultraschall werden die Werkstoffeigenschaften des daraus gefertigten Reibrings optimiert.The production method according to the invention relates to the optimization of the tribological, thermal and mechanical properties of the metal matrix composite alloys used as brake disk material, in particular of the aluminum-metal matrix composite alloys. The aluminum MMC alloys used here are ceramic particles reinforced hypereutectic aluminum alloys. By means of the ultrasonication of the alloy during the casting process, the material properties of the friction ring produced therefrom are optimized.

So zeigt 1 eine zweiteilige Reibring-Gussform 5, in die ein Reibring 1 eingegossen wird. Während des Gießens, genauer, der daraufhin einsetzenden Erstarrung der gegossenen, flüssigen Aluminiumlegierung werden erfindungsgemäß Ultraschallwellen US erzeugt, die auf die Schmelze wirken. Dazu ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall 6 vorgesehen, die entlang des Reibringumfangs angeordnet ist und Ultraschall erzeugt. Durch den Ultraschall wird die Viskosität der geschmolzenen Aluminiummatrix M verringert, so dass, wie in 2 dargestellt, die enthaltenen keramischen Hartstoffpartikel K der Schwerkraft folgend schneller und einfacher nach unten sinken können.So shows 1 a two-part friction ring mold 5 into which a friction ring 1 is poured. During casting, more precisely, the consequent solidification of the cast, liquid aluminum alloy, ultrasound waves US are produced according to the invention, which act on the melt. This is a device for generating ultrasound 6 provided, which is arranged along the friction ring circumference and generates ultrasound. The ultrasound reduces the viscosity of the molten aluminum matrix M, so that, as in 2 represented, the ceramic hard material particles K contained by gravity can fall faster and easier down.

In Folge dessen wird die in der Gussform 5 unten liegende Seite 2 des Reibrings 1 (siehe 1) sich mit keramischen Hartstoffpartikeln K anreichern, so dass die Härte und die Verschleißfestigkeit dieser Seite zunehmen und diese somit nachfolgend zur Bereitstellung einer Arbeitsfläche 2 für eine Bremsfläche geeignet ist.As a result, the in the mold 5 bottom side 2 the friction ring 1 (please refer 1 ) accumulate with ceramic hard particles K, so that the hardness and the wear resistance of this page increase and thus subsequently to provide a work surface 2 suitable for a braking surface.

Hingegen wird die in der Gussform 5 oben liegende Seite 3 des Reibrings 1 an keramischen Hartstoffpartikeln K verarmen, so dass hier die Oberfläche hauptsächlich durch die Metallmatrix M bereitgestellt wird. Der so erzeugte Partikeldichtegradient liegt in der unterschiedlichen Materialdichte von Metallmatrix, beziehungsweise Aluminiummatrix und keramischen Partikeln K begründet.On the other hand, in the mold 5 top side 3 the friction ring 1 At ceramic hard material particles K impoverish, so that here the surface is provided mainly by the metal matrix M. The particle density gradient thus produced is due to the different material density of metal matrix or aluminum matrix and ceramic particles K.

Während die Dichte des Aluminiums bei ca. 2,75 g/cm3 liegt, weisen Partikel aus Siliziumkarbid eine Dichte von etwa 3,2 g/cm3 auf. Auch Korund (Aluminiumoxid) weist mit etwa 3,9 g/cm3 eine höhere Dichte als die Aluminiummatrix auf.While the density of the aluminum is about 2.75 g / cm 3 , silicon carbide particles have a density of about 3.2 g / cm 3 . Even corundum (aluminum oxide) has a higher density than the aluminum matrix at about 3.9 g / cm 3 .

Der Anteil an keramischen Hartstoffpartikeln an der Reibfläche 2 wird somit im Vergleich zum Gesamtanteil deutlich erhöht, ein so geschaffener Reibring mit den aus dem erhöhten Partikelanteil resultierenden verbesserten tribologischen Eigenschaften zum Einsatz für eine Bremsscheibe wird deutlich optimiert. Dies wird in einfacher Weise durch die erfindungsgemäße Beschallung mit Ultraschall während des Gießvorgangs erreicht. So kann bei einem Gesamtanteil von beispielsweise 20 Vol.-% Siliziumkarbid ein Anteil an der Reibfläche 2 des erfindungsgemäßen Reibrings 1 auf etwa 70–80 Vol.-%, bezogen auf den Gesamtvolumenanteil an Siliziumkarbid, erhöht werden.The proportion of ceramic hard particles on the friction surface 2 is thus significantly increased in comparison to the total amount, a friction ring thus created with the resulting from the increased particle content improved tribological properties for use in a brake disc is significantly optimized. This is achieved in a simple manner by the ultrasonic irradiation according to the invention during the casting process. Thus, with a total content of, for example, 20% by volume of silicon carbide, a proportion of the friction surface 2 the friction ring according to the invention 1 be increased to about 70-80 vol .-%, based on the total volume fraction of silicon carbide.

Durch die Verwendung zweier solcher Reibringe 1, wie in 3 gezeigt, kann in einfacher Weise eine Bremsscheibe geschaffen werden, bei der die erfindungsgemäßen Reibflächen 2 nach außen weisen, während die an Partikeln verarmten metallischen Flächen 3 miteinander zu einer massiven Bremsscheibe – nach Zusammenfügen mit einem Bremskopf beispielsweise aus Aluminium – gefügt werden. Die beiden einzelnen Reibringe können beispielsweise durch Reibschweißverfahren aneinander gefügt werden.By using two such friction rings 1 , as in 3 shown, a brake disc can be created in a simple manner, in which the friction surfaces according to the invention 2 to the outside, while the particle-depleted metallic surfaces 3 together to form a solid brake disc - after joining with a brake head, for example made of aluminum - be joined. The two individual friction rings can be joined together by friction welding, for example.

Ein weitere Vorteil des Herstellungsverfahrens liegt darin, dass die durch die Ultraschallbeaufschlagung erreichte Viskosität der Schmelze eine Konturgenauigkeit nach der Erstarrung beziehungsweise nach dem Gießen mit sich bringt, so dass insbesondere die unten liegende Reibfläche nicht mehr aufwändigen spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen unterzogen werden muss. In Abhängigkeit von vorgegebenen Fertigungstoleranzen kann die Reibfläche des Reibring eventuell nachgeschliffen werden, was einfach und schnell durch ein Schleifen mit einem Kühlschmierstoff geschehen kann.A further advantage of the production method is that the viscosity of the melt achieved by the application of ultrasound brings about a contour accuracy after solidification or after casting, so that in particular the friction surface located below does not have to be subjected to more complex machining operations. Depending on predetermined manufacturing tolerances, the friction surface of the friction ring may be reground What can easily and quickly be done by grinding with a cooling lubricant.

Da die von der Reibfläche wegweisenden Flächen der Reibringe einen deutlich geringeren Anteil an keramischen Verstärkungspartikeln aufweisen, können diese Flächen ohne großen Fertigungsaufwand spanabhebend verarbeitet werden, insbesondere gedreht werden. So können die jeweiligen Oberflächen in Abhängigkeit der geforderten Toleranzen jeweils kostengünstig bearbeitet werden und sind so wie in 3 dargestellt zum Verbinden vorbereitet.Since the surfaces of the friction rings pointing away from the friction surface have a significantly smaller proportion of ceramic reinforcing particles, these surfaces can be machined without great manufacturing effort, in particular rotated. Thus, the respective surfaces depending on the required tolerances can each be processed inexpensively and are as in 3 prepared for connection.

Als Alternative zu einer wie in 3 dargestellten massiven Verbundbremsscheibe 10 aus zwei Reibringen 1 kann, wie in 4 dargestellt, eine Bremsscheibe 10 geschaffen werden, bei der zwischen den beiden Reibringen 1 eine Laufscheibe vorgesehen ist, die hier eine Innenbelüftungsstruktur bereitstellt. Die Laufscheibe 4 ist dabei bevorzugt aus Aluminiumlegierung aufgebaut. Besonders bevorzugt ist die Laufscheibe 4 ein Gusskörper aus Aluminiumlegierung mit Lüftungskanälen. Ferner ist diese Laufscheibe 4 mit dem Bremstopf 7 hier einstückig ausgebildet. Die beiden Reibringe 1 sind jeweils mit der Reibfläche 2 zueinander weisend auf der Laufscheibe mit der Innenbelüftungsstruktur angeordnet und fest damit verbunden.As an alternative to a like in 3 shown massive composite brake disc 10 from two friction rings 1 can, as in 4 shown, a brake disc 10 be created, in between the two friction rings 1 a running disk is provided which provides an internal ventilation structure here. The running disk 4 is preferably constructed of aluminum alloy. Particularly preferred is the running disk 4 a casting made of aluminum alloy with ventilation channels. Furthermore, this disk is 4 with the brake pot 7 formed here in one piece. The two friction rings 1 are each with the friction surface 2 arranged facing each other on the running disk with the inner ventilation structure and firmly connected thereto.

Die Verbindung einer solchen mehrteiligen Verbundbremsscheibenstruktur kann bevorzugt durch Reibschweißen oder durch Angießen der innen liegenden Scheibe erfolgen. Geeignete Verfahren sind beispielsweise in der WO 2005/06 99 72 A2 offenbart. So kann auch beim Fügen der beiden Reibringe 1 in 3 unter Umständen eine Verbindungsschicht eingebracht werden.The connection of such a multi-part composite brake disk structure can preferably be effected by friction welding or by casting on the inner disk. Suitable methods are for example in the WO 2005/06 99 72 A2 disclosed. So can also when joining the two friction rings 1 in 3 Under certain circumstances, a compound layer can be introduced.

5a und 5b verdeutlichen die verbesserte Bildung des Transferfilms 8 bei einem ersten Bremsvorgang auf einer erfindungsgemäß hergestellten Reibfläche 2 eines Bremsscheibenreibrings 1. Beim ersten Kontakt mit dem Bremsbelag 9 bewirkt die Reibfläche 2 des Reibrings 1, an der die sehr harten Keramikpartikel K aus der Metallmatrix M hervorragen, einen Abtrieb von Bremsbelagspartikeln 9' die durch die Wärmeentwicklung beim Bremsvorgang den in 5b dargestellten Transferfilm 8 bilden. Dieser erzeugte Transferfilm 8 ist eine metallische Schicht, die sich aus den metallischen Werkstoffen der Scheibenlegierung und des Bremsbelags zusammensetzt. Durch diesen Transferfilm 8 wird die Reibfläche 2 des Reibrings 1 vor Verschleiß geschützt. Die erfindungsgemäß an der Reibfläche 2 akkumulierten keramischen Partikel beeinflussen die Qualität und die Verbundfestigkeit des Transferfilms 8 positiv. 5a and 5b illustrate the improved formation of the transfer film 8th in a first braking operation on a friction surface produced according to the invention 2 a brake disk friction ring 1 , At the first contact with the brake pad 9 causes the friction surface 2 the friction ring 1 , on which the very hard ceramic particles K protrude from the metal matrix M, an output of brake pad particles 9 ' by the heat during braking the in 5b shown transfer film 8th form. This generated transfer film 8th is a metallic layer composed of the metallic materials of the disc alloy and the brake pad. Through this transfer film 8th becomes the friction surface 2 the friction ring 1 protected against wear. The invention according to the friction surface 2 Accumulated ceramic particles affect the quality and bond strength of the transfer film 8th positive.

Somit können die von der Gießtechnik abhängigen Werkstoff-Charakteristika von Aluminium-MMC-Legierungen wie etwa mechanische und thermische Eigenschaften optimiert werden, da sie beispielsweise von der Viskosität beim Gießen, so wie von Abkühl- und Erstarrungsvorgängen abhängig sind. Mechanische Eigenschaften umfassen dabei das Elastizitätsmodul, Härte, Betriebs- und Dauerfestigkeit, und werden durch die verwendete Hartstoffpartikelart, den -Anteil, die -Größe und Form beeinflusst. Auch die thermischen Eigenschaften wie Solidustemperatur, Thermoschockbeständigkeit, Wärmespeicherkapazität, der Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs-, Wärmekonvektionskoeffizient hängen von den obigen Werkstoffparametern ab. Eine Veränderung, die sich auf die Hartstoffpartikel bezieht, wie etwa die Schaffung eines Partikeldichtegradienten, wirkt sich damit auf die Werkstoff-Charakteristik der Aluminium-MMC-Legierung direkt aus.Thus, the casting technique dependent material characteristics of aluminum MMC alloys, such as mechanical and thermal properties, can be optimized as they depend, for example, on viscosity in casting, as well as cooling and solidification processes. Mechanical properties include the modulus of elasticity, hardness, fatigue strength and durability, and are influenced by the type of hard material used, the proportion, the size and shape. The thermal properties such as solidus temperature, thermal shock resistance, heat storage capacity, the thermal conductivity, thermal expansion, heat radiation, Wärmekonvektionskoeffizient depend on the above material parameters. A change that relates to the hard material particles, such as the creation of a particle density gradient, thus directly affects the material characteristics of the aluminum MMC alloy.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (6)

Herstellungsverfahren für einen Reibring (1) aus einem Verbundwerkstoff, der keramische Hartstoffpartikel (K) in einer Metallmatrix (M) umfasst, die eine höhere Dichte aufweisen als die Metallmatrix (M), umfassend die Schritte – Bereitstellen einer Schmelze (M + K) aus dem Matrixmetall (M) mit den Hartstoffpartikeln (K), – Eingießen der Schmelze (M + K) in eine horizontal ausgerichtete Reibring-Gussform (5) und erstarren Lassen, und – während des Erstarrens Beaufschlagen der gegossenen Schmelze (M + K) mit Ultraschall (US) und hierdurch Erzeugen eines vertikalen Partikeldichtegradienten in dem erstarrten Reibring (1).Manufacturing method for a friction ring ( 1 ) of a composite material comprising ceramic hard material particles (K) in a metal matrix (M) having a higher density than the metal matrix (M), comprising the steps of - providing a melt (M + K) from the matrix metal (M) the hard material particles (K), - pouring the melt (M + K) into a horizontally aligned friction ring casting mold ( 5 and solidifying, and during ultrasonication, subjecting the cast melt (M + K) to ultrasonication (US) and thereby producing a vertical particle density gradient in the solidified friction ring (US Pat. 1 ). Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt Bearbeiten von zumindest einer Oberfläche (2, 3) des erstarrten Reibrings (1), umfassend ein Schleifen mit oder ohne Kühlschmierung einer Oberfläche (2) des Reibrings (1) mit erhöhter Partikeldichte und/oder ein Drehen einer Oberfläche (3) des Reibrings (1) mit verringerter Partikeldichte.Method according to claim 1, comprising the step of processing at least one surface ( 2 . 3 ) of the solidified friction ring ( 1 ) comprising grinding with or without cooling lubrication of a surface ( 2 ) of the friction ring ( 1 ) with increased particle density and / or turning a surface ( 3 ) of the friction ring ( 1 ) with reduced particle density. Reibring (1) aus einem Verbundwerkstoff, der keramische Hartstoffpartikel (K) in einer Metallmatrix (M) umfasst, der durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 2 herstellbar ist, wobei ein Gesamtvolumen der Hartstoffpartikel (K) bezogen auf ein Gesamtvolumen aus Hartstoffpartikeln (K) und der Metallmatrix (M), in einem Bereich von 10 bis 30 Vol.-% liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (1) einen bezüglich seiner Drehachse axialen Dichtegradienten der Hartstoffpartikel (K) aufweist, wobei eine erste Seite des Reibrings (1) eine Reibfläche (2) mit einem gegenüber dem Gesamtvolumen an Hartstoffpartikeln erhöhten Anteil der Hartstoffpartikeln (K) bildet, und eine von der Reibfläche (2) abgewandt liegende zweite Seite (3) des Reibrings (1) einen gegenüber dem Gesamtvolumen an Hartstoffpartikeln verringerten Anteil an Hartstoffpartikeln (K) aufweist.Friction ring ( 1 ) of a composite material comprising ceramic hard material particles (K) in a metal matrix (M) which can be produced by a method according to at least one of claims 1 and 2, wherein a total volume of the hard material particles (K) based on a total volume of hard material particles (K ) and the metal matrix (M), in a range of 10 to 30 vol .-%, characterized in that the friction ring ( 1 ) has a relative to its axis of rotation axial density gradient of the hard material particles (K), wherein a first side of the friction ring ( 1 ) a friction surface ( 2 ) forms with a relative to the total volume of hard material particles increased proportion of the hard material particles (K), and one of the friction surface ( 2 ) facing away second side ( 3 ) of the friction ring ( 1 ) has a relative to the total volume of hard material particles reduced proportion of hard material particles (K). Reibring (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen an Hartstoffpartikeln (K) 20 Vol.-% beträgt, und der erhöhte Anteil der Hartstoffpartikeln (K) an der Reibfläche (2) bei zumindest 60 Vol.-%, insbesondere 70 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Hartstoffpartikel, liegt.Friction ring ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the total volume of hard material particles (K) is 20 vol .-%, and the increased proportion of the hard material particles (K) on the friction surface ( 2 ) is at least 60 vol .-%, in particular 70 to 80 vol .-%, based on the total volume of the hard material particles. Reibring (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Matrixmetall (M) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist und – die keramische Hartstoffpartikel (K) aus Siliziumkarbid und/oder aus Korund bestehen.Friction ring ( 1 ) according to at least one of claims 3 and 4, characterized in that - the matrix metal (M) is aluminum or an aluminum alloy and - the ceramic hard material particles (K) consist of silicon carbide and / or of corundum. Verbundbremsscheibe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundbremsscheibe (10) zwei an einem Bremstopf (7) angeordnete Reibringe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5 umfasst, wobei die Reibflächen (2) der Reibringe (1) voneinander wegweisend angeordnet sind.Composite brake disc ( 10 ), characterized in that the composite brake disc ( 10 ) two on a brake pot ( 7 ) arranged friction rings ( 1 ) according to at least one of claims 3 to 5, wherein the friction surfaces ( 2 ) of the friction rings ( 1 ) are facing away from each other.
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