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Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe und ein Verfahren zu ihrer Herstellung
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Um eine höhere Verschleißfestigkeit zu erhalten, werden Bremsscheiben für Fahrzeuge an ihren Reibflächen mit einer Verschleißschutzschicht ausgestattet, die der Bremsscheibe einerseits die notwendigen tribologischen Eigenschaften verleiht und die andererseits durch eine hohe Härte, hohe Zähigkeit und hohe Oxidationsbeständigkeit den Verschleiß der Bremsscheibe minimiert.
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Aus der
EP 1 336 054 B1 ist eine Bremsscheibe bekannt, die vorzugsweise eine einfach herzustellende und möglichst verschleißresistente Grauguss-Bremsscheibe ist. Dazu ist die Bremsscheibe an ihren axialen Reibflächen mit einer Beschichtung versehen, die als metallische, nicht-keramische Spritzgussbeschichtung oder als Explosionsbeschichtung ausgebildet ist. Die Beschichtung besteht aus einem härteren Metall als der Bremsscheibenkern und umfasst Karbide und Oxide im Gefüge, die derart ausgebildet sind, dass in einem geätzten Schliffbild in einem Querschnitt durch die Schichtstruktur mindestens 5% der Fläche des Schliffbildes durch das Vorhandensein von fein verteilten Karbiden und Oxiden als helle Stellen erscheinen. Als Spritzgussbeschichtung kommen dabei Kalt-, Lichtbogen- oder Plasmaspritzgussbeschichtungen in Frage, wobei die Beschichtung oxidationsresistenter und verschleißresistenter als der Kern ausgebildet ist.
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Auch die
DE 10 2009 008 105 A1 betrifft eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug und deren Herstellungsverfahren, wobei die Bremsscheibe an ihren Reibflächen eine Beschichtung aufweist, die Hartstoffe aus Karbiden oder einer Oxidkeramik umfasst. Die Beschichtung aus Karbiden, Keramik, Cermet und/oder Metallen wird auf die Reibflächen des Bremsscheibengrundkörpers mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht.
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Die
DE 10 2004 016 098 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugbremsscheibe. Auf dem Grundkörper der Bremsscheibe ist eine verschleißfeste Schicht aufgetragen, die als Reibschicht dient. Zwischen dem Grundkörper und der verschleißfesten Schicht ist mindestens eine Zwischenschicht als haftvermittelnde Schicht und/oder als Korrosionsschutz-Schicht aufgebracht. Dabei wird die Zwischenschicht galvanisch aufgebracht.
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Allerdings bieten die Verschleißschutzschichten bis dato keinen ausreichenden Korrosionsschutz für den darunter liegenden Graugussgrundkörper, da schon bei minimaler Porosität oder einer geringfügigen Beschädigung der Verschleißschutzschicht Feuchtigkeit diese Schicht durchdringen kann, so dass es in Verbindung mit aggressiven Medien wie etwa Streusalz zur Schädigung des Bremsscheibengrundkörpers kommen kann. Im Falle von Graugussgrundkörpern fällt dabei eine fortschreitende Korrosion entlang der Graphit-Lamellen im Grauguss auf.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine Bremsscheibe bereitzustellen, die nicht nur eine Verschleißschutzschicht aufweist, sondern auch dahingehend verbessert ist, Korrosion des Bremsscheibengrundkörpers unterhalb der Verschleißschutzschicht zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe der Herstellung einer solchen Bremsscheibe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremsscheibe für ein Fahrzeug bezieht sich darauf, dass die Bremsscheibe aus einem Grundkörper besteht, der aus einem graphithaltigen Werkstoff beschaffen ist und der Reibflächen aufweist, die mit einer Verschleißschutzschicht versehen sind. Je nach Bauweise kann der Grundkörper auch einen Anteil oder auch den gesamten Bremsscheibentopf umfassen. Bei Verbundbremsscheiben sind dagegen Bremsscheibentopf und Bremsscheibe als zwei einzelne Bauteile ausgebildet. Erfindungsgemäß weist nun eine Oberflächenschicht der Reibflächen, die an die Verschleißschutzschicht angrenzt, keinen Graphit auf. Wesentlich ist dabei, dass das Werkstoffgefüge unmittelbar unter der Verschleißschutzschicht frei ist von graphitischen Ausscheidungen, insbesondere lamellarem oder shäroidem Graphit.
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Dadurch, dass die Oberflächenschicht unterhalb der Verschleißschutzschicht kein Graphit aufweist, kann dort eine Korrosion des Grundkörpers an den Reibflächen vorteilhaft verhindert oder verringert werden, wodurch eine Schädigung oder ein Abplatzen der Verschleißschutzschicht vermieden oder hinausgezögert werden kann und die Lebensdauer der Bremsscheibe verlängert wird.
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Die graphitfreie Oberflächenschicht der Reibflächen kann entweder eine von Graphit befreite Schicht des graphithaltigen metallischen Werkstoffs selbst an den Reibflächen sein, oder es kann sich um eine an den Reibflächen des graphithaltigen metallischen Werkstoffs aufgebrachte Zwischenschicht handeln, die insbesondere eine Versiegelungsschicht oder eine graphitbindende Schicht sein kann.
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Die Dicke der von Graphit befreiten Oberflächenschicht ist abhängig von der mittleren Größe der graphitischen Ausscheidungen und sollte bevorzugt in etwa die gleiche Größe haben, wie die mittlere Ausdehnung der grahitischen Ausscheidungen. zweckmäßigerweise liegt die Dicke oberhalb 10 μm, insbesondere oberhalb 100 μm.
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Bei dem metallischen Werkstoff des Grundkörpers kann es sich um Grauguss handeln, in dem der Graphit in Lamellenform vorliegt. Damit lässt sich der Bremsscheibengrundkörper kostengünstig herstellen.
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Wird als graphitfreie Oberflächenschicht eine Versiegelungsschicht gewählt, kann dies beispielsweise eine Chromschicht sein.
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Die Verschleißschutzschicht kann eine Matrixlegierung auf Chrom-, Nickel- und/oder Eisenbasis umfassen und insbesondere ein Chrom- und/oder Chromnickelstahl sein. In der Matrixlegierung der Verschleißschutzschicht können dabei Hartstoffe in Form von Karbiden und/oder Oxidkeramiken umfasst sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe umfasst das Fertigen des Grundkörpers mit den Reibflächen aus einem graphithaltigen metallischen Werkstoff, woraufhin eine von Graphit befreite Oberflächenschicht an den Reibflächen des graphithaltigen metallischen Werkstoff gebildet wird. Auf dieser von Graphit befreiten Oberflächenschicht wird dann die Verschleißschutzschicht an den Reibflächen aufgebracht.
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Eine Verfahrensvariante zur Bildung der von Graphit befreiten Oberflächenschicht kann darin liegen, den Graphit aus der oberflächlichen Schicht der Reibflächen des graphithaltigen metallischen Werkstoffs zu entfernen, die somit die von Graphit befreite Oberflächenschicht bildet. Das Entfernen des Graphits kann durch ein chemisches, thermochemisches und/oder elektrochemisches Reinigen, durch eine Laserbehandlung oder durch ein reaktives Plasmaätzen erfolgen.
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Alternativ zum Entfernen des Graphits aus der Oberflächenschicht kann eine Zwischenschicht zur Bildung der von Graphit befreiten Oberflächenschicht aufgetragen werden. Dies kann durch Plattieren mit einem Plattiermaterial wie Chrom, durch Versiegeln mit einem Versiegelungsmaterial oder durch chemisches Binden des Graphits in den Lamellen mit einem Graphitbindermaterial erfolgen.
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Generell kann das Fertigen des Grundkörpers einen Gießschritt des Grundkörpers umfassen, woraufhin der Gussgrundkörper spanend vorbearbeitet werden kann, beispielsweise durch Feindrehen. Es können Reinigungsschritte, insbesondere mechanisches Reinigen, folgen, denen sich Schritte zum Aufrauen und/oder zur Strukturgebung der Oberfläche der Reibflächen des Grundkörpers anschließen.
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Nachdem die graphitfreie Oberflächenschicht geschaffen wurde, wird die Verschleißschutzschicht durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigt:
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1 eine Seitenschnittansicht einer Bremsscheibe mit Verschleißschutzschichten an den Reibflächen,
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2 ein Schliffbild der Schichtstruktur der Bremsscheibe im Querschnitt durch Graugussgrundkörper und Verschleißschutzschicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine Bremsscheibe 1 für ein Fahrzeug, wie sie in 1 beispielhaft dargestellt ist. Die Bremsscheibe weist einen Bremsscheibengrundkörper 2 aus einem graphithaltigen metallischen Werkstoff, insbesondere einem Grauguss, auf. Bei der beispielhaft dargestellten Ausführungsform handelt es sich nicht um eine Verbundbremsscheibe, sondern um eine Bremsscheibe, welche den Bremsscheibentopf noch mit umfasst. Im Beispiel sind Kühlkanäle aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Reibflächen 3 des Grundkörpers 2 sind dabei mit einer Verschleißschutzschicht 4 aus einem harten Material mit hohem Reibwert ausgestattet. Nach dem Gießen des Grundkörpers 2 können die Reibflächen 3 um die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht 4 in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe 1 abgedreht werden. Die Beschichtung 4 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid, Diamant oder einem keramischen Material bestehen. Der Grundkörper 2 kann aus Kostengründen vorzugsweise aus Grauguss gefertigt sein, es kommen auch andere graphithaltige metallische Werkstoffe in Frage, bei denen die Oberflächenschicht der Reibflächen vor der Beschichtung mit der Verschleißschutzschicht graphitfrei ausgebildet wird.
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Für das Material der Verschleißschutzschicht 4 kann aber auch ein Metall-Matrix-Composit (häufig auch als MMC bezeichnet) gewählt werden, wobei Hartstoffe in Form von Karbiden oder Oxid-Keramiken in einer Metalllegierungsmatrix eingebunden sind. Diese Matrix-Legierungen können auf Chrom, Nickel und/oder Eisen basieren, sie können insbesondere Chrom- und/oder Chrom-Nickel-Stähle sein. Die Hartstoffe in der Verschleißschutzschicht sorgen für die verbesserte Verschleißbeständigkeit sowie für einen guten und konstanten Reibwert.
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Beispiele für Zusammensetzungen einer solchen Verschleißschutzschicht können 70–85% Wolframcarbid (WC), 7–12% Kobalt (Co) 10,3–5% Chrom (Cr) und 5–2% (oder 0,001–1,0%) Nickel (Ni) sowie Verunreinigungen enthalten. Eine alternative Beschichtungszusammensetzung dazu weist 65–85% WC, 15–30% Cr3C2, 5–12% Ni sowie Verunreinigungen oder 70–75% WC, 18–22% Cr3C2, 5–8% Ni sowie Verunreinigungen auf.
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Als Verfahren zur Aufbringung der Verschleißschutzschicht 4 kommen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogen-Drahtspritzen in Frage. Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen eignet sich dabei besonders für eine Verschleißschutzschicht aus Karbiden, während das Plasmaspritzen für eine Verschleißschutzschicht aus Keramik, Cermet, MMC oder Metall geeignet ist. Für Verschleißschutzschichten aus Metall sind insbesondere das Kaltgasspritzen und das Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS) geeignet.
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Bevor die Verschleißschutzschicht 4 aufgebracht wird, wird erfindungsgemäß eine Oberflächenschicht an den Reibflächen 3 der Bremsscheibe 1 geschaffen, die später an die Verschleißschutzschicht 4 angrenzt und keinen Graphit aufweist.
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In 2 ist in dem Schliffbild die Schichtstruktur aus Grauguss-Grundkörper 2 und einer Verschleißschutzschicht 4 zu sehen. Bei diesem Grauguss handelt es sich hier um GG-20CrCu HC. Wie in der rechten Bildseite zu sehen ist, hat eine Beschädigung in der Verschleißschutzschicht 4 zur Korrosion des darunter liegenden Grauguss-Grundkörpers 3 geführt, die sich vor allem entlang der Graphit-Lamellen 6 erstreckt. So kann die Korrosion unterhalb der Verschleißschutzschicht 4 oberflächlich nur schwer erkennbar und unter Umständen nicht ersichtlich ablaufen, bis die Verschleißschutzschicht 4 in ihrer Funktion geschädigt wird oder gar abplatzt, so dass es zu einem vorzeitigen Funktionsversagen kommt. Um dies zu verhindern und die Lebensdauer der Bremsscheibe zu erhöhen, wird also erfindungsgemäß an der Grenzfläche 5 zwischen den Reibflächen 3 des Grundkörpers und der Verschleißschutzschicht 4 die graphitfreie Oberflächenschicht erzeugt, um eine solche fortschreitende Korrosion entlang der Graphit-Lamellen 6 zu unterbinden. Zur Bildung einer graphitfreien Oberflächenschicht kann nun entweder die oberflächliche Schicht der Reibflächen 3 von Graphit befreit werden, das heißt, dass dort die Graphit-Lamellen entfernt werden, oder es kann eine Zwischenschicht aufgebracht werden, die die Oberfläche des Grundkörpers insbesondere im Bereich von Graphit oder auch sonstigen Poren versiegelt. Alternativ kann der Graphit im Bereich der Kontaktfläche im Bereich zur Verschleißschutzschicht auch isoliert gebunden werden. Bei der Bildung der graphitfreien Oberflächenschicht kommt es dabei zu keiner Veränderung der Oberflächenstruktur: Die Oberfläche soll weitestgehend ihre chemischen und mechanischen Eigenschaften beibehalten, um die nachfolgend aufzubringende Verschleißschutzschicht ausreichend adhäsiv zu binden, also die Adhäsionsneigung der Reiboberfläche nicht zu beeinflussen.
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Zur Entfernung der Graphit-Lamellen in der Oberflächenschicht kommen sowohl chemische Verfahren, wie chemisches, thermo-chemisches oder elektro-chemisches Reinigen, als auch eine Laser-Behandlung oder ein Plasmaverfahren etwa durch reaktives Plasmaätzen in Frage. Zum Entfernen von Graphit aus der Oberfläche eines eisenhaltigen Werkstücks wird beispielsweise ein Kolene®-Verfahren zum chemischen Reinigen angeboten. Mit dem Kolene®-Verfahren wird Graphit bis zu einer Tiefe von ungefähr 60 μm durch die thermo-chemische Reinigung entfernt. In einem Temperaturbereich von 400–500°C wird graphitischer Kohlenstoff von der Oberfläche des eisenhaltigen Werkstücks in einem alkalischen, geschmolzenen Salzbad, beispielsweise NaCl, oxidiert. Das eisenhaltige Werkstück wird wechselweise positiv und negativ bezüglich des geschmolzenen Salzbades geladen, um abwechseln die Oxidations- oder die Reduktionsreaktionen zu fördern. Wird das eisenhaltige Werkstück in Bezug auf das geschmolzene Salzbad positiv geladen, findet die Oxidationsreaktion statt und der Graphit wird als CO2 entfernt. Eine Laserbehandlung ermöglicht die Entfernung von Graphit aus einer eisenhaltigen Oberfläche bis zu einer Tiefe von 400 μm.
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Alternativ oder zusätzlich zur Entfernung der Graphit-Lamellen kann eine graphitfreie Zwischenschicht aufgetragen werden, hier kann beispielsweise die Oberfläche des Grauguss-Grundkörpers mit einer Chromschicht plattiert werden.
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So kann eine Verschleißschutzschicht etwa auch durch eine Beschicht der Reibflächen mit einer Chromkarbidschicht, insbesondere einer Metall-Chromkarbid-schicht gebildet werden, die mittels thermischen Spritzens aufgebracht wurde. Theoretisch kommen auch voll-keramische Verschleißschutzschichten aufgrund ihrer günstigen Verschleißeigenschaften in Frage, sind aber wegen der in Bezug auf das Graugussmaterial des Grundkörpers unterschiedlichen Eigenschaften und aufgrund der bei der Beschichtung auftretenden Thermoschock-Beanspruchung hinsichtlich der Haftung problematisch. Für vollkeramische Beschichtungen werden daher bevorzugt mehrschichtige Systeme abgeschieden, welche mindestens eine Zwischenschicht, zur Angleichung der thermomechanischen Eigenschaften zwischen Grundkörper und vollkeramischer Schicht aufweisen. Der Grauguss zur Bildung des Bremsscheibengrundkörpers kann beispielsweise ein hochgekohlter Grauguss sein, der einen Kohlenstoffgehalt von 3,7 bis 4% aufweist und ferner Mo und/oder Cr enthält. Während der Mo-Gehalt bei 6 bis 8% liegt, beträgt der Cr-Gehalt weniger als 5%. Schichtdicken für die Verschleißschutzschicht liegen in einem Bereich von 0,3 bis 1,5%.
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Eine weitere günstige Ausbildung der Reibfläche liegt in der Schaffung einer räumlichen Oberflächenstruktur, sodass die darauf applizierten Verschleißschutzschichten axial ineinander greifen können. Nachdem die Reibflächen des Grundkörpers hinsichtlich ihrer Oberflächenstruktur bearbeitet wurden, wird die Bremsscheibe von Bearbeitungsrückständen gereinigt, insbesondere durch mechanische Maßnahmen. Die Oberfläche kann dann durch Bestrahlen mit feinem Korund oder einem vergleichbaren Strahlgut aufgeraut werden. Auch kann durch Partikelstrahlen ein Beseitigen der Oxidationsschichten erfolgen. Hier greift nun auch das erfindungsgemäße Entfernen des freien, als Graphit-Lamellen vorliegenden Kohlenstoffs an der zu beschichtenden Oberfläche ein. Alternativ oder zusätzlich kann die aufgeraute Oberfläche, ohne dass anderweitige Oberflächenveränderungen erfolgen, versiegelt werden.
