DE102011012135A1 - Komposit-Bremsscheibe aus einem Bremsscheibenrohling und dessen Herstellung - Google Patents

Komposit-Bremsscheibe aus einem Bremsscheibenrohling und dessen Herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE102011012135A1
DE102011012135A1 DE102011012135A DE102011012135A DE102011012135A1 DE 102011012135 A1 DE102011012135 A1 DE 102011012135A1 DE 102011012135 A DE102011012135 A DE 102011012135A DE 102011012135 A DE102011012135 A DE 102011012135A DE 102011012135 A1 DE102011012135 A1 DE 102011012135A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
brake
aluminum
disc
alloy
brake disc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102011012135A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102011012135B4 (de
Inventor
M.Sc.Ing. Özer Ihsan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102011012135.8A priority Critical patent/DE102011012135B4/de
Publication of DE102011012135A1 publication Critical patent/DE102011012135A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102011012135B4 publication Critical patent/DE102011012135B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00Parts or details
    • F16D65/02Braking members; Mounting thereof
    • F16D65/12Discs; Drums for disc brakes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0004Materials; Production methods therefor metallic
    • F16D2200/0026Non-ferro
    • F16D2200/003Light metals, e.g. aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0034Materials; Production methods therefor non-metallic
    • F16D2200/0039Ceramics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/006Materials; Production methods therefor containing fibres or particles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2250/00Manufacturing; Assembly
    • F16D2250/0092Tools or machines for producing linings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Braking Arrangements (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Bremsscheibenrohling (1) bereit, der zur Herstellung einer Komposit-Bremsscheibe (10) mit einem Bremstopf (4') und einem Reibring (2) geeignet ist, wobei der Bremstopf (4') aus einer Aluminiumlegierung und der Reibring (2) aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff besteht, der eine Aluminium-Matrixlegierung und keramische Hartstoffpartikel zumindest aus Siliziumkarbid umfasst. Der Bremsscheibenrohling (1) wird durch eine rotationssymmetrische Scheibe gebildet, die zumindest einen rotationssymmetrischen inneren Scheibenbereich (4) aufweist. Dieser besteht aus der Aluminiumlegierung die eine umformbare Legierung ist und die zudem frei von Hartstoffpartikeln ist. Der inneren Scheibenbereich (4) hat einen Durchmesser, der eine Größe zur Ausbildung des Bremstopfes (4') aufweist. Er hat ferner einen äußeren Scheibenbereich (2) aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, der dazu vorgesehen ist, den Reibring (2) bereitzustellen. Ferner werden eine Komposit-Bremsscheibe (10), die aus dem Bremsscheibenrohling (1) gefertigt wird, und ein Verfahren zur Herstellung des Bremsscheibenrohlings (1) offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bremsscheibenrohling, der zur Herstellung einer Komposit-Bremsscheibe geeignet ist, sowie die Komposit-Bremsscheibe selbst. Auch ein Verfahren zur Herstellung des Bremsscheibenrohlings wird offenbart.
  • Bei der Kraftfahrzeugherstellung und auch in der Schienenfahrzeugbranche gewinnt der Leichbaugedanke an Bedeutung. Gerade Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge erfordern eine leichte Bauweise um ihren Radius maximieren zu können. Wenn eine Bremsscheibe in Leichtbauweise anstatt mit herkömmlichen Graugusswerkstoffen, die ein erhebliches Gewicht aufweisen, gefertigt wird, so trägt eine Reduzierung der reifengefederten Massen zu einer deutlichen Verringerung des Energieverbrauches bei.
  • Für Leichtbau-Bremsscheiben kommen beispielsweise hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die so genannten Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe AMC (Aluminium Matrix Composites) in Frage, die als Metallmatrixverbundwerkstoffe meist keramische Hartpartikel in einer metallischen Legierungsmatrix aufweisen. Es existieren Verbundbremsscheiben, die solche AMC-Legierungen aufweisen, die durch Unterdruck-Infiltration oder Gießen in eine keramische Pre-Form aus verschmolzenen AMC-Ingots hergestellt werden. Die enthaltenen keramischen Hartstoffpartikel, meist aus Siliziumkarbid oder Korund, können in unterschiedlichen Formen und Größen in den Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt werden. Zur Fertigung solcher Bremsscheiben werden häufig Legierungen eingesetzt, die mit bis zu 20% SiC-Hartstoffpartikeln verstärkte AMC-Legierungen sind und als Ingots erhältlich sind.
  • AMC-Legierungen bieten hervorragende tribologische Eigenschaften, die sie als Werkstoff für die Reibringe der Bremsscheiben interessant machen.
  • Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die thermischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs werden durch die Art, den Anteil, die Größe und die Form der verwendeten Hartstoffpartikel und durch die Eigenschaften der Aluminium-Matrixlegierung beeinflusst.
  • Die mechanischen Eigenschaften umfassen das Elastizitätsmodul, die Härte, die Streckgrenze und die Betriebs- und Dauerfestigkeit und die thermischen Eigenschaften beziehen sich auf die Solidustemperatur, die Thermoschockbeständigkeit, die Wärmespeicherkapazität sowie den Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und den Wärmekonvektions-Koeffizienten.
  • Durch den keramischen Verstärkungsanteil wird der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff spröde, so dass die Umformbarkeit von Aluminium-Matrixverbundwerkstoffen mit einem hohen Anteil an keramischer Verstärkung sehr niedrig ist. Aufgrund des hohen Umformgrads bei einem Tiefziehprozess ist das Tiefziehen eines solchen Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, beispielsweise zur Herstellung eines Bremstopfes, nicht realisierbar.
  • Um daher in einer Verbundbremsscheibe unterschiedliche Materialien wie Legierungen und Verbundwerkstoffe einsetzen zu können, also formbare Legierungen für den Bremstopf und Matrixverbundwerkstoffe für die Reibflächen, sind unterschiedliche Verbundbremsscheibenkonzepte bekannt. Dabei werden die mit einer keramischen Verstärkung versehenen Reibringscheiben mit einem Aluminiumbremstopf form- oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Hierzu können etwa Blechtopf-, Stahlstift- oder Nietverbindungen verwendet werden, oder es können die Reibringscheiben und Bremstöpfe durch Elektronenstrahl-, Laserstrahl- oder Reibschweißen miteinander verbunden werden.
  • Während das homogene Gießen von AMC im Vergleich zu herkömmlichen Eisen- und Aluminiumlegierungen teuer ist und darüber hinaus die Gussstücke aufgrund der Partikelverstärkung schwierig zu bearbeiten sind, weisen die Verbundbremsscheiben häufig die Nachteile der Geräuschentwicklung beim Bremsen auf und haben eine vor allem geringere thermische Leitfähigkeit von der Reibscheibe zu dem mittleren Rotorabschnitt, was zu erhöhten Bremstemperaturen führt.
  • So ist in der WO 2005/069972 A2 ein Verbundscheibenbremsenrotor mit einem verbesserten thermischen und akustischen Verhalten beschrieben, der einen Rotor mit einem Paar ringförmiger Außenflächen aus einer Aluminiumlegierung und ein Paar ringförmiger Reibscheiben aus einem auf Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoff mit Hartstoffpartikeln aus Siliziumkarbid aufweist, die jeweils auf einer der Außenflächen des Rotors angeordnet werden. Eine Bindungsschicht aus einer Metalllegierung, deren Schmelzpunkt niedriger als die Schmelzpunkte der Aluminiumlegierung und des Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoffs liegt, verbindet die Reibscheiben mit den Außenflächen des Rotors.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Herstellung einer einstückigen Bremsscheibe ohne Fügestellen zu ermöglichen, deren Reibflächen durch einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Bremsscheibenrohling mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Eine verbesserte Bremsscheibe, die einstückig gefertigt ist und gleichzeitig Reibflächen aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff aufweist, wird mit der Komposit-Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 bereitgestellt.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Herstellungsverfahrens für einen Bremsscheibenrohling, aus dem eine derartige Komposit-Bremsscheibe gefertigt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Weiterbildungen des Bremsscheibenrohlings, der Komposit-Bremsscheibe und des Herstellungsverfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem des Umformens eines einstückigen Bremsscheibenrohlings zur Bildung des Bremstopfes, wobei der Rohling einen Metall-Matrixverbundwerkstoff aufweist, durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Bereiche des Rohlings gelöst, die jeweils zur Bildung des Reibrings und des Bremstopfes vorgesehen sind. Die Verwendung von unterschiedlichen Materialien in einem Rohling ermöglicht es, die Legierungseigenschaften im umzuformenden Bremstopfbereich des Rohlings zu optimieren.
  • Daher wird ein Bremsscheibenrohling offenbart, der zur Herstellung einer Komposit-Bremsscheibe mit einem Bremstopf und einem Reibring geeignet ist, wobei der Bremstopf aus einer Aluminiumlegierung und der Reibring aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff besteht, der eine Aluminium-Matrixlegierung und keramische Hartstoffpartikel zumindest aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid umfasst.
  • Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremsscheibenrohlings bezieht sich darauf, dass dieser durch eine rotationssymmetrische Scheibe gebildet wird, die in rotationssymmetrische Bereiche mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen eingeteilt ist, und zwar in einen rotationssymmetrischen inneren Scheibenbereich aus der Aluminiumlegierung und in einen äußeren Scheibenbereich aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff.
  • Die Aluminiumlegierung des inneren Scheibenbereichs ist frei von Hartstoffpartikeln und stellt eine gute Umformbarkeit des inneren Scheibenbereichs bereit. Dieser hat dabei einen Durchmesser, der eine Größe zur Ausbildung des daraus umzuformenden Bremstopfes aufweist. Der äußeren Scheibenbereich besteht aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff und ist dazu vorgesehen, den Reibring bereitzustellen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Bremsscheibenrohling kann eine einteilige Bremsscheibe hergestellt werden, die dem Leichtbaugedanken Rechnung trägt und deren Reibflächen durch einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff bereitgestellt werden, wobei die Einteiligkeit dadurch erreicht wird, dass der innere Scheibenbereich (Bremstopfbereich) umformbar gestaltet wird, indem die dort verwendete Aluminiumlegierung ohne keramische Verstärkung hergestellt und so die Umformbarkeit dieses Bereiches erhöht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Bremsscheibenrohlings setzt sich die Aluminiumlegierung, die zur Bildung des zum Bremstopf umformbaren inneren Scheibenbereichs vorgesehen ist, aus 80 bis 90 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, bis zu 0,15 Gew.-% Eisen, 2 bis 5 Gew.-% Nickel, bis zu 0,1 Gew.-% Mangan und bis zu 0,1 Gew.-% Magnesium, sowie Spuren bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierung, zusammen.
  • Der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff des äußeren Scheibenbereichs des Bremsscheibenrohlings weist zur Bereitstellung die für den Reibring erforderlichen bzw. gewünschten mechanischen, thermischen und vor allem tribologischen Eigenschaften eine Zusammensetzung auf, die 30 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 4 Gew.-% Eisen, 1 bis 2 Gew.-% Nickel, 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 1 bis 2 Gew.-% Magnesium, 15 bis 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel und 15 bis 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, umfasst. Gegebenenfalls kann der Anteil an SiC oder AlN auch teilweise, insbesondere in Mengen von 1 bis 5 Gew.-% durch andere Hartstoffpartikel substituiert sein. Zu den besonderes geeigneten weiteren Hartstoffpartikeln zählen Si3N4, TiC, TiN, WC, BC, und/oder Titanboride.
  • Somit unterscheiden sich die Bereiche des Bremsscheibenrohlings nicht nur durch das Vorhandensein von Hartstoffpartikeln, sondern es kann sich die Aluminiumlegierung des inneren Bereichs auch von der Aluminium-Matrixlegierung des äußeren Bereichs unterscheiden, und damit die Legierungszusammensetzungen für den jeweiligen Zweck optimiert sein.
  • Die in dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff verwendeten Siliziumkarbidpartikel können eine mittlere Korngröße von 15 μm und die Aluminiumnitridpartikel eine mittlere Korngröße von 30 μm aufweisen.
  • Schließlich kann zwischen dem inneren Scheibenbereich und dem äußeren Scheibenbereich des Bremsscheibenrohlings ein Übergangsbereich vorliegen, dessen Materialzusammensetzung ein Gemisch aus der Zusammensetzung der Aluminium-Matrixlegierung und der Aluminiumlegierung ist.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Komposit-Bremsscheibe bezieht sich auf eine Bremsscheibe, die aus einem erfindungsgemäßen Bremsscheibenrohling einstückig und ohne Fügebereiche gefertigt ist. Der Bremstopf wird durch den umgeformten inneren Bereich aus der Aluminiumlegierung des Bremsscheibenrohlings gebildet, während der Reibring durch den äußeren Bereich aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff bereitgestellt wird. Die so geschaffene Komposit-Bremsscheibe weist die vorteilhaften mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs für den Reibring ohne die ansonsten üblichen Fügestellen zwischen Reibring und Bremstopfträger auf, die sich beispielsweise hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit bzw. Lebensdauer nachteilig auswirken können, so dass die erfindungsgemäße einteilige Komposit-Bremsscheibe eine höchste Betriebssicherheit aufweist.
  • Bei dem aus dem inneren Scheibenbereich des Rohlings umgeformten Bremstopf kann es sich um einen tiefgezogenen Bremstopf handeln. Die Komposit-Bremsscheibe lässt sich somit kostengünstig und prozesssicher herstellen.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Bremsscheibenrohlings, der als Ausgangsbasis zur Fertigung der Komposit-Bremsscheibe dient, umfasst zunächst das Bereitstellen der Aluminiumlegierung, der Aluminium-Matrixlegierung und der Hartstoffpartikel des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs. Damit wird der Bremsscheibenrohling mit dem rotationssymmetrischen inneren Scheibenbereich und dem äußeren Scheibenbereich einstückig und ohne Fügestellen gefertigt, indem ein Pulvermetallurgie-, Gießtechnik- oder Sprühkompaktier-Verfahrensschritt durchgeführt wird, wobei der innere Scheibenbereichs aus der Aluminiumlegierung und der äußere Scheibenbereich aus der Aluminiummatrix-Legierung und den Hartstoffpartikeln unter Bildung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffes gebildet wird.
  • Dadurch, dass die Hartstoffpartikel getrennt von der Aluminium-Matrixlegierung bereitgestellt werden, kann die Einbringung der Verstärkungspartikel entlang des Rohlingradius flexibel eingestellt und nur auf den vorgesehenen Reibringbereich beschränkt werden. Ferner kann durch den Pulvermetallurgie-, Gießtechnik- oder Sprühkompaktier-Verfahrensschritt der Anteil der Hartstoffpartikeln im Aluminium-Matrixverbundwerkstoff frei wählbar eingestellt werden.
  • Beide separat bereitgestellte Legierungen, die umformbare Aluminiumlegierung für den inneren Scheibenbereich und die Matrix bildende Aluminiumlegierung für den äußeren Scheibenbereich, werden in einem Prozess verarbeitet, der Bremsscheibenrohling damit einstückig in einem Herstellprozess gefertigt, aus dessen innerem Bereich der Bremstopf umgeformt werden kann.
  • Dadurch erübrigt sich das Verbundbremsscheibenkonzept, bei dem ein Rotor aus dem ersten Material und Reibringscheiben, die die keramischen Hartstoffpartikel umfassen, miteinander verbunden werden müssen. So entfallen bei der erfindungsgemäßen einstückigen Komposit-Bremsscheibe auch die Nachteile wie z. B. Tribokorrosion von mechanisch gefügten Verbundscheiben oder ungünstige Schweißnahteigenschaften bei zusammengeschweißten Verbundscheiben.
  • 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.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Draufsicht auf einen Bremsscheibenrohling,
  • 2 eine Seitenschnittansicht durch den Bremsscheibenrohling aus 1,
  • 3 eine Seitenschnittansicht durch eine Komposit-Bremsscheibe, die aus dem Bremsscheibenrohling aus 1, 2 hergestellt wurde.
  • Der erfindungsgemäße Bremsscheibenrohling, wie er in 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist, löst die Problematik des Tiefziehens eines Bremstopfes aus einem Bremsscheibenrohling, dessen Reibring ein Aluminium-Matrixverbundwerkstoff mit Hartstoffpartikeln aufweist, der einem Umformschritt nicht zugänglich ist. Daher hat der Bremsscheibenrohling 1 einen inneren Scheibenbereich 4, der keine Hartstoffpartikeln aufweist und aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, die hinsichtlich ihrer Umformbarkeit zur Bildung eines Bremstopfes 4', wie er an der Bremsscheibe 10 in 3 zu sehen ist, optimiert ist.
  • Generell kann es sich bei der rotationssymmetrischen Scheibe, die den Bremsscheibenrohling 1 bildet, um eine kreisförmige Scheibe handeln; andere rotationssymmetrische Formen, etwa mit einer welligen oder eingekerbten Umfangskontur sind aber ebenfalls denkbar. Der ebenfalls rotationssymmetrische innere Scheibenbereich 4 wird vorzugsweise auf Grund der vorgesehenen Umformung zu dem Bremstopf 4' eine konzentrische Kreisform aufweisen, aber auch hier sind, falls erwünscht, von der reinen Kreisform abweichende Umfangsformen denkbar, solange die Umformung des inneren Bereichs 4 zum Bremstopf 4' gewährleistet ist. Aus diesem Grund weist der innere Bereich 4 auch einen entsprechenden Durchmesser auf, dessen Größe die Ausbildung des Bremstopfes 4' gestattet.
  • Der äußere Scheibenbereich 2 besteht aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff mit Hartstoffpartikeln und bildet den Reibring 2 der aus dem Bremsscheibenrohling 1 hergestellten Bremsscheibe 10, wobei die Herstellung der Bremsscheibe 10 durch die Umformung des inneren Scheibenbereichs 4 zu dem Bremstopf 4' erfolgt.
  • Die umformbare Aluminiumlegierung des inneren Bereichs 4, die frei von Hartstoffpartikeln ist, und die Aluminium-Matrixlegierung des äußeren Bereichs 2 können sich nicht nur hinsichtlich des Vorhandenseins der Hartstoffpartikel unterschieden, die Aluminiumlegierung und die Aluminium-Matrixlegierung können auch unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, und so jeweils für den vorgesehenen Zweck optimiert sein.
  • Der Bremsscheibenrohling 1, der in radialer Richtung unterschiedliche Legierungen aufweist, kann pulvermetallurgisch, gießtechnisch oder durch Sprühkompaktieren hergestellt werden. Vorteilhaft können dabei die keramischen Verstärkungspartikel radial entlang des Bremsscheibenrohlings flexibel eingestellt bzw. eingebracht werden.
  • Die Zusammensetzung des Aluminium-Matrixwerkstoffs für den äußeren Scheibenbereich 2, bzw. für den Reibring 2 umfasst 30 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 4 Gew.-% Eisen, 1 bis 2 Gew.-% Nickel, 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 1 bis 2 Gew.-% Magnesium, 15 bis 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel und 15 bis 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixwerkstoffs. Gegebenenfalls kann der Anteil an SiC oder AlN auch teilweise, insbesondere in Mengen von 1 bis 5 Gew.-% durch andere Hartstoffpartikel substituiert sein. Zu den besonderes geeigneten weiteren Hartstoffpartikeln zählen Si3N4, TiC, TiN, WC, BC, und/oder Titanboride. Die Siliziumkarbidpartikel weisen bevorzugt eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 μm auf und die Aluminiumnitridpartikel im Bereich von 10 bis 60 μm.
  • Dieser Aluminium-Matrixwerkstoff besitzt hervorragende mechanische, thermische und tribologische Werkstoffeigenschaften für die Anwendung als Reibring 2 einer Bremsscheibe 10. Die sehr hohe Härte der in der Aluminium-Matrixlegierung eingebeteten keramischen Hartstoffpartikeln Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid bringt das gewünschte Reibwertverhältnis bei Bremsvorgängen. Sowohl die Siliziumkarbid- und Aluminiumnitridpartikeln als auch die Aluminium-Matrixlegierung tragen zu einer hohen Wärmeleiffähigkeit des Aluminium-Matrixwerkstoffs bei. Der Anteil an Magnesium und Mangan in der Zusammensetzung verleiht der Matrix eine hohe Härte und Festigkeit, wodurch die Einbettungsfestigkeit der keramischen Hartstoffpartikeln positiv beeinflusst wird. Die harte und feste Aluminiummatrix ist spröde und weist eine sehr niedrige Umformbarkeit auf.
  • Hingegen ist der innere Scheibenbereich 4 hinsichtlich seiner Umformbarkeit optimiert und weist daher keine keramischen Verstärkungspartikel und eine andere Legierungszusammensetzung auf. Die Aluminiumlegierung des inneren Bereichs 4 besteht aus 80 bis 90 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, bis zu 0,15 Gew.-% Eisen, 2 bis 5 Gew.-% Nickel, bis zu 0,1 Gew.-% Mangan und bis zu 0,1 Gew.-% Magnesium. Mit dieser Legierung wird die Umformbareit des inneren Bereichs 4 des Bremsscheibenrohlings 1 deutlich erhöht, und lässt auch das Tiefziehen des Bremstopfes 4' zu. Die gute Umformbarkeit des inneren Bereichs 4 erleichtert ferner weitere mechanische Verarbeitungsschritte des Bremstopfes 4', etwa die Einbringung einer Achsöffnung 5.
  • Der Bremsscheibenrohling 1 umfasst also einen Aluminium-Matrixwerkstoff zur Bildung eines Bremsscheibenreibrings 2, wobei der Bremsscheibenrohling 1 mit hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen und Eigenschaften unterschiedlichen Bereichen 2, 3, 4 hergestellt wurde. Zwischen dem inneren Bereich 4 und dem äußeren Reibringbereich 2 kann ein Übergangsbereich 3 vorliegen, dessen Materialzusammensetzung ein Gemisch aus der Zusammensetzung der Aluminium-Matrixlegierung und der Aluminiumlegierung ist. Im Übergangsbereich 3 nimmt so von außen nach innen beispielsweise der Aluminiumanteil zu, während die Anteile von Eisen, Mangan und Magnesium abnehmen. Eine Breite des Übergangsbereichs 3 kann abhängig von dem gewählten Herstellungsverfahren verhältnismäßig schmal gehalten werden. Randbedingungen sind die vorgesehene Breite des Reibrings 2 und der Durchmesser des tiefzuziehenden Bremstopfes 4'.
  • Zusammenfassend ist es mit dem erfindungsgemäßen Bremsscheibenrohling 1 die mechanischen und tribologischen Eigenschaften gezielt an der Reibfläche 2 und die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Umformbarkeit, bzw. Tiefziehbarkeit gezielt im inneren Bereich 4 zu optimieren. Nach der Umformung bzw. dem Tiefziehen des inneren Bereichs 4 des Bremsscheibenrohlings 1 wird die einteilige auf Aluminium basierende und in Leichtbauweise geschaffene Komposit-Bremsscheibe 10 mit Hartstoffpartikel verstärkten Reibflächen ohne Fügeprozesse zum Verbinden eines Reibrings mit einem Bremstopfträger bereitgestellt. Aufgrund des Vermeidens von Fügestellen weist die einteilige Komposit-Bremsscheibe 10 höchste Betriebssicherheit auf.
  • Ferner kann die Bremsscheibe 10 einfach durch ein Umformen (Tiefziehen) des Bremsscheibenrohlings 1 und der Bremsscheibenrohling 1 mit den unterschiedlich zusammengesetzten Bereichen 2, 3, 4 durch einen Herstellungsprozess, der unterschiedliche Legierungszusammensetzungen integriert verarbeitet, einstückig kostengünstig und prozesssicher hergestellt werden.
  • 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
    • WO 2005/069972 A2 [0010]

Claims (10)

  1. Bremsscheibenrohling (1), geeignet zur Herstellung einer Komposit-Bremsscheibe (10) mit einem Bremstopf (4') und einem Reibring (2), wobei der Bremstopf (4') aus einer Aluminiumlegierung und der Reibring (2) aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff besteht, der eine Aluminium-Matrixlegierung und keramische Hartstoffpartikel zumindest aus Siliziumkarbid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsscheibenrohling (1) durch eine rotationssymmetrische Scheibe gebildet wird, die zumindest einen rotationssymmetrischen inneren Scheibenbereich (4) aufweist, der aus der Aluminiumlegierung besteht, wobei die Aluminiumlegierung frei von Hartstoffpartikeln und eine umformbare Legierung ist, und wobei der inneren Scheibenbereich (4) einen Durchmesser aufweist, der eine Größe zur Ausbildung des Bremstopfes (4') aufweist, und einen äußeren Scheibenbereich (2) aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff aufweist, wobei der äußeren Scheibenbereich (2) dazu vorgesehen ist, den Reibring (2) bereitzustellen.
  2. Bremsscheibenrohling (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung 80 bis 90 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, bis zu 0,15 Gew.-% Eisen, 2 bis 5 Gew.-% Nickel, bis zu 0,1 Gew.-% Mangan, bis zu 0,1 Gew.-% Magnesium und Spuren aufweist.
  3. Bremsscheibenrohling (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff 30 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 4 Gew.-% Eisen, 1 bis 2 Gew.-% Nickel, 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 1 bis 2 Gew.-% Magnesium, 15 bis 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel, 15 bis 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, und Spuren aufweist.
  4. Bremsscheibenrohling (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff 30 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 20 Gew.-% Silizium, 2 bis 4 Gew.-% Eisen, 1 bis 2 Gew.-% Nickel, 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 1 bis 2 Gew.-% Magnesium, 15 bis 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel, 15 bis 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, und 1 bis 5 Gew.-% weiterer Hartstoffpartikel ausgewählt aus Si3N4, TiC, TiN, WC, BC, und/oder Titanboride und Spuren aufweist.
  5. Bremsscheibenrohling (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumkarbidpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 μm und die Aluminiumnitridpartikel eine mittlere Korngröße von 10 bis 60 μm aufweisen.
  6. Bremsscheibenrohling (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Scheibenbereich (4) und dem äußeren Scheibenbereich (2) ein Übergangsbereich (3) vorliegt, dessen Materialzusammensetzung ein Gemisch aus der Zusammensetzung der Aluminium-Matrixlegierung und der Aluminiumlegierung ist.
  7. Komposit-Bremsscheibe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Komposit-Bremsscheibe (10) aus einem Bremsscheibenrohling (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 einstückig und ohne Fügebereiche gefertigt ist, wobei der Bremstopf (4') durch den umgeformten inneren Bereich (4) aus der Aluminiumlegierung des Bremsscheibenrohlings (1) gebildet wird, und der Reibring (2) durch den äußeren Bereich (2) aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff bereitgestellt wird.
  8. Komposit-Bremsscheibe (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremstopf (4') ein aus dem inneren Scheibenbereich (4) tiefgezogener Bremstopf (4') ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Bremsscheibenrohlings (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: – Bereitstellen der Aluminiumlegierung, – Bereitstellen der Aluminium-Matrixlegierung und der Hartstoffpartikel des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, – einstückig und ohne Fügestellen Fertigen des Bremsscheibenrohlings (1) aus dem rotationssymmetrischen inneren Scheibenbereich (4) und dem äußeren Scheibenbereich (2), wobei der innere Scheibenbereich (4) aus der Aluminiumlegierung und der äußere Scheibenbereich (2) aus der Aluminiummatrix-Legierung und den Hartstoffpartikeln unter Bildung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffes durch einen Pulvermetallurgie-, Gießtechnik- oder Sprühkompaktier-Verfahrensschritt gefertigt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch den Pulvermetallurgie-, Gießtechnik- oder Sprühkompaktier-Verfahrensschritt der Anteil der Hartstoffpartikeln im Aluminium-Matrixverbundwerkstoff frei wählbar eingestellt wird.
DE102011012135.8A 2011-02-24 2011-02-24 Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung Active DE102011012135B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011012135.8A DE102011012135B4 (de) 2011-02-24 2011-02-24 Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011012135.8A DE102011012135B4 (de) 2011-02-24 2011-02-24 Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102011012135A1 true DE102011012135A1 (de) 2012-08-30
DE102011012135B4 DE102011012135B4 (de) 2016-01-14

Family

ID=46635085

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011012135.8A Active DE102011012135B4 (de) 2011-02-24 2011-02-24 Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102011012135B4 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112823A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Thyssenkrupp Steel Europe Ag Drückgewalzte Bremsscheibe
CN105041921A (zh) * 2015-07-09 2015-11-11 余姚市海博机械有限公司 一种汽车制动盘及其制备方法
CN111133216A (zh) * 2017-09-26 2020-05-08 法格霭德兰公司 盘式制动器
DE102019000361A1 (de) * 2019-01-18 2020-07-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase, Verfahren zur Herstellung einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung, und Bremsscheibe mlt einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung
CN114008347A (zh) * 2019-06-27 2022-02-01 泰明顿服务责任有限公司 用于铝制动盘的摩擦衬面
US11492238B2 (en) 2018-10-19 2022-11-08 Otis Elevator Company Elevator brake
WO2023173397A1 (zh) * 2022-03-18 2023-09-21 湖南金天铝业高科技股份有限公司 轻量化汽车制动盘及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4290510A (en) * 1978-12-14 1981-09-22 Chrysler Corporation Wear resistant coated article
DE4208930A1 (de) * 1991-03-20 1992-09-24 Akebono Brake Ind Verfahren zur herstellung eines scheibenrotors aus einem verbundwerkstoff auf aluminiumbasis
DE4413306C1 (de) * 1994-04-16 1995-10-19 Daimler Benz Aerospace Ag Verfahren zur Verstärkung eines Bauteils und Anwendung des Verfahrens
WO1999053213A1 (en) * 1998-04-10 1999-10-21 Hayes Lemmerz International, Inc. Cold forming aluminum metal matrix rotors
DE10312954B3 (de) * 2003-03-22 2004-06-09 Buderus Guss Gmbh Bremsscheibe
DE69823102T2 (de) * 1997-07-17 2004-08-26 Yamaha Hatsudoki K.K., Iwata Verfahren zur Herstellung einer Kolbe aus einer Aluminium-Legierung
DE102004051499A1 (de) * 2003-10-23 2005-06-02 Aisin Takaoka Co., Ltd., Toyota Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrotors
WO2005069972A2 (en) 2004-01-21 2005-08-04 Benmaxx, Llc Disc brake rotor assembly and method for producing same

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4290510A (en) * 1978-12-14 1981-09-22 Chrysler Corporation Wear resistant coated article
DE4208930A1 (de) * 1991-03-20 1992-09-24 Akebono Brake Ind Verfahren zur herstellung eines scheibenrotors aus einem verbundwerkstoff auf aluminiumbasis
DE4413306C1 (de) * 1994-04-16 1995-10-19 Daimler Benz Aerospace Ag Verfahren zur Verstärkung eines Bauteils und Anwendung des Verfahrens
DE69823102T2 (de) * 1997-07-17 2004-08-26 Yamaha Hatsudoki K.K., Iwata Verfahren zur Herstellung einer Kolbe aus einer Aluminium-Legierung
WO1999053213A1 (en) * 1998-04-10 1999-10-21 Hayes Lemmerz International, Inc. Cold forming aluminum metal matrix rotors
DE10312954B3 (de) * 2003-03-22 2004-06-09 Buderus Guss Gmbh Bremsscheibe
DE102004051499A1 (de) * 2003-10-23 2005-06-02 Aisin Takaoka Co., Ltd., Toyota Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrotors
WO2005069972A2 (en) 2004-01-21 2005-08-04 Benmaxx, Llc Disc brake rotor assembly and method for producing same

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112823A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Thyssenkrupp Steel Europe Ag Drückgewalzte Bremsscheibe
CN105041921A (zh) * 2015-07-09 2015-11-11 余姚市海博机械有限公司 一种汽车制动盘及其制备方法
CN111133216A (zh) * 2017-09-26 2020-05-08 法格霭德兰公司 盘式制动器
US11492238B2 (en) 2018-10-19 2022-11-08 Otis Elevator Company Elevator brake
DE102019000361A1 (de) * 2019-01-18 2020-07-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase, Verfahren zur Herstellung einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung, und Bremsscheibe mlt einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung
CN114008347A (zh) * 2019-06-27 2022-02-01 泰明顿服务责任有限公司 用于铝制动盘的摩擦衬面
CN114008347B (zh) * 2019-06-27 2024-06-21 泰明顿服务责任有限公司 用于铝制动盘的摩擦衬
WO2023173397A1 (zh) * 2022-03-18 2023-09-21 湖南金天铝业高科技股份有限公司 轻量化汽车制动盘及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011012135B4 (de) 2016-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011012135B4 (de) Komposit-Bremsscheibe und deren Herstellung
EP2678579B1 (de) Bremsscheibe und deren herstellungsverfahren
EP3117025B1 (de) Bremsscheibenbeschichtung aus einer eisenlegierungszusammensetzung und verfahren zur herstellung derselben
EP2985358B1 (de) Gleitlagerverbundwerkstoff
DE102011012142B3 (de) Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, Halbzeug aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015221718B4 (de) Trommel-in-Hut Bremsscheibe für ein Fahrzeug und Herstellungsverfahren dafür
EP3409801B1 (de) Pulvermetallurgisch hergestellter, hartstoffpartikel enthaltender verbundwerkstoff, verwendung eines verbundwerkstoffs und verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem verbundwerkstoff
DE102011121292A1 (de) Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit Siliziumcarbid-Partikeln und Herstellungsverfahren hierfür
DE102010008202B4 (de) Herstellungsverfahren für einen Reibring aus einem Verbundwerkstoff
EP3022338A1 (de) Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe
DE102011120988A1 (de) Flächiges Halbzeug aus einer Aluminiummatrixverbundlegierung mit Borcarbid-Partikeln zur Herstellung einer mit Borcarbid-Partikeln angereicherten Platte und Herstellungsverfahren
DE102009059806A1 (de) Leichtbauverbundbremsscheibe und deren Herstellung
EP4111070B1 (de) Bremsscheibe und verfahren zu deren herstellung
DE102019000361A1 (de) Verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase, Verfahren zur Herstellung einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung, und Bremsscheibe mlt einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung
DE102017008992B3 (de) Scheibenbremse
DE102010010754A1 (de) Verbundbremsscheibe und Herstellungsverfahren dafür
DE102010035646B3 (de) Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe sowie Bremsscheibefür eine Scheibenbremse eines Kraftwagens
DE102012024497A1 (de) Innenbelüftete Bremsscheibe für eine Scheibenbremse eines Kraftfahrzeugs
DE102008011842A1 (de) Bremsscheibe für Kraftfahrzeuge
DE102015012095A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, Bauteil und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bauteil
DE102014222989A1 (de) Formkörper
DE102011120969A1 (de) Bremsscheibe sowie Verfahren zum Herstellen einerBremsscheibe
DE102017201513A1 (de) Metallisches Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
DE10104638A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen
DE102011013207B4 (de) Bauteilrohling sowie Verfahren, Umformwerkzeug und Umformvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit gehärteter Oberfläche

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: MERCEDES-BENZ GROUP AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

Owner name: DAIMLER AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: MERCEDES-BENZ GROUP AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE