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Die Erfindung betrifft eine Leichtbau-Rückenplatte für einen Bremsbelag sowie einen Leichtbau-Bremssattel, der die Leichtbau-Rückenplatte aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Leichtbau-Rückenplatte.
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugherstellung liegen Bestrebungen darin, die Leichtbauweise der Kraftfahrzeuge zur Reduktion des Energieverbrauchs, sei es elektrische Energie zur Erhöhung der Reichweite von Elektro- oder Hybridfahrzeugen oder den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsmotoren zur Reduktion des CO2-Ausstoßes, zu optimieren.
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Diese Bestrebungen erstrecken sich auch auf Bremsbeläge: Diese dienen der Geschwindigkeitsreduktion eines Fahrzeugs mittels Reibung an einer Graugusstrommel oder Bremsscheibe, wobei die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Handelsübliche Bremsbeläge bestehen aus einer Rückenplatte aus Metall bzw. Sintermetall, dem Reibbelag, und mitunter einer Rückenplatte aus Metall. Um die Kräfte und Flächenpressungen am Bremsbelag abzudecken, muss die Rückenplatte eine ausreichende Festigkeit aufweisen, was bislang durch Stahlrückenplatten gewährleistet wird.
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Weil Bremsbeläge der Einwirkung hoher Kräfte ausgesetzt sind, werden häufig Rückenplatten aus gestanztem Stahl verwendet. Auf diese werden dann noch erforderliche Federn und Dämpfungselemente aufgetaumelt oder genietet.
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Die Rückenplatten sollten möglichst steif sein, um die Andruckkräfte des Kolbens im Bremssattel oder des Gehäuses beim Faustsattel zu einer gleichmäßigen Flächenpressung des Belages auf der Bremsscheibe zu übertragen.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2007 017 785 B3 eine Rückenplatte, vorzugsweise aus einem Gusswerkstoff, die bezüglich der Steifigkeit an eine Stahlrückenplatte angepasst ist. Dazu sind in dem Belagbett der Rückenplatte, das dem Reibbelag zugewandt ist, zur Erhöhung der Steifigkeit Längs- und Querrippen gebildet, die sich kreuzen und ein Gitter bilden. Die dabei entstehenden Verbindungsbereiche des Gitters bilden im Wesentlichen rechteckige Anbindeelemente, die mindestens eine Hinterschneidung aufweisen. Zusätzlich sind in den von dem Gitter gebildeten Zwischenräumen hinterschnittene noppenförmige, zylinderförmige Anbindeelemente gebildet. Auf Grund des Guß-Fertigungsverfahrens kann die gesamte Rückenplatte mit allen Anbindeelementen und Rippen einstückig hergestellt werden, oder die Anbindeelemente und/oder die Rippen können an der gegossenen Rückenplatte vernietet, vergossen, verschweißt oder verschraubt werden.
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Aufgrund der für eine Rückenplatte erforderlichen Festigkeit, um die Kräfte und Flächenpressungen am Bremsbelag abzudecken, war bislang der Einsatz von Aluminiumlegierungen zur weiteren Gewichtsoptimierung eines Bremssattels, der zu diesem Zweck ein Al-Gehäuse aufweist, nicht erfolgreich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rückenplatte für einen Bremsbelag zu schaffen, die hinsichtlich ihres Gewichts optimiert ist und dabei eine Festigkeit aufweist, die der von Stahl entspricht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leichtbau-Rückenplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner wird ein Leichtbau-Bremssattel mit den Merkmalen des Anspruchs 8 offenbart.
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Die Aufgabe der Herstellung einer solchen Leichtbau-Rückenplatte wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Weiterbildungen der Leichtbau-Rückenplatte und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform der Leichtbau-Rückenplatte bezieht sich darauf, dass die Rückenplatte aus einem sprühkompaktierten Aluminium-Matrixverbundwerkstoff besteht, der aus einer übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung und keramischen Zusatzstoffen gebildet wird. Der Leichtbau-Aluminium-Matrixverbundwerkstoff enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, 10 bis 25 Gew.-%, etwa 15 Gew.-%, keramische Zusatzstoffe, insbesondere Siliziumkarbidpartikel.
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Diese können eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 μm haben.
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Die Aluminium-Siliziumlegierung schließlich ist erfindungsgemäß aus 10 bis 30 Gew.-% Silizium, 2 bis 7 Gew.-% Eisen, 1 bis 7 Gew.-% Nickel, 1 bis 5 Gew.-% Mangan und 1 bis 3 Gew.-% Magnesium, und, auf 100 Gew.-% ergänzend, Aluminium gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist sie 20 Gew.-% Silizium, 5 Gew.-% Eisen, 5 Gew.-% Nickel, 3 Gew.-% Mangan und 0,3 Gew.-% Magnesium und, auf 100 Gew.-% ergänzend, Aluminium auf.
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Vorteilhaft umfasst die Leichtbau-Rückenplatte ein Belagbett mit Anbindeelementen für einen Reibbelag auf, die Rippen und/oder Noppen, insbesondere Rippen und/oder Noppen mit zumindest einer Hinterschneidung sein können.
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Mit der erfindungsgemäßen Leichtbau-Rückenplatte lässt sich so vorteilhaft ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter, leichterer und dennoch fester Leichtbau-Bremssattel für ein Kraftfahrzeug fertigen, der einen Bremsbelag aus der Rückenplatte, einen Reibbelag und ferner eine Zuspannbetätigungsvorrichtung des Bremsbelags in einem Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung umfasst.
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Das Fertigen der Rückenplatte erfordert das Sprühkompaktieren des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs aus einer Schmelze der übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung und den keramischen Zusatzstoffen, um zunächst ein Halbzeug, etwa eine Scheibe oder ein Blech, zu bilden. Dann folgt das Bearbeiten des Halbzeugs und Fertigen der Rückenplatte. „Bearbeiten” kann hier durch Zerspanen, Schneiden, Stanzen, Umformen, Warmumformen, und/oder heißisostatisches Pressen zum Verdichten des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zumindest an der Oberfläche des Halbzeugs geleistet werden.
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Leichtmetalle bzw. deren Legierungen, sowie darauf basierende Metallmatrixverbundwerkstoffe (MMC) werden an Stelle der bislang verwendeten Stahl- oder Graugussmaterialien beispielsweise für Leichtbau-Bremsscheiben zu der Reduzierung der reifengefederten Massen eingesetzt, die zu einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauches beiträgt. Dabei weisen die Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe AMC (Aluminium Matrix Composites) keramische Hartpartikel in der metallischen Legierungsmatrix auf. Diese Bremsscheiben werden beispielsweise durch Unterdruck-Infiltration oder Gießen in eine keramische Pre-Form aus verschmolzenen AMC-Ingots hergestellt, die mit bis zu 20% SiC-Hartstoffpartikeln verstärkte AMC-Legierungen sind.
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So beschreibt die
WO 2005/069972 A2 einen Verbundscheibenbremsenrotor, der einen Rotor mit einem Paar ringförmiger Außenflächen aus einer Aluminiumlegierung und ein Paar ringförmige Reibscheiben aus einem auf Aluminium basierten Metallmatrixverbund-Werkstoff (MMC) mit Hartstoffpartikeln aus Siliziumkarbid aufweist, die jeweils auf einer der Außenflächen des Rotors angeordnet werden.
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Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die thermischen Eigenschaften eines 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; die thermischen Eigenschaften beziehen sich auf die Solidustemperatur, die Thermoschockbeständigkeit, die Wärmespeicherkapazität sowie den Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und Wärmekonvektions-Koeffizienten.
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Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, der aus einer übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung und keramischen Zusatzstoffen besteht, zur Bildung einer erfindungsgemäßen Rückenplatte zu verwenden, wenn der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff durch Sprühkompaktieren gebildet wurde.
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Das dabei entstehende feine und homogene Gefüge verleiht dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff nicht nur eine gute Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit, sondern führt auch zu einer Steigerung der Festigkeit entsprechend der von Stahl, verbunden mit einem niedrigen Gewicht aufgrund der geringen Dichte des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs. Die keramischen Zusatzstoffe führen ferner zu einer höheren Verschleißresistenz.
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Ein geeigneter Aluminium-Matrixverbundwerkstoff enthält dabei 10 bis 30 Gew.-% keramische Zusatzstoffe bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, die insbesondere aus Siliziumkarbidpartikeln bestehen können.
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Die Aluminium-Siliziumlegierung der Rückenplatte, die die Matrix des AMCs bildet, kann 10 bis 30 Gew.-% Silizium, 2 bis 7 Gew.-% Eisen, 1 bis 7 Gew.-% Nickel, 1 bis 5 Gew.-% Mangan und 1 bis 3 Gew.-% Magnesium, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminium-Siliziumlegierung, enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung mit 20 Gew.-% Silizium, 5 Gew.-% Eisen, 5 Gew.-% Nickel, 3 Gew.-% Mangan und 0,3 Gew.-% Magnesium ausgeführt; der Gewichtsdifferenzbetrag wird durch das Aluminium erbracht.
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Gegebenenfalls enthalten die Aluminiumlegierungen noch Spuren weiterer Elemente oder es sind unvermeidliche Aluminiumlegierungsbegleiter enthalten.
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Ein bevorzugter Aluminium-Matrixverbundwerkstoff wird aus der vorgenannten Aluminium-Siliziumlegierung gebildet und enthält 15 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs.
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Dieser Aluminium-Matrixverbundwerkstoff weist Festigkeitswerte entsprechend jenen von Stahl auf, wie aus der folgenden Tabelle ersichtlich wird, in der mechanische und thermische Eigenschaften des obigen AMCs, eines Stahlwerkstoffs und zum Vergleich eines Gusseisenwerkstoffs aufgelistet sind:
| | AMC | St-37 | GG15-CrCuHC |
| Zugfestigkeit, Rm | MPa | 334 | 340 | 150 |
| Streckgrenze, RpO,2 | MPa | 205 | 235 | 98 |
| E-Modul | GPa | 101 | 206 | 78 |
| Härte | HB | 123 bis 900 | bis 125 | 125 bis 205 |
| Bruchdehnung, A5 | % | 2,7 | 25,0 | 0,3 |
| Dichte | g/cm3 | 2,82 | 7,85 | 7,12 |
| Wärmeleitfähigkeit | W/mK | 118 | 50 | 52,5 |
| Wärmespeicherkapazität | kJ/kgK | 0,82 | 0,47 | 0,46 |
| Wärmeausdehnung | 10–6/K | 14,4 | 12,1 | 11,7 |
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So sind die Werte der Zugfestigkeit und der Streckgrenze des AMCs ähnlich jenen des Stahlwerkstoffes. Die Härte des AMCs ist in weiten Grenzen einstellbar und übersteigt die von Stahl und ist auf den positiven Einfluss des Magnesium- und Mangananteils in Verbindung mit Eisen und Nickel zurückzuführen, deren Partikel im Gefüge in einer Form von intermetallisohen Phasen vorliegen. Die so geschaffene höhere Matrixfestigkeit wiederum verbessert die Einbettungsfestigkeit der keramischen Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid deutlich. Die deutlich geringere Dichte des AMCs führt zu einer deutlichen Gewichtsreduktion der daraus gefertigten Rückenplatte. Auch die Wärmeausdehnung ist mit jener von Stahl vergleichbar.
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Ferner sind die Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität nicht allzu sehr erhöht im Vergleich zu Stahl. Eine zu hohe Wärmeleitfähigkeit ist zum Einsatz des AMCs als Rückenplatte unerwünscht, da die ”Bremswärme” nicht auf den Bremskolben und die Bremsflüssigkeit übertragen werden soll.
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Die mittlere Korngröße der Siliziumkarbidpartikel kann im Bereich von 5 bis 30 μm liegen. Dabei können die Hartpartikel in unterschiedlichen Formen und Größen in den Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt werden.
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Ferner kann die Rückenplatte ein Belagbett, an dem zur Bildung des Bremsbelags der Reibbelag angeordnet wird, mit geeigneten Anbindeelementen für den Reibbelag aufweisen. Solche Anbindeelemente können Rippen und/oder Noppen, insbesondere mit zumindest einer Hinterschneidung zur mechanischen Verankerung des Reibbelags sein.
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Der Leichtbau-Bremssattel der hierin offenbart ist, bezieht sich auf das Teil einer Scheibenbremse, das die Bremsbeläge hydraulisch oder mechanisch über der Bremsscheibe zuspannt bzw. dagegen drückt. Er umfasst einen Bremsbelag, der aus der erfindungsgemäßen Rückenplatte und einem Reibbelag besteht, und ferner eine Zuspannbetätigungsvorrichtung für den Bremsbelag in einem Gehäuse, das aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein kann, um dem Leichtbaugedanken zu genügen.
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Zur Herstellung einer Rückenplatte wird der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff aus einer Schmelze der übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung und den keramischen Zusatzstoffen zu einem Halbzeug sprühkompaktiert, das dann zur Fertigung der Rückenplatte bearbeitet wird. Durch Sprühkompaktieren werden dabei endkonturnahe Bauteile bzw. Halbzeuge hergestellt, indem eine flüssige Metallschmelze durch eine Düse versprüht wird, deren Sprühstrahl auf ein Substrat oder eine Auffangfläche gerichtet ist. Dort werden die flüssigen oder in der Erstarrung befindlichen Schmelztröpfchen schnell abgekühlt und dadurch zu einem festen Körper ”kompaktiert”. Mit dem Zerstäuben der metallischen Schmelze zu Tröpfchen gelingt die Herstellung von großvolumigen Halbzeugen wie Blechen, Bolzen, Blöcke, Ringen, Rohren, Scheiben mit besonders feinkörniger Kristallstruktur und/oder sehr fein verteilten Ausscheidungen. Die mit der Schmelze nicht mischbaren keramischen Zusatzstoffe werden als feine Pulver in den Sprühstrahl zudosiert und führen so zum Aufbau des AMCs bei der Herstellung des Halbzeugs.
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Der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff wird zu einer Halbzeug-Scheibe oder einem Halbzeug-Blech sprühkompaktiert, dann kann das anschließende Bearbeiten wie insbesondere das Warmumformen erfolgen. Ferner kann zusätzlich oder alternativ ein heißisostatisches Pressen zur Verdichtung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zumindest an der Oberfläche des Halbzeugs vorgesehen sein, wodurch zum einen eine konstruktive Bauteilanpassung vorgenommen werden kann, während zum anderen die Presstemperatur von 460 bis 510°C unter einem Pressdruck von 150 bis 200 MPa zur Ausscheidungen und Bildung von harten und sehr feinkörnigen primären Siliziumkristallen sowie zur Umhüllung der eingebetteten keramischen Aluminiumnitrid-Hartstoffpartikel durch Siliziumnitride führt.
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Der Leichtbau-Bremssattel bzw. die Leichtbau-Rückenplatte, die erst durch Sprühkompaktieren mit den erforderlichen Festigkeitswerten auf Aluminiumbasis fertigbar ist, trägt zur Gewichtsreduktion des Kraftfahrzeugs und damit zu Verringerung des Energieverbrauchs bei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007017785 B3 [0006]
- WO 2005/069972 A2 [0021]