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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Reibringe mit Kühlkanälen sowie eine innenbelüftete Bremsscheibe, die einen solchen Reibring umfasst, mit einer Sprühkompaktieranlage zur Herstellung eines hohlzylindrischen Halbzeugs.
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Die Leichtbauweise in der Schienenfahrzeug- und Automobilbranche und wird in Zukunft zur Kraftstoff- und Energieeinsparung und damit der Reduktion von Kohlendioxid- und Schadstoffausstoß bei der Fortbewegung der Fahrzeuge zunehmend von Bedeutung sein, insbesondere in der Automobilbranche im Bereich der elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuge, sowohl bei reinen Elektro-Fahrzeuge als auch bei Hybrid-Fahrzeugen.
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Besonders durch die Reduzierung der reifengefederten Massen kann eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauches sowohl beim Beschleunigen als auch beim Bremsen erzielt werden. Bezogen auf die Masse des Gesamtfahrzeugs werden der Kraftstoffverbrauch und somit auch die Emissionen gesenkt. Gewichtseinsparungen zur Begrenzung der Antriebsenergie, aber auch zur Erhöhung des Fahrkomforts, sind im Bereich des Fahrwerks besonders effizient.
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Herkömmliche Bremsscheiben aus Graugusswerkstoffen mit relativ hohen Dichten weisen ein erhebliches Gewicht auf. Eine Leichtbau-Bremsscheibe führt daher zu einer gewünschten Reduzierung der ungefederten Massen.
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Gerade unter Leichtbau-Gesichtspunkten ist es vorteilhaft, die Graugusswerkstoffe durch leichtere Werkstoffe zu ersetzen. Hier kommen zunehmend hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die so genannten AMC-Legierungen (Aluminium-Matrix-Verbund-Legierungen) infrage, die für Bremsscheiben im Bereich Personenkraftwagen, Nutz- und Schienenfahrzeuge bereits bekannt sind.
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Derartige Aluminiumbremsscheiben wurden bereits auf Prüfständen und in Fahrzeugen geprüft. Die AMC-Legierungen enthalten keramische Hartstoffpartikel, die meistens aus Siliziumkarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen bestehen und im Verbund mit der Matrix aus Aluminium-Silizium-Legierungen vorliegen. Häufig vorkommende, meist in Form von AMC-Ingots eingesetzte Legierungen zur Herstellung von Bremsscheiben sind Duralcan®-Legierungen der Firma Alcan, Kanada; sie werden mit bis 20% SiC-Hartstoffpartikeln verstärkt. Bremsscheiben aus AMC-Legierungen weisen äußerst günstige tribologische Eigenschaften auf, die neben den mechanischen oder thermischen Eigenschaften eine größere Rolle spielen.
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Die
WO 2005/069972 beschreibt eine Verbundscheibenbremse, die einen ringförmigen zentralen Rotorabschnitt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hat, der optional Kühlmittelkanäle aufweisen kann, und ein Paar im Wesentlichen ringförmiger Reibscheiben, die aus einer AMC-Legierung gefertigt sein können. Diese Reibscheiben sind an den äußeren Oberflächen des zentralen Rotorabschnitts mittels einer Bindungsschicht befestigt, die aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann. Zur Verbindung wird diese Bindungsschicht passend zwischen den Außenflächen des gegossenen Rotorabschnitts und den entsprechenden Innenflächen der gegossenen Reibscheiben angeordnet, bevor und während die Bindungsschicht beispielsweise durch Induktionsschweißen aufgeschmolzen wird. Die Bindungsschicht verbessert die thermische und akustische Leitfähigkeit zwischen den Materialien des Rotorabschnitts und den Reibscheiben.
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Ferner hat sich herausgestellt, dass AMC-Legierungen, die mittels Sprühkompaktieren hergestellt werden, optimierte Werkstoff-Charakteristika, sowie höhere Verschleißbeständigkeiten und eine verbesserte thermische und mechanische Beanspruchbarkeit aufweisen.
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So bezieht sich die
DE 10 2009 049 875 A1 auf eine Bremsscheibe mit einem ringförmigen Reibkörper, der aus einem mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumwerkstoff besteht und durch Sprühkompaktieren aufgebaut ist. Das Herstellungsverfahren des Reibkörpers umfasst das Aufbringen des Reibkörpers durch Sprühkompaktieren um einen zylinderförmigen Träger, sodass ein Halbzeug in der Form eines Hohlzylinders entsteht, wobei anschließend der Hohlzylinder durch ein Trennverfahren in mehrere ringförmige Reibkörper zerteilt wird.
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Ferner ist aus der
DE 10 2009 059 806 A1 eine Verbundbremsscheibe bekannt, die eine mit Lüftungskanälen durchsetzte Innenscheibe aus einer Aluminium-Gusslegierung und zwei mit dieser gießtechnisch fest verbundene Reibringe aus einer mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung aufweist. Dazu werden die Reibringe aus der mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung ebenfalls durch Sprühkompaktieren hergestellt und es werden jeweils zwei sprühkompaktierte Reibringe durch Gießkerne einander gegenüberliegend in einer Gießform angeordnet, woraufhin eine Aluminiumlegierung zwischen die gegenüberliegenden Reibringe unter Bildung der Innenscheibe und metallurgischer Verbindung zu den Reibringen abgegossen wird. Durch das Entfernen der Gießkerne aus der Innenscheibe werden die Kühlkanäle ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2010 005 897 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers mittels Sprühkompaktieren bekannt, bei welchem eine Schmelze zerstäubt und Tropfen auf einen Träger aufgebracht werden. Die Tropfen werden hierbei auf eine Trennschicht aufgebracht, an welcher der Körper von dem Träger und einem auf dem Träger angeordneten Formkörper oder ein zweiter Körper von dem ersten Körper abgelöst wird. Das Vorsehen der Trennschichten ermöglicht das Ausbilden von Körpern mit vergleichsweise komplexer Geometrie, etwa von Bremsscheiben.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Reibrings mit Kühlkanälen für eine innenbelüftete Bremsscheibe aus einer mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung bereit zu stellen, wobei keine Fügemaßnahmen wie Gießen oder Schweißen erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine Sprühkompaktieranlage, mit der ein hohlzylindrisches Halbzeug hergestellt werden kann. Die Sprühkompaktieranlage umfasst eine Auffangvorrichtung und zumindest eine Zerstäuberdüse, die ein entsprechendes Material, eine mit Hartstoffpartikeln verstärkte Aluminiumlegierung ausdüst oder -sprüht. Erfindungsgemäß verfügt die Auffangvorrichtung über eine um die Längsachse drehbare und axial verfahrbare Aufsprühfläche und einen darauf koaxial angeordneten zylindrischen Träger aufweist, dessen Außendurchmesser einem für das hohlzylindrische Halbzeug vorgesehenen Innendurchmesser entspricht und der ein Trägerrohr mit vielen Öffnungen in seiner Mantelfläche bildet, die umfänglich verteilt und in Ebenen voneinander beabstandet sind. Das Innere des Trägerrohrs ist mit einer Gaszuführung verbunden, so dass eine Gasströmung durch die Öffnungen jeder Ebene während der Durchführung eines Sprühkompaktiervorgangs erzeugt werden kann, die vorteilhaft von Kompaktiermasse frei bleibende, respektive „freigestrahlte” Kanäle bildet.
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So kann vorteilhaft mit der Sprühkompaktieranlage ein Reibring für eine innenbelüftete Bremsscheibe aus einer mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung gefertigt werden, der die freigestrahlten Kanälen unmittelbar und ohne weiteren Fertigungsaufwand als Kühlkanäle aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Gaszuführung der Sprühkompaktieranlage durch eine in dem Trägerrohr axial verfahrbar angeordnete Dichtungsplattenanordnung bereitgestellt, die zwei parallele und voneinander beabstandete Dichtungsplatten aufweist, deren Querschnitt einem Innenquerschnitt des Trägerrohrs entspricht, und die ein Gaszufuhrrohr umfasst, das in einen zwischen den Dichtungsplatten begrenzten Ringraum mündet. Der Abstand zwischen den Dichtungsplatten ist dabei vorteilhaft so gewählt, dass jeweils eine Ebene aus Öffnungen des Trägerrohrs von den Dichtungsplatten umfasst ist. Damit gelingt es, einen Körper zu schaffen, die in Reibringe unterteilt werden kann, von denen jeder eine Ebene mit freigestrahlten Kanälen hat, die als Kühlkanäle dienen.
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Weiter ist das Gaszufuhrrohr in einer vorteilhaften Ausführungsform zur axialen Verfahrbarkeit der Dichtungsplatten teleskopierbar; in einem Abschnitt, der in dem Ringraum vorliegt, ist eine oder sind mehrere Gasaustrittsöffnungen vorgesehen.
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Die Auffangvorrichtung umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die das axiale Verfahren der Dichtungsplattenanordnung schrittweise von Öffnungsebene zu Öffnungsebene nach oben in Abstimmung mit dem axialen Verfahren der Aufsprühfläche nach unten ansteuert, um so die sukzessive kontrollierte Herstellung der Kanäle zu ermöglichen.
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Geeigneter Weise sind die Ebenen der Öffnungen voneinander äquidistant angeordnet. Der Abstand entspricht vorteilhaft einer für Reibringe vorgesehenen Dicke. Vorteilhaft kann das Trägerrohr ferner beheizbar sein, um eine unerwünschte, zu schnelle Abkühlung des zu sprühkompaktierenden Materials zu verhindern.
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Zur Herstellung von Reibringen mit Kühlkanälen wird vorteilhaft die Verwendung der erfindungsgemäßen Sprühkompaktieranlage vorgeschlagen. Das damit ausgeführte Verfahren umfasst die Schritte:
- – Ausführen eines Sprühkompaktierverfahrens durch Richten zumindest eines Sprühstrahls einer mit Hartstoffpartikeln versetzten Aluminiumlegierung auf die Aufsprühfläche mit dem koaxial darauf angeordneten Trägerrohr der Auffangvorrichtung, das die umfänglich über die Mantelfläche verteilten und in Ebenen voneinander beabstandeten Öffnungen aufweist,
dabei Herstellen eines hohlzylindrischen Halbzeugs unter Erzeugen einer Gasströmung durch die Öffnungen des Trägerrohrs, wobei durch die Gasströmung Kanäle in dem Halbzeug frei bleiben, die entsprechend den Öffnungen in dem Trägerrohr entlang des Halbzeugs umfänglich verteilt und in Ebenen voneinander beabstandet sind,
- – Trennen des hohlzylindrischen Halbzeugs in viele Reibringe, von denen dann jeder Reibring eine Ebene aus den gebildeten, respektive mit Gas gestrahlten Kanälen als Kühlkanäle aufweist.
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Um in dem Verfahren die Gasströmung durch die Öffnungen zu erzeugen, erfolgen weiter die Schritte:
- – Anordnen der Dichtplattenanordnung an einer untersten Ebene von Öffnungen des Trägerrohrs, wobei die Dichtungsplatten die Öffnungsebene umfassen,
- – Gas durch das Gaszufuhrrohr in den Ringraum zwischen den Dichtungsplatten strömen lassen, dabei Umlenken des axialen Gasstroms in radiale Gasströme,
- – austreten Lassen der Gasströmung durch die Öffnungen einer untersten Ebene des Trägerrohrs, während ein unterster Abschnitt des Halbzeugs an dem Trägerrohr sprühkompaktiert wird,
- – zum Sprühkompaktieren des nächsten Abschnitts des Halbzeugs axial Verfahren der Dichtungsplattenanordnung zu einer nächsthöheren Öffnungen-Ebene. Das axiale Verfahren der Dichtungsplattenanordnung kann vorteilhaft in Abstimmung mit dem axialen Verfahren der Aufsprühfläche gesteuert werden.
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So ist erfindungsgemäß ein sprühkompaktierter Reibring aus einer mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung nach dem erfindungsgemäßen Sprühkompaktierverfahren auf einfache Weise herstellbar, der eine Ebene aus freigestrahlten Kanälen als Kühlkanäle aufweist.
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Dieser sprühkompaktierte Reibring aus Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung und mit Kühlkanälen bildet mit einem Trägertopf eine erfindungsgemäße innenbelüftete
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So wird erfindungsmäß die Herstellung von Reibringen mit Kühlkanälen mittels eines Sprühkompatier-Verfahrens aus AMC-Legierungen ermöglicht, um innenbelüftete Bremsscheiben zu fertigen. Vorteilhaft wird die Herstellung von Kühlrippen und -kanälen bereits während des Sprühprozesses realisiert. Dazu ist die beschriebene Gasströmung erfindungsgemäß in gezielten Richtungen und Winkeln ausgelegt. Während des Sprühkompaktierens wird an den Stellen, die für einen Kanal zur Innenbelüftung vorgesehen sind, eine relativ starke Gasströmung erzeugt, die das Kompaktieren des Materials während des Sprühens an diesen Stellen unterbindet. So können die Kühlkanäle des Reibrings für eine innenbelüftete AMC-Bremsscheiben bereits während des Sprühprozesses erzeugt werden, was das Verfahren insgesamt ökonomisch macht.
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Nach dem Herstellen des sprühkompaktierten Halbzeugs sind keine teueren und aufwändigen mechanischen Bearbeitungen erforderlich.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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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.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht auf ein herkömmlich hergestelltes bolzenförmiges Halbzeug in einer Sprühkompaktieranlage,
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2 eine schematische Seitenansicht auf ein erfindungsgemäß hergestelltes hohlzylindrisches Halbzeug in einer erfindungsgemäßen Sprühkompaktieranlage,
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3 eine perspektivische Seitenansicht des gelochten Trägerrohrs der erfindungsgemäßen Sprühkompaktieranlage,
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4 eine Seitenschnittansicht durch das Trägerrohr mit der Dichtungsplatte,
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5 eine schematische Teilschnittansicht von oben durch das um das Trägerrohr aufgebaute hohlzylindrische Halbzeug und einen Ausschnitt der Seitenschnittansicht durch das Trägerrohr mit der Dichtungsplatte,
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6 eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäß hergestellten hohlzylindrischen Halbzeugs,
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7 einen Aufbau zum Trennen des hohlzylindrischen Halbzeugs in ringförmige innenbelüftete Bremsscheiben,
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8 eine Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen innenbelüfteten Bremsscheibe.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf die Herstellung eines Reibrings mit Kühlkanälen aus einer AMC-Legierung für eine innenbelüftete Bremsscheibe. Vorliegend wird unter dem Begriff „Bremsscheibe” die Kombination eines flanschartig ausgebildeten Trägertopfs mit einer ringförmigen, die Reibflächen bereitstellenden Scheibe, dem „Reibring”. So kann der erfindungsgemäße einstückig durch Sprühkompaktieren hergestellte Reibring mit einem Trägertopf, der etwa aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossen sein kann, zur Bremsscheibe ergänzt werden. Die Kühlkanäle bilden dabei eine Innenbelüftung der Bremsscheibe, wenn sich das Laufrad dreht, wobei die Zentrifugalkraft eine Luftströmung nach außen bewirkt, die für eine ständige Wärmeabfuhr sorgt.
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Aufgrund der durch die Kühlkanäle bedingten höheren Baubreite und dem damit verbundenen höheren Gewicht einer innenbelüfteten Bremsscheibe im Vergleich zu einer massiv ausgeführten Bremsscheibe kommt hier die Verwendung von hochfesten Aluminiumlegierungen, besonders vorteilhaft der Aluminium-Matrix-Verbundlegierungen, zum Einsatz, bei denen es sich um mit Hartstoffpartikeln verstärkte Aluminiumlegierungen handelt. Als Hartstoffpartikel werden häufig Siliziumkarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen verwendet, die bis zu 20 Gew.-% der Gesamtlegierung ausmachen können, während die Matrix vorwiegend durch Aluminium-Silizium-Legierungen gebildet wird.
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Nicht nur die mechanischen Eigenschaften der AMC-Legierungen wie Elastizitätsmodul, Härte, Streckgrenze, Betriebs- und Dauerfestigkeit, sondern auch die thermischen Eigenschaften wie Salidustemperatur, Thermoschockbeständigkeit, Wärmespeicherkapazität, Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs-, Wärmekonvektions-Koeffizient werden nicht nur durch die verwendete Hartstoffpartikel-Art, -Anteil, -Größe und -Form sondern auch durch die Eigenschaften der Aluminium-Matrix beeinflusst.
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Generell haben Metall-Matrix-Verbundlegierungen (MMC-Legierungen) eine Metallmatrix, in welche die Partikel eingelagert oder eingebettet sind. Diese Partikel sind üblicherweise keramische Hartstoffpartikel, sie können jedoch auch metallische Partikel sein. Ferner können – je nach MMC-Legierung – intermetallische Phasen auftreten, die ebenfalls Partikel bilden. Sofern metallische Partikel in die Metallmatrix eingebettet sind, unterscheiden sich die Partikel durch ein von der Metallmatrix abweichendes metallisches Gefüge und/oder durch ein von der Metallmatrix abweichendes Metall bzw. durch eine von der Metallmatrix abweichende Legierung.
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Neben den gängigen Hartstoffpartikeln aus Korund (Al2O3) oder aus Siliziumkarbid (SiC) ist es grundsätzlich möglich, die Hartstoffpartikel durch Karbide, wie Wolframkarbid (WC) und Borkarbid (B4C), oder durch Nitride, wie Siliziumnitrid (Si3N4) und kubisches Bornitrid (BN), oder durch Boride oder durch Siliziumdioxid (SiO2) oder durch Diamant zu bilden. Besonders interessant ist außerdem Aluminiumnitrid (AlN), da es eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit hat; insbesondere in der Mischung aus SiC und AlN.
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Ferner kann die MMC-Legierung als weitere Partikel Silizium-Primärkristalle enthalten, die zusätzlich zu den Hartstoffpartikeln in der Metallmatrix enthalten sind. Derartige Silizium-Primäkristalle weisen üblicherweise eine Härte zwischen 900–1100 HAV auf und tragen zusätzlich zu einer wesentlichen Verbesserung der Rauhigkeit bzw. der erzielbaren Haftreibung bei.
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Für Leichtbauzwecke sind Leichtmetall-Matrix-Legierungen wie eine auf Aluminium basierte MMC-Legierung besonders geeignet. Insbesondere vorteilhaft sind übereutektische AMC-Legierungen. Erfindungsgemäß wird eine mit keramischen Hartstoffpartikeln verstärkte AMC-Legierung verwendet, die bevorzugt einen relativ hohen Anteil an Silizium-Primär-Kristallen aufweist und dementsprechend eine hypereutektische AlSi-MMC-Legierung ist. So kann die AMC-Legierung aus einer Metallmatrix 9 aus AlSi20 mit 10% SiC-Hartstoffpartikeln bestehen. Innerhalb der Metallmatrix bilden sich beim Erstarren des Gefüges die Primär-Siliziumkristalle aus, die dann zusätzliche Partikel repräsentieren.
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Zur Darstellung solcher AMC-Legierungen kommt das Sprühkompaktieren in Frage, wobei die hergestellten Aluminiumlegierungen deutlich optimierte Werkstoff-Charakteristika aufweisen, sowie eine höhere Verschleißbeständigkeit und thermische und mechanische Beanspruchbarkeit.
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Beim Sprühkompaktieren wird die flüssige Aluminiumschmelze aus dem Tiegel in einen beheizten Verteiler gegossen, an dessen Boden sich eine zylindrische Düse befindet. Aufgrund der konstanten Füllhöhe der Aluminiumschmelze im Verteiler und typischer Düsendurchmesser von 5 bis 7 mm können Produktionsraten von 1000 bis 2500 kg/h je Düse erreicht werden. Der austretende Aluminiumschmelzestrahl wird mit erforderlichen Zusatzwerkstoffen, sowie mit Hartstoffpartikeln gemischt und dabei durch die Hochgeschwindigkeitsströmung einer Gasringdüse mit Stickstoff oder Argon in feine Tropfen zerstäubt, die mit hoher Geschwindigkeit auf einem Substrat auftreffen und dort ein sprühkompaktiertes Halbzeug bilden. Die Herstellung von sprühkompaktierten Halbzeugen ist etwa aus der
US 05472038 bekannt.
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1 zeigt das Sprühkompaktieren eines bolzenförmigen Halbzeugs 10' nach dem Stand der Technik. Der von den Düsen 31 zerstäubte Sprühstrahl s ist auf ein Substrat oder eine Aufsprühfläche 30 gerichtet, wo die flüssigen oder in der Erstarrung befindlichen Schmelztröpfchen zu einem festen Körper 10' ”kompaktiert” werden. Versetzt man die Aufsprühfläche 30 in eine langsame Rotation r und zieht sie sukzessive nach unten (Pfeil a) weg, dann ”wächst” im Gegenzug der bolzenformige Körper 10' herauf. Mit dem Sprühkompaktieren überwindet man Problembereiche klassischer Gießverfahren, wie das Seigern, die Dendritenbildung, die Oxidkontamination oder Einschränkungen bezüglich der Bauteilgröße.
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Die Vorteile des Sprühkompaktierens entstehen aus der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit. Diese liegt mit 1000 bis 10000 K/s nur leicht unter den Abkühlungsgeschwindigkeiten der Pulvermetallurgie, aber mehrere Größenordnungen über den Abkühlungsgeschwindigkeiten von klassischen Gießverfahren. Dadurch werden die Möglichkeiten der Werkstoff-Charakteristik gegenüber den Gießverfahren erheblich erweitert. Durch das Sprühkompaktieren lassen sich Legierungen herstellen, die man weder mit der Gießereitechnik noch mit der Umformtechnik herstellen könnte. Sprühkompaktierte Aluminium-Matrix-Verbund-Legierungen haben ein besonders homogenes Werkstoffgefüge, Seigerungen lassen sich weitgehend vermeiden. Spezielle Gefügebestandteile, die man zum Erreichen besonderer Werkstoffeigenschaften benötigt, wie zum Beispiel die Primär-Siliziumkristalle, lassen sich beim Sprühkompaktieren wesentlich feinkörniger herstellen, als bei der Gießtechnik. In der Folge werden Festigkeit und Verschleißbeständigkeit verbessert.
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Aufgrund der hohen Abkühlraten werden beim Sprühkompaktieren Seigerungen im Werkstoff weitestgehend unterdrückt. Es bildet sich ein feines und homogenes Gefüge aus, das insbesondere bei hochsiliziumlegierten hypereutektischen Aluminiumlegierungen, bzw. mit keramischen Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminium-MMC-Legierungen zu entscheidenden Optimierungen der Werkstoff-Charakteristik führt, die erfindungsgemäß in der Bremsscheiben-Anwendung richtig zur Geltung kommen. Durch den Sprühprozess wird der Aluminiumschmelze bereits viel Wärme entzogen, so dass das Material beim Erstarren nahezu fehlerfrei bleibt.
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Der gleichzeitige Einsatz von zwei aufeinander abgestimmten Düsensystemen 31 (1 und 2) ermöglicht, Bolzen mit bis zu 500 mm Durchmesser und über 2000 mm Länge herzustellen, was die Verfahrenskosten für Bremsscheiben deutlich reduziert, Das Stückgewicht kann dabei bis zu 4000 kg betragen.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs 10 für Reibringe mit Kühlkanälen 2 dargestellt. Die Schmelze aus der Aluminiumlegierung wird über die Zerstäuberdüsen 31 entsprechend zerstäubt und dann beispielsweise auf eine Aufsprühfläche 30 aufgesprüht. In die Sprühkegel s werden Hartstoffpartikel, etwa aus Korund oder Siliziumkarbidpartikel, zugeführt. Durch das Drehen r der Aufsprühfläche 30 um die Achse A-A und das sukzessive Absenken a der Aufsprühfläche 30, ”wächst” das bolzenformige Halbzeug 10 herauf. Mittig auf der Aufsprühfläche 30 ist koaxial ein zylindrisches Trägerrohr 20 angeordnet, auf das die Aluminiumschmelze mit den zugesetzten Hartstoffpartikeln aufgesprüht wird. Mit den Zerstäuberdüsen 31 kann die Aluminiumschmelze auf die Aufsprühfläche 30 und um das Trägerrohr 20 einfach und effizient aufgesprüht werden, so dass das Halbzeug 10 über dem Trägerrohr 20 hohlzylindrisch ausgebildet wird. Um das Halbzeug 10 in der Art eines Hohlzylinders aufzubauen, wird neben der bereits beschriebenen Drehung um die Achse A-A eine Bewegung der Aufsprühfläche 30 und des Trägerrohrs 20 in der hier dargestellten Art nach unten, also weg von den Zerstäuberdüsen 31, ausgeführt.
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Um nun schon beim Sprühkompaktieren des Halbzeugs 10 die zur Ausbildung der Innenbelüftung vorgesehenen Kühlkanäle 2 zu schaffen, ist das erfindungsgemäße Trägerrohr 20 (wie auch in 3 zu sehen) als gelochtes dünnwandiges Rohr 20 ausgeführt. Die Öffnungen 21 liegen ringförmig über die Mantelfläche des Rohrs 20 verteilt vor. Jede Ebene mit einem Ring aus Öffnungen 21 ist zur Bildung eines Reibrings mit Kühlkanälen 2 vorgesehen. Die Anzahl der Öffnungen 21 in einer Ebene bestimmt die Anzahl der Kühlkanäle 2 in dem aus dem Halbzeug 10 zu fertigenden Reibring. Abhängig von der Form und der Größe der Öffnungen variieren die Ausbildungen der Kühlkanäle 2. Durch die als Düsen fungierenden Öffnungen 21 wird eine in das Rohr 20 zugeführte Gasströmung (mittels Argon oder Stickstoff-Gas) radial nach außen gerichtet und verhindert dabei die Ablagerung von aufgesprühter Schmelze, so dass beim Aufwachsen des Halbzeugs 10 ausgehend von den Öffnungen 21 die Kühlkanäle entstehen. Durch spezielle Gestaltung der Öffnungen 21 kann die erzielte Ausrichtung der austretenden Gasströme g3 und damit auch die gebildeten Kühlkanäle 2 von einer rein radialen Richtung abweichen, so dass die Kühlkanäle auch wie Sekanten verlaufen können.
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Während des Sprühkompaktierens wird ein Anteil g1 der Gasströmung in das Trägerrohr 20 eingeleitet. Genauer gesagt wird der Gasstrom g1 durch das Zufuhrrohr 23 eingeleitet, das koaxial und teleskopierbar oder verschiebbar in dem Trägerrohr 20 angeordnet ist und als Teil einer Dichtplattenanordnung in einen von zwei parallelen Dichtungsplatten 22 umschlossenen Raum mündet. Der Abschnitt des Zufuhrrohrs 23, der zwischen den Dichtungsplatten 22 liegt, weist Austrittsöffnungen 24 auf, wodurch der Gasstrom umgelenkt wird und in den von den Dichtungsplatten 22 begrenzten Raum eintritt (Pfeile g2). Die Dichtungsplatten 22 sind dabei so beabstandet, dass sie jeweils die Öffnungen 21 einer Ebene umschließen. So werden beim sukzessiven Aufbau des Halbzeugs 10 die Kühlkanäle 2 ebenfalls sukzessive erzeugt, indem die Dichtungsplattenanordnung mit dem „Wachstum” des Halbzeugs 10 nach oben wandert. Die Dichtungsplatten 22 entsprechen in ihrem Querschnitt dem Innenquerschnitt des Trägerrohrs 20 und dichten so den umschlossenen Raum ab, so dass die Gasströmung g2 nur durch die Öffnungen 21 austreten kann (Pfeil g3). Die in den Dichtungsraum eingeleitete Gasströmung g2 strömt durch die partiell angeordneten Öffnungen 21, die etwa Feinbohrungen sein können, und vermeidet dort das „Kompaktieren” der gesprühten Schmelze, bzw. des metallischen Sprühnebels an die Öffnungen 21. An den Stellen entlang der Gasströmungsrichtung g3 werden keine metallischen Tröpfchen (Sprühnebel) an den kompaktierten Bolzen abgeschieden, sondern durch die in den Feinbohrungen 21 erzeugten Gasströmungen g3 wegtransportiert. Dadurch werden diese Stellen materialfrei gehalten und bilden die Kühlkanäle 2 aus. Die wegtransportierten metallischen Teilchen werden als „Overspray” in der Sprühanlage gefangen, und der Wiederverwendung zugeführt.
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4 verdeutlich die Gasströmungepfade g1, g2, g3 durch die Dichtplattenanordnung, die entsprechend dem „Aufwachsen” des Halbzeugs von Düsenreihe zu Düsenreihe bzw. von Öffnungsebene zu Öffnungsebene geführt wird.
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5 zeigt detailliert die an einer Düsenreihe bzw. einer Ebene aus Öffnungen 21 angeordneten Dichtplattenanordnung und verdeutlicht mit den Pfeilen g3, die die durch die Öffnungen 21 austretenden Gasströme symbolisieren, das Funktionsprinzip.
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Das Trägerrohr 20 weist als Düsen ausgelegte Feinbohrungen 21 auf, um jeweils einen Gasstrahl g3 ausreichender Geschwindigkeit zu schaffen. Um die Abscheidung der Schmelzetröpfchen zu verhindern, ist es mit einem bestimmten Außendurchmesser ausgelegt, der nach Beendigung des Sprühkompaktierens den Innendurchmesser 3 des hohlzylindrischen Halbzeugs 10 darstellt (vgl. 6).
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Ferner ist vorgesehen, dass das Trägerrohr 20, gegebenenfalls auch die Aufsprühfläche 30 beheizbar ist, um die Abkühlungrate des kompaktierten Materiales an der Aufprallstelle, bzw. an der Oberfläche des Trägerrohrs 20 steuern zu können. Damit kann für die für bestmögliche Werkstoffeigenschaften ideale Abkühlung gesorgt werden. Die Beheizung kann dabei so ausgeführt sein, dass das Trägerrohr 20 ähnliche Abkühlraten wie das aufgebaute Halbzeug 10 aufweist, um so die Gefügeeigenschaften des Halbzeugs 10 nicht nachteilig zu beeinflussen.
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In der Darstellung der 7 ist ein weiterer Schritt bei der Herstellung der Reibringe 1 gezeigt. Das Halbzeug 10 wird dazu in einem zweiten Verfahrensschritt über Trennverfahren in die scheibenförmigen Reibringe 1 getrennt. Wie aus der Darstellung der 7 zu erkennen ist, ist das Halbzeug 10 dabei auf einem Trennmaschinenbett 11 befestigt und eine Vielzahl von Sägedrähten 12 schneidet den zylindrischen Teil des Halbzeugs 10 in einem einzigen Fertigungsschritt in eine Vielzahl von Reibringe 1. Das Trennen erfolgt dermaßen, dass jeweils eine Ebene mit Kühlkanälen 2 mittig in einem Reibring 1 zu liegen kommt. Bei der Auslegung des Trägerrohrs 20 ist daher darauf zu achten, dass die Öffnungsebenen derart voneinander beabstandet sind, dass sie später beim Trennen die beidseitig der Kühlkanäle 2 vorgesehenen Reibflächen 5, 6 der Reibringe 1 (siehe auch 8) bilden können. Die aus dem hohlzylindrischen Halbzeug 10 getrennten Reibringe 1 weisen die Axialbohrung 3 auf, welche ebenso wie der äußere Umfang 4 beim Sprühkompaktieren unmittelbar hergestellt ist. Die beiden Oberflächen 5, 6 des Reibrings 1, welche später die Reibflächen bilden, sind über das Trennverfahren, welches in der Darstellung der 7 beispielhaft beschrieben wurde, entstanden. Da derartige Sägeverfahren oder auch andere spanlose oder insbesondere spanabhebende Trennverfahren typischerweise eine sehr hohe Genauigkeit erlauben und eine sehr hohe Oberflächenqualität ermöglichen, kann auf eine Nachbearbeitung des Reibrings 1 komplett verzichtet werden.
