DE102014004616A1

DE102014004616A1 - Bremsscheibenbeschichtung aus einer Eisenlegierungszusammensetzung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102014004616A1
Application number: DE102014004616.8A
Authority: DE
Inventors: Tilmann Haug
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-29
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JP6254715B2; PL3117025T3; EP3117025B1; EP3117025A1; US20170016497A1; WO2015135639A1; US10288136B2; JP2017514992A; CN106103804A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verschleißschutzbeschichtung aus Eisenlegierungszusammensetzung auf Bremsscheiben-Bremsflächen bereit, die 0,5 bis 2 Gew.-% C, 3 bis 13 Gew.-% Al und einen die 100 Gew.-% ergänzenden Restanteil Fe aufweist. Ferner offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung der Bremsscheibe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eisenlegierungszusammensetzung als Verschleißschutzbeschichtung auf einer Bremsscheibe, eine verschleißschutzbeschichtete Bremsscheibe und die Herstellung derselben.
Aus WO 03/104513 A1 ist ein verschleißfestes, beschichtetes, im Wesentlichen metallisches Fahrzeugbauteil mit einer Reibfläche, beispielsweise eine Bremsscheibe, bekannt. Die Reibfläche wird durch eine verschleißfeste Deckschicht gebildet, die im Wesentlichen aus Molybdän besteht, wobei eine typische Zusammensetzung mehr als 99% Molybdän aufweist. Eine Bindungsschicht wird auf das Basissubstrat des Bauteils aufgebracht, um die Deckschicht mit dem Basissubstrat zu verbinden. Ein Nachteil bei der Verarbeitung von Molybdän ist allerdings dessen hohe Schmelztemperatur und ebenso die hohen Kosten für Molybdän.
Daher wird bei dem Fahrzeugbauteil mit Reibfläche aus der WO 2007/043961 A1 die verschleißfeste Deckschicht aus einer Legierung gebildet, die zwischen 50 und 99% Molybdän enthält, wobei der Rest aus zumindest einem der folgenden Elemente besteht: Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Chrom, Kobalt, Lanthan, Mangan, Nickel, Niob, Sauerstoff, Silizium, Tantal, Wolfram, Yttrium. Diese Legierung hat eine Liquidustemperatur, die beträchtlich niedriger ist, als die von Molybdän, so dass die Legierung beim thermischen Spritzen vollständig oder fast vollständig verflüssigt ist, wodurch die Bildung einer nichtporösen Deckschicht gefördert wird. Deren Dicke liegt bei etwa 25 bis 600 μm, vorzugsweise 300 µm. Eine Verbindungsschicht zwischen der Molybdändeckschicht und dem Substrat umfasst im Wesentlichen einen Hauptanteil Nickel und einen geringeren Anteil Aluminium. Deren Dicke kann zwischen 0 und 100 µm, vorzugsweise bei etwa 50 µm liegen.
Die DE 10 2008 035 849 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Bremsflächen von Stahl-Bremsscheiben, bei dem eine verschleißfeste Beschichtung durch thermisches Spritzen auf die aufgerauten Bremsflächen aufgebracht wird. Ein zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen verwendeter Spritzwerkstoff ist ein Keramik-Metall-Verbundwerkstoff aus Wolframcarbid und einem Metall-Bestandteil, der entweder aus Kobalt, Nickel oder einer Kobalt- oder Nickellegierung besteht. Im Lichtbogenspritzverfahren kann auf die Bremsflächen der Stahl-Bremsscheibe eine Beschichtung aus Fe 18 Cr 8 Ni 2 Mn, Fe 13 Cr 0,5 Si oder aus legiertem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,35% sowie weiteren Legierungsbestandteilen in Form von Si, Ni, Mn, P (Spuren) und Schwefel (Spuren) aufgebracht werden.
EP 1 336 054 B1 beschreibt eine Bremsscheibe und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Bremsscheiben aus einem Eisengusswerkstoff, beispielsweise Grauguss mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,7–4,0%, weisen an zumindest einer der axialen Reibflächen eine oxidations- und verschleißresistente metallische, nichtkeramische Spritzgussbeschichtung aus einem härteren Metall auf, beispielsweise einem unlegierten oder legierten Stahl, das Karbide und Oxide im Gefüge aufweist. Die Spritzgussbeschichtung kann durch Flamm-, Lichtbogen- oder Plasmaspritzen erzeugt werden. Die verwendete Stahllegierung kann Cr enthalten, dessen Gehalt in der Beschichtung zwischen 10 und 20% liegen kann. Eine Zusammensetzung des Beschichtungsstahls weist 16% Cr; 0,44% Ni; 0,43% Mn; 1,01% Mo und 0,36% C auf.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Verschleißschutzbeschichtung für die Bremsflächen einer Bremsscheibe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Verschleißschutzbeschichtung auf einer Bremsscheibe it den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, eine Bremsscheibe zu schaffen, deren Reibflächen eine hohe Härte mit erhöhter Abriebfestigkeit verbinden, so dass die Bildung von Feinstaub beim Bremsen reduziert wird, wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Weiterbildungen der Legierungszusammensetzung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erfindungsgemäße Eisenlegierungszusammensetzung, die zur Bildung einer reibbeständigen Verschleißschutzschicht auf den Bremsflächen bzw. Reibflächen einer Bremsscheibe vorgesehen ist, weist 0,5 bis 2 Gew.-% C und 3 bis 13 Gew.-% Al und einen die 100 Gew.-% ergänzenden Restanteil Fe mit den unvermeidlichen Verunreinigungsspuren auf. Mit einer aus dieser Legierungszusammensetzung geschaffenen Verschleißschutzschicht auf einer Bremsscheibe kann der Bremsscheibenverschleiß reduziert werden. Die Verschleißschutzschicht ist dabei die oberste Materialschicht der Bremsscheibe im Bereich der Reibfläche. Die unter der Verschleißschutzschicht angeordnete Bremsscheibe kann dabei aus mehreren Materiallagen aufgebaut sein, beispielsweise aus einem Basismaterial und einer Haft- oder Korrosionsschutzschicht aus einem anderen Material. Handelt es sich bei der Bremsscheibe um eine Leichtmetall, oder Aluminiumlegierungs-Bremsscheibe, so ermöglicht die Beschichtung aus dieser Zusammensetzung eine deutliche Reduktion des Bremsscheibengewichts, da der Basiskörper der Bremsscheibe schmaler ausgelegt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungszusammensetzung weist 0,5 bis 2 Gew.-% C und 3 bis 13 Gew.-% Al ferner 0,5 bis 5 Gew.-% Cr und/oder 0,05 bis 0,5 Gew.-% Si auf. Der Anteil an Cr und Si führt unter anderem zur vorteilhaften Bildung von Hartphasen in der Beschichtungslegierung. Der Restanteil ist Fe mit den typischen Verunreinigungsspuren in Stählen. Eine solche Zusammensetzung hat den Vorteil, dass nur gut verfügbare, kostengünstige Legierungselemente verwendet werden. Auf die teuren Mo oder Ni wird gezielt verzichtet.
Um die Verformbarkeit der Zusammensetzung zu verbessern, können die zuvor genannten Eisenlegierungszusammensetzungen zusätzlich noch 0,5 bis 5 Gew.-% Mn aufweisen und alternativ oder zusätzlich 0,5 bis 5 Gew.-% Ni. Durch die Ni-Zugabe wird die Duktilität der Legierungsmatrix verbessert.
Zusätzlich können die genannten Eisenlegierungszusammensetzungen Hartstoffbildner wie z. B. W, V, Nb, B jeweils im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungszusammensetzung weist 0,8 bis 1,2 Gew.-% C, 6 bis 8 Gew.-% Al, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Cr, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Si und einen die 100 Gew.-% ergänzenden Restanteil Fe mit den unvermeidlichen Verunreinigungsspuren auf.
Anders als bislang, wobei Serienbremsscheiben erheblichem Verschleiß unterliegen und mit dem Bremsbelag Bremsfeinstaub erzeugen, der sich auf der Felge optisch ungünstig niederschlägt und schwer entfernbar ist, zeigt sich eine aus dieser Zusammensetzung gebildete Verschleißschutzschicht im Wesentlichen dauerhaft abriebfest. Durch die erhöhte Abriebfestigkeit kann die Bildung von Feinstaub beim Bremsen reduziert werden. Zudem weist eine mit der erfindungsgemäßen Eisenlegierungszusammensetzung beschichtete Bremsscheibe eine deutlich erhöhte Lebensdauer mit gleichbleibender Bremswirkung auf.
Die bevorzugte Eisenlegierungszusammensetzung mit 0,8 bis 1,2 Gew.-% C, 6 bis 8 Gew.-% Al, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Cr, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Si und einen die 100 Gew.-% ergänzenden Restanteil Fe kann ferner 1,8 bis 2,2 Gew.-% Mn zur Verbesserung der Verformbarkeit und/oder 1,8 bis 2,2 Gew.-% Ni zur Verbesserung der Duktilität aufweisen.
So lässt sich die Eisenlegierungszusammensetzung zur Bildung einer Verschleißschutzschicht auf Bremsscheiben-Bremsflächen verwenden, wobei die Eisenlegierungszusammensetzung durch thermisches Spritzen auf die Bremsflächen aufgebracht wird.
Die thermisch gespritzte Eisenlegierung kann vor allem die folgenden Phasen aufweisen: α-Fe(Al, Si, Mn), Fe_4-xAl_xC_y und (FeCr)₃C. Dabei handelt es sich µm einen hohen Anteil an Hartstoffphasen, die eine extrem gute Verschleißbeständigkeit erzeugen. Das Element Al und dessen Verbindungen in der Beschichtung weisen eine sehr gute Oxidationsstabilität auf, so dass eine sehr hohe Stabilität gegen Korrosion erreicht wird. Das beim Bremsen in der Hitze gebildete Aluminiumoxid wirkt dem Fortschreiten der Korrosion in die Schicht entgegen.
Der Ausdehnungskoeffizient der Legierungszusammensetzung liegt auf dem Niveau von Grauguss. So werden thermische Spannungen reduziert, wenn kostengünstig Grauguss als Bremsscheibensubstrat bzw. Basiskörper eingesetzt wird.
Die Bremsscheibe aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Grauguss weist erfindungsgemäß eine Verschleißschutzschicht aus einer erfindungsgemäßen Eisenlegierungszusammensetzung auf. Die so beschaffene Bremsscheibe zeichnet sich durch erhöhte Abriebfestigkeit mit der verbundenen geringeren Feinstaubbildung und erhöhten Lebensdauer bei gleichzeitig guter Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aus. Gegebenenfalls kann zwischen dem Basismaterial der Bremsscheibe und der Verschleißschutzschicht eine Zwischenschicht aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich um eine Haftschicht oder Korrosionsschutzschicht. Bevorzugtes Material für die Zwischenschicht sind Ni oder Ni-Legierungen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Verschleißschutzschicht beschichteten Bremsscheibe beginnt mit dem Herstellen eines Bremsscheibengrundkörpers, woraufhin die zu beschichtende(n) Bremsfläche(n) aufgeraut werden, um eine bessere Haftung der nachfolgend aufgespritzten Schutzschicht an dem Bremsscheibengrundkörper zu ermöglichen. Nach dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht aus einer erfindungsgemäßen Eisenlegierungszusammensetzung auf die aufgeraute(n) Bremsflache(n)mittels eines thermischen Spritzverfahrens folgt das thermische und/oder mechanische Nachbehandeln der Verschleißschutzschicht zur Verbesserung der Duktilität und Verdichtung der Verschleißschutzschicht. Gegebenenfalls kann zwischen dem Basismaterial der Bremsscheibe und der Verschleißschutzschicht eine Zwischenschicht aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich um eine Haftschicht oder Korrosionsschutzschicht. Die Zwischenschicht, insbesondere im Falle einer Ni-Legierung, kann galvanisch oder als Spritzschicht aufgetragen werden.
Bei der thermischen und/oder mechanischen Nachbehandlung kann es sich um eine thermomechanische Nachbehandlung wie Hämmern oder Walzen der aufgebrachten Beschichtung bei erhöhten Temperaturen im Bereich zwischen 800 und 950°C, vorzugsweise bei Temperaturen von 850 bis 900°C handeln. Alternativ oder zusätzlich kann abschließend Auslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 850 bis 950°C, vorzugsweise bei ca. 900°C, über eine Zeitspanne zwischen 0,5 und 3 Stunden, vorzugsweise 1 Stunde zur (weiteren) Steigerung der Duktilität erfolgen, da durch diesen Temperschritt eine Verrundung/Einformung der spröden Hartstoffphasen erfolgt.
Der Bremsscheibengrundkörper kann kostengünstig aus Grauguss oder in Leichtbauweise aus Aluminiumguss hergestellt werden. Zum Aufrauen der Brems- bzw. Reibflächen vor dem Beschichten können vorzugsweise mechanische Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise Partikelstrahlen (z. B. Sandstrahlen), Hochdruckwasserstrahlen oder unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs mit definierter Schneide, die vorzugsweise auch Hinterschnitte erzeugt, so dass die nachfolgend aufgespritzte Beschichtung sich mit dem Bremsscheibengrundkörper verklammert und so die Haftung der Verschleißschutzschicht weiter verbessert wird. Als thermische Spritzverfahren kommen verschiedene Verfahren wie z. B. atmosphärisches Pulverplasma-Spritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen in Frage, wobei atmosphärisches Pulverplasma-Spritzen bevorzugt sein kann, wenn die Eisenlegierungszusammensetzung als Pulver vorliegt. Liegt allerdings die Eisenlegierungszusammensetzung als Draht vor, ist aufgrund der erreichbaren Homogenität der Spritzschicht und der Kosten das Lichtbogendrahtspritzen bevorzugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/104513 A1 [0002]
WO 2007/043961 A1 [0003]
DE 102008035849 A1 [0004]
EP 1336054 B1 [0005]

Claims

Verschleißschutzschicht aus Eisenlegierungszusammensetzung auf einer Bremsscheiben-Bremsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 0,5 bis 2 Gew.-% C, 3 bis 13 Gew.-% Al und einen die 100 Gew.-% ergänzenden Restanteil Fe und Stahl-typische Verunreinigungsspuren aufweist.
Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ferner 0,5 bis 5 Gew.-% Cr und/oder 0,05 bis 0,5 Gew.-% Si aufweist.
Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ferner 0,5 bis 5 Gew.-% Mn, und/oder 0,5 bis 5 Gew.-% Ni, und/oder jeweils 0,1 bis 3 Gew.-% W, V, Nb und/oder B aufweist.
Eisenlegierungszusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 0,8 bis 1,2 Gew.-% C, 6 bis 8 Gew.-% Al, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Cr, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Si aufweist.
Eisenlegierungszusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ferner 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mn und/oder 1,5 bis 2,5 Gew.-% Ni aufweist.
Bremsscheibe, bei der zumindest eine Bremsfläche mit einer Verschleißschutzschicht nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht, insbesondere auf der Basis einer Ni-Legierung, zwischen Bremsscheibengrundkörper und der Verschleißschutzschicht vorliegt
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe, bei der zumindest eine Bremsfläche mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet ist, umfassend die Schritte – Herstellen eines Bremsscheibengrundkörpers, – Aufrauen der zu beschichtenden Bremsfläche, – Aufbringen der Verschleißschutzschicht aus einer Eisenlegierungszusammensetzung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 auf die aufgeraute Bremsfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens, – thermisch und/oder mechanisch Nachbehandeln der Verschleißschutzschicht zur Verbesserung der Duktilität.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die thermische und/oder mechanische Nachbehandlung – Hämmern oder Walzen der Beschichtung, bevorzugt bei Temperaturen in einem Bereich von 800 bis 950°C, bevorzugt von 850 bis 900°C, und/oder – eine anschließende Auslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 850°C bis 950°C, bevorzugt bei 900°C, über eine Zeitspanne von 0,5 bis 3 Stunden, bevorzugt 1 Stunde, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei – der Bremsscheibengrundkörper aus Grauguss oder Aluminiumguss hergestellt wird, – das Aufrauen mittels Partikelstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen oder mittels Schneidwerkzeug unter Erzeugung von Hinterschnitten erfolgt; – das thermische Spritzverfahren aus den Verfahren atmosphärisches Pulverplasma-Spritzen (APS), Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen ausgewählt ist, wobei atmosphärisches Pulverplasma-Spritzen bevorzugt ist, wenn die Eisenlegierungszusammensetzung als Pulver vorliegt, und Lichtbogendrahtspritzen bevorzugt ist, wenn die Eisenlegierungszusammensetzung als Draht vorliegt.