DE102014008844A1

DE102014008844A1 - Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014008844A1
Application number: DE102014008844.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Lembach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-06-14
Filing date: 2014-06-14
Publication date: 2015-12-17
Also published as: EP3155284A1; WO2015188918A1; JP2017523353A; US20170122392A1; CN106415048A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Substrat, insbesondere ein Grauguss-Substrat, mindestens eine auf dem Substrat gebildete Reibfläche und mindestens eine zumindest an der mindestens einen Reibfläche aufgebrachte Deckschicht, wobei die Deckschicht (4) härter und dünner ist, als das Substrat (2), und wobei in der Deckschicht (4) Vertiefungen (6), welche die Deckschicht (4) nicht durchdringen, und/oder farbliche Veränderungen (9) eingebracht sind.
Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe, umfassend die Schritte: Herstellen eines Bremsscheibenrohlings, Ausbilden der Deckschicht, und Einbringen der Vertiefungen (6) und/oder farblichen Veränderungen (9) in die Deckschicht (6) mittels eines gepulsten Lasers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Substrat, insbesondere ein Grauguss-Substrat, mindestens eine auf dem Substrat gebildete Reibfläche und mindestens eine zumindest an der mindestens einen Reibfläche aufgebrachte Deckschicht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe.
Bremsscheiben haben Reibflächen, die ein tribologisches System mit den Bremsbelägen bilden. Beim Bremsen, wenn die unbewegten Bremsbeläge mit den rotierten Reibflächen in Kontakt gebracht werden, erwärmen sich die Reibflächen der Bremsscheiben infolge der Reibung. Die Bremswirkung hängt vom Zustand und der Oberflächenbeschaffenheit der Reibfläche ab. Gerade die infolge der Bremsvorgänge erhöhte Temperatur der Bremsscheibe gegebenenfalls in Verbindung mit korrosiven Medien, wie Wasser und Streusalz, führen zu oder beschleunigen an den Reibflächen auftretende Korrosion. Aus diesem Grund werden Bremsscheiben häufig an den Reibflächen mit einer Korrosionsschutzschicht versehen. Weist diese allerdings beispielsweise infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten Risse auf, die sich bis zum Bremsscheibengrundkörper erstrecken, oder weisen Deckschicht und Grundkörper unterschiedliche elektrochemische Spannungspotentiale auf, kann es zur Korrosion des Grundkörpers unter der Deckschicht (korrosive Unterwanderung) kommen, die zu einer Delamination des beschichteten Grundkörpers und damit zu Einschränkungen bis hin zum Verlust der Bremswirkung führt.
Um die Beständigkeit der Bremsscheiben gegenüber Korrosion und Oxidation, vor allem auch bei erhöhter Temperatur, zu verbessern, werden die Reibflächen von Bremsscheiben aus eisenbasiertem Material mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, indem sie einer nitrocarburierenden Oberflächenbehandlung und anschließender oxidativen Nachbehandlung unterzogen werden.
Gleichzeitig ist es wünschenswert aus funktionalen oder optischen Gründen Ausnehmungen, wie beispielsweise Löcher (gelochte Bremsscheibe) oder Schlitze, in die Reibflächen einzubringen. Solche Ausnehmungen würden allerdings die Deckschicht durchstoßen, wodurch es wieder zur Korrosion des Grundkörpers kommen kann. Auch wenn die Deckschicht nach dem Einbringen der Ausnehmungen aufgebracht würde, bestünde eine erhöhte Korrosionsgefahr an den Kanten um die Ausnehmungen herum.
Aus DE 10 2007 027 933 B4 ist ein Verfahren zum Nitrocarburieren von Bremsrotoren eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Bremsrotor aus einem eisenbasierten Material wird erwärmt und in einem temperierten ferritischen nitrocarburierenden Salzbad und einem temperierten oxidierenden Salzbad behandelt. Danach weist die Oberfläche des Bremsrotors eine Verbindungsschicht und eine darunter liegende Diffusionsschicht auf. An der Oberfläche der Verbindungsschicht liegt eine Fe₃O₄ enthaltende Oxidschicht vor, darunter besteht die Verbindungsschicht vornehmlich aus ε-Eisennitrid, Fe₃N, sowie einem geringeren Anteil γ'-Eisennitrid, Fe₄N. Die Diffusionsschicht enthält in dem eisenbasierten Material eine Konzentration an diffundiertem Stickstoff, die niedriger als in der Verbindungsschicht ist.
DE 10 2011 053 253 A1 beschreibt eine Bremsscheibe aus Trägerteil und Reibring, die über Verbindungselemente aus Stahlwerkstoff miteinander verbunden sind. Dabei weisen die Verbindungselemente zumindest an den Endabschnitten eine Korrosionsschutzschicht auf, die in entsprechender Weise aus einer Diffusionsschicht, einer darüber liegenden Eisencarbonitride enthaltende Verbindungsschicht und einer darauf liegenden Oxidschicht besteht.
Die DE 195 25 182 A1 offenbart ein Gasverfahren zur Erzeugung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf Eisenbasiswerkstoffen, das die Nachteile der Salzbadverfahren in Bezug auf Umweltbelastung und der erzeugten Oberflächentopographie – die im Salzbadverfahren erzeugten Oberflächen sind rau und erfordern Nachbearbeitung – vermeidet. Dabei erfolgt zunächst die Nitrocarburierung in einem Normaldruck-Gasverfahren, wobei die Verbindungsschicht aus Eisencarbonitriden gebildet wird, woraufhin in einem plasmagestützten Unterdruckverfahren die Oberfläche der Verbindungsschicht aktiviert wird, ehe durch Oxidation im Normaldruck-Gasverfahren eine geschlossene und gleichmäßige Oxidschicht ausgebildet wird.
Das beschriebene Verfahren zur Erzeugung einer Korrosions- und Verschleißschutzschicht auf niedriglegierten Stählen ist unter dem Namen IONIT OX^TM von Sulzer Metco, Bergisch Gladbach, bekannt (http://www.sulzer.com/de/Products-and-Services/Coating-Services/Plasma-Heat-Treatment/Processes/IONIT-OX). Näheres über Einsatzgebiete, wie zum Beispiel Bremsscheiben, und Vorteile des Verfahrens werden in online abrufbaren Broschüren beschrieben: „Fahrwerkstechnologie – Oberflächenlösungen für effizienten Einsatz" (https://www.sulzer.com/de/-/media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Services/DLC_Coatings/Brochures/Chassis_V1.pdf) und „Surface Solutions for the Efficient Construction of Chassis, Brakes, Drives and Engines" (http://www.sulzer.com/de/-/media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Equipment/Plasma_Heat_Treatment/Brochures/Surface_Solutions_Automotive_V1.pdf).
In EP 2 394 072 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Grauguss-Bremsscheibe für ein Fahrzeug beschrieben, deren Reibflächen mittels Carborieren, Carbonitrieren, Einsatzhärten, Gasnitrieren, Oxidnitrieren, Gasnitrocarburieren, Plasmanitrieren, Plasmaoxidieren, Borieren, Plasmakarborieren oder Plasmaborieren nachbehandelt werden. Die Reibflächen können vor der Nachbehandlung mit einer Beschichtung aus Wolframcarbid, Chromcarbid und Nickel oder aus Wolframcarbid, Cobalt, Chrom und Nickel versehen werden.
Auch aus DE 10 2011 122 308 A1 ist ein beschichtetes Bauteil bzw. Bremsscheibe bekannt, wobei zwischen Substrat und Deckschicht eine Zwischenschicht durch Phosphatieren, Nitrieren, Borieren, Sputtern, Bainitrieren, Carburieren, Karbonitrieren, Plasmanitrocarburieren, Anodisieren, durch eine chemische Nickel-Dispersion, durch ein thermisches Verfahren, durch ein chemisches Verfahren, durch physikalische Gasphasenabscheidung und/oder durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet ist.
Aus der DE 10 2012 221 365 A1 ist ein Verfahren bekannt, eine Bremsscheibe mit einer Kennzeichnung auf den Reibflächen der Bremsscheibe zu versehen. Um eine abriebfeste Kennzeichnung zu erreichen, wird eine chemische oder physikalische Behandlung der Bremsscheibe durch eine Schablone in Form der Kennzeichnung durchgeführt. Somit weist die Bremsscheibe einen Bereich in Form der Kennzeichnung auf, der andere Eigenschaften, beispielsweise eine andere Härte, aufweist als der Rest der Bremsscheibe.
Aus der DE 698 11 661 T2 ist eine Bremsscheibe mit radialen Nuten auf den Reibflächen, welche Kreisbogenförmig ausgebildet sind und zu einer Außenseite, in radialer Richtung, der Bremsscheibe offen sind, bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Bremsscheibe mit funktionalen oder optischen Vertiefungen bereitzustellen, welche dennoch gegen Korrosion und Verschleiß geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, anstatt Aussparungen, welche die Bremsscheibe durchdringen, Vertiefungen in die Deckschicht einzubringen, welche die Bremsscheibe nicht durchdringen, sondern nur oberflächlich sind. Dadurch bleibt die Korrosionsschutzwirkung der Deckschicht erhalten. Zweckmäßig ist die Deckschicht härter und dünner als das Substrat, wobei in der Deckschicht Vertiefungen, welche die Deckschicht nicht durchdringen, bzw. nicht vollständig durchdringen, und/oder farbliche Veränderungen eingebracht sind. Es ist also wesentlich, dass das Substrat auch dort noch von der Deckschicht bedeckt ist, wo sich die Vertiefungen oder farblichen Veränderungen befinden. Dabei ist die Deckschicht bevorzugt eine Verschleißschutzschicht oder Korrosionsschutzschicht und das Substrat ein Bremsscheiben-Körper aus Grauguss. Somit können funktionale Vertiefungen zum Beispiel Verschleißmarkierungen, Bezeichnungen oder Nuten zur Reinigung der Bremsbeläge oder zum Ableiten von Wasser vorgesehen sein, ohne dass dadurch die Korrosionsschutzwirkung der Deckschicht gefährdet wird. Ebenso können farbliche Veränderungen eingebracht werden, um eine Kennzeichnung, beispielsweise mit einer Marke, Typennummer oder Seriennummer, der Bremsscheibe zu ermöglichen.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Vertiefungen und/oder die farblichen Veränderungen mittels eines gepulsten Lasers in die Deckschicht eingebracht sind. Mit einem gepulsten Laser können sehr präzise Materialbearbeitungen vorgenommen werden, so dass es möglich ist die Vertiefungen und/oder farblichen Veränderungen nur innerhalb der Deckschicht einzubringen. Durch die Energie des gepulsten Lasers können beispielsweise chemische Reaktionen oder Umschmelzprozesse ausgelöst werden, welche in einer farblichen Veränderung, beispielsweise in einer Verdunkelung, Aufhellung oder metallischem Glanz resultieren.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Deckschicht eine Mikrohärte von größer als 300 HV.03, noch günstiger größer als 500 HV.03 oder am günstigsten größer als 800 HV.03 aufweist. Durch die hohe Härte der Deckschicht verringert sich der Verschleiß der Deckschicht, so dass die Lebensdauer erhöht ist.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Deckschicht Keramik, beispielsweise mit Kohlenstoffasern verstärktes Siliciumcarbid (C/SiC) und/oder eine mit Siliciumcarbid-Partikeln verstärkte Aluminiumlegierung (Al-SiC), aufweist. Durch die Verwendung von Keramik in der Deckschicht wird eine hohe Härte der Deckschicht erzielt, was wiederum die Lebensdauer der Bremsscheibe verlängert.
Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Deckschicht eine Schichtdicke unter 1000 μm aufweist, insbesondere eine Schichtdicke zwischen 100 und 500 μm aufweist. Durch eine geringe Schichtdicke der Deckschicht können die Kosten für die Deckschicht reduziert werden. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften der Bremsscheibe dadurch stärker durch das Substrat beeinflusst, welches kostengünstiger ist und eine hohe mechanische Stabilität bietet.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass zwischen dem Substrat und der Deckschicht mindestens eine Oberflächenschicht ausgebildet ist, die nitrid-, carbid-, und/oder oxidhaltige Schichten umfassen, also durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren gebildet sind. Um die Korrosions- und Rissbeständigkeit sowie den Verschleißschutz zu verbessern, besteht die Deckschicht aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht.
„Cermet” bezeichnet sehr harte und verschleißfeste Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix mit hoher Thermoschock- und Oxidationsbeständigkeit.
Die Cermet-Deckschicht in Verbindung mit der durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren gebildeten gehärteten Oberflächenschicht als elektrochemische Barriere verleiht dem Bauteil eine deutlich verbesserte Korrosions- und Rissbeständigkeit. Dadurch kann eine korrosive Unterwanderung mit der Folge des Totalversagens des Schichtsystems durch Delamination deutlich verzögert und somit die Standzeit und Lebensdauer des Schichtsystems bzw. des Bauteils – etwa der Bremsscheibe im Fahrzeug – deutlich verlängert werden.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die metallische Matrix ein hochlegierter CrNiMo-Stahl ist, der bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 28 Gew.-% Chrom, 16 Gew.-% Nickel, 4,5 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Silizium, 1,75 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, aufweist.
Eine besonders vorsteilhafte Lösung sieht vor, dass die metallische Matrix eine NiCrMo-Legierung ist, die bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 20 bis 23 Gew.-% Chrom, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 8 bis 10 Gew.-% Molybdän, 3,15 bis 4,15 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel, besonders bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 21,5 Gew.-% Chrom, 2,5 Gew.-% Eisen, 9,0 Gew.-% Molybdän, 3,7 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel, aufweist.
Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Keramikkomponente Oxidkeramiken umfasst, die aus Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und MgAl₂O₄ und Kombinationen davon ausgewählt sind.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Keramikkomponente Al₂O₃ und zumindest eine weitere Oxidkeramik umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend TiO₂, ZrO₂, MgAl₂O₄, wobei Al₂O₃ einen Anteil von 60 bis 90 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente ausmacht.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Oberflächenschicht ausgehend von dem Substrat eine Diffusionsschicht, eine nitrid- und carbidhaltige Verbindungsschicht und eine Oxidschicht aufweist, wobei die Diffusionsschicht eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,8 mm, die Verbindungsschicht eine Schichtdicke von 2 bis 30 μm und die Oxidschicht eine Schichtdicke von 1 bis 5 μm aufweist.
Vorzugsweise enthält die Verbindungsschicht vorwiegend ε-Eisennitrid, sowie andere Nitride und Carbide. Die Oxidschicht enthält vorzugsweise vorwiegend Eisenoxid.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass zwischen der Deckschicht und der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht vorgesehen ist, die aus einer nickelbasierten Legierung, bevorzugt einer Nickelchromlegierung, oder aus der metallischen Matrix besteht, wobei die Zwischenschicht aus der nickelbasierten Legierung oder dem Matrixmetall eine Schichtdicke von 30 bis 120 μm aufweist.
Um den Verbund der Deckschicht an dem Substrat zu verbessern, kann die Oberfläche des Substrats und so die Oberflächen- bzw. Zwischenschichten in den durch die Deckschicht bedeckten Bereichen mechanisch aufgeraut bzw. profiliert sein, so dass sich die Deckschicht mit dem Substrat verzahnt. Ferner wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß der vorstehenden Beschreibung, welches ein Herstellen eines Bremsscheibenrohlings, ein Ausbilden der Deckschicht, zumindest auf den Reibflächen der Bremsscheibe, und ein Einbringen der Vertiefungen und/oder farblichen Veränderungen in die Deckschicht mittels eines gepulsten Lasers umfasst.
Auf diese Weise erhält man eine Bremsscheibe, die mit einer korrosions- und verschleißschützenden Deckschicht, welche dennoch funktionale Vertiefungen aufweist. Da die Vertiefungen die Deckschicht nicht durchdringen bleibt der Korrosionsschutz der Deckschicht erhalten.
Eine günstige Lösung sieht vor dem Ausbilden der Deckschicht ein Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren und/oder durch anodische oder Plasmaoxidation Oxidieren, bevorzugt Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren, des Substrats, zumindest an den Reibflächen, dabei Bilden der Oberflächenschicht, Bereitstellen eines Cermet-Werkstoffs aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht vor, und darauf das Ausbilden der Deckschicht durch Aufbringen des Cermet-Werkstoffs auf die Oberflächenschicht vor.
Das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs kann durch thermisches Spritzen erfolgen.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren vor, dass die Oberflächen des Substrats, zumindest an den Reibflächen, mechanisch aufgeraut bzw. profiliert werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Profilierung der Substratoberfläche kann nach dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren der Substratoberfläche eine nickelbasierte Legierung oder das reine Matrixmetall auf die Oberflächenschicht aufgebracht werden und so eine zusätzliche Zwischenschicht als Verschleißschutz und gegebenenfalls zur Unterstützung der Haftung der Deckschicht an der Oberflächenschicht gebildet werden.
Auch das Aufbringen der nickelbasierten Legierung bzw. des Matrixmetalls kann durch thermisches Spritzen erfolgen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 Eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Bremsscheibe mit mehreren Vertiefungen,
2 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Bremsscheibe, im Bereich einer Vertiefung, entlang der Linie AA aus 1,
3 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Bremsscheibe, im Bereich einer Vertiefung, mit einer alternativen Form der Vertiefung, entlang der Linie AA aus 1,
4 eine Querschnittsansicht durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe ohne Vertiefung mit gehärteter Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht,
5 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe mit der aus Diffusionsschicht, Verbindungsschicht und Oxidschicht gebildeten Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht, und
6 eine mikroskopische Schliffbildaufnahme durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe mit profilierter Oberfläche und gehärteter Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bremsscheibe 1 mit einem Substrat 2, insbesondere mit einem Grauguss-Substrat, dessen Korrosions- und Verschleißeigenschaften durch eine gehärtete Oberflächenschicht 3 und eine darauf aufgebrachte Deckschicht 4, gegebenenfalls auch noch weiteren Schichten, verbessert ist, wobei farbliche Veränderungen 5 und/oder Vertiefungen 6, welche die Deckschicht 4 nicht durchdringen, in der Deckschicht 4 eingebracht sind. Die Schichten verhindern bzw. vermindern z. B. die Ausbreitung von Rissen, die im Betrieb der Bremsscheibe 1 an der Oberfläche auftreten können. Dadurch, dass die Rissausbreitung in das Substrat 2 vermieden wird, wird auch eine korrosive Unterwanderung der Schichten wirksam verhindert, so dass es nicht oder erst deutlich später zum Versagen der Bremsscheibe 1 etwa durch Delamination kommt. Die Vertiefungen 6 können beispielsweise zur Reinigung der Bremsbeläge gedacht sein oder als Verschleißmarkierung ausgebildet sein.
Eine in 1 dargestellte Bremsscheibe 1 weist eine Nabe 7 und mindestens eine, beispielsweise zwei, Reibflächen 8 auf, welche koaxial zu der Nabe angeordnet sind. An die Reibflächen werden bei einem Bremsvorgang Bremsbeläge angelegt. Die Reibflächen 8 weisen jeweils die Oberflächenschicht 3 und die darauf aufgebrachte Deckschicht 4 auf. In jeder Deckschicht sind mehrere, beispielsweise vier, Vertiefungen 6 eingebracht.
Um die Korrosionsschutzwirkung der Deckschicht 4 nicht zu zerstören sind die Vertiefungen 6 nur in der Deckschicht 4 eingebracht, also durchdringen die Deckschicht 4 nicht. Die Restdicke der Deckschicht 4 unter den Vertiefungen 6 sollte groß genug sein, um weiterhin eine Rissbildung in der Deckschicht 4 zu vermeiden.
Die Vertiefungen 6 können mit Hilfe eines gepulsten Lasers in die Deckschicht 4 eingebracht werden. Mit dem gepulsten Laser kann die Deckschicht 4 bearbeitet werden ohne große Kräfte auf die Deckschicht 4 auszuüben. Dadurch kann eine Beschädigung der Deckschicht 4 auch bei geringen Schichtdicken der Deckschicht 4 vermieden werden.
Des Weiteren ermöglicht es der gepulste Laser die Vertiefungen 6 nahezu beliebig zu Formen. Beispielsweise sind steile Kannten oder weiche Übergänge zwischen der Oberfläche und der Vertiefung 6 möglich.
Ferner kann mit Hilfe des gepulsten Lasers auch eine farbliche Veränderung 9 der Oberfläche ermöglicht werden. So können beispielsweise Seriennummern, Typennummern oder Markenzeichen auf die Reibflächen 8 der Bremsscheibe 1 aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich eine Vertiefung 6 zur Kennzeichnung der Bremsscheibe 1 zu nutzen.
Im Folgenden wird die Ausgestaltung einer beispielhaften Deckschicht 4 erläutert, in welche erfindungsgemäß Vertiefungen 6 und/oder farbliche Veränderungen 9 eingebracht werden können.
An der Oberfläche des Substrats 2, das den Grundkörper der Bremsscheibe 1 bildet, ist durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren eine gehärtete Oberflächenschicht 3 ausgebildet, auf die eine Deckschicht 4 aufgebracht ist. Die Deckschicht 4 besteht aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht.
Eine in 4 dargestellte alternativ ausgeführte Bremsscheibe, weist zwischen der gehärteten Oberflächenschicht 3 und der Deckschicht 4 eine zusätzliche Zwischenschicht 10 aus einer nickelbasierten Legierung auf, vorzugsweise einer korrosionsbeständigen und hochtemperaturfesten Nickelchromlegierung.
Nachfolgend wird anhand 5, in der die Schichten einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe 1 in einer Ausführungsform mit zusätzlicher Zwischenschicht 10 detaillierter skizziert sind, die Herstellung einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe 1 erläutert.
Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe weist auf dem Substrat 2, das einen gegossenen Bremsscheibenrohling 12 bildet, die gehärtete Oberflächenschicht 3 auf, die vorzugsweise durch Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren nach dem IONIT OX^TM-Verfahren, gegebenenfalls aber auch durch andere Nitrier-, Carburier-, Nitrocarburier- und/oder Oxidationsprozesse gebildet wird. Optional kann die Oberfläche des Substrats 2 zuvor mechanisch profiliert werden. Die Oberflächenschicht 3 setzt sich ausgehend vom Substrat 2 aus einer Diffusionsschicht 31, einer Verbindungsschicht 32 und einer Oxidschicht 33 zusammen. Während der Nitrocarburierung dringen Stickstoff und Kohlenstoff in die Oberfläche des Substrats 2 ein, wobei in der Verbindungsschicht 32, deren Schichtdicke in einem Bereich von 2 bis 30 μm liegt, vorwiegend ε-Eisennitrid bzw. -Carbonitrid sowie in geringerem Umfang γ'-Eisennitrid und Sondernitride gebildet werden. Unter der Verbindungsschicht 32 erstreckt sich die Diffusionsschicht 31 in das Substrat 2, die geringere Konzentrationen an eindiffundiertem Stickstoff und Kohlenstoff als in der Verbindungsschicht 32 aufweist, und der Stickstoff in „Lösung” im Substratgefüge neben Sondernitriden, Karbiden und Nitridausscheidungen vorliegen. Die Dicke der Diffusionschicht 31 liegt in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm, abhängig auch von den Behandlungsbedingungen und den Substrateigenschaften.
Die Oberfläche der Verbindungsschicht 32 wird nach Plasmaaktivierung oxidiert, so dass auf der Verbindungsschicht 32, die eine definierte Porenstruktur aufweist, eine weitgehend geschlossene Oxidschicht 33 aus Fe₃O₄ mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 5 μm gebildet wird.
Um den Schichtaufbau aus 5 zu erhalten, wird eine Zwischenschicht 10 aus einer nickelbasierten Legierung oder dem Matrixmetall auf die Oxidschicht 33 aufgebracht, ehe der Cermet-Werkstoff zur Bildung der Deckschicht 4 appliziert wird. Die Zwischenschicht 10 kann eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 120 μm und die Deckschicht 4 eine Schichtdicke im Bereich von 100 bis 500 μm aufweisen.
Zwischen der Zwischenschicht 10 und der Oxidschicht 33 – in Ausführungsbeispielen ohne Zwischenschicht 10 entsprechend zwischen der Cermet-Deckschicht 4 und der Oxidschicht 33 – liegt eine Mischzone 11 vor, in der das Eisenoxid der Oxidschicht 33 mit der nickelbasierten Legierung bzw. dem Matrixmetall der Zwischenschicht 10 (bzw. mit dem Matrixmetall der Deckschicht 4) vermischt vorliegen. Besteht die Zwischenschicht 10 aus einer nickelbasierten Legierung, die sich von dem Matrixmetall unterscheidet, dann liegt auch zwischen der Deckschicht 4 und der Zwischenschicht 10 eine Mischzone 11 vor. Die Dicke der Mischzone 11 kann in Abhängigkeit der Auftragungsart und Auftragungsparameter variieren.
Sowohl das Aufbringen der nickelbasierten Legierung bzw. des Matrixmetalls zur Bildung der Zwischenschicht 10 als auch das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs zur Bildung der Deckschicht 4 kann durch thermisches Spritzen erfolgen.
Die fotografische Mikroskopaufnahme in 6 zeigt ein an der Oberfläche profiliertes Substrat 2. Die gehärtete Oberflächenschicht 3 liegt an der Oberfläche des Substrats 2 mit einer Schichtdicke von ca. 30 μm Verbindungsschicht 32 und 3 μm Oxidschicht 33 vor und ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Auf das profilierte Substrat 2 bzw. die Oberflächenschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine nickelbasierte Zwischenschicht 10 mit einer Schichtdicke von durchschnittlich ca. 100 μm aufgebracht. Wie in der Aufnahme zu sehen ist, variiert die Schichtdicke der Zwischenschicht 10 aufgrund der profilierten Oberfläche des Substrats 2. Die Deckschicht 4 aus Cermet weist eine durchschnittliche Dicke von ca. 350 μm auf. Variationen in der Schichtdicke ergeben sich auch hier aus der profilierten Oberfläche des Substrats 2, die allerdings vorteilhaft durch diesen Verzahnungseffekt für einen besseren Verbund zwischen Deckschicht 4 und dem mit der Zwischenschicht 10 beschichteten Substrat 2 sorgt.
Die Deckschicht 4 sowie die darunter liegenden Schichten 3, 10 können auf tribologisch beanspruchten Flächen, also auf die Reibflächen der Bremsscheibe, beschränkt sein.
Das Matrixmetall kann ein hochlegierter CrNiMo-Stahl oder eine NiCrMo-Legierung sein. Für die zusätzliche Zwischenschicht 10 kommen nickelbasierte, vorzugsweise NiCr-Legierungen, oder reines Matrixmetall ohne Keramikkomponente in Frage.
Ein zur Ausbildung der metallischen Matrix der Deckschicht 4 geeigneter CrNiMo-Stahl weist die Zusammensetzung Fe 28Cr 16Ni 4,5Mo 1,5Si 1,75C auf. Geeignete NiCrMo-Legierung umfassen Zusammensetzungen aus Ni 20–23Cr < 5Fe 8–10Mo 3,15–4,15Nb (+Ta) (Inconel^TM 625, Special Metals Corporation, Huntington, West Virginia, USA), besonders bevorzugt geeignet ist Ni 21,5Cr 2,5Fe 9,0Mo 3,7(Nb + Ta).
Als Material zur Bildung der Zwischenschicht 10 können auch weitere nickelbasierte Legierungen, insbesondere NiCr-Legierungen in Frage kommen.
Die Keramikkomponente der Deckschicht 4 umfasst Oxidkeramiken wie Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und MgAl₂O₄ (Spinell). Diese können einzeln oder in Kombinationen als verstärkende Keramikkomponente des Cermets ausgewählt werden. So kann die Keramikkomponente beispielsweise neben Al₂O₃ als Hauptkomponente zumindest eine weitere Oxidkeramik als Nebenkomponente aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die TiO₂, ZrO₂, MgAl₂O₄ umfasst. Der Anteil an Al₂O₃ an der gesamten Keramikkomponente, deren Anteil im Cermet-Werkstoff im Bereich von 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs liegt, kann dabei 60 bis 90 Gew.-% ausmachen. Die weitere Oxidkeramik TiO₂, ZrO₂ und/oder MgAl₂O₄ liegt dann entsprechend mit einem Anteil von 10 bis 40 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente vor. Vorzugsweise liegt der Anteil an Al₂O₃ an der gesamten Keramikkomponente im Bereich von 75 bis 85 Gew.-%, bevorzugt bei 80 Gew.-%.
Die beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgebrachte Deckschicht 4 aus dem Cermet-Werkstoff weist eine Porosität unter 5% und eine Mikrohärte zwischen 300 HV.03 und 1000 HV.03 auf.
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

DE 102007027933 B4 [0005]
DE 102011053253 A1 [0006]
DE 19525182 A1 [0007]
EP 2394072 B1 [0009]
DE 102011122308 A1 [0010]
DE 102012221365 A1 [0011]
DE 69811661 T2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.sulzer.com/de/Products-and-Services/Coating-Services/Plasma-Heat-Treatment/Processes/IONIT-OX [0008]
„Fahrwerkstechnologie – Oberflächenlösungen für effizienten Einsatz” (https://www.sulzer.com/de/-/media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Services/DLC_Coatings/Brochures/Chassis_V1.pdf [0008]
„Surface Solutions for the Efficient Construction of Chassis, Brakes, Drives and Engines” (http://www.sulzer.com/de/-/media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Equipment/Plasma_Heat_Treatment/Brochures/Surface_Solutions_Automotive_V1.pdf [0008]

Claims

Bremsscheibe (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Substrat (2), insbesondere ein Grauguss-Substrat, mindestens eine auf dem Substrat (2) gebildete Reibfläche (8) und mindestens eine zumindest an der mindestens einen Reibfläche (8) aufgebrachte Deckschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Deckschicht (4) härter und dünner ist, als das Substrat (2), und dass – in der Deckschicht (4) Vertiefungen (6), welche die Deckschicht (4) nicht durchdringen, und/oder farbliche Veränderungen (9) eingebracht sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vertiefungen (6) und/oder die farblichen Veränderungen (9) mittels eines gepulsten Lasers in die Deckschicht (4) eingebracht sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Deckschicht (4) eine Mikrohärte von größer als 300 HV.03 aufweist und/oder – die Deckschicht (4) Keramik, beispielsweise C/SiC; Al-SiC, aufweist und/oder – die Deckschicht (4) eine Schichtdicke unter 1000 μm aufweist, insbesondere eine Schichtdicke zwischen 100 und 500 μm aufweist.
Bremsscheibe (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen dem Substrat (2) und der zumindest einen Deckschicht (4) zumindest eine Oberflächenschicht (3) ausgebildet ist, die nitrid-, carbid- und/oder oxidhaltige Schichten umfasst, und dass – die Deckschicht (4) aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente besteht, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix ein hochlegierter CrNiMo-Stahl ist, der bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 28 Gew.-% Chrom, 16 Gew.-% Nickel, 4,5 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Silizium, 1,75 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, aufweist, oder eine NiCrMo-Legierung ist, die bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 20 bis 23 Gew.-% Chrom, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 8 bis 10 Gew.-% Molybdän, 3,15 bis 4,15 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel, besonders bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 21,5 Gew.-% Chrom, 2,5 Gew.-% Eisen, 9,0 Gew.-% Molybdän, 3,7 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel, aufweist.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkomponente Oxidkeramiken umfasst, die aus Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und MgAl₂O₄ und Kombinationen davon ausgewählt sind, oder dass die Keramikkomponente Al₂O₃ und zumindest eine weitere Oxidkeramik umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend TiO₂, ZrO₂, MgAl₂O₄, wobei Al₂O₃ einen Anteil von 60 bis 90 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente ausmacht.
Bremsscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (3) ausgehend von dem Substrat (2) eine Diffusionsschicht (31), eine nitrid- und carbidhaltige Verbindungsschicht (32) und eine Oxidschicht (33) aufweist, wobei die Diffusionsschicht (31) eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,8 mm, die Verbindungsschicht (32) eine Schichtdicke von 2 bis 30 μm und die Oxidschicht (33) eine Schichtdicke von 1 bis 5 μm aufweist.
Bremsscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Deckschicht (4) und der Oberflächenschicht (3) eine Zwischenschicht (10) vorgesehen ist, die aus einer nickelbasierten Legierung, bevorzugt einer Nickelchromlegierung, oder aus der metallischen Matrix besteht, wobei die Zwischenschicht (10) aus der nickelbasierten Legierung oder dem Matrixmetall eine Schichtdicke von 30 bis 120 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Herstellen eines Bremsscheibenrohlings (12), – Ausbilden der Deckschicht (4), – Einbringen der Vertiefungen (6) und/oder farblichen Veränderungen (9) in die Deckschicht (6) mittels eines gepulsten Lasers.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend die Schritte vor dem Ausbilden der Deckschicht (4): – Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren und/oder durch anodische oder Plasmaoxidation Oxidieren, bevorzugt Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren, des Substrats (2), zumindest an den Reibflächen (8), dabei Bilden der Oberflächenschicht (3), – Bereitstellen eines Cermet-Werkstoffs aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht, und – Aufbringen des Cermet-Werkstoffs, insbesondere durch thermisches Spritzen, auf die Oberflächenschicht (3) und dabei Ausbilden der Deckschicht (4).