DE102014015474A1

DE102014015474A1 - Beschichtete Bremsscheibe und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014015474A1
Application number: DE102014015474.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Conhoff; Oliver Lembach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-10-18
Filing date: 2014-10-18
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Bremsscheibe mit einem Grauguss-Substrat (5) mit mehreren zumindest auf der Reibfläche angeordneten Oberflächenschichten, wobei die Oberflächenschichten über dem Grauguss-Substrat in Abfolge vom Substrat zur Außenfläche zumindest – eine Haftschicht (1), – eine Korrosionsschutzschicht (2) aus nitriertem, nitridiertem oder nitrocarburiertem Haftschichtmaterial und gegebenenfalls Grauguss-Material, – eine optionale Oxidschicht (3) im Wesentlichen aus Eisenoxid, – und eine Verschleißschutz- oder Reibschicht (4) aus Oxidkeramik oder Cermet-Werkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1) aus dem Material des Grauguss-Substrats (5) mit einem auf 20 bis 60 Gew.-% erhöhten Anteil an Cr und/oder Mo aufgebaut ist, wobei der überwiegende Anteil des lamellaren Kohlenstoff des Graugusses in der Haftschicht als Cr- und/oder Mo-Carbid chemisch gebunden vorliegt

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe aus einem Grauguss-Substrat mit einer mehrlagigen Beschichtung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Bremsscheiben aus Grauguss durch Beschichtungen auf der Reibfläche korrosions- oder verschleißfester zu machen.
Bremsscheiben haben Reibringe, die ein tribologisches System mit den Bremsbelägen bilden. Beim Bremsen, wenn die unbewegten Bremsbeläge mit den rotierten Reibringen in Kontakt gebracht werden, erwärmen sich die Reibringe der Bremsscheiben infolge der Reibung. Die Bremswirkung hängt vom Zustand und der Oberflächenbeschaffenheit des Reibrings 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 Reibringen auftretende Korrosion. Aus diesem Grund werden Bremsscheiben häufig an den Reibringen mit 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 oder auch nitrierenden Oberflächenbehandlung und anschließender oxidativen Nachbehandlung unterzogen werden.
So ist aus DE 10 2007 027 933 B4 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.
Es hat sich gezeigt, dass die Tiefe, bzw. Dicke der der einer nitrocarburierten, nitrierten oder nitridierten Schicht auf Grauguss-Substraten unzureichend ist, insbesondere wenn auf dieser noch eine weitere Oberflächenbeschichtung, beziehungsweise Deckschicht aus Verschleißschutzmaterial aufgetragen wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiter verbessertes, gegen Korrosion und Verschleiß geschützte Bremsscheibe aus Grauguss bereitzustellen, bei dem eine Rissausbreitung in der Deckschicht bis zum Substrat sowie korrosiver Unterwanderung der Deckschicht, die zu Delamination bis zum Totalversagen des Bauteils führt, zu verhindern bzw. zu verzögern.
Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe, ein solches Bauteil herzustellen, wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Weiterbildungen des Bauteils und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Die Bremsscheibe weist mehrere Oberflächenschichten auf, die Haftschicht, Korrosionsschutzschicht und Verschleißschutzschicht umfassen. Erfindungsgemäß ist eine Haftschicht vorgesehen, welche durch eine oberflächliche Anreicherung des Graugusssubstrats mit Cr oder Mo und anschließende Nitrierung, Nitridierung oder Nitrocarburierung gebildet wird. Die Bremsscheibe weist oberhalb des Bremsscheibengrundkörpers aus Grauguss somit eine Schichtabfolge von zumindest

– einer Haftschicht,
– einer Korrosionsschutzschicht aus nitriertem, nitridiertem oder nitrocarburiertem Haftschichtmaterial,
– eine optionale Oxidschicht im Wesentlichen aus Eisenoxid,
– und einer Verschleißschutz- oder Reibschicht aus Oxidkeramik oder Cermet-Werkstoff auf.

Erfindungsgemäß befindet sich somit an Oberseite des Grauguss-Substrats eine Grauguss-Lage aus nitriertem, nitridiertem oder nitrocarburiertem Grauguss-Werkstoff, mit erhöhtem Cr- und/oder Mo-Anteil. Der erhöhte Anteil an Cr- und Mo- wirkt dabei in der Weise, dass der freie, oder graphitische Kohlenstoff, welcher im Grauguss die typischen Graphit-Lamellen bildet chemisch, beispielsweise als Cr- oder Mo-Carbid gebunden wird. Die Bindung des freien, graphitischen oder lamellaren Kohlenstoffs hat für die Bildung der Korrosionsschutzschicht eine große Bedeutung, da sich der freie, graphitische oder lamellare Kohlenstoff negativ auf die Nitrierung, Nitridierung oder Nitrocarburierung auswirkt. Die Stickstoffaufnahme wird durch diesen Kohlenstoff behindert. Da Cr und Mo in der Lage sind, den andernfalls freien Kohlenstoff des Graugusses chemisch zu binden, erhöht sich die Eindringtiefe und Menge des Stickstoffs bei der Nitrierung, Nitridierung oder Nitrocarburierung.
Die Haftschicht aus dem Material des Grauguss-Substrats weist einen Cr- und/oder Mo-Anteil von 20 bis 60 Gew.-% auf. Bevorzugt sind 30 bis 50 Gew.-%. (Unter Mengenangaben in % sind im folgenden Gew.-% zu verstehen, soweit nicht anders angegeben ist). Erfindungsgemäß ist der überwiegende Anteil des lamellaren, bzw. freien oder graphitischen Kohlenstoffs des Graugusses in der Haftschicht chemisch an das Cr und/oder Mo gebunden. Der Kohlenstoff wird dabei in Form von Carbiden an Cr oder Mo gebunden.
Typische Gusseisenwerkstoffe des Grauguss-Substrats sind EN 1561 „GJL", oder GG-15, GG-20, GG-25, GG-30 oder GG-35. In der Haftschicht weist die Grundzusammensetzung dieser Legierungen einen erhöhten Cr- und/oder Mo-Anteil auf der von 20 bis 60 Gew.-% reicht.
Der Kohlenstoffgehalt von Grauguss liegt im Allgemeinen in einem Bereich zwischen 2 und 3,5 Gew.-%. Davon liegen in etwa 20% oder auf den Grauguss bezogen zwischen 0,4 bis 0,7 Gew.-% als Graphit, bzw. Lamelle vor.
Erfindungsgemäß ist der maximale Gehalt an graphitischem, freiem oder in lamellarer Form vorliegenden Kohlenstoff in der Haftschicht nur noch unterhalb 0,2 Gew.-%, bevorzugt bei 0,05 bis 0,1 Gew.-%.
Die Dicke der Haftschicht liegt bevorzugt im Bereich von 100 bis 500 μm, besonders bevorzugt bei 300 bis 500 μm. Wird die Haftschicht durch Umschmelzen einer mit Cr- und/oder Mo-Partikeln beaufschlagten Oberfläche des Grauguss-Substrats hergestellt, lässt sich die Dicke der Haftschicht auch gut optisch bzw. mikroskopisch erkennen. Durch das Umschmelzen hat sich das Gefüge verändert und die Graphit-Lamellen haben sich nahezu vollständig aufgelöst.
Die Haftschicht ist zumindest teilweise durch Nitrieren, Nitridieren oder Nitrocarburieren nachbehandelt. Dabei kann sowohl die gesamte Haftschicht, als auch ein Teil des darunter liegenden Grauguss-Substrats nitriert, nitridiert oder nitrocarburiert werden. Bevorzugt ist die gesamt Haftschicht, besonders bevorzugt Haftschicht und ein Teil des darunter angeordneten Grauguss-Substrats mit Stickstoff angereichert beziehungsweise Substrats nitriert, nitridiert oder nitrocarburiert. Die nitrierte, nitridierte oder nitrocarburierte Haftschicht wird als Korrosionsschutzschicht bezeichnet.
Die Korrosionsschutzschicht ist wiederum durch mehrere ineinander übergehende Lagen gebildet. Die unterste Lage mit einer Dicke von 100 bis 800 μm ist eine Diffusionszone, bei der die Haftschicht, gegebenenfalls mit Grauguss-Substrat, gelösten Stickstoff, Sondernitride, Karbide und Nitridausscheidungen aufweist. Diese Lage geht in eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 μm über, welche epsilon-Nitrid oder -Carbonitrid, gamma-Nitrid und Sondernitride aufweist.
Gegebenenfalls folgt auf die Korrosionsschutzschicht eine optionale Oxidschicht. Diese wird bevorzugt durch eine oxidierende Plasmabehandlung erzeugt. Die Oxidschicht besteht im Wesentlichen aus Eisenoxid, insbesondere Fe₃O₄. Diese Lage weist eine Dicke von 0,5 bis 4 μm auf und wird im Wesentlichen durch Eisenoxid, insbesondere Fe₃O₄ gebildet. Diese Oxidschicht verbessert die Korrosionsschutzwirkung der Korrosionsschutzschicht und bildet einen guten Haftgrund für darauf abgeschiedene Oxidkeramik-haltige Beschichtungen.
Als oberste Schicht weist die Bremsscheibe eine Verschleißschutz- oder Reibschicht, im folgenden auch Deckschicht genannt, aus Oxidkeramik oder Cermet-Werkstoff auf. Die Verschleißschutz- oder Reibschicht ist bevorzugt und zweckmäßigerweise nur auf den als Reibflächen dienenden Teilen der Bremsscheiben aufgetragen. Die Haftschicht und die Korrosionsschutzschicht sowie die optionale Oxidschicht können dagegen auch auf den ganzen Bremsscheibenkörper aufgetragen werden, da diese Schichten auf dem restlichen Bremsscheibenkörper als Korrosionsschutz wirken.
Für den Korrosionsschutz des Graugusssubstrats und die Haftfähigkeit der Deckschicht ist dabei der Aufbau der Oberflächenschicht von besonderer Bedeutung. Die Oxidkeramik- oder Cermet-Deckschicht in Verbindung mit der durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und ggfs. 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 der Bremsscheibe im Fahrzeug deutlich verlängert werden.
„Cermet” bezeichnet sehr harte und verschleißfeste Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix mit hoher Thermoschock- und Oxidationsbeständigkeit. Bevorzugte Cermet-Werkstoffe weisen eine metallische Matrix und eine darin verteilte Keramikkomponente in einem Anteil von 30 bis 70 Gew.-% auf.
Als metallische Matrix der Deckschicht, bzw. Cermet-Deckschicht, werden bevorzugt hochlegierte Stähle oder Cr-Nickellegierungen mit einem Cr-Gehalt oberhalb 15 Gew.-% verwendet. Besonders geeignet sind hochlegierte CrNiMo-Stähle oder NiCrMo-Legierungen.
Ein geeigneter CrNiMo-Stahl ist Fe28Cr16Ni4,5Mo1,5Si1,75C, weist also eine Zusammensetzung aus 28 Gew.-% Chrom, 16 Gew.-% Nickel, 4,5 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Silizium, 1,75 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, auf.
Geeignete NiCrMo-Legierungen können eine Zusammensetzung aus 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, den auf 100% ergänzenden Gewichtsanteil (Rest) Nickel aufweisen; besonders bevorzugt kann die Legierungszusammensetzung 21,5 Gew.-% Chrom, 2,5 Gew.-% Eisen, 9,0 Gew.-% Molybdän, 3,7 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel aufweisen.
Ein besonders geeigneter austenitischer nichtrostender Stahl ist 1.4404 oder auch 316L, welcher 16–18,5 Gew.-% Cr, 10–14 Gew.-% Ni und 2–2,5 Gew.-% Mo umfasst.
Die Keramikkomponente des Cermet-Werkstoffs oder die Oxidkeramik für die Deckschicht sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und/oder MgAl₂O₄ (Spinell). Die Haftung der Oxidkeramiken wird durch das Vorhandensein der Oxidschicht aus im Wesentlichen Eisenoxid besonders begünstigt.
In einer Ausführungsform kann die Keramikkomponente Al₂O₃ und zumindest eine weitere Oxidkeramik umfassen, die aus TiO₂, ZrO₂, MgAl₂O₄ ausgewählt ist, wobei Al₂O₃ einen Anteil von 60 bis 90 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente ausmacht. Eine besonders bevorzugte Keramikzusammensetzung besteht aus 97 Gew.-% Al₂O₃ und 3 Gew.-% TiO₂. Entsprechendes gilt für die Oxidkeramik für die Deckschicht.
Der Keramik-Anteil innerhalb des Cermet-Werkstoffs beträgt bevorzugt 30 bis 70 Gew.-%.
Die Haftschicht und Korrosionsschutzschicht werden bevorzugt auf die gesamte Bremsscheibenoberfläche aufgetragen, da hierdurch das gesamte Bauteil eine Korrosionsschutzschicht erhält. Insbesondere werden die Schichten auch auf die Oberflächen von Lüftungskanälen oder Durchgangsbohrungen einer innenbelüfteten und gelochten Bremsscheibe aufgebracht. Hierdurch wird ein effektiver Korrosionsschutz der gesamten Bremsscheibe erreicht und ein von Durchgangs- oder Perforationsbohrungen ausgehendes Unterwandern der Deckschicht mit Korrosionsprodukten vermieden.
Die Schichtdicke der Deckschicht liegt in einem Bereich von 100 bis 500 μm. Vorzugsweise können die Deckschicht und entsprechend auch die Oberflächen- bzw. Zwischenschichten lediglich an tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils vorgesehen sein, während an anderen Bereichen des Bauteils das Substrat an der Oberfläche vorliegt oder andere Beschichtungen vorliegen können.
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.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Bremsscheibe umfasst die folgenden Schritte:

– Herstellen des Bremsscheibengrundkörpers aus einem Grauguss-Substrat,
– Auftragen von Cr- oder Mo- Partikeln zumindest auf die Reibfläche des Bremsscheibengrundkörpers und gleichzeitiges oder nachfolgendes Umschmelzen dieser Oberfläche mit Laser- oder Elektronenstrahl unter Bildung einer Haftschicht, wobei der überwiegende Anteil des lamellaren Kohlenstoffs des Graugusses beim Umschmelzen chemisch an Cr- oder Mo-Carbid gebunden wird
– Nitrieren, Nitridieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren unter Bildung einer Korrosionsschutzschicht
– gegebenenfalls Oxidieren der Oberfläche durch anodische oder Plasmaoxidation unter Bildung einer Oxidschicht
– Beschichtung der Oberfläche mit einem Oxidkeramikwerkstoff oder einem Cermet-Werkstoff unter Bildung einer Verschleißschutz- oder Reibschicht.

Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils umfasst zunächst das Herstellen des Bremsscheiben-Grundkörpers aus Grauguss, beispielsweise das Gießen eines Bremsscheibengrundkörpers aus einer Graugusslegierung.
Hierauf erfolgt die Anreicherung der ausgewählten Oberflächen des Grauguss-Substrats mit Cr und/oder Mo. Hierzu wird ein Umschmelzverfahren mit Zusatzmaterial verwendet. Die Oberfläche wird hierzu mit Cr- und/oder Mo-Partikeln beaufschlagt und darauf oder gleichzeitig mit einem Laser- oder Elektronenstrahl erhitzt. Dabei wird die Oberfläche mit dem Zusatzmaterial aufgeschmolzen und umgeschmolzen. Das Cr und/oder Mo wird in das Graugussmaterial aufgenommen und reagiert chemisch mit dem Graphit, bzw. Kohlenstoff der Graphit-Lamellen (lamellarer Kohlenstoff).
Bevorzugt wird der überwiegende Teil der Graphit-Lamellen beim Umschmelzen aufgelöst. Besonders bevorzugt beträgt der Volumenanteil der Graphitlamellen in der umgeschmolzenen Werkstoffschicht nur noch maximal 10% des Anteils des in dem nicht umgeschmolzenen Grauguss-Substrats. Dabei wird angenommen, dass der Volumenanteil und der in einem Schliff gemessene Flächenanteil äquivalent sind. Insbesondere liegt der Gewichtsanteil an freiem Kohlenstoff, oder lamellarem Graphit unterhalb 0,2 Gew.-%., bevorzugt bei 0,05 bis 0,1 Gew.-%. Die Menge des Zusatzmaterials und die Laser- oder Elektronenstrahlenergie werden so eingestellt, dass der Anteil an Cr und/oder Mo im Bereich von 20 bis 60 Gew.-% und die Dicke der umgeschmolzenen Schicht bei 100 bis 500 μm liegen Nach dem Umschmelzen der Oberfläche erfolgt eine Nitrierung, Nitridierung oder Nitrocarburierung in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren. Gegebenenfalls wird danach noch eine anodische oder Plasmaoxidation durchgeführt Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung von Korrosionsschutzschicht und Oxidschicht ist als IONIT OX^TM von Sulzer Metco bekannt.
Für die Verschleißschutz- oder Reibschicht (Deckschicht) wird darauf in einer ersten Ausgestaltung ein Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente bereitgestellt, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. Bevorzugt werden die Komponenten des Cermet-Werkstoffs als Pulver bereitgestellt und erst beim Aufbringen auf die Oberflächenschicht zum fertigen Cermet-Material vereint. Der Cermet-Werkstoff wird auf die Oberflächenschicht aufgebracht und so die Deckschicht ausgebildet. Das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs erfolgt bevorzugt durch thermisches Spritzen, insbesondere Pulverspritzverfahren oder durch Sprühkompaktieren. In einer weiteren Ausgestaltung werden Oxidkeramiken zur Bildung der Deckschicht thermisch aufgespritzt, insbesondere durch Pulverspritzverfahren.
Vor der Bildung der Schichten, bzw. vor der Bildung der Haftschicht können die Oberflächen des Substrats, die die tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils bilden, mechanisch aufgeraut bzw. profiliert werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen
1 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat und Schichtaufbau.
2 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat und Schichtaufbau, wobei sich Haftschicht (1) und Korrosionsschutzschicht (2) überlagern.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bremsscheibenausschnitt. An der Oberfläche des Grauguss-Substrats (5), das den Grundkörper der Bremsscheibe bildet, ist eine Haftschicht (1) angeordnet, welche durch Umschmelzen mit Zusatzmaterial aus Cr und/oder Mo gebildet ist. Hierauf liegt die Korrosionsschutzschicht (2), die durch Nitrieren, Nitridieren, Nitrocarburieren ausgebildet ist. Die Korrosionsschutzschicht geht hierbei aus der oberen Hälfte der Haftschicht hervor und reicht nicht vollständig durch die Haftschicht (1) auf oder in das Grauguss-Substrat (5) hindurch. Über der Korrosionsschutzschicht liegt die Oxidschicht (3) und darüber die Verschleißschutz- oder Reibschicht (4).
In 2 ist eine weitere Ausgestaltung abgebildet, bei welcher die Korrosionsschutzschicht (2) die gesamte Haftschicht (1) und einen oben Teil des Grauguss-Substrats (5) überlagert. Dies bedeutet, dass die gesamte Haftschicht (1) nitriert, nitridiert oder nitrocarburiert ist und funktional zur Korrosionsschutzschicht gehört. Diese Haftschicht besteht somit aus einem nitrierten, nitridierten oder nitrocarburierten Gusseisenwerkstoff mit einem Cr- und/oder Mo-Anteil von 20 bis 60 Gew.-%. Darüber sind eine Oxidschicht (3) im Wesentlichen aus Eisenoxid und eine Verschleißschutz- oder Reibschicht (4) aus Oxidkeramik oder Cermet-Werkstoff angeordnet. In der Abbildung sind die Korrosionsschutzschicht (2) und die Haftschicht (1) überlagert dargestellt.
Bei der mit einer Deckschicht beschichteten Bremsscheibe verhindern bzw. vermindern die darunter liegenden Schichten die Ausbreitung von Rissen, die im Betrieb der Bremsscheibe an der Oberfläche auftreten könnten. Dadurch, dass die Rissausbreitung in das Grauguss-Substrat vermieden wird, wird auch eine korrosive Unterwanderung der Schichten wirksam verhindert, so dass es nicht oder erst deutlich später zum Versagen des Bauteils etwa durch Delamination kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007027933 B4 [0005]
DE 102011053253 A1 [0006]
DE 19525182 A1 [0007]
EP 2394072 B1 [0009]
DE 102011122308 A1 [0010]

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]
EN 1561 „GJL” [0019]

Claims

Bremsscheibe mit einem Grauguss-Substrat (5) mit mehreren zumindest auf der Reibfläche angeordneten Oberflächenschichten, wobei die Oberflächenschichten über dem Grauguss-Substrat in Abfolge vom Substrat zur Außenfläche zumindest – eine Haftschicht (1), – eine Korrosionsschutzschicht (2) aus nitriertem, nitridiertem oder nitrocarburiertem Haftschichtmaterial und gegebenenfalls Grauguss-Material, – eine optionale Oxidschicht (3) im Wesentlichen aus Eisenoxid, – und eine Verschleißschutz- oder Reibschicht (4) aus Oxidkeramik oder Cermet-Werkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1) aus dem Material des Grauguss-Substrats (5) mit einem auf 20 bis 60 Gew.-% erhöhten Anteil an Cr und/oder Mo aufgebaut ist, wobei der überwiegende Anteil des lamellaren Kohlenstoff des Graugusses in der Haftschicht als Cr- und/oder Mo-Carbid chemisch gebunden vorliegt.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1) durch Umschmelzen einer mit Cr- und/oder Mo-Partikeln beaufschlagten Oberfläche des Grauguss-Substrats hergestellt ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1) eine Dicke im Bereich von 100 bis 500 μm aufweist.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1) einen maximalen Gehalt an freiem oder in lamellarer Form vorliegendem Kohlenstoff von 0,2 Gew.-% aufweist.
Bremsscheibe nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (2) aus nitriertem, nitridiertem oder nitrocarburiertem Grauguss- und Haftschichtmaterial besteht.
Bremsscheibe nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (2) eine Dicke im Bereich von 100 bis 800 μm aufweist und sich über die Haftschicht (1) bis in das Grauguss-Substrat (5) erstreckt.
Bremsscheibe nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutz- oder Reibschicht (4) aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Oxid-Keramikkomponente besteht, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht
Bremsscheibe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix des Cermet-Werkstoffs 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, aufweist,
Bauteil nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramiken oder die Oxid-Keramikkomponenten des Cermets, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, MgAl₂O₄ oder Mischungen hieraus sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bremsscheibe, umfassend die Schritte: – Herstellen des Bremsscheibengrundkörpers aus einem Grauguss-Substrat (5), – Auftragen von Cr- oder Mo- Partikeln zumindest auf die Reibfläche des Bremsscheibengrundkörpers und gleichzeitiges oder nachfolgendes Umschmelzen dieser Oberfläche mit Laser- oder Elektronenstrahl unter Bildung einer Haftschicht (1), – Nitrieren, Nitridieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren unter Bildung einer Korrosionsschutzschicht (2) – gegebenenfalls Oxidieren der Oberfläche durch anodische oder Plasmaoxidation unter Bildung einer Oxidschicht (3) – Beschichtung der Oberfläche mit einem Oxidkeramikwerkstoff oder einem Cermet-Werkstoff unter Bildung einer Verschleißschutz- oder Reibschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Anteil des lamellaren Kohlenstoff des Graugusses beim Umschmelzen chemisch an Cr- oder Mo-Carbid gebunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bremsscheibe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Haftschicht (1) als auch oberflächennahe Bereiche des Grauguss-Substrats nitrieren, nitridiert oder nitrocarburiet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Bremsscheibe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der durch nitrieren, nitridieren oder nitrocarburien mit Stickstoff-angereicherte oberflächennahe Bereich des Grauguss-Substrats 100 bis 700 μm tief ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aufbringen des Oxidkeramikwerkstoffs oder des Cermet-Werkstoffs zur durch thermisches Spritzen erfolgt.