DE102018116304A1

DE102018116304A1 - Bremsbelag und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102018116304A1
Application number: DE102018116304.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahle
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Ein Bremsbelag (1) umfassend einen Reibbelag (3) und eine metallische Belagträgerplatte (2), wobei die Belagträgerplatte (2) zumindest bereichsweise eine nitrocarburierte Oberfläche aufweist; sowie eine Bremse und ein Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bremsbelag nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags.
Bei Scheibenbremsen erfolgt die Erzeugung des Bremsmoments im Zusammenwirken von einer drehenden Bremsscheibe und jeweils von einer Seite an angepresste Bremsbeläge. Diese Bremsbeläge übertragen dann das Bremsmoment über einen Bremsträger an die Achse. Zur Übertragung dieser Kräfte weist ein Bremsbelag eine Belagträgerplatte auf.
Zur Überwindung eines Lüftspiels im nicht gebremsten Zustand und zum Ausgleich des Verschleißes eines dem auf der Belagträgerplatte angeordneten Reibbelags, müssen die Bremsbeläge verschiebbar im Bremsträger, insbesondere in einem sogenannten Bremsschacht, geführt sein.
Diese Schnittstelle ist gegenüber äußeren Umwelteinflüssen nicht geschützt und ist dadurch sowohl Schmutz sowie auch korrosivem Angriff ausgesetzt. Übliche Korrosionsbeschichtungen halten aufgrund hoher Flächenpressungen und der Relativbewegung nur kurze Zeit stand. Tritt dann Korrosion auf, kann die Verschiebbarkeit der Bremsbeläge beeinträchtigt sein, wodurch die Zuspannkraft der Beläge auf die Scheibe deutlich abnimmt bzw. überhaupt nicht mehr übertragen werden kann und es zum Ausfall der Bremse kommt.
Ausgehend von dieser eingehenden Erläuterung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung der korrosionsbedingten Minderung der Zuspannkraft entgegenzuwirken.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Bremsbelags mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßer Bremsbelag umfasst einen Reibbelag und eine metallische Belagträgerplatte.
Die Belagträgerplatte weist erfindungsgemäß zumindest bereichsweise eine nitrocarburierte Oberfläche auf.
Die Belagträgerplatte kann z. B. zumindest entlang einer umlaufenden Randfläche einen solchen nitrocarburierten Bereich aufweisen. Dieser Bereich kann umlaufend um die Belagträgerplatte ausgebildet sein oder auch lediglich bereichsweise, beispielsweise in Bereichen, welche besonders dicht an den Schachtwänden des Bremsschachtes angeordnet sind.
Durch den Nitrierprozess bzw. Nitrocarburierungsprozess kann die Oberfläche gehärtet werden und die Korrosionsbeständigkeit kann gesteigert werden.
Durch thermochemische Diffusion von Stickstoff- und Kohlenstoffatomen im Rahmen des Nitrocarburierens kann in einer Oberfläche eine erhöhte Härte- und zugleich eine erhöhte Korrosionsfestigkeit erzielt werden. Somit ist ein nitrocarburierter Bereich an einem Diffusionsprofil erkennbar, wobei entlang der Oberfläche der Stickstoffanteil besonders hoch ist und zum Kern der Belagträgerplatte abnimmt.
Ein weiterer Vorteil, speziell dieses Verfahrens, besteht darin, dass der Prozess bei im Vergleich zu anderen Nitrierverfahren niedrigeren Temperaturen abläuft, wodurch eine geringere Gefahr von Verzug oder Längenänderung der Rückenplatten eintritt und somit keine nachgeschaltete Bearbeitung notwendig ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bevorzugt kann die Belagträgerplatte vollständig nitrocarburiert sein, also entlang der gesamten Oberfläche der Belagträgerplatte und nicht nur über Teilbereiche.
Die nitrocarburierte Oberfläche der Belagträgerplatte weist eine Randschicht auf, welche vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut ist mit einer sogenannten Verbindungsschicht zum Umgebung hin und einer Diffusionsschicht zum Kernmaterial der Belagträgerplatte hin. Die Randschicht kann sich über die gesamte Oberfläche der Belagträgerplatte oder lediglich in einem Randbereich erstrecken.
Die Schichtdicke der Diffusionsschicht ist vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Verbindungsschicht so dass auch bei oberflächlichem Abrieb ein hinreichender Korrosionsschutz gewährleistet ist.
Die Schichtdicke der Verbindungsschicht kann vorzugsweise zumindest 2 µm, vorzugsweise zumindest 3 µm, besonders bevorzugt 3,2 bis 8 µm betragen. Dabei zeichnet sich die Verbindungsschicht durch eine relativ klare Phasengrenze, mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als 0,3 µm Dicke, insbesondere weniger als 0,1 µm, zum Kernmaterial oder einer angrenzenden Diffusionsschicht aus.
Die Belagträgerplatte kann vorteilhaft als eine Sphäroguss-Belagträgerplatte ausgebildet sein, also eine Belagträgerplatte aus Sphäroguss, welche bereichsweise oder über ihre gesamte Oberfläche durch Nitrocarburieren behandelt wurde. Auf diesem Untergrund hält die durch Nitrocarburierung ausgebildete Schicht besonders gut.
Sphäroguss hat für den Anwendungszweck als Belagträgerplatte besonders gute Festigkeitswerte, insbesondere bei Bremsen mit hohen Bremsmomenten und daraus resultierenden hohen Flächenpressungen und Biegebeanspruchungen.
Alternativ allerdings weniger bevorzugt kann die Belagträgerplatte auch als Graugruss-Belagträgerplatte ausgebildet sein.
Die übertragenen Kräfte je nach Verzögerung können sehr hoch sein. Eine mehrere 100°C hohe Wärmeeinwirkung auf die Rückenplatte kann zudem auftreten. Die Kraft und Wärmeableitung ist dabei bei Stahl und Sphäroguss, insbesondere Kugelgraphitguss, besonders günstig.
Zudem kann das Material der Sphäro-Belagträgerplatte zusätzlich mit Sauerstoff angereichert sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bremsbelags zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

a) Bereitstellen einer Belagträgerplatte, insbesondere im Rahmen eines Sphäroguss-Verfahrens, und
b) zumindest abschnittsweises oder vollständiges Nitrocarburieren der Belagträgerplatte
c) Aufbringen eines Reibbelags auf die Belagträgerplatte.

Als besonders günstig für den Anwendungsbereich hat sich dabei das Salzbadnitrocarburieren erwiesen, da dabei die Belagträgerplatte nur geringem thermischen Verzug aufgrund von niedrigen Prozesstemperaturen unterliegt.
Weiterhin kann auch ein Nachoxidieren der Oberfläche, also eine Nachbehandlung in Form einer Oxidationsbehandlung nach der Nitrocarburierung erfolgen. Dies kann insbesondere vorteilhaft im Rahmen einer Nachbehandlung im Anschluss an das Salzbadnitrocarburieren erfolgen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit zusätzlich erhöht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bremsbelags mit Blick auf den Reibbelag; und
2 eine zweite perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bremsbelags mit Blick auf die Belagrückenplatte.

1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bremsbelags 1.
Dieser weist eine Belagträgerplatte 2 und einen Reibbelag 3 auf. 1 zeigt dabei die dem Reibbelag abgewandte Seite 4 der Belagträgerplatte 2, sowie ein Teilsegment 10 einer umlaufenden Randfläche 5 der Belagträgerplatte 2.
Die Randfläche 5 begrenzt die Belagträgerplatte 2 randseitig und ist vorzugsweise senkrecht zur Ebene der Seite 4 angeordnet.
Die Belagträgerplatte 2 kann zudem randseitig Haltevorsprünge 6 aufweisen. Die Flächen der Haltevorsprünge 6 in 1 bilden dabei ebenfalls Teilsegmente der Randfläche 5 aus.
Weiterhin weist die Belagträgerplatte entlang der Randfläche 5 eine randseitige Ausnehmung 7 auf. Diese dient der Aufnahme eines nicht dargestellten Belagverschleißsensors.
2 zeigt perspektivisch den erfindungsgemäßen Reibbelag mit der Reibseite 8 des Reibbelags 3, welche z. B. mit einer nicht-dargestellten Bremsscheibe beim Bremsvorgang in Kontakt tritt.
Parallel zur Reibseite 8 erstreckt sich die dem Reibbelag 3 zugewandte Seite 9 der Belagträgerplatte 2. Die Belagträgerplatte 2 weist gegenüber dem Reibbelag 3 einen Überstand 11 auf, so dass die Seite 9 der Belagträgerplatte 2 teilweise sichtbar ist. Der Reibbelag 3 weist zwei Reibbelagelemente 12 und 13 auf, welche in 2 zueinander achsensymmetrisch angeordnet sind.
Die Seite 9 einschließlich des Überstands 11 erstreckt sich in 2 auf der gleichen Ebene.
Es ist allerdings auch möglich, dass der Überstand als randseitige Materialverdickung, vorzugsweise durch Stauchen oder durch eine Kombination aus Stauchen und Tiefziehen ausgebildet ist, so dass sich gegenüber der Variante der 2 eine vergrößerte Randfläche 5 ergibt.
Die Belagträgerplatte 2 ist vorzugsweise aus Stahl und weist einen nitrocarburierten Bereich auf. Dieser Bereich kann sich über die gesamte Oberfläche der Belagträgerplatte erstrecken. Alternative können auch lediglich mechanisch besonders beanspruchte Bereiche beschichtet sein. So kann sich z. B. der nitrocarburierte Bereich lediglich bereichsweise oder vollständig über die Randfläche 5 erstrecken.
Nitrocarburieren ist dabei eine spezielle Form des Nitrierens und dient primär dem Zweck, den Verschleißwiderstand und die Dauerfestigkeit zu erhöhen und führt zu einer erhöhten Härte der Metall-, insbesondere der Stahloberfläche der Belagträgerplatte. Im Vergleich zu anderen Nitrierverfahren weist der oberflächengehärtete Werkstoff allerdings eine geringe Sprödigkeit auf.
Aufgrund von Diffusionseffekten bei einer thermischen Behandlung in Anwesenheit einer erhöhten Konzentration an Agentien, wie z.B. Ammoniak und Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid wird die Stahloberfläche des Bremsbelagträgers mit Stickstoff-, Kohlenstoff- und ggf. auch mit Sauerstoffatomen angereichert.
Dadurch wird die Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit erhöht und es kommt zur Ausbildung einer gehärteten Oberflächenschicht auf der Oberfläche der Belagträgerplatte und einer darunter liegenden Diffusionsschicht zur Verbindung mit dem Stahlwerkstoff. Die Diffusionsschicht und die Verbindungsschicht werden nachfolgend auch als Randschicht bzw. Oberflächenschicht bezeichnet. Die Verbindungsschicht verfügt über eine klar-erkennbare Phasengrenze zur Diffusionsschicht.
Neben den mechanischen Vorteilen ist das Verfahren im Vergleich zu anderen Oberflächenhärtungsverfahren (z. B. Aufkohlung) kostengünstig und kann bei verhältnismäßig niedrigen Prozesstemperaturen erfolgen, da das Verfahren in der Ferritphase unterhalb von 650°C durchgeführt wird.
Dabei wird erhöhter Materialverzug und thermische Spannungen im Material vermieden.
Da die Diffusionsschicht erheblich zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften beiträgt, darf diese nicht infolge von nachgelagerten Bearbeitungsschritten abgetragen werden.
Die Belagträgerplatte selbst kann aus Stahl oder Eisen, vorteilhaft aus einem Gusseisen, vorzugsweise aus einem Sphäroguss gebildet sein. Allerdings kommen auch bevorzugt stark kohlenstoffhaltige Stähle als bevorzugtes Material der Belagträgerplatte in Betracht.
Die Oberflächenhärte nach DIN 50133 beträgt für die Randschicht, insbesondere für die Verbindungsschicht, vorzugsweise mehr als 300 HV0,5. Besonders bevorzugt kann die Härte (Vickershärte) entlang der Oberfläche gegenüber dem Kernmaterial zumindest um 50% gegenüber dem Kernmaterial, also dem Sphäroguss-Material der Rückenplatte erhöht werden.
Durch das Nitrocarburieren bildet sich eine Randschicht aus. Diese Randschicht kann mehrschichtigen Aufbau aufweisen insbesondere mit einer oberflächlichen Verbindungsschicht und einer darunterliegenden Diffusionsschicht. Zumindest die Verbindungsschicht ist durch eine scharfe Phasengrenze von der Diffusionsschicht, die meist mit als heterogenes Gefüge vorliegt, unterscheidbar. Die bevorzugte Schichtdicke dieser Verbindungsschicht beträgt dabei zumindest 2 µm, vorzugsweise zumindest 3 µm, besonders bevorzugt 3,2 bis 8 µm.
Die Schichtdicke und die Zusammensetzung des Materials bei der entsprechenden Schichtdicke kann durch rasterelektronenmikroskopische Bildanalyse, durch eine REM/EDX-Untersuchung und durch eine Glühentladungsspektroskopie festgestellt werden.
Als bevorzugte Variante der Nitrocarborierung kommt vorzugsweise Salzbadnitrocarburieren in Betracht, wobei auch andere Methoden, wie z. B. ein Gasnitrocarburieren oder das Plasmanitrocarburieren grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, jedoch weniger bevorzugt sind.
Zusätzlich zu Ammoniak und Kohlendioxid kann bei einer für die Anwendung bevorzugten Variante des Nitrocarburierens die Oberfläche auch mit Sauerstoff angereichert werden, was die Verschleißfestigkeit des Randbereichs und der Belagträgerplatte insgesamt zusätzlich erhöht und eine bessere Verbindung zwischen der harten Oberfläche und dem weicheren Stahlkern schafft, als bei der Variante ohne Sauerstoffanreicherung.
Bei der Gasnitrocarburierung kann bei Bedarf ein Teil der Belagträgerplatte maskiert werden, so dass dieser Teil noch einer späteren Materialumformung unterzogen werden kann. Jedenfalls die Randfläche sollte allerdings teilweise oder bevorzugt vollständig der Oberflächenhärtung unterzogen werden, um so erhöhten Korrosionsschutz und Verschließschutz beim Einsatz in dem Bremsschacht einer Bremse zu erhalten.
Noch besser als die Gasnitrocarburierung hat sich das Salzbadnitrocarburieren erwiesen. Dabei können die Sphäroguss-Belagtragerplatten vorzugsweise mehrstufig auf eine Behandlungstemperatur im Bereich von vorzugsweise 550 bis 600°C erwärmt werde und mit einer Salzschmelze in Kontakt gebracht werden.
Aufgrund von Diffusionsprozessen bildet sich die Verbindungsschicht aus, welche erhöhte Anteile an Stickstoff und Kohlenstoff aufweisen. Typischerweise beträgt die Prozessdauer 90 min.
Im Rahmen eines Nachoxidierens kann die Belagträgerplatte noch einmalig oder mehrmalig einem Oxidationsbad, vorzugsweise mit einem Oxidationsmittel, zur Ausbildung einer Eisenoxidschicht, ausgesetzt werden. Dies kann z.B. bei 300 bis 500 °C erfolgen. Zwischen der Behandlung im Oxidationsbad kann ein Polieren der Oberfläche oder eine andere mechanische Oberflächenbehandlung erfolgen.
Bezogen auf die Ausführungsvariante der 1 und 2 sollten jedoch vorzugsweise zumindest die Randfläche 5 und das Teilsegment 10 einer Nitrocarburierung unterzogen werden.
Bezugszeichenliste

1: Bremsbelag
2: Belagträgerplatte
3: Reibbelag
4: Reibbelag-abgewandte Seite
5: Randfläche
6: Haltevorsprünge
7: Ausnehmung
8: Reibseite
9: Seite der Belagträgerplatte
10: Teilsegment
11: Überstand
12: Reibbelagelement
13: Reibbelagelement

Claims

Bremsbelag (1), umfassend einen Reibbelag (3) und eine metallische Belagträgerplatte (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Belagträgerplatte (2) zumindest bereichsweise eine nitrocarburierte Oberfläche aufweist.
Bremsbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagträgerplatte (2) vollständig nitrocarburiert ist.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagträgerplatte (2) ein Kernmaterial aus Gussmetall und zumindest aus eine durch Nitrocarburieren ausgebildete Randschicht umfasst.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht mehrschichtig, insbesondere zweischichtig, ausgebildet ist und zumindest eine Verbindungsschicht und eine Diffusionsschicht aufweist, welche zwischen der Verbindungsschicht und dem Kernmaterial angeordnet ist.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugte Schichtdicke der Verbindungsschicht zumindest 2 µm, vorzugsweise zumindest 3 µm, besonders bevorzugt 3,2 bis 8 µm beträgt.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht, insbesondere die Verbindungsschicht der Randschicht, mehr als 300 HV0,5 beträgt.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagträgerplatte (2) als eine Grauguss-Belagträgerplatte, als eine Stahl-Belagträgerplatte oder besonders bevorzugt als Sphäroguss-Belagträgerplatte ausgebildet ist.
Bremsbelag nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Sphäroguss-Belagträgerplatte mit Sauerstoff angereichert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bremsbelags (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Belagträgerplatte (2), insbesondere im Rahmen eines Sphäroguss-Verfahrens, b) zumindest abschnittsweises oder vollständiges Nitrocarburieren der Belagträgerplatte (2); und c) Aufbringen eines Reibbelags (3) auf die Belagträgerplatte (2).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrocarburieren als Salzbadnitrocarburieren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrocarburierte Oberfläche nach dem Nitrocarburieren einer Nachbehandlung in Form einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.