DE102018221578A1

DE102018221578A1 - Bremsscheibe und Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe

Info

Publication number: DE102018221578A1
Application number: DE102018221578.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Maurer; Ilja Potapenko
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe geht aus von einer Bremsscheibe mit• wenigstens einer aus einem Grundkörper bestehenden Reibfläche,• wenigstens einer auf wenigstens Teile der Reibfläche aufgebrachten Beschichtung. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung einer thermo-chemischen Behandlung unterzogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe mit den Merkmalen der unabhängig formulierten Ansprüche.
Bremsscheiben haben die Aufgabe, das Bremsmoment bei einer Verzögerung des Fahrzeugs auf die Achse zu übertragen sowie die bei der Bremsung auftretende kinetische Energie kurzzeitig in Form von Wärme zwischenzuspeichern und nachfolgend über Leitung, Strahlung und Konvektion wieder abzugeben.
Konventionelle Bremsscheiben werden häufig aus dem temperaturbeständigen Grauguss hergestellt. Verschleißfeste Bremsscheiben werden hergestellt, indem entweder sehr teure Vollkeramik-Bremsscheiben eingesetzt oder auf eine Grauguss (GG)-Scheibe mittels thermischer Spritzverfahren, wie beispielsweise HVOF Verfahren, eine Verschleißschutzschicht aufgespritzt wird. Dafür wird häufig WC-basiertes Pulver verwendet, was zu hoher Verschleißfestigkeit führt. Solch eine Bremsscheibe ist in der DE 10 2011 087 136 A1 gezeigt.
Aus der WO17046681A1 ist eine beschichtete metallische Bremsscheibe aus Aluminium, AI-Legierungen, Grauguss oder Stahl bekannt, die mit einer Verschleißschutzschicht aus Wolframcarbid und Kobalt an ihren Reibflächen ausgestattet ist. Die Beschichtung wird mittels HVOF-, HVAF oder KM-Technik auf die Reibflächen aufgebracht.
Konventionelle Bremsscheiben für PKWs werden heute vorwiegend aus Grauguss mit Lamellengraphit gefertigt. Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität sowie die guten mechanischen Eigenschaften von Grauguss sind hierbei die entscheidenden Vorteile des Werkstoffes. Eine kostengünstige Massenfertigung wird durch die günstigen Rohstoff preise, sowie die gute Vergießbarkeit von Grauguss möglich, sodass Bremsscheiben wirtschaftlich auch in komplexen Geometrien hergestellt werden können.
Allerdings können Bremsscheiben aus Grauguss auch unerwünschte Eigenschaften haben, wie den schlechten Korrosionswiderstand, das hohe Gewicht, eine geringe Härte und damit einen hohen Verschleiß, sowie einen abfallenden Reibwert bei hohen Temperaturen (Fading), sodass weitere Entwicklungen notwendig sind.
Als Alternative zu Graugussbremsscheiben sind derzeit auf dem europäischen Markt lediglich Vollkeramik Bremsscheiben verfügbar, welche jedoch sehr teuer sind und daher nur in sehr geringen Stückzahlen eingesetzt werden.
Außerdem ist im Markt bereits das als iDisc bezeichnete Bosch-Produkt vorhanden, die eine Wolframcarbid (WC)-basierte und durch Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (HVOF) aufgebrachte Beschichtung aufweist.
Bekannt sind auch Graugussbremsscheiben, welche durch eine thermochemische Behandlung bspw. durch Nitrocarburieren in ihren Eigenschaften verbessert wurden. Durch die thermochemische Behandlung bildet sich an der Oberfläche der Grauguss Bremsscheibe eine harte Verbindungsschicht, welche den Verschleiß der Bremsscheibe reduziert und einen positiven Effekt auf das Korrosionsverhalten der Bremsscheibe haben kann. Solche Verbindungsschichten ist jedoch recht dünn (ca. 10 µm), sodass diese schnell verschlissen wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe geht aus von einer Bremsscheibe mit

• wenigstens einer aus einem Grundkörper bestehenden Reibfläche,
• wenigstens einer auf wenigstens Teile der Reibfläche aufgebrachten Beschichtung.

Der Hintergrund der Erfindung ist der Folgende:

Die Notwendigkeit von korrosionsbeständigen Bremsscheiben wird insbesondere im wachsenden Bereich der E-Mobility gefordert, da bei Elektrofahrzeugen ein Großteil der Bremsvorgänge über Rekuperation und nicht über die Radbremse selbst erfolgt. Daraus ergibt sich eine stark verringerte Beanspruchung der Bremsscheibe, sodass korrodierte Bremsscheibenoberflächen nicht mehr regelmäßig abgefahren werden. Die Bremswirkung könnte so bei einer eventuellen Notbremsung nicht mehr voll gewährleistet werden. Weiterhin könnte es zu Komfortproblemen (Noise Vibration Harshness, NVH) beim Betrieb der Bremsscheibe kommen.

Darüber hinaus kann die Verschleißbeständigkeit von Bremsscheiben mit der Partikelemission des Bremssystems in Verbindung gebracht werden. Die Feinstaubbelastung in deutschen Städten ist hoch und Bremsvorgänge tragen auch zu der Feinstaubentstehung bei, sodass ein verringerter Ausstoß an Feinstaub durch das Bremssystem eine Verringerung der Umweltbelastungen mit sich bringen könnte.
Zwar erfüllen hartmetallbeschichtete Bremsscheiben die genannten Anforderungen, jedoch sind solche Bremsscheiben relativ teuer. Die Pulverwerkstoffe, welche zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe benötigt werden, sowie die notwendigen Prozessschritte, welche notwendig sind, um eine ausreichende Haftung zwischen Graugussbremsscheibe und Hartmetallbeschichtung herzustellen, sind teuer, sodass der Einsatz einer solchen Bremsscheibe im Massenmarkt derzeit begrenzt ist.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung durch thermo-chemische Behandlung werden in vorteilhafter Weise die Vorteile einer relativ teuren hartmetallbeschichteten Bremsscheibe kostengünstig erzielt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung als Schicht mit einer gegenüber dem Grundkörper erhöhter Porosität ausgebildet ist.
Auf den Grundkörper wird als Beschichtung vorteilhafterweise mittels eines thermisches Spritzverfahren eine Eisenbasislegierung aufgebracht. Durch die Prozessparameter wird dabei die Porosität der Beschichtung eingestellt.
Nach dieser Aufbringung der Beschichtung wird die Beschichtung nitrocarburiert oder boriert oder nitriert.
Wie bereits erwähnt kann der Grundkörper aus Grauguss gefertigt sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bremsscheibe, die nach einem der vorangehenden Verfahren hergestellt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnungen erläutert.

Die 1 zeigt eine gelochte und beschichtete Bremsscheibe gemäß Stand der Technik.
Die 2 zeigt einen Querschliff einer erfindungsgemäß beschichteten Bremsscheibe
Die 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die in 1 dargestellte Bremsscheibe 1 weist einen kreisringscheibenförmigen Bremsring und eine mit dem Bremsring einstückige und koaxiale, napfförmige Nabe 3 auf. Der Reibring bildet die eigentliche Bremsscheibe. Die Bremsscheibe 1 ist in diesem Beispiel innenbelüftet, ihr Bremsring ist doppelwandig. Äußere Stirnflächen des Bremsrings bilden kreisringscheibenförmige Reibflächen 2 der Bremsscheibe 1. Die Reibflächen 2 sind die Oberflächen der Bremsscheibe 1, gegen die beim Bremsen nicht dargestellte Reibbremsbeläge gedrückt werden, um die Bremsscheibe 1 durch Reibung zu bremsen. Die Bremsscheibe 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel gelocht, d. h. sie weist Löcher 5 auf, die den Bremsring durchsetzen. Die in der 1 dargestellte Lochung bzw. Doppelwandigkeit ist für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Die Bremsscheibe 1 besteht aus Grauguss oder einer Stahllegierung.
Die 2 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch den Reibring mit dem Grundkörper 4. Im linken Teil der 2 ist dabei die konventionelle Bremsscheibe ohne Beschichtung zu erkennen.
Die konventionelle Graugussbremsscheibe wird nun gemäß der dargestellten Ausführungsform über ein thermisches Spritzverfahren mit einer Eisenbasislegierung 3a beschichtet. Dabei wird das Beschichtungsverfahren so eingestellt, dass die Beschichtung 3a eine geeignete Porosität aufweist.
Die so beschichtete Bremsscheibe wird im Anschluss nitriert oder boriert.
Der Zustand nach der thermo-chemische Behandlung mit Prozessgasen ist im rechten Teil der 2 dargestellt. Dabei kommt es im gegenüber der im mittleren Teil der 2 geändert dargestellten Oberfläche zu einem Bereich 3b, der aus der porösen Beschichtung 3a, die nun auch die Prozessgase eingelagert hat, sowie zu unter der Schicht 3a liegenden Bereiche auf der Bremsscheibe 4, in die nun auch durch die Poren der Schicht 3a die Prozessgase eingelagert sind.
Es bildet sich damit eine charakteristische Verbindungsschicht und eine entsprechende Diffusionszone, welche über die Beschichtung hinaus auch Einfluss auf das Graugusssubstrat nimmt. Vorteilhaft sind hierbei die hohe Härte der Verbindungsschicht, der Korrosionswiderstand der Eisenbasislegierung sowie der graduelle Härteverlauf. Hiermit wird eine gute mechanische Stabilität der Oberfläche erzielt.
Das Nitrocarburieren ist ein thermochemisches Verfahren zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff. Somit entsteht eine Nitrierschicht, bestehend aus Verbindungsschicht und Diffusionsschicht.
Das Borieren ist ein ebenfalls ein thermochemisches Randschichthärteverfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche auf einem Werkstück durch einbringen von Bor in die Randzone.
Es bildet sich damit eine charakteristische Verbindungsschicht und eine entsprechende Diffusionszone, welche über die Beschichtung hinaus auch Einfluss auf das Graugusssubstrat nimmt. Vorteilhaft sind hierbei die hohe Härte der Verbindungsschicht, der Korrosionswiderstand der Eisenbasislegierung sowie der graduelle Härteverlauf. Hiermit wird eine gute mechanische Stabilität der Oberfläche erzielt.
Die 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels.
Nach dem Startschritt 301 wird im Schritt 203 der Grundkörper 4 bereitgestellt. Auf diesem Grundkörper 4 wird dann im Schritt 303 mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Eisenbasislegierung 3a aufgebracht. Dabei wird das Beschichtungsverfahren so eingestellt, dass die Beschichtung 3a eine geeignete Porosität derart aufweist, dass durch die anschließende im Schritt 304 vorgenommene thermo-chemische Behandlung mit Prozessgasen die Prozessgase hinreichen tief durch die poröse Beschichtung 3a in den Grundkörper 4 eindringen können.
Die thermo-chemische Behandlung der so beschichteten Bremsscheibe mit Prozessgasen geschieht durch Nitrieren oder Nitrocarburieren oder Borieren.
Der Zustand nach der thermo-chemische Behandlung mit Prozessgasen ist im rechten Teil der 2 dargestellt. Dabei kommt es im gegenüber der im mittleren Teil der 2 geändert dargestellten Oberfläche zu einem Bereich 3b, der aus der porösen Beschichtung 3a, die nun auch die Prozessgase eingelagert hat, sowie zu unter der Schicht 3a liegenden Bereiche auf der Bremsscheibe 4, in die nun auch durch die Poren der Schicht 3a die Prozessgase eingelagert sind.
Es bildet sich damit eine charakteristische Verbindungsschicht und eine entsprechende Diffusionszone, welche über die Beschichtung hinaus auch Einfluss auf das Graugusssubstrat nimmt. Vorteilhaft sind hierbei die hohe Härte der Verbindungsschicht, der Korrosionswiderstand der Eisenbasislegierung sowie der graduelle Härteverlauf. Hiermit wird eine gute mechanische Stabilität der Oberfläche erzielt.
Das Verfahren endet mit dem Schritt 305.
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 102011087136 A1 [0003]
WO 17046681 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (1) mit • wenigstens einer aus einem Grundkörper (4) bestehenden Reibfläche (2), • wenigstens einer auf wenigstens Teile der Reibfläche (2) aufgebrachten Beschichtung (3a), dadurch gekennzeichnet, dass • die Beschichtung (3a) einer thermo-chemischen Behandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3a) als Schicht mit einer gegenüber dem Grundkörper (4) erhöhter Porosität ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) aus Grauguss gefertigt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung (3a) auf dem Grundkörper (4) mittels eines thermisches Spritzverfahren eine Eisenbasislegierung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3a) derart thermo-chemisch wird, dass sie nach der Aufbringung nitrocarburiert oder boriert oder nitriert wird.
Bremsscheibe (1) hergestellt nach einem der vorangehenden Ansprüche.