DE102019114135A1

DE102019114135A1 - Bremsscheibe, welche eine Entkohlungsschicht und eine Nitrid-Verbundschicht aufweist, und Herstellungsverfahren davon

Info

Publication number: DE102019114135A1
Application number: DE102019114135.4A
Authority: DE
Inventors: Min Woo Kang; Chung An LEE; Seung Hyun Hong; Soon Woo Kwon
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2039-05-28
Also published as: KR20200071341A; US20200182318A1; KR102657327B1; DE102019114135B4; CN111304425A; US11137041B2

Abstract

Eine Bremsscheibe weist ein Basismaterial, welches aus Grauguss geformt ist, eine Entkohlungsschicht, welche auf dem Basismaterial geformt ist und mittels Entkohlens geformt ist, und eine Nitrid-Verbundschicht auf, welche auf der Entkohlungsschicht geformt ist und mittels Nitrierens geformt ist. Ein Verfahren des Herstellens einer Bremsscheibe weist ein Herstellen einer Scheibe, welche aus einem Grauguss geformt ist, Ausführen einer Wärmebehandlung der Scheibe, um eine Vor-Entkohlungsschicht und eine Basisschicht aus Grauguss zu formen, über welcher die Vor-Entkohlungsschicht geformt ist, und Nitrieren eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht auf, um eine Nitrid-Verbundschicht, welche ein Nitrid aufweist, und eine Entkohlungsschicht zu formen, über welcher die Nitrid-Verbundschicht geformt ist.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Bremsscheibe.
Beschreibung der bezogenen Technik
Eine Bremsvorrichtung vom Scheibenbremsentyp eines Fahrzeugs ist eine Vorrichtung, welche eine Bremsscheibe vom zylindrischen Typ zusammen mit einem Rad dreht, und ist eine Vorrichtung zum Drücken von entgegengesetzten Seiten der Bremsscheibe gegen einen / mit einem Bremsklotz, welcher durch einen Hydraulikkolben betätigt wird, um eine Reibkraft und ein Bremsen oder ein Anhalten eines Fahrzeugs mit der Reibkraft zu ermöglichen. Ein gewöhnliches Material der Bremsscheibe der zuvor genannten Bremsvorrichtung vom Scheibenbremsentyp ist Grauguss mit einer exzellenten Gießbarkeit, thermischen Leitfähigkeit, Vibrationsdämpfungsfähigkeit und Abnutzungswiderstandsfähigkeit.
Erläuterung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung/Erfindung stellt eine Bremsscheibe, welche eine exzellente Verschleißwiderstandsfähigkeit, eine geringe Risserzeugung bzw. -entstehung aufgrund thermischer Ermüdung und eine exzellente Abnutzungswiderstandsfähigkeit hat durch Ausführen einer Wärmebehandlung für eine kurze Zeitdauer, um eine Verarbeitungszeitdauer zu reduzieren, um eine dicke Nitrid-Verbundschicht bzw. Nitridbestandteilschicht (im Weiteren kurz: Nitrid-Verbundschicht) herzustellen, und ein Verfahren des Herstellens der Bremsscheibe bereit. Ein weiterer Aspekt stellt eine Bremsscheibe bereit, welche eine Entkohlungsschicht und eine Nitrid-Verbundschicht aufweist und welche eine geringe Risserzeugung bzw. -entstehung aufgrund thermischer Ermüdung, eine exzellente Verschleißwiderstandsfähigkeit und Abnutzungswiderstandsfähigkeit hat.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung weist eine Bremsscheibe ein Basismaterial, welches aus Grauguss (bspw. Gusseisen mit Lamellengraphit; EN-GJL) geformt ist, eine Entkohlungsschicht, welche an bzw. auf dem Basismaterial (bspw. an einer Oberfläche davon) und mittels Entkohlens geformt ist, und eine Nitrid-Verbundschicht auf, welche auf der Entkohlungsschicht geformt ist und mittels Nitrierens aus bzw. mit Nitriden geformt ist.
Die Entkohlungsschicht kann beispielsweise eine mittlere Dicke von 5 bis 10 µm haben.
Die Entkohlungsschicht und die Nitrid-Verbundschicht können z.B. ein Dickenverhältnis von 0,2 bis 1:1 haben.
Der Grauguss des Basismaterials (bspw. die Basismaterialschicht) kann beispielsweise eine Graphitstruktur (z.B. Lamellen) und eine Perlitstruktur aufweisen.
Das Basismaterial kann beispielsweise 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Titan basierend auf einem Gesamtgewicht des Basismaterials aufweisen.
Das Basismaterial und die Entkohlungsschicht können beispielsweise Ausscheidungscarbide enthalten.
Das bzw. die Carbide, welches bzw. welche in der Entkohlungsschicht enthalten ist bzw. sind, kann bzw. können beispielsweise gleich oder weniger als 3% basierend auf dem Gesamtgewicht der Entkohlungsschicht sein.
Das bzw. die Carbide, welches bzw. welche in der Entkohlungsschicht enthalten ist bzw. sind, können beispielsweise Titancarbid (z.B. TiC) aufweisen bzw. sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung kann ein Verfahren des Herstellens einer Bremsscheibe aufweisen: Herstellen eines Basismaterials, welches aus Grauguss geformt ist, Ausführen einer Wärmebehandlung an einer Fläche (bspw. Oberfläche) des Basismaterials, um eine Vor-Entkohlungsschicht (bspw. eine teilweise entkohlte Schicht bzw. eine Schicht, welche ein Zwischenprodukt ist) zu formen, und Nitrieren eines Abschnitts bzw. Bereichs der Vor-Entkohlungsschicht (bspw. eines Teilbereichs; z.B. ausgehend von der Oberfläche bis zu einer Tiefe der Vor-Entkohlungsschicht, welche geringer ist als die maximale Tiefe der Vor-Entkohlungsschicht; im Weiteren kurz: Abschnitt), um eine Nitrid-Verbundschicht zu formen, welche ein Nitrid an einer Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht aufweist (bspw. werden beim Nitrieren eine Nitrid-Verbundschicht und eine Entkohlungsschicht aus der Vor-Entkohlungsschicht geformt).
Das Ausführen der Wärmebehandlung kann beispielsweise für 15 Minuten bis 60 Minuten bei z.B. 680 C bis 750°C ausgeführt werden. Das in der Herstellung hergestellte Basismaterial kann Ausscheidungscarbide enthalten, und die Carbide, welche in der Vor-Entkohlungsschicht nach dem Ausführen der Wärmebehandlung verbleiben, können einen Gehalt haben, welcher gleich oder geringer als 3% ist, basierend auf einem Gesamtgewicht der Vor-Entkohlungsschicht.
Das Nitrieren kann beispielsweise an der Vor-Entkohlungsschicht in einer Atmosphäre eines Reaktionsgases ausgeführt werden, welches Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid enthält (z.B. besteht).
Das Reaktionsgas kann beispielsweise Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid mit einem Volumenverhältnis von 5 bis 7:2 bis 4:1 enthalten.
Das Nitrieren kann beispielsweise für 3 Stunden bis 8 Stunden bei 550°C bis 600°C ausgeführt werden.
Figurenliste

Die 1 ist eine Querschnittansicht einer Bremsscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung.
Die 2A bis 2C sind Darstellungen, welche Vorgänge des Herstellens einer Bremsscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung zeigen.
Die 3 ist ein Diagramm, welches ein Messergebnis einer Härte für jede Tiefe in einer Dickenrichtung an einer Oberfläche von Proben zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend sind Ausführungsformen der Offenbarung im Detail beschrieben. Dies ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung/Erfindung auf die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu beschränken, und können in zahlreichen Arten abgewandelt werden, wenn der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht geändert wird.
Es ist weiter klar, dass die hier in der Beschreibung verwendeten Begriffe „aufweisen“, „aufweisend“, „enthalten“ und/oder „enthaltend“ die Anwesenheit anderer Komponenten spezifizieren können. Darüber hinaus ist es klar, dass irgendwelche Zahlen und Angaben, welche eine Menge, eine Reaktionsbedingung und dergleichen von in dieser Beschreibung angegebenen Komponenten angeben, durch den Begriff „in etwa“ (bspw. im Bereich der üblichen Messtoleranzen) spezifiziert sind, außer der Kontext gibt klar etwas Anderes an.
Grauguss, welcher als ein Brems(scheiben)material verwendet wird, ist dahingehend nachteilig, dass Rost an einer Oberfläche davon erzeugt wird, während diese an Luft exponiert ist, wobei die Qualität einer Außengestalt aufgrund einer niedrigen Abnutzungswiderstandsfähigkeit nachteilig ist. Um eine niedrige Abnutzungswiderstandsfähigkeit zu umgehen, was ein Nachteil des Graugusses ist, kann ein Verfahren des Oxinitrierens einer Oberfläche des Graugusses verwendet werden.
Das Oxinitrierverfahren verwendet ein Nitriergas-Wärmebehandlungsverfahren, und das Nitriergas-Wärmebehandlungsverfahren ist ein Verfahren des Adsorbierens und des Diffundierens von gelöstem Stickstoff an einer Stahloberfläche, welcher durch Auflösen von Ammoniakgas bei 500°C bis 550°C erhalten wird, was gleich oder geringer zu einer A1 -Umwandlungstemperatur (725°C) des Stahls ist. Wie oben beschrieben wird beim Nitriergas-Wärmebehandlungsverfahren Stickstoff, welcher in einen Tiefenabschnitt von Stahl diffundiert ist, mit einem Eisenelement kombiniert, um eine Nitrid-Verbundschicht zu erzeugen, wie beispielsweise ε(Fe_2-3N) oder γ'(Fe₃N), und die Nitrid-Verbundschicht hat eine exzellente Ermüdungswiderstandsfähigkeit und Verschleißwiderstandsfähigkeit mit Bezug auf äußere Kräfte und hat gleichzeitig eine große Abnutzungswiderstandsfähigkeit.
Jedoch ist es bei Grauguss als ein Material der Bremsscheibe verglichen mit Ferrit eines niederlegierten bzw. kohlenstoffarmen Stahls nicht einfach, den Stickstoff in Perlit und Graphit hinein diffundieren zu lassen, welches eine Matrixstruktur des Graugusses ist, und ist es deshalb nachteilig, dass eine Tiefe der erzeugten Nitrid-Verbundschicht sehr klein ist und eine Dicke davon nicht einheitlich ist, wodurch die Wärmebehandlung für eine lange Zeitdauer ausgeführt werden muss. Wie oben beschrieben wird die Oxinitrationsbremsscheibe in solch einer Art geformt, dass Graphit innerhalb oder gerade so unter der Nitrid-Verbundschicht vorliegt, und deshalb schält sich eine Nitrid-Verbundschicht durch thermische Ermüdung oder durch Stöße aufgrund einer Separation an einer Schnittstelle zwischen dem Graphit und der Matrixstruktur aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einfach ab, wodurch ein Vibrationsphänomen verursacht wird.
Bremsscheibe
Eine Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung kann eine Basismaterialschicht (im Weiteren auch kurz: Basismaterial), welche aus Grauguss geformt ist, eine Entkohlungsschicht, welche auf dem Basismaterial geformt ist und Carbide aufweist, und eine Nitrid-Verbundschicht aufweisen, welche auf der Entkohlungsschicht geformt ist und Nitride aufweist.
Die 1 ist eine Schnittansicht einer Bremsscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung. Unter Bezugnahme auf die 1 kann eine Bremsscheibe 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung eine Basismaterialschicht 100, welche aus Grauguss geformt ist, eine Entkohlungsschicht 200, welche auf der Basismaterialschicht 100 geformt ist und mittels Entkohlens geformt ist/wird, und eine Nitrid-Verbundschicht 300 aufweisen, welche auf der Entkohlungsschicht 200 geformt ist und mit Nitriden mittels Nitrierens geformt ist.
Die Basismaterialschicht 100 ist nicht besonders beschränkt, wenn das Material der Basismaterialschicht 100 Grauguss aufweist bzw. ist, welcher gewöhnlich verwendet wird, um eine Bremsscheibe zu formen, und kann beispielsweise weiter Titan (Ti) zusätzlich zum Gusseisenbestandteil aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Basismaterialschicht 100 basierend auf einem Gesamtgewicht des Basismaterials (bspw. ursprünglichen, bspw. nicht-entkohlten und nicht-nitrierten, Basismaterials) 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Ti aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Basismaterialschicht 100 basierend auf dem Gesamtgewicht des Basismaterials 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Ti aufweisen. Wenn das Basismaterial Ti in dem obigen Gehaltsbereich enthalten ist, können Carbide 130, wie beispielsweise Titancarbid (TiC), im Basismaterial ausgeschieden sein/werden, um einen Effekt des Verbesserns der Verschleißwiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe zu erzielen.
Der Grauguss der Basismaterialschicht 100 kann eine Graphitstruktur 120 und eine Perlitstruktur 110 aufweisen.
Die Entkohlungsschicht 200 kann auf bzw. an der Basismaterialschicht 100 geformt werden und kann zwischen der Basismaterialschicht 100 und der Nitrid-Verbundschicht 300 vorliegen, um die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe zu verbessern und um Risse aufgrund einer thermischen Ermüdung zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Entkohlungsschicht 200 Carbide 210 enthalten.
In Ausführungsformen kann sich die Entkohlungsschicht 200 auf einen verbleibenden Teil mit Ausnahme eines Abschnitts beziehen, welcher erhalten wird durch einen Entkohlungsvorgang einer Oberfläche der Basismaterialschicht 100, um eine Vor-Entkohlungsschicht 200a zu erhalten, und dann Nitrieren einer Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht 200a und (z.B. teilweises bzw. abschnittsweises) Umwandeln der Vor-Entkohlungsschicht 200a in die Nitrid-enthaltende Nitrid-Verbundschicht 300. In der vorliegenden Offenbarung/Erfindung ist nach dem Entkohlungsvorgang und bevor die Nitrid-Verbundschicht 300 geformt wird ein Bereich, welcher der Entkohlungsbehandlung unterzogen worden ist, als die Vor-Entkohlungsschicht 200a definiert, und ist der verbleibende Abschnitt, wenn ein Abschnitt der Vor-Entkohlungsschicht 200a nach dem Nitrieren in die Nitrid-Verbundschicht 300 umgewandelt worden ist, als die Entkohlungsschicht 200 definiert (bspw. ist nach dem Nitriervorgang ein Abschnitt der Vor-Entkohlungsschicht als Nitrid-Verbundschicht definiert und ist der verbleibende Abschnitt (der vormaligen Vor-Entkohlungsschicht) als die Entkohlungsschicht definiert).
Die Menge der Carbide 130, welche an bzw. in der Basismaterialschicht 100 geformt worden ist, kann während des Entkohlungsvorgangs zum Formen der Entkohlungsschicht reduziert bzw. verringert werden. Jedoch kann das verbleibende Carbid 210 das Kristall- bzw. Kornwachstum verhindern und die gesenkte Härte aufgrund der Entkohlung reduzieren, und deshalb kann eine vorbestimmte Menge des Carbids 210 erhalten bleiben. Jedoch gibt es in den Ausführungsformen eine Beschränkung des Gehalts eines Elements, wie beispielsweise Ti, zum Formen der Carbide 130 und 210, und, wenn die Menge der Carbide 210 3 % überschreitet (bspw. 3 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Entkohlungsschicht), kann die Größe der Carbide 210 auf ein Niveau von einigen bis einigen Zehn µm gesteigert sein, und in diesem Fall können die Carbide 210 als ein Startpunkt für ein Ermüdungsversagen aufgrund eines nicht-Zusammenpassens an einer Schnittstelle der Basismaterialschicht 100 wirken. Dementsprechend muss die Menge des Carbids 210, welches in der Entkohlungsschicht 200 verbleibt, auf 3 % oder weniger beschränkt sein.
Die Entkohlungsschicht 200 kann erhalten werden durch Entkohlen eines Abschnitts der Basismaterialschicht 100 und kann an bzw. in der Basismaterialschicht 100 geformt sein und kann eine Ferritstruktur (bspw. ein im Wesentlichen ferritisches Gefüge) sein, welche die Carbide 210 enthält, die nach dem Entkohlungsvorgang erhalten bleibt.
Die Entkohlungsschicht 200 kann eine durchschnittliche Dicke von 5 µm bis 10 µm haben. Wenn die durchschnittliche Dicke der Entkohlungsschicht 200 innerhalb des obigen Bereichs liegt, können Risiken, dass die Nitrid-Verbundschicht von der Basismaterialschicht 100 aufgrund thermischer Ermüdung oder äußeren Kräften abgeschält wird, vermieden oder verhindert werden, um einen Effekt des Verbesserns der Verschleißwiderstandsfähigkeit und der Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe zu erzielen.
Die Nitrid-Verbundschicht 300 kann die Verschleißwiderstandsfähigkeit und die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe verbessern, kann auf der Entkohlungsschicht 200 geformt sein und kann ein Nitrid enthalten. In Ausführungsformen kann die Nitrid-Verbundschicht 300 geformt werden durch Nitrieren eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht 200a, welche durch Ausführen eines Entkohlungsvorgangs an einer Oberfläche der Basismaterialschicht 100 geformt wird, beispielsweise einer Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht 200a. In einer Ausführungsform kann die Nitrid-Verbundschicht 300 ein Eisennitrid enthalten. Beispielsweise kann die Nitrid-Verbundschicht 300 Fe_2-3N oder Fe₃N enthalten.
Ein Dickenverhältnis der Entkohlungsschicht 200 und der Nitrid-Verbundschicht 300 kann 0,2 bis 1:1 sein. Wenn das Dickenverhältnis der Entkohlungsschicht 200 und der Nitrid-Verbundschicht 300 innerhalb des obigen Bereichs liegt, kann ein Effekt des Verbesserns der Verschleißwiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe erzielt werden, um die Haltbarkeit davon zu steigern.
Die Carbide 130 und 210 können die Härte der Bremsscheibe steigern und können beispielsweise Carbide von Titan (Ti) sein. In Ausführungsformen können die Carbide 130 und 210 Titancarbide (z.B. TiC) sein.
Herstellungsverfahren der Bremsscheibe
Die 2A bis 2C sind Darstellungen, welche Vorgänge des Herstellens einer Bremsscheibe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung zeigen. Wie es in den 2A bis 2C gezeigt ist, kann das Verfahren des Herstellens der Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung aufweisen: Einen Herstellungsvorgang des Herstellens eines Basismaterials, welches aus Grauguss geformt ist, einen Entkohlungsvorgang des Ausführens einer Wärmebehandlung an einer Oberfläche des Basismaterials, um eine Vor-Entkohlungsschicht zu formen, und einen Nitriervorgang des Nitrierens eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht, um eine Nitrid-Verbundschicht zu formen, welche ein Nitrid an einer Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht aufweist.
Herstellungsvorgang
Wie es in der 2A gezeigt ist, kann beim Herstellungsvorgang ein Basismaterial hergestellt werden, welches aus Grauguss geformt ist.
Die Basismaterialschicht 100 ist nicht besonders beschränkt, solange es ein Material der Basismaterialschicht 100 enthält, das Grauguss enthält, welcher gewöhnlich verwendet wird, um eine Bremsscheibe zu formen, und kann beispielsweise weiter Titan (Ti) aufweisen. Wenn das Basismaterial Ti aufweist, wird Titancarbid als das Carbid 130 geformt, dass während des Formens des Basismaterials ausgeschieden wird, um das Kern- bzw. Kristallwachstum zu verhindern bzw. zu beschränken, und, verglichen mit Vanadium (V) und Niob (Nb), kann ein verbleibender Anteil des ausgeschiedenen Carbids nach der Wärmebehandlung hoch sein, um einen Effekt des Steigerns der Härte der Entkohlungsschicht zu erzielen.
In einer Ausführungsform kann die Basismaterialschicht 100 basierend auf einem Gesamtgewicht des Basismaterials 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Ti aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Basismaterialschicht 100 basierend auf einem Gesamtgewicht des Basismaterials 0,08 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Ti aufweisen. Wenn die Basismaterialschicht 100 Ti innerhalb des oben genannten Bereichs enthält, kann ein Effekt des Steigerns der Verschleißwiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe erzielt werden.
Der Grauguss der Basismaterialschicht 100 kann die Graphitstruktur 120 (bspw. Lamellen) und die Perlitstruktur 110 aufweisen.
Entkohlungsvorgang
Wie es in der 2B beim Entkohlungsvorgang gezeigt ist, kann eine Wärmebehandlung an einer Oberfläche der Basismaterialschicht 100 ausgeführt werden, um die Vor-Entkohlungsschicht 200a zu formen, welche die ausgeschiedenen Carbide 210 (nicht gezeigt; vgl. z.B. 1 für die Carbide) aufweist. Das Herstellungsverfahren der Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung kann den zuvor genannten Entkohlungsvorgang ausführen, und deshalb kann die Vor-Entkohlungsschicht 200a, in welche der Stickstoff einfach (ein-)diffundieren kann, an (auf) der Basismaterialschicht 100 geformt werden und kann dann nitriert werden, und somit kann eine Schnittstelle der Nitrid-Verbundschicht 300 und der Graphitstruktur 120 der Basismaterialschicht 100 einen Riss bzw. ein Brechen aufgrund thermischer Ermüdung verhindern (bspw. wird die Graphitstruktur (Lamellen) in der Vor-Entkohlungsschicht aufgelöst, bspw. an der Oberfläche der Bremsscheibe), wodurch ein Effekt des Formens einer Nitrid-Verbundschicht mit einer Zieldicke in einer kurzen Zeitdauer erzielt wird.
In einer Ausführungsform kann im Entkohlungsvorgang eine Wärmebehandlung an einer Oberfläche der Basismaterialschicht 100 ausgeführt werden, um die Vor-Entkohlungsschicht 200a, welche die ausgeschiedenen Carbide 210 aufweist, auf der Basismaterialschicht 100 zu formen. In einer weiteren Ausführungsform kann im Entkohlungsvorgang eine Wärmebehandlung an einer Oberfläche der Basismaterialschicht 100 ausgeführt werden, um die Vor-Entkohlungsschicht 200a mit einer Ferritstruktur, welche die ausgeschiedenen Carbide 210 aufweist, an bzw. auf Basismaterialschicht 100 zu formen (bspw. hat die Vor-Entkohlungsschicht 200a bzw. die Entkohlungsschicht 200 im Wesentlichen ein ferritisches Gefüge).
Der Entkohlungsvorgang kann für 15 Minuten bis 60 Minuten bei 680°C bis 750°C ausgeführt werden. In Ausführungsformen kann der Entkohlungsvorgang für z.B. 15 Minuten bis 40 Minuten, 20 Minuten bis 40 Minuten oder 20 Minuten bis 35 Minuten bei z.B. 680°C bis 730°C, 690°C bis 730°C, 690°C bis 720°C oder 690°C bis 710°C ausgeführt werden. Wenn die Wärmebehandlung für die Dauer und die Temperatur innerhalb des obigen Bereichs ausgeführt wird, kann die Vor-Entkohlungsschicht 200a mit einer Zieldicke in einer kurzen Zeitdauer geformt werden.
Der Entkohlungsvorgang kann in einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt werden. In den Ausführungsformen kann der Entkohlungsvorgang in einer Atmosphäre eines Gases ausgeführt werden, welches eines oder mehrere aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus reduzierendem Gas (Reduktionsgas) wie beispielsweise H₂ oder CO und Inertgas wie beispielsweise N₂ und Ar besteht. Wenn die Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt wird, kann ein Effekt des Verhinderns des Entstehens von Eisenoxid erzielt werden, welches die Bremsscheibe negativ beeinflusst.
Wenn die Entkohlungsschicht 200, welche beim Nitriervorgang nichtnitriert verbleibt, eine zu geringen Dicke hat oder entfernt wird, kann eine direkte Schnittstelle bzw. Verbindung zwischen der Basismaterialschicht 100 und der Nitrid-Verbundschicht 300 geformt werden, was die Entkohlungsschicht 200 aufgrund von externen thermischen oder mechanischen Einflüssen dazu bringt, zu reißen bzw. zu brechen. Weiter kann der Riss direkt zur Basismaterialschicht 100 fortschreiten oder wird die Entkohlungsschicht 200 an einer Kontaktstelle zwischen der Entkohlungsschicht 200 und der Graphitstruktur 120 abgeschält, welche in der Basismaterialschicht 100 vorliegt, und kann die Abnutzungsleistungsfähigkeit verschlechtert sein. Ebenfalls kann eine entkohlte Schicht, welche zu dick ist, den Effekt der Abnutzungswiderstandsfähigkeit negativ beeinflussen, da die Entkohlungsschicht geringe mechanische Eigenschaften hat. Um im Entkohlungsvorgang gemäß den Ausführungsformen die obigen potentiellen Risiken zu minimieren oder zu vermeiden, kann die Vor-Entkohlungsschicht 200a eine Dicke von 10 µm bis 60 µm haben.
Beim Entkohlungsvorgang kann die Menge der ausgeschiedenen Carbide 130, welche in der Basismaterialschicht 100 geformt sind, reduziert sein, und in diesem Fall kann die Menge der ausgeschiedenen Carbide 210, welche in der Vor-Entkohlungsschicht 200a verbleibt, auf einem Niveau gleich oder geringer als 3% gehalten werden.
Nitriervorgang
Wie es in der 2C gezeigt ist, kann im Nitriervorgang ein Abschnitt der Vor-Entkohlungsschicht 200a, beispielsweise eine Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht 200a, nitriert werden, um die Nitrid-Verbundschicht 300 zu formen, welche ein Nitrid enthält, und gleichzeitig kann ein Abschnitt der Vor-Entkohlungsschicht 200a, welcher nicht nitriert (worden) ist, als die Entkohlungsschicht 200 definiert sein. An der Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung kann der zuvor genannte Nitriervorgang ausgeführt werden, und deshalb kann die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe verbessert sein, wodurch ein Effekt des Verhinderns oder des Minimierens einer Verschlechterung der Qualität einer Außenerscheinung aufgrund von Rost erzielt werden kann, welcher an einer Oberfläche der Bremsscheibe erzeugt wird, während die Bremsscheibe an Luft exponiert ist.
Der Nitriervorgang kann an der Vor-Entkohlungsschicht 200a in einer Atmosphäre eines Reaktionsgases ausgeführt werden, welches Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid aufweist. In den Ausführungsformen kann das Reaktionsgas Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid mit einem Volumenverhältnis von 5 bis 7:2 bis 4:1, 5,5 bis 7:2,5 bis 4:1, 5,5 bis 6,5:2,5 bis 3,5:1 oder 5,8 bis 6,3:2,8 bis 3,2:1 aufweisen.
In den Ausführungsformen kann der Nitriervorgang für z.B. 3 Stunden bis 8 Stunden, 4 Stunden bis 7 Stunden oder 4 Stunden bis 6 Stunden bei z.B. 550°C bis 600°C, 570°C bis 600°C oder 570°C bis 590°C ausgeführt werden.
Der Nitriervorgang ist bspw. auf die vorgeschlagene Reaktionsgasatmosphäre, Temperatur und Zeit beschränkt, da ein Wert Kn, welcher eine Stickstoffpotenzialnummer (bspw. Redox-Potential) ist, angemessen eingestellt sein kann, um einfach eine Nitrid-Verbundschicht zu formen, wenn die vorgeschlagenen Bedingungen erfüllt sind.
Der Nitriervorgang kann in solch einer Art ausgeführt werden, dass die Dicke der Nitrid-Verbundschicht 300 z.B. 0,4- bis 0,85-mal der Gesamtdicke der Entkohlungsschicht 200 im Entkohlungsvorgang entspricht. In den Ausführungsformen kann der Nitriervorgang in solch einer Art ausgeführt werden, dass die Dicke der Nitrid-Verbundschicht 300 z.B. 0,4- bis 0,8-mal, 0,5- bis 0,8-mal oder 0,5- bis 0,75-mal der Gesamtdicke der Entkohlungsschicht 200 im Entkohlungsvorgang entspricht. Wenn der Nitriervorgang in solch einer Art ausgeführt wird, dass die Gesamtdicke der Entkohlungsschicht 200 innerhalb des obigen Bereichs liegt, wird ein Effekt des Verbesserns der Verschleißwiderstandsfähigkeit der Bremsscheibe erzielt, um deren Haltbarkeit zu verbessern.
Nachfolgend sind Beispiele der vorliegenden Offenbarung/Erfindung im Detail beschrieben. Jedoch sind diese lediglich Beispiele der vorliegenden Offenbarung/Erfindung und ist es deshalb gedacht, dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung/Erfindung nicht durch die Beispiele beschränkt ist.
Beispiele
Beispiel 1, Herstellung der Bremsscheibe
Ein Entkohlungsvorgang des Formens einer vorentkohlten Schicht wurde unter einer Reduktionsatmosphäre an einer Oberfläche des Basismaterials ausgeführt, welches Grauguss aufweist (welches im Wesentlichen eine Perlitstruktur und eine Graphitstruktur hat). Dann wurde ein Nitrieren ausgeführt, um eine Nitrid-Verbundschicht an einem Abschnitt der Vor-Entkohlungsschicht zu formen. Jede der Proben wurde geformt durch dahingehendes Ändern, ob der Entkohlungsvorgang ausgeführt wird und ob Ausscheidungscarbide vorliegen sowie des Nitrierniveaus.
Zur weiteren Erläuterung wurde die Probe 1 geformt durch lediglich Formen eine Nitrid-Verbundschicht mit einer Dicke von in etwa 5 µm ohne ein Formen einer Vor-Entkohlungsschicht auf einem Basismaterial, wurde die Probe 2 geformt durch Formen einer Vor-Entkohlungsschicht mit einer Dicke von etwa 10 µm auf einem Basismaterial und dann (z.B. vollständiges bzw. Durch-)Nitrieren der gesamten Vor-Entkohlungsschicht, um eine Nitrid-Verbundschicht mit einer Dicke von etwa 10 µm zu formen, wurde Probe 3 geformt durch Formen einer Vor-Entkohlungsschicht mit einer Dicke von in etwa 20 µm auf einer Basismaterialschicht und dann Nitrieren eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht, um eine Nitrid-Verbundschicht mit einer Dicke von in etwa 13 µm und einer Entkohlungsschicht mit einer Dicke von in etwa 7 µm zu formen, und wurde Probe 4 geformt durch Formen einer Vor-Entkohlungsschicht mit in etwa 20 µm auf einem Basismaterial, welches 0,1 Gew,-% Ti aufweist, und dann Nitrieren eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht, um eine Nitrid-Verbundschicht mit einer Dicke von in etwa 13 µm und eine Entkohlungsschicht mit einer Dicke von in etwa 7 µm zu formen.
Testbeispiel 1, Abschätzung der physikalischen Eigenschaften
Härte
Mit Bezug auf die Proben 1 bis 4, welche wie oben beschrieben hergestellt wurden, wurde eine Härte an einer Fläche einer jeden Probe für eine jede Tiefe in einer Dickenrichtung unter Verwendung eines Vickers-Mikrohärtetesters gemessen (z.B. Mikrometer-Prüfverfahren nach Vickers), und die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 und in der 3 (z.B. Ordinate: Härte; Abszisse: Tiefe) gezeigt. Tabelle 1

Tiefe Probe Probe Probe Probe

(µm) 1 2 3 4

3 700 700 700 700

5 650 690 690 690

10 400 630 670 670

15 350 400 250 320

20 300 330 300 320

25 300 300 300 320

30 300 300 300 320
Wie es aus obiger Tabelle 1 deutlich wird, hat die Probe 1 eine Härte, welche an einem Punkt mit einer Tiefe von 10 µm merklich herabgesetzt ist, und haben die Proben 2 bis 4 Härten, welche an einem Punkt mit einer Tiefe von 15 µm herabgesetzt sind. Es kann abgeleitet werden, dass, verglichen mit der Probe 1, die Proben 2 bis 4 eine Oberflächenhärte (bspw. Härte in einer oberflächennahen Schicht, bspw. bis ca. 10 µm) haben, welche gesteigert ist, da die Vor-Entkohlungsschicht geformt ist, welche eine Ferrit-Matrix-Struktur an der Oberfläche des Basismaterials geformt hat, und dann eine Nitrid-Verbundschicht geformt hat, in welcher Stickstoff in eine Ferrit-Matrix-Struktur hineindiffundiert ist.
Es kann abgeleitet werden, dass im Vergleich der Probe 2 mit Proben 3 und 4, die Härte der Probe 2, welche an einem Punkt mit einer Tiefe von 15 µm gemessen wird, relativ hoch ist, und deshalb die Härte (bspw. der Proben 3 und 4) aufgrund des Ausbildens der Entkohlungsschicht herabgesetzt ist.
Es kann abgeleitet werden, dass, im Vergleich der Proben 3 und 4 die Härte der Probe 4, welche an einem Punkt mit einer Tiefe von 15 µm gemessen wird, relativ hoch ist, TiC, welches durch Ti ausgeschieden wird, in einem Basismaterial enthalten ist, wodurch ein Ausscheidungshärtungsphänomen auftritt, und eine Härte zusammen mit einer Kornfeinung verbessert ist. Dementsprechend kann abgeleitet werden, dass Ti in dem Basismaterial enthalten ist, um eine Herabsetzung der Härte aufgrund des Ausbildens der Entkohlungsschicht zu überwinden.
Erosion
Mit Bezug auf die Proben 1 bis 4 wurde 3% (w/v) Salzwasser gesprüht (beispielsweise 3 g Salz in 100 mL Wasser), wurden diese dann bei einer Atmosphärenumgebung bei Raumtemperatur belassen, wobei eine Dauer gemessen wurde, bei welcher Rost gebildet wurde (bspw. Dauer, bis erstmalig Rost gebildet wird), und das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt.
Vibrationshaltbarkeitsexperiment

Mit Bezug auf die Proben 1 bis 4 wurde eine Vibrationshaltbarkeitsabschätzung über 20.000 km ausgeführt und dann ein Abnutzungsverlust an einer jeden Probe gemessen, und das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Unterteilung		Probe 1	Probe 2	Probe 3	Probe 4
Erforderliche Zeitdauer, um eine Erosionseffekt zu erhalten, nachdem 3% Salzwasser gesprüht wurde		2 Stunden	60 Stunden	60 Stunden	60 Stunden
Vibrationshaltbarkeitsexperiment	Abnutzungsverlust (µm)	20	16	10	8

Wie es aus obiger Tabelle 2 deutlich wird, ist bei den Proben 2 bis 4, wenn mit der Probe 1 verglichen, eine Rosterzeugung signifikant verzögert. Es kann abgeleitet werden, dass die Abnutzungswiderstandsfähigkeit verbessert ist, wenn eine Nitrid-Verbundschicht aufgrund des Formens der Vor-Entkohlungsschicht in den Proben 2 bis 4 stabil geformt wird.
Es kann abgeleitet werden, dass Probe 4, welche Ti enthält, einen reduzierten Abnutzungsverlust aufgrund eines Effekts des Ausscheidens von TiC verglich mit anderen Proben hat.
Testbeispiel 2, Reibungsabnutzungs- bzw. Rauheitsexperiment

Um die Abnutzungseigenschaften abhängig von der Dicke einer Entkohlungsschicht zu erfahren, welche auf einem Basismaterial geformt ist, wurde eine Oberfläche eines Basismaterials, welches aus Grauguss geformt ist (welche eine Perlitstruktur und eine Graphitstruktur hat) einem Entkohlungsvorgang in einer reduzierenden Atmosphäre unterzogen, um eine Vor-Entkohlungsschicht mit einer Dicke von 20 µm zu formen. Dann wurde eine Oberfläche der Vor-Entkohlungsschicht nitriert, um eine Nitrid-Verbundschicht in der Gesamtheit oder einem Teilabschnitt der Vor-Entkohlungsschicht zu formen. In diesem Fall, nach dem Nitrieren, wurde die Dicke der Entkohlungsschicht und der Nitrid-Verbundschicht der Proben 5 bis 10 wie in der unten folgenden Tabelle 3 eingestellt und wurde eine hergestellte Probe 30 Minuten bei einer Reibgeschwindigkeit von 5 Hz mit einer Belastung von 200 N bei 150°C unter Verwendung eines hin- und hergehenden Reibungsabnutzungstesters unterzogen. Dann wurde die Rauheit gemessen, und die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

Unterteilung	Hergestellte Bremsscheibe		Rauheit (Ra, µm)
Unterteilung	Dicke der Entkohlungsschicht (µm)	Dicke der Nitrid-Verbundschicht (µm)	Rauheit (Ra, µm)
Probe 5	-	20	20
Probe 6	3	17	17
Probe 7	5	15	2
Probe 8	8	12	2
Probe 9	10	10	2
Probe 10	12	8	12

Wie es aus obiger Tabelle 3 deutlich wird, haben die Proben 7 bis 9 eine exzellente Haltbarkeit aufgrund einer niedrigen Rauheit, sogar nach dem Reibungsabnutzungsexperiment.
Die Bremsscheibe gemäß der obigen Offenbarung/Erfindung kann eine relativ dicke Nitrid-Verbundschicht aufweisen, und kann deshalb eine exzellente Abnutzungswiderstandsfähigkeit (bspw. im Hinblick auf Abrasion; bspw. ein Indikator für eine Standzeit der Bremsscheibe), eine geringe Risserzeugung aufgrund thermischer Ermüdung und eine exzellente Verschleißwiderstandsfähigkeit (bspw. im Hinblick auf Rauheit; bspw. ein Indikator für eine Geräuscherzeugung durch die Bremsscheibe beim Bremsen) haben.
Das Verfahren des Herstellens der Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung kann einen Effekt des Reduzierens einer Bearbeitungsdauer aufgrund der Wärmebehandlung haben, welche für eine kurze Zeitdauer ausgeführt wird.
Obwohl die vorliegende Offenbarung in Bezug auf die Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann klar, dass die vorliegende Offenbarung/Erfindung mannigfaltig modifiziert und abgewandelt werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Eine Bremsscheibe (10), aufweisend: eine Basisschicht (100), welche aus Grauguss geformt ist, eine Entkohlungsschicht (200), welche über der Basisschicht (100) geformt ist und mittels Entkohlens hergestellt ist, und eine Nitrid-Verbundschicht (300), welche über der Entkohlungsschicht (200) geformt ist und mit Nitriden mittels Nitrierens geformt ist.
Die Bremsscheibe (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Entkohlungsschicht (200) eine durchschnittliche Dicke von 5 µm bis 10 µm hat.
Die Bremsscheibe (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Entkohlungsschicht (200) und die Nitrid-Verbundschicht (300) ein Dickenverhältnis von 0,2 bis 1:1 haben.
Die Bremsscheibe (10) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grauguss eine Graphitstruktur und eine Perlitstruktur hat.
Die Bremsscheibe (10) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisschicht (100) basierend auf einem Gesamtgewicht der Basisschicht (100) 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Titan enthält.
Die Bremsscheibe (10) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisschicht (100) und die Entkohlungsschicht (200) Ausscheidungscarbide enthalten.
Die Bremsscheibe (10) gemäß Anspruch 6, wobei das Carbid, welches in der Entkohlungsschicht (200) enthalten ist, gleich oder weniger als 3% basierend auf dem Gesamtgewicht der Entkohlungsschicht (200) ist.
Die Bremsscheibe (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das in der Entkohlungsschicht (200) enthaltene Carbid Titancarbid aufweist.
Ein Herstellungsverfahren einer Bremsscheibe (10), das Verfahren aufweisend: Herstellen einer Scheibe, welche aus Grauguss geformt ist, Ausführen einer Wärmebehandlung der Scheibe, um eine Vor-Entkohlungsschicht (200a) und eine Basisschicht (100) aus Grauguss herzustellen, über welcher die Vor-Entkohlungsschicht (200a) geformt ist, und Nitrieren eines Abschnitts der Vor-Entkohlungsschicht (200a), um eine Nitrid-Verbundschicht (300), welche ein Nitrid enthält, und eine Entkohlungsschicht (200) zu formen, über welcher die Nitrid-Verbundschicht (300) geformt ist, wobei die Scheibe die Basisschicht (100), die Entkohlungsschicht (200), welche über der Basisschicht (100) geformt ist, und die Nitrid-Verbundschicht (300) aufweist, welche über der Entkohlungsschicht (200) geformt ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Ausführen der Wärmebehandlung für 15 Minuten bis 60 Minuten bei 680°C bis 750°C ausgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei: die beim Herstellen hergestellte Scheibe ein Basismaterial aus Grauguss aufweist, welches Ausscheidungscarbide enthält, und das Carbid, welches in der Vor-Entkohlungsschicht (200a) nach dem Ausführen der Wärmebehandlung verbleibt, einen Gehalt gleich oder geringer als 3% basierend auf dem Gesamtgewicht der Vor-Entkohlungsschicht (200a) hat.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Nitrieren an der Vor-Entkohlungsschicht (200a) in einer Atmosphäre eines Reaktionsgases ausgeführt wird, welches Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid enthält.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Reaktionsgas Ammoniak, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid mit einem Volumenverhältnis von 5 bis 7:2 bis 4:1 enthält.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Nitrieren für 3 Stunden bis 8 Stunden bei 550°C bis 600°C ausgeführt wird.