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Einleitung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Eisenwerkstücke und Verfahren zur Herstellung, insbesondere auf ein gusseisernes Rotationselement einer Bremsanordnung und ein Verfahren zur Herstellung des Rotationselements.
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Eisenwerkstoffe werden in Anwendungen verwendet, wobei eine Beständigkeit gegen Oberflächenverschleiß durch Reibung wünschenswert ist. In Automobilanwendungen wird Gusseisen bei der Herstellung von Rotationselementen verwendet, wie beispielsweise für Bremsscheiben und Bremstrommeln in einer Bremsanlage. Eine typische Bremsanlage beinhaltet Bremsbeläge oder Bremsbacken mit einem Reibungsmaterial, die in die Reibungsfläche des Bremsrotors bzw. der Bremstrommel eingreifen, um die Drehbewegung des Rotationselements und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu verringern.
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Da das Reibungsmaterial mit der Reibungsfläche des Rotationselements in Eingriff steht, führen mechanischer Verschleiß und Hitze dazu, dass sowohl das Reibungsmaterial als auch die Reibungsoberfläche des Rotationselements geringfügig abgenutzt werden. Die Verschleißrate der Reibungsfläche kann durch Verringerung des Reibungskoeffizienten zwischen der Reibungsfläche und dem Reibungsmaterial reduziert werden, aber ein niedrigerer Reibungskoeffizient kann die Bremsen bei der Verringerung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs weniger effektiv machen. Darüber hinaus ist das Rotationselement der rauen äußeren Betriebsumgebung des Kraftfahrzeugs ausgesetzt. Das eisenhaltige Substrat des Rotationselements, insbesondere die Reibungsfläche, die einem kontinuierlichen Verschleiß unterliegt, bildet Eisenoxide aus der Einwirkung von Wasser, Salzen und anderen korrosiven Substanzen, die typischerweise in der rauen Betriebsumgebung des Fahrzeugs auftreten. Eisenoxide sind porös, brüchig und leicht abbaubar, was zu einem beschleunigten Verschleiß der Reibungsfläche führt.
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Um die Haltbarkeit von Gusseisenteilen mit Reibungsflächen, die hohe Verschleißzyklen und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen, zu verbessern, entwickeln Ingenieure kontinuierlich Werkstoffe und Herstellungsverfahren, um festzustellen, welche Mikrostrukturmerkmale die wichtigste Rolle bei der Verbesserung dieser Merkmale und der Verbesserung dieser Materialeigenschaften spielen.
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Die
DE 11 2012 007 182 T5 offenbart ein Verfahren zum Polieren der Reibungsfläche durch Reiben der Oberfläche gegen ein stumpfes Werkzeug, um eine nanokristallisierte Oberflächenschicht zu bilden, und anschließendes Diffundieren von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch die nanokristallisierte Oberflächenschicht mittels eines Nitrocarburierungsprozesses, um eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Reibungsfläche zu bilden.
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Das Verfahren der
DE 11 2012 007 182 T5 bietet eine nanokristallisierte Struktur, um die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch die Reibungsfläche zu ermöglichen und einen gehärteten Mantel zu schaffen. Die Dicke der nanokristallisierten Struktur kann erhöht werden, wodurch nach dem Nitrocarburieren eine wünschenswertere Dicke des gehärteten Mantels erreicht wird, indem während des Poliervorgangs eine größere Kraft aufgebracht wird. Eine übermäßige Krafteinwirkung kann jedoch zu unerwünschten Ergebnissen führen, wie zum Beispiel einer Beschädigung der Reibungsfläche, die zu einer unerwünschten Oberflächenrauheit (Ra) der Reibungsfläche von mehr als 3 Mikron führt.
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Die
DE 197 53 116 C1 beschreibt eine bainitisch gehärtete Bremsscheibe mit mindestens einem durch Gießen hergestellten ringscheibenförmigen Scheibenkörper, mit radial außenliegenden, in Kontakt mit Bremsbacken stehenden Bremsringabschnitten, welche zum Bremsen gemeinsam mit einem Fahrzeugrad auf einer Radnabe angeordnet ist. Zum Vermeiden von Schallemissionen und Schwingungen bezweckt die Offenbarung eine aus Gusseisen gefertigte Bremsscheibe, die eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht aufweist. Insbesondere sollen mit der Offenbarung die Nachteile der Verbundkonstruktion einer Bremsscheibe mit einer Radnabe aus Aluminium beseitigt werden. Die Bremsscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe einen durchgehend bainitisch gehärteten Bremsscheibenkörper aus Gusseisen mit Lamellengraphit (AGI) aufweist, wobei die Bremsscheibe einstückig ausgeführt und durch Verbundgießen der Bremsscheibenkörper mit der Radnabe unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbundstelle im Anschlussbereich der Radnabe mit dem Bremsscheibenfuß verbunden ist.
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Die
DE 10 2010 047 307 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit eines eine Rotorwange und einen Rotorhut aufweisenden Gusseisen-Bremsrotors, umfassend eine nitrocarburierte Oberflächenbehandlung. Das Verfahren umfasst, dass die nitrocarburierte Oberflächenbehandlung auf eine Außenfläche sowohl der Rotorwange als auch des Rotorhuts bis zu einer vorbestimmten Tiefe aufgebracht wird, wobei die aufgebrachte nitrocarburierte Oberflächenbehandlung einen Verbindungsbereich mit einer vorbestimmten Tiefe umfasst, der sich von der Außenfläche weg erstreckt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der vorbestimmten Tiefe des Verbindungsbereiches nur im Bereich des Rotorhuts oder anderer Nicht-Reibflächen des Gusseisen-Bremsrotors entfernt wird, um einen vorherrschenden Epsilonphasenabschnitt freizulegen.
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Die
WO 2018 / 036 858 A1 beschreibt ein Bremsscheiben-Werkzeug zum Bearbeiten eines Bremsscheiben-Rohlings. Das Werkzeug weist ein erstes Zerspanwerkzeug, das angeordnet ist zum Zerspanen einer ersten Bremsfläche des Bremsscheiben-Rohlings, und ein zweites Zerspanwerkzeug, das angeordnet ist zum Zerspanen einer zweiten Bremsfläche des Bremsscheiben-Rohlings, auf. Das Werkzeug weist ferner ein erstes Umformwerkzeug zum Umformen der ersten Bremsfläche, ein zweites Umform-Werkzeug zum Umformen der zweiten Bremsfläche, und zumindest eine Zustellvorrichtung zum Zustellen der Zerspanwerkzeuge und der Umformwerkzeuge aufeinander zu, sodass ein zwischen den Zerspanwerkzeugen und den Umformwerkzeugen angeordneter Bremsscheiben-Rohling auf seinen beiden Bremsflächen jeweils simultan spanbar und simultan walzbar ist, auf.
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Obwohl das Verfahren zum Polieren und Nitrocarburieren des Rotationselements zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Reibungsfläche den beabsichtigten Zweck erfüllt, ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das zusätzlich einen dickeren, gehärteteren Mantel erzeugt, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Reibungsfläche zu erhöhen und gleichzeitig eine gute Oberflächenqualität mit einer gewünschten Rauheit (Ra) von 3 Mikron oder weniger zu gewährleisten.
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Beschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines eisenhaltigen Bremselements mit einer Reibungsfläche offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Drehen eines ersten Abschnitts der Reibungsfläche mit einer ausreichenden Vorschubgeschwindigkeit und Schneidtiefe, um eine erste verformte Schicht mit einer nanokristallisierten Mikrostruktur zu versehen. Das Drehen des ersten Abschnitts der Reibungsfläche beinhaltet das Drehen des Eisenelements um eine Drehachse mit einer Geschwindigkeit von 400 bis 1000 Umdrehungen pro Minute (U/min) und das Entfernen einer Materialschicht von der Oberfläche des ersten Abschnitts der Reibungsfläche mit einem Schneidwerkzeug mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,25 bis 1,00 mm pro Umdrehung und einer Schneidtiefe von 0,2 bis 0,8 mm. Anschließend wird der erste Abschnitt der Reibungsfläche poliert, um eine vorgegebene erste Rauheit zu erreichen. Dann erfolgt das Nitrocarburieren des Eisenelements mit einer Dauer und Temperatur, die für die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch die nanokristallisierten Mikrostrukturschichten ausreichend ist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Drehen eines zweiten Abschnitts der Reibungsfläche mit einer ausreichenden Vorschubgeschwindigkeit, um eine zweite verformte Schicht auf dem zweiten Abschnitt der Reibungsfläche zu schaffen, wobei die zweite verformte Schicht eine nanokristallisierte Mikrostrukturschicht beinhaltet, die dünner ist als die nanokristallisierte Mikrostrukturschicht des ersten Abschnitts der Reibungsfläche. Polieren des zweiten Abschnitts der Reibungsfläche, um eine vorbestimmte zweite Rauheit zu erreichen. Der erste und zweite Abschnitt der Reibungsfläche wird mit einem aufgebrachten Polierdruck von 5 Megapascal (MPa) bis 25 MPa poliert.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, die Betonung liegt vielmehr auf der Darstellung der erfindungsgemäßen Prinzipien. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den Ansichten.
- 1 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
- 2 ist eine Darstellung eines Bearbeitungsschrittes des Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine Darstellung eines Vorkonditionierungsschrittes des Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist eine Darstellung einer vergrößerten Ansicht einer Oberflächenbeschaffenheit nach einem der Schritte des Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist eine Darstellung einer vergrößerten Ansicht einer Oberflächenbeschaffenheit nach einem weiteren der Schritte des Verfahrens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Fahrzeugbremsanlage gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Bremsrotors einer Fahrzeugbremsanlage gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 8 ist eine teilweise Querschnittsansicht des Bremsrotors einer Fahrzeugbremsanlage gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 9 ist eine Mikrografik eines Querschnitts der Oberfläche eines Nabenabschnitts des Bremsrotors einer Fahrzeugbremsanlage gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 10 ist eine Mikrografik eines Querschnitts der Oberfläche eines Scheibenabschnitts des Bremsrotors einer Fahrzeugbremsanlage gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 11 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Oberfläche eines Werkstücks gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
- 12 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Oberfläche eines Werkstücks gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
- 13 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Oberfläche eines Werkstücks gemäß einer exemplarischen Ausführungsform; und
- 14 ist ein Zeit- und Temperaturprofil eines Nitrocarburierungs-(FNC)-Behandlungsprozesses.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen in irgendeiner Weise einzuschränken. Die dargestellten Ausführungsformen sind mit Bezug auf die Zeichnungen offenbart, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; und einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Merkmale zu veranschaulichen. Die offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details sind nicht als einschränkend zu verstehen, sondern als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die Praxis der offenbarten Konzepte zu vermitteln.
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Die vorliegende Offenbarung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Eisenwerkstücks vor, wie beispielsweise ein gusseisernes Rotationselement einer Fahrzeugbremsanlage. In den hierin offenbarten Beispielen wird eine Oberfläche des Eisenwerkstücks zunächst selektiv bearbeitet und dann vorkonditioniert, um eine Schicht aus nanokristalliner Mikrostruktur auf der Oberfläche zu bilden. Das Eisenwerkstück wird dann einer ferritischen Nitrocarburierung (FNC) unterzogen, bei der die nanokristallisierte Mikrostrukturschicht die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch sie beschleunigt und begünstigt, um eine gehärtete Schicht, auch bekannt als gehärteter Mantel, zu bilden. Der gehärtete Mantel kann mehrere Segmente mit mehreren Dicken beinhalten. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Kombination aus Bearbeitung und Vorbehandlung der Oberfläche eine dickere Schicht aus nanokristalliner Mikrostruktur bilden konnte, ohne die Oberfläche zu beschädigen, die im Vergleich zur bloßen Bearbeitung oder Vorbehandlung zu einer wünschenswerten Rauheit (Ra) führt.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Reibungsfläche“ auf die Funktionsfläche des Eisenwerkstücks, das im Betrieb in ein Reibungsmaterial, wie beispielsweise Bremsbeläge, eingreift. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „fertige Oberfläche“ auf die Oberfläche des Eisenwerkstücks, die einem Bearbeitungsvorgang, wie beispielsweise dem Drehen, ausgesetzt wurde. Ebenfalls wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „nanokristalline Mikrostruktur“ auf die verfeinerte Mikrostruktur mit nanogroßen Körnern (z. B. von etwa 5 nm bis 2000 nm) an oder nahe der fertigen Oberfläche.
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Zunächst unter Bezugnahme auf 1 ist ein Verfahren 100 zur Herstellung des Eisenwerkstücks dargestellt. Das in 1 gezeigte Beispiel beinhaltet einen ersten Schritt 102 zum Gießens eines Eisenwerkstücks (z. B. aus Gusseisen mit Kugelgraphit usw.), gefolgt von einem zweiten optionalen Schritt 104 zum Abbau der Spannung im Eisenwerkstück. Ein dritter Schritt 106 beinhaltet die Bearbeitung des Werkstücks, um eine vorbestimmte Konfiguration und Abmessungen zu erreichen. Das Eisenwerkstück kann aus einer beliebigen Gusseisenkomponente mit einer funktionellen Oberfläche bestehen, die während eines Drehvorgangs um eine Axialsymmetrie gedreht werden kann. Der Drehvorgang oder das Drehen ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem sich ein Schneidwerkzeug, typischerweise ein nicht rotierender Drehmeißel, mehr oder weniger linear bewegt, während sich das Werkstück um die Axialsymmetrie dreht. Beispiele für Werkstücke, die sich um die Axialsymmetrie drehen, sind eine Welle mit einer äußeren zylindrischen Lagerfläche und ein Rotationselement einer Bremsanlage, wie beispielsweise ein Bremsrotor oder eine Bremstrommel, mit einer Reibungsfläche.
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Ein Beispiel für den dritten Schritt 106 ist in 2 dargestellt, die einen schematischen Ablauf der Bearbeitung eines Eisenwerkstücks 118 durch einen Drehvorgang mit einem Schneidwerkzeug 121 veranschaulicht. Der Drehvorgang liefert eine fertige Oberfläche 122 des Werkstücks 118 mit einer Nanoschicht 124 mit einer starken Verformung von etwa 3 µm bis 20 µm Tiefe. Eine relativ große Schneidtiefe, im Allgemeinen durch die Referenznummer 125 gekennzeichnet, von 0,2 mm bis 0,8 mm. Für die Durchführung des dritten Schritts 106 kann eine relativ hohe Vorschubgeschwindigkeit von 0,25 bis 1,00 mm/U gewählt werden. Eine Drehzahl zwischen 400 und 1000 U/min oder eine Lineargeschwindigkeit von 200 m/min bis 1000 m/min kann gewählt werden. Nach dem dritten Schritt beträgt die Rauheit (Ra) der halbfertigen Oberfläche ca. 3 µm bis 8 µm und die Tiefe der nanokristallisierten Mikrostrukturen auf der Oberseite der Oberfläche 3 µm bis 20 µm.
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In 4 ist ein Bild der Mikro-Oberfläche dargestellt, die nach dem dritten Schritt 106 der Bearbeitung des Werkstücks 118 auf der Oberfläche 122 des Werkstücks 118 verbleibt. Die Spitzen 132 und Täler 130 der Oberfläche 122 stellen Material bereit, das im nächsten Schritt, dem vierten Schritt 108, plastisch verformt wird. Der Drehvorgang fördert die Nanokristallisation der Oberfläche, was zur Bildung der nanokristallisierten Mikrostruktur führt. Es ist wünschenswert, dass die Dicke der nanokristallinen Mikrostruktur im Bereich von etwa 3 µm bis etwa 20 µm, vorzugsweise etwa bei 8 µm liegt. Es wird angenommen, dass die nanokristalline Mikrostruktur besser für FNC-Behandlungen vorbereitet ist (z. B. im Vergleich zu einer Oberfläche, die nicht nanokristallisiert ist).
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Der vierte Schritt 108 beinhaltet das plastische Verformen der Spitzen 132 und Täler 130 der Oberfläche 122, um eine insgesamt dickere Schicht der nanokristallinen Mikrostruktur 128 an der Oberfläche zu bilden. Dies wird durch Polieren der fertigen Oberfläche des Werkstücks 118 erreicht, indem die Oberfläche des Werkstücks 118 mittels einer Rolle plastisch verformt wird. Die Rolle verfügt im Allgemeinen über eine glatte Oberfläche, die poliert ist und eine Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als 1 µm aufweist. In einem Beispiel liegt der Radius der Rolle in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 200 mm. In einem weiteren Beispiel liegt der Radius der Rolle in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 10 mm. Das Rollieren weist eine relativ kurze Zykluszeit auf. In einem Beispiel reicht die Zykluszeit von etwa 10 Sekunden bis etwa 120 Sekunden pro Durchgang. Da es sich beim Polieren um eine Art von Verfahren zur Bearbeitung ohne Materialabtrag handelt, können die durch den Drehvorgang erzeugten dicken verfeinerten Mikrostrukturen durch Polieren mit einem aufgebrachten Druck von 5 Megapascal (MPa) bis 25 MPa erhalten oder sogar verdickt werden. Das Rollieren reduziert die Rauheit (Ra) der nanokristallinen Mikrostruktur von 3-6 µm auf etwa 0,1-3,0 µm.
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3 ist eine Darstellung des vierten Schrittes 108 und zeigt ein exemplarisches Werkstück 118, das gedreht wird und ein auf die zylindrische Oberfläche 122 aufgebrachtes Polierwerkzeug 126 aufweist. Dieser Poliervorgang kann einen Zyklus oder mehrere Zyklen umfassen. 5 ist ein Bild der Mikro-Oberfläche, die auf der Oberfläche 122 des Werkstücks 118 nach dem vierten Schritt 108 zum Polieren des Werkstücks 118 verbleibt. 5 zeigt, dass die Spitzen 132 und die Täler 130 durch Polieren plastisch verformt wurden, um eine noch dickere nanokristallisierte Struktur 128 zu bilden.
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Das Polierwerkzeug kann auch ein stumpfes Werkzeug mit der Form einer Kugel, einer Kugelkappe, einer Rolle, einer parabolischen Form oder einer beliebigen Form sein, die gegen das Werkstück gedreht werden kann, um die Oberflächenrauheit und Oberflächenqualität der halbfertigen Oberfläche zu verbessern. Die weitere Verformung der fertigen Oberfläche gegen das stumpfe Werkzeug (z. B. Nanokristallisation) ist eine schwere, plastische Verformung, die lokal an der Kontaktstelle zwischen dem stumpfen Werkzeug und dem Werkstück auftritt. Die Verformung erfolgt im Wesentlichen ohne Spänebildung und ohne Materialabtrag während des Verformungsprozesses. Darüber hinaus unterscheidet sich die lokale Verformung der fertigen Oberfläche von der globalen Verformung, die beim Drahtziehen oder Blechwalzen auftreten würde.
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Obwohl die Verformung der vorliegenden Offenbarung in der Nähe des stumpfen Werkzeugs erfolgt, kann eine große Oberfläche eines Werkstücks nanokristallisiert werden, indem das stumpfe Werkzeug systematisch auf die gesamte Oberfläche aufgebracht wird. Es versteht sich, dass mit dem stumpfen Werkzeug mehr als ein Durchgang über die Endoberfläche durchgeführt werden kann, wobei jeder Durchgang einen anderen Druck, eine andere Vorschubgeschwindigkeit und eine andere Poliertiefe aufweisen kann. Es versteht sich weiter, dass eine dickere Schicht der nanokristallinen Mikrostruktur 128 an der Oberfläche durch Polieren einer Oberfläche erreicht werden kann, die den vorstehend beschriebenen Drehvorgang durchlaufen hat, im Vergleich zum Polieren einer Oberfläche, die nicht dem Drehvorgang ausgesetzt war.
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Der fünfte Schritt 110 des Verfahrens 100 beinhaltet das Nitrocarburieren für einen Zeitraum von etwa 1 Stunde bis etwa 3 Stunden bei einer Temperatur von etwa 550 °C bis etwa 570 °C, um Stickstoff und Kohlenstoff durch die nanokristalline Mikrostruktur zu diffundieren. Der kombinierte dritte Schritt 106 und der vierte Schritt 108 des vorliegenden Verfahrens 100 ermöglichen die Bildung einer dickeren Schicht aus nanokristalliner Mikrostruktur auf der fertigen Oberfläche, ohne die fertige Oberfläche zu beschädigen. Diese dickere Schicht aus nanokristalliner Mikrostruktur ermöglicht eine höhere Diffusionsrate von Stickstoff und Kohlenstoff tiefer in das Eisenwerkstück, was zu einem wesentlich effizienteren FNC-Prozess und einem dickeren, gehärteten Mantel führt. Es ist zu beachten, dass die bei der Temperatur für den fünften Schritt 110 benötigte Zeit je nach Nitrocarburierverfahren, Werkstückzusammensetzung und -konstruktion sowie Stickstoff- und Kohlenstoffpotentialen variieren kann.
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Das Verfahren 100 der vorliegenden Offenbarung ist relativ einfach auszuführen und kann zur Herstellung vieler Arten von Eisenwerkstücken verwendet werden, die eine Axialsymmetrie aufweisen, die während der Metallbearbeitung gedreht werden kann, wie beispielsweise ein Rotationselement einer Fahrzeugbremsanlage. Unter Bezugnahme auf 6 ist eine exemplarische Fahrzeugbremsanlage 210 dargestellt. Die Fahrzeugbremsanlage 210 ist ein System zur Energieumwandlung, um ein Fahrzeug zu verlangsamen, zu stoppen oder anzuhalten. Obwohl ein Fahrzeug im Allgemeinen Raumfahrzeuge, Flugzeuge und Bodenfahrzeuge umfassen kann, wird in dieser Offenbarung eine Fahrzeugbremsanlage 210 verwendet, um ein bodengebundenes Radfahrzeug zu verlangsamen, zu stoppen oder anzuhalten. Genauer gesagt, wie hierin offenbart, ist eine Bremse 210 so konfiguriert, dass sie mindestens ein Rad eines Radfahrzeugs verlangsamt, stoppt oder anhält. Die Fahrzeugbremsanlage 210 kann eine Scheibenbremsanlage 210 mit einem Bremssattel 222 sein, der auf eine Reibungsfläche 216 eines Bremsrotors 212 gepresst wird. In einem weiteren Beispiel ist die Fahrzeugbremsanlage 210 eine Trommelbremsanlage (nicht dargestellt) mit Reibungsbremsbelägen (nicht dargestellt), die auf eine Reibungsfläche der Trommel gepresst werden. In einem weiteren Beispiel kann die Fahrzeugbremsanlage 210 auch eine Kombination aus einer Scheibenbremsanlage oder einer Trommelbremsanlage sein.
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Weiterhin unter Bezugnahme auf 6 beinhaltet der Bremsrotor 212 einen Nabenabschnitt 218 und einen ringförmigen Scheibenabschnitt 224, der sich vom Nabenabschnitt 218 erstreckt. Der Bremsrotor 212 kann aus einer Eisenlegierung, wie beispielsweise einer Gusseisenlegierung, hergestellt sein. Der Scheibenabschnitt 224 beinhaltet eine Reibungsfläche 216, die mit einem Reibungsmaterial des Bremsbelags 220 in Eingriff steht, das von einem Bremssattel 222 in Position gehalten wird. Unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 ist der Bremsrotor 212 aus 6 unabhängig vom Rest der Fahrzeugbremsanlage 210 dargestellt. Wie in 6 dargestellt, beinhaltet der Bremsrotor 212 einen Scheibenabschnitt 224 mit einer Reibungsfläche 216 sowie einen Nabenabschnitt 218. Der Nabenabschnitt 218 beinhaltet eine Vielzahl von Bohrungen oder Löchern 226, durch die die Gewindebolzen 228 geführt werden, die mit der Vorderachse oder Nabe des Fahrzeugs verbunden sind (nicht dargestellt). Der Scheibenabschnitt 224 beinhaltet die Reibungsfläche 216, auf der die Reibung oder die Bremsbeläge 220 der Fahrzeugbremsanlage 210 einwirken, um die Drehung des Rades zu stoppen. Somit dienen der Scheibenabschnitt 224 und der Nabenabschnitt 218 zwei unterschiedlichen Zwecken: Der Scheibenabschnitt 224 wandelt Rotationsenergie durch Reibung in Wärmeenergie um und der Nabenabschnitt hält den Bremsrotor 212 an der Fahrzeugachse.
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Wie in 8 dargestellt, verfügt die Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224 über die für den jeweiligen Zweck erforderlichen Spezifikationen. Insbesondere die Reibungsfläche 216 erfordert eine harte, hochverschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 3 µm. Da die Reibungsfläche 216 aufgrund der Art dieses Zwecks einem Verschleiß unterliegt, ist eine dickere äußere gehärtete Schicht, auch als gehärteter Mantel bezeichnet, ideal für einen langlebigeren Bremsrotor 212. Die Reibungsfläche 216 kann auch einen gehärteten Mantel mit mehreren Segmenten beinhalten. Die mehreren Segmente können unterschiedliche Dicken aufweisen.
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Die Nabenoberfläche 230 des Nabenabschnitts 218 erfordert keinen gehärteten Mantel mit derselben Dicke wie die Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224. Daher beträgt die Dicke des FNC-Mantels auf der Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224 etwa das 1,1- bis 2-fache der Dicke des FNC-Mantels der Nabenoberfläche 230 des Nabenabschnitts 218. Dies kann durch Nanokristallisation der Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224 erreicht werden, bevor der gesamte Bremsrotor 212 dem FNC-Prozess ausgesetzt wird. Wie vorstehend erwähnt, wird die Nanokristallisation von mindestens einem Teil der Reibungsfläche 216 durch die Kombination von maschinellem Drehen und Polieren erreicht.
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9 ist ein mikroskopisches Bild, das einen Querschnitt der Oberfläche 230 des Nabenabschnitts 218 darstellt. 10 ist ein mikroskopisches Bild, das einen Querschnitt der Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224 des Bremsrotors darstellt. Während die durchschnittliche Dicke des gehärteten Mantels 232 der Oberfläche 230 des Nabenabschnitts durchschnittlich etwa 8 µm beträgt, beträgt die durchschnittliche Dicke des gehärteten Mantels 232 der Reibungsfläche 216 des Scheibenabschnitts 224 etwa 13 µm. Die Reibungsfläche 216 kann eine Härte von etwa 90 HRC (Rockwell-Härte) und die Nabe eine Härte von etwa 50 HRC aufweisen. Die Härte steht in direktem Zusammenhang mit der Verschleißfestigkeit, daher ist die Reibungsfläche verschleißfester als der Nabenabschnitt.
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Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 mit weiterem Bezug auf 7 werden weitere Beispiele für die vorliegende Offenbarung dargestellt und nachfolgend beschrieben. 11 veranschaulicht eine teilweise Querschnittsansicht der Reibungsfläche 216 des Bremsrotors 212, wie in 7 dargestellt. Die Reibungsfläche 216 weist einen gehärteten Mantel 234 mit den Dicken t1 und t2 auf. Die unterschiedlichen Dicken werden durch selektives Nanokristallisieren der Reibungsfläche 216 erreicht, indem die Schneidtiefe, die hohe Vorschubgeschwindigkeit und die Drehzahl während des Drehvorgangs eingestellt werden. Das Ergebnis der selektiven Nanokristallisation ist, dass der nachfolgende FNC-Prozess auf dem Abschnitt der Oberfläche, die durch Drehen und Polieren einer Nanokristallisation unterzogen wurde, einen tiefer gehärteten Mantel erzeugt als auf einer Oberfläche, die diesem Prozess nicht unterzogen wurde. 12 veranschaulicht eine teilweise Querschnittsansicht der Reibungsfläche 216 des Bremsrotors 212 mit mehreren Segmenten eines gehärteten Mantels 234 mit der Dicke t2 mit dazwischenliegenden Segmenten des gehärteten Mantels 234 mit der Dicke t1. Obwohl nur zwei Beispiele für selektive Nanokristallisation dargestellt sind, werden weitaus mehr Muster der Dicken von variabel gehärteten Mänteln 134 berücksichtigt, ohne, dass vom Umfang dieser Offenbarung abgewichen wird.
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Unter Bezugnahme nun auf 13 beinhaltet ein weiteres Beispiel für die vorliegende Offenbarung ein Werkstück 340, das dahingehend bearbeitet wurde, um eine eisenhaltige Metallschicht oder eisenhaltige übergeordnete Metallschicht 342 mit einer unbehandelten großen Kristallmikrostruktur, einen FNC-gehärteten Mantel 344 und einen porösen FNC-gehärteten Mantel 346 aufzunehmen. Genauer gesagt, beinhaltet das vorstehend offenbarte Verfahren 100 einen FNC-Schritt, bei dem eine ausreichend höhere Stickstoffkonzentration in der FNC-Atmosphäre enthalten ist. Während des Prozessabschnitts mit hoher Wärmeeinwirkung ist der zusätzliche Stickstoff im Eisenwerkstück 340 löslich. Da das Werkstück 340 jedoch gekühlt wird, ist der Stickstoff im Eisen nicht mehr in der Konzentration löslich, wie dies bei einer höheren Temperatur des Eisens der Fall wäre. Daher kommt der Stickstoff in Form von Oberflächenporosität aus der Lösung. In der vorliegenden Offenbarung weist der poröse, FNC-gehärtete Mantel 346 eine Tiefe von mehr als 10 % der Tiefe des FNC-gehärteten Mantels 344 auf.
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Das Verfahren 100 kann zur Herstellung des Bremsrotors 212 verwendet werden, wobei die Reibungsfläche des Bremsrotors mit einer ausreichenden Vorschubgeschwindigkeit und Schneidtiefe gedreht wird, um eine erste verformte Schicht mit einer nanokristallisierten Mikrostruktur auf dem ersten Abschnitt der Reibungsfläche zu erzeugen. Die Die nanokristallisierte Mikrostrukturschicht kann mehrere dazwischenliegende Segmente mit unterschiedlichen Dicken beinhalten, die durch selektives Variieren der Schneidtiefe und Vorschubgeschwindigkeit gebildet werden. So kann beispielsweise die nanokristallisierte Mikrostrukturschicht auf der Oberfläche ein erstes Segment mit einer ersten Dicke, ein zweites Segment mit einer zweiten Dicke, ein drittes Segment mit einer dritten Dicke usw. beinhalten.
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Der Schritt des Drehens des ersten Abschnitts der Reibungsfläche beinhaltet das Drehen der Reibungsfläche um eine Drehachse mit einer Geschwindigkeit von 400 bis 1000 Umdrehungen pro Minute (U/min) und das Entfernen einer Materialschicht mit einem Schneidwerkzeug vom ersten Abschnitt der Reibungsfläche mit einer Geschwindigkeit von 0,25 bis 1,00 mm pro Umdrehung und einer Schneidtiefe von 0,2 bis 0,8 mm zum Bilden einer Vielzahl von 3 bis 8 Mikrometer tiefen Nuten oder einer Oberflächenrauheit (Ra) von 3 bis 8 µm. Die Drehzahl der Reibungsfläche um die Drehachse kann so eingestellt werden, dass die Lineargeschwindigkeit der Reibungsfläche bezogen auf das Schneidwerkzeug 200 bis 2000 Meter pro Minute beträgt.
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Nach dem Drehen befindet sich auf der Oberfläche ein scheinbares Spitzen- und Talförmiges Muster, das sich zum Polieren eignet, da das Polieren den Materialfluss von Spitze zu Tal erleichtern kann, um eine gute Oberflächenrauheit zu erreichen. Der Prozess des Polierens innerhalb der hierin offenbarten Parameter trägt weiter zur relativ dickeren Schicht verfeinerter Mikrostrukturen bei, die durch das Drehen entstehen. Der erste Abschnitt der Reibungsfläche wird dann mit einem stumpfen Werkzeug poliert, um eine vorbestimmte Rauheit von weniger als 3 µm zu erreichen. Das Verfahren 100 kann auch das Polieren eines zweiten Abschnitts der Reibungsfläche, die minimal gedreht, feingedreht oder überhaupt nicht bearbeitet wurde, auf eine Rauheit von weniger als 3 µm beinhalten. Der Schritt des Polierens des ersten und zweiten Abschnitts der Reibungsfläche beinhaltet das Aufbringen eines Polierdrucks von 5 Megapascal (MPa) bis 25 MPa.
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Der Bremsrotor wird dann mit einer Dauer und Temperatur nitrocarburiert, die für die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch die nanokristallisierte Mikrostrukturschicht ausreichend ist, um einen ersten gehärteten Mantelabschnitt (c1) mit der Dicke (t1) und einen zweiten gehärteten Mantelabschnitt (c2) mit einer Dicke (t2) zu bilden. Die Dicke (t1) des ersten gehärteten Mantelsegments (c1) ist größer als die Dicke (t2) des zweiten gehärteten Mantelsegments (c2). Das Nitrocarburieren des Rotationselements beinhaltet das Diffundieren einer ausreichenden Menge von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen, um einen dritten gehärteten Mantel auf der Nabenfläche zu bilden, wobei der dritte gehärtete Mantel eine dritte Dicke beinhaltet, die geringer ist als die Dicke (t2) des zweiten Abschnitts der Reibungsoberfläche. Es versteht sich, dass das Nitrocarburieren einen Gas-Nitrocarburierungsprozess, einen Plasma-Nitrocarburierungsprozess oder einen Salzbad-Nitrocarburierungsprozess beinhaltet. Der Salzbad-Nitrocarburierungsprozess kann das Eintauchen mindestens der Reibungsfläche 216 des Bremsrotors 212 in ein Nitrocarburierungssalzbad und dann das Eintauchen mindestens der Reibungsfläche 216 des rotierenden Elements 212 in ein oxidierendes Salzbad beinhalten.
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Die Kombination des Drehprozesses mit dem Polierprozess erzeugt eine dicke Nanokristallisationsschicht, die nach dem Nitrocarburieren zu einem dickeren, gehärteten Mantel führt. Die Nitrocarburierung kann durch eine beschleunigte Diffusion von Stickstoff- und Kohlenstoffatomen durch die nanokristallisierte Oberflächenschicht realisiert werden. Die Oberflächen-Nanokristallisation und Nitrocarburierung bilden eine im Wesentlichen rostfreie und hochverschleißfeste Oberfläche an den eisenhaltigen Komponenten/Werkstücken.
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Eine gasförmige Version des ferritischen Nitrocarburierungsprozesses (FNC) dauert etwa 5 bis 6 Stunden bei etwa 560 °C bis etwa 570 °C, um eine harte weiße Schicht zu erhalten, die bei metallischen Teilen (z. B. Bremsrotoren) von der Oberfläche bis in eine Tiefe von etwa 10 µm eindringt, um eine bessere Verschleiß-, Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. 14 stellt den FNC-Prozess 400 in einem Zeit-zu-Temperatur-Diagramm dar, in dem die y-Achse 410 die Temperatur und die x-Achse 412 die Zeit darstellt. Der FNC-Prozess beginnt mit einem Peroxidationsprozess 414, bei dem die Teile 90 Minuten lang auf 450 °C erhitzt und luftgekühlt werden. Anschließend werden die Teile für ca. 120 Minuten bei Temperatur 416 auf ca. 560 °C bis ca. 570 °C erhitzt. Die Teile werden dann ölgekühlt 419. Die Beispiele für das Verfahren 100 der vorliegenden Offenbarung reduzieren vorteilhaft die FNC-Zeit auf etwa 1 bis 3 Stunden, um dieselbe Härtungsschichtdicke zu erreichen, und reduzieren somit die Energiekosten der Verarbeitung erheblich, verglichen mit dem Erwärmen mit einer Dauer und Temperatur 418 und der Ölkühlung 420 ohne Verwendung des Verfahrens 100.
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Numerische Daten wurden hierin in einem Bereichsformat dargestellt. Es ist zu verstehen, dass dieses derartige Bereichsformat nur zur Vereinfachung und Kürze halber verwendet wird und flexibel interpretiert werden sollte, um nicht nur die numerischen Werte einzuschließen, die explizit als die Grenzen des Bereichs genannt wurden, sondern auch alle einzelnen numerischen Werte oder Teilbereiche einzuschließen, die in diesem Bereich eingeschlossen sind, als ob jeder numerische Wert und Teilbereich explizit genannt wird. So sollte beispielsweise ein Zeitraum von etwa 5 Stunden bis etwa 10 Stunden dahingehend interpretiert werden, dass dieser nicht nur die explizit genannten Grenzen von etwa 5 Stunden bis etwa 10 Stunden umfasst, sondern auch Einzelwerte wie 5,5 Stunden, 7 Stunden, 8,25 Stunden usw. sowie Teilbereiche wie 8 Stunden bis 9 Stunden usw. Wenn zur Beschreibung eines Wertes die Begriffe „etwa“ oder „ungefähr“ verwendet werden, ist weiterhin gemeint, dass geringfügige Abweichungen (bis zu +/-10 %) vom angegebenen Wert umfasst sind.
