DE102019202489A1

DE102019202489A1 - Verfahren zur Herstellung eines Reibbremskörpers für eine Reibbremse eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102019202489A1
Application number: DE102019202489.0A
Authority: DE
Inventors: Ilja Potapenko; Christian Schnatterer; Kangjian Wu; Simon Loskyll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibbremskörpers für eine Reibbremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Bremsscheibe (1), wobei der Reibbremskörper einen Basiskörper (3) aufweist, der aus Grauguss gefertigt wird. Es ist vorgesehen, dass in einer Randschicht (2) des Basiskörpers (3) zumindest bereichsweise durch Induktionshärten ein martensitisches Härtegefüge erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibbremskörpers für eine Reibbremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Bremsscheibe, wobei der Reibbremskörper einen Basiskörper aufweist, der aus Grauguss gefertigt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Reibbremskörpers.
Stand der Technik
Bremsscheiben für Reibbremsen von Kraftfahrzeugen werden heute überwiegend aus Grauguss gefertigt. Während eines Bremsvorgangs, bei welchem ein Bremsklotz gegen eine Reibkontaktoberfläche des Reibbremskörpers gepresst wird, erfolgt aufgrund der Relativbewegung zwischen Reibbremskörper und Bremsklotz Abrieb, der zum Verschleiß des Reibbremskörpers sowie zur Enstehung von Bremsstaub führt.
Um den Verschleiß und den Abrieb zu reduzieren, ist es bekannt, eine Verschleißschutzschicht auf den Reibbremskörper aufzubringen. Bekannte Verschleißschutzschichten basieren dabei auf Hartmetallen und Karbiden oder dem Verändern der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht beziehungsweise Randschicht des Reibbremskörpers, beispielsweise durch Nitrieren.
Offenbarung der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird erreicht, dass die Oberflächenhärte des Reibbremskörpers erhöht wird, ohne dass eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Grauguss-Reibbremskörpers erfolgt. Dadurch entfällt zum einen das bei einem herkömmlichen Beschichtungsverfahren üblicherweise bestehende Delaminationsrisiko und zum anderen wird gänzlich auf kostenintensive Verfahren und Mittel verzichtet. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in einer Randschicht des Basiskörpers zumindest bereichsweise durch Induktionshärten ein martensitisches Härtegefüge erzeugt wird. Während des Induktionshärtens wird der Basiskörper zuerst zumindest bereichsweise durch Wärmeeintrag austenitisiert. Während einem bevorzugten anschließenden Abschrecken durch ein Abschreckmittel findet eine Umwandlung des austenitisierten Gefüges in ein martensitisches Gefüge statt, wodurch der Reibbremskörper an seiner Oberfläche beziehungsweise in seiner Randschicht erhärtet wird. Dabei liegt das Gussgefüge vor dem Induktionshärten vorzugsweise ferritisch-perlitisch oder perlitisch vor. Durch die Veränderung der Kristallstruktur des Graugussmaterials in der Randschicht von dem üblichen Perlit zu Martensit wird die Oberflächenhärte von etwa 200 bis 300 HV auf Werte von 500 bis 900 HV erhöht. Mit der zunehmenden Oberflächenhärte steigt auch proportional die Verschleißbeständigkeit, wodurch der Abrieb des Reibbremskörpers entsprechend sinkt und die Entstehung von Bremsstaub reduziert wird. Durch das vorteilhafte Induktionshärten wird der Basiskörper insbesondere berührungsfrei und in sehr kurzer Zeit erhitzt, wobei durch das Induktionshärten die Temperatur in der Randschicht des Basiskörpers vorteilhaft einstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden durch die Induktionshärtung in der Randschicht vorzugsweise Temperaturen von über 800°C, besonders bevorzugt von über 1000°C zum Erwärmen der Randschicht erzeugt, ohne dass Aufschmelzungen im Grauguss entstehen. Durch die hohen Temperaturen wird der Perlit zunächst in Austenit und während des Abschreckens vorteilhaft in Martensit umgewandelt, ohne dass der Grauguss aufschmilzt, sodass die Grundstruktur erhalten bleibt.
Vorzugsweise wird die durch den Wärmeeintrag autenitisierte Randschicht nach dem induktiven Erwärmen beziehungsweise Erzeugen der oben genannten Temperaturen gekühlt, insbesondere abgeschreckt. Durch das Kühlen beziehungsweise Abschrecken mittels Abschreckmedium, insbesondere einer wässrigen Lösung, wird erreicht, dass die Kühlung ausreichend hoch ist um eine weitestgehend vollständige Umwandlung von Austenit in Martensit zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird die Randschicht zur Abkühlung mit einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagt, insbesondere durch Wasserbrausen. Hierdurch erfolgt eine vorteilhafte und zeitnahe Abkühlung des Reibbremskörpers insbesondere im Bereich der Randschicht.
Besonders bevorzugt wird zur Induktionshärtung zumindest eine Induktionsspule beziehungsweise Induktorspule elektrisch angesteuert und insbesondere über den Reibbremskörper bewegt, um die gewünschten Bereiche des Reibbremskörpers zu austenitisieren. Durch die Induktionshärtung elektrischer Ansteuerung ist eine einfache und präzise Einstellung der Wärmebehandlung des Reibbremskörpers gewährleistet. Durch die Verwendung einer Induktorspule ist die Wärmebehandlung gezielt durchführbar, wodurch beispielsweise nur die Abschnitte des Reibbremskörpers wärmebehandelt werden können, die für den Verschleiß verantwortlich sind, wie beispielsweise eine oder mehrere Reibkontaktoberflächen, die dazu dienen, mit einem Bremsklotz zusammenzuwirken.
Vorzugsweise wird eine Betriebsfrequenz der Induktorspule zum Einstellen einer begrenzten Einhärttiefe in dem Basiskörper vorgegeben. Durch das Einstellen der Frequenz ist regulierbar, wie weit die Wärmebehandlung in den Reibbremskörper hinein erfolgt. Durch das Kontrollieren der Frequenz ist somit gewährleistet, dass die Einhärttiefe einen vorgebbaren Grenzwert nicht überschreitet.
Weiterhin wird bevorzugt die durch das Induktionshärten zu erzeugende Temperatur durch Einstellen eines Betriebsstroms der Induktorspule eingestellt.
Hierdurch ist die Temperatur in der Randschicht des Reibbremskörpers präzise einstellbar, um die vorteilhafte Martensitschicht zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird nach dem Induktionshärten das entstandene martensithaltige Härtegefüge insbesondere durch ein Induktionsverfahren, angelassen. Dadurch werden innere Spannungen in dem Reibbremskörper, die durch die vorherige Wärmebehandlung entstanden sein können, reduziert. Vorzugsweise wird das Anlassen ebenfalls induktiv durchgeführt, sodass das Anlassen beispielsweise mittels der gleichen Induktorspule durchgeführt werden kann, welche zuvor zur Martensitbildung genutzt wurde. Durch eine Anpassung von Betriebsstrom und Frequenz werden für das Anlassen vorteilhafte Temperaturen in der Randschicht des Reibbremskörpers erzeugt.
Insbesondere wird zumindest die gehärtete Randschicht zum Anlassen auf Temperaturen von maximal 400°C erhitzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass sie zumindest eine Einrichtung zum Induktionshärten zur Erzeugung eines martensitischen Härtegefüges zumindest in einer Randschicht des Basiskörpers aufweist. Vorzugsweise weist die Einrichtung außerdem zumindest eine Kühleinrichtung, insbesondere eine Wasserbrause, auf, die zum Abkühlen des Reibbremskörpers einsetzbar ist. Der Induktorspule ist bevorzugt eine Leistungsendstufe zugeordnet, mittels welcher der Betriebsstrom sowie die elektrische Frequenz der Induktorspule einstellbar sind.
Obwohl in der vorliegenden Beschreibung die Erfindung anhand einer Bremsscheibe beschrieben wird, soll hier deutlich darauf hingewiesen werden, dass der erfindungsgemäße Reibbremskörper neben einer Bremsscheibe auch den Reibbremskörper bei einer Trommelbremse betrifft.
Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 eine vorteilhafte Bremsscheibe in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung und
2A und 2B eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen der Bremsscheibe in unterschiedlichen Ansichten..

1 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung einen Reibbremskörper in Form einer Bremsscheibe 1. Die Bremsscheibe 1 ist kreisringförmig ausgebildet für den Einsatz in einer hier nicht näher dargestellten Reibbremse eines Kraftfahrzeugs. Ein gegebenenfalls vorhandener Bremsscheibentopf ist in 1 nicht gezeigt. Die Bremsscheibe 1 weist einen kreisscheibenförmigen Basiskörper 3 auf, an dessen Stirnseiten jeweils eine ringförmige Reibkontaktoberfläche 4 ausgebildet ist, die dazu dient, mit einem Bremsklotz der Reibbremse zusammenzuwirken. Der Basiskörper ist dabei vorliegend aus Grauguss gefertigt und weist damit im Wesentlichen eine Perlit oder ferritisch-perlitische Struktur auf. In ihrer Randschicht 2 beziehungsweise Oberflächenschicht im Bereich der Reibringkontaktoberflächen 4 weist die Bremsscheibe 1 jedoch eine Martensit-Struktur auf, mit einem im Vergleich zum Perlit erhöhten Härtegrad. Durch den Martensit erhält die Reibkontaktoberfläche 4 in ihrer Randschicht 2 eine Härte von etwa 500 bis 900 HV und damit einen im Vergleich zu bekannten Grauguss-Bremsscheiben reduzierten Abrieb im Betrieb.
Anhand von 2, die eine Vorrichtung zum Herstellen der Bremsscheibe zeigt, soll beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung der Bremsscheibe 1 beschrieben werden.
2 zeigt dazu eine Vorrichtung 5 zur Herstellung der Bremsscheibe 1. 2A zeigt dabei eine Seitenansicht der Vorrichtung 5 und 2B eine Draufsicht. Die Vorrichtung 5 weist eine Einrichtung 6 zur Induktionshärtung auf, die eine oder mehrere elektrisch betreibbare Induktorspulen 7 aufweist.
Die jeweilige Induktorspule 7 ist durch eine Leistungselektronik 8 ansteuerbar, welche den Betriebsstrom sowie die elektrische Betriebsfrequenz einstellt. Durch den Betriebsstrom wird die Temperatur, die in der Randschicht 2 der Bremsscheibe 1 erzeugt wird, reguliert, und durch die Frequenz die Eindringtiefe der Wärme beziehungsweise der Einhärtung in das Material der Bremsscheibe hinein.
Weiterhin weist die Vorrichtung 5 eine Kühleinrichtung 9 auf, die zumindest eine Wasserbrause 10 aufweist, mittels welcher die Bremsscheibe 1 mit flüssigem Kühlmittel, insbesondere Wasser, beaufschlagbar ist.
Gemäß dem in 2 vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Material der Bremsscheibe 1 zunächst durch die Induktorspule 7 und anschließend durch die Wasserbrause 10 geführt, insbesondere gedreht, wie durch einen Pfeil 11 angedeutet. Alternativ werden die Induktorspule 7 und die Wasserbrause 10 über die Bremsscheibe 1 bewegt.
Durch die Induktorspule 7 erfolgt ein Induktionshärten, bei welchem die Oberfläche der Bremsscheibe auf über 800°C, bevorzugt auf über 1000°C erhitzt wird, sodass eine Austenitisierung der Randschicht 2 zumindest im Bereich der Reibkontaktoberflächen 4 erfolgt, ein Aufschmelzungen jedoch unterbleiben. Durch das nachgeschaltete Wasserbrausen wird die austenitisierte Randschicht 2 abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt. Die Einhärttiefe wird derart gewählt, dass sie die Veränderung der Struktur zum Martensit in der Randschicht 2 nur derart weit in die Bremsscheibe 1 hineingreift, wie es für die Aufrechterhaltung der Funktionalität über die Lebensdauer der Bremsscheibe 1 erforderlich ist, um das Risiko von Rissbildung und/oder Spannungen und Verzug in der Bremsscheibe 1 zu vermeiden und die thermische Belastung der Bremsscheibe während dem Härten so gering wie möglich zu halten.
Optional wird nach abgeschlossenem Induktionshärten der Martensit der Bremsscheibe 1 nunmehr zur Reduzierung von inneren Spannungen angelassen wobei der Anlassprozess insbesondere ebenfalls induktiv erfolgt. Durch das Anlassen wird eine kurzzeitige Erwärmung zumindest der Randschicht der Bremsscheibe 1 auf Temperaturen von bis zu 400°C erreicht, wodurch die Sprödigkeit des Martensits reduziert und die Gefahr von Rissbildung vermindert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Reibbremskörpers für eine Reibbremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Bremsscheibe (1), wobei der Reibbremskörper einen Basiskörper (3) aufweist, der aus Grauguss gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Randschicht (2) des Basiskörpers (3) zumindest bereichsweise durch Induktionshärten ein martensitisches Härtegefüge erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Induktionshärtung in der Randschicht (2) Temperaturen von über 800°C, besonders bevorzugt von über 1000°C erzeugt werden, ohne Aufschmelzung des Grauguss.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die austenitisierte Randschicht (2) nach dem induktiven Erwärmen gekühlt, insbesondere abgeschreckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (2) zur Abkühlung mit einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagt wird, insbesondere durch Wasserbrausen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Induktionshärtung zumindest eine Induktorspule elektrisch angesteuert und insbesondere über den Basiskörper (3) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsfrequenz der Induktorspule (7) zum Einstellen einer begrenzten Einhärttiefe in den Basiskörper (3) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Induktionshärten zu erzeugende Temperatur durch Einstellen eines Betriebsstroms der Induktorspule (7) gewährleistet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Induktionshärten die Randschicht (2) oder das martensitische Härtegefüge insbesondere durch ein Induktionsverfahren, angelassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Randschicht (2) oder das martensitische Härtegefüge zum Anlassen auf Temperaturen von maximal 400°C erhitzt wird.
Vorrichtung (5) zum Herstellen eines Reibbremskörpers für eine Reibbremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Bremsscheibe (1), wobei ein Basiskörper (3) des Reibbremskörpers aus Grauguss gefertigt wird, gekennzeichnet durch zumindest eine Einrichtung (6) zum Induktionshärten zur Erzeugung eines martensitischen Härtegefüges zumindest in einer Randschicht (2) des Basiskörpers (3).