DE102020203412A1

DE102020203412A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schutzbeschichtung an einer Bremsseite eines Bremsscheibengrundkörpers und Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe

Info

Publication number: DE102020203412A1
Application number: DE102020203412.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Rettig; Klaus Käsgen; Clemens Maria Verpoort; Jaroslaw Grochowicz; Andreas Wank; Christian Schmengler; Annika Krause
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US11635117B2; US20210293292A1; CN113483043A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzbeschichtung an einer Bremsseite eines Bremsscheibengrundkörpers, wobei die Schutzbeschichtung unter Verwendung eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens hergestellt wird. Um die Lebensdauer von Bremsscheiben zu verlängern, wird ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln oder Cr₃C₂-Partikeln mit Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl, bevorzugt FeCr hergestellt, wobei während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens einem mit einem hierzu eingesetzten Laser aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers gleichzeitig das NbC-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das NbC-FeCr-Pulver oder das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das Cr₃C₂-FeCr-Pulver und ein Aluminiumlegierungs-Pulver, bevorzugt ein Aluminium-Silizium-Pulver zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzbeschichtung an einer Bremsseite eines Bremsscheibengrundkörpers, wobei die Schutzbeschichtung unter Verwendung eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens hergestellt wird. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe.
Bei einem Kraftwagen mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridelektroantrieb wird während eines Bremsvorgangs die dabei auftretende Bremsenergie durch das sogenannte regenerative Bremsen genutzt, um eine Traktionsbatterie mittels eines während des Bremsvorgangs als Generator betriebenen Elektromotors nachzuladen. Reibbremsen eines Kraftwagens mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridelektroantrieb werden daher meist nur noch für Not-Stopp-Situationen benutzt.
Die Bremsscheiben der Reibbremsen eines Kraftwagens mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridelektroantrieb könnten durch die Verringerung ihrer Nutzung eine Lebensdauer von mehr als 10 bis 15 Jahren erreichen. Jedoch ist die Lebensdauer der Bremsscheiben durch die schlechte Korrosionsbeständigkeit der herkömmlich verwendeten Bremsscheiben aus einem Graugussmaterial beschränkt. Solche Bremsscheiben zeigen bereits nach wenigen Stunden bei Regenwetter einen Rostansatz im Bereich der Reibringfläche der Bremsscheiben. Auch durch Streusalz erzeugtes Salzwasser, das im Winter auf eine Bremsscheibe aus einem Graugussmaterial gelangen kann, verringert die Lebensdauer einer solchen Bremsscheibe.
Dieser Rostansatz würde aber bereits während eines nachfolgenden Bremsvorgangs durch eine abrasive Wirkung der herkömmlichen Bremsbeläge wieder von den Bremsscheiben entfernt werden, so dass sich aufgrund der schlechten Korrosionsbeständigkeit des verwendeten Graugussmaterials keine technischen Probleme ergeben würden. Aufgrund der selteneren Benutzung der Reibbremsen eines Kraftwagens mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridelektroantrieb erfolgt diese Reinigung der Bremsscheiben jedoch meist relativ selten. Wenn die Bremsscheiben auf diese Weise für eine längere Zeit nicht durch eventuelle Not-Stopp-Bremsvorgänge von der sich aufbauenden Korrosion gereinigt werden, würde es während eines mittels der Reibbremsen durchgeführten Bremsvorgangs zu einem starken Bremsenrubbeln und/oder Geräuschproblemen beim Bremsvorgang kommen.
Um dieses Problem zu umgehen, sind bereits Bremsscheiben aus einem Aluminiummaterial vorgeschlagen worden. Beispielsweise offenbart die DE 10 2017 008 992 B3 eine Scheibenbremse mit einer Bremsscheibe aus Leichtmetall und zumindest einem darauf einwirkenden Bremsbelag, wobei die Bremsscheibe aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gebildet ist. Eine solche Bremsscheibe weist gegenüber einer Aluminiumbremsscheibe ohne Siliziumanteil eine verbesserte Verschleißbeständigkeit auf. Je höher der Siliziumanteil ist, desto härter ist die Bremsscheibe und desto höher ist die Verschleißbeständigkeit der Bremsscheibe. Das Erfordernis der Gießbarkeit des Werkstoffs für die Bremsscheibe beschränkt jedoch den Siliziumanteil auf maximal etwa 20% bis 22%. Eine dadurch erreichbare maximale Verschleißbeständigkeit reicht jedoch nicht für den Einsatz der Bremsscheibe an einer Vorderradreibbremse eines Kraftwagens aus, da eine Bremsscheibe einer Vorderradreibbremse etwa 60% mehr Bremsenergie als eine Bremsscheibe einer Hinterradreibbremse aufnehmen muss, was einen erhöhten Verschleißschutz von Bremsscheiben von Vorderradreibbremsen und eine verbesserte Kühlung solcher Bremsscheiben durch einen Einsatz von belüfteten Bremsscheiben erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Bremsscheiben insbesondere mit Reibflächen aus Aluminiumlegierungen zu verlängern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln oder Cr₃C₂-Partikeln mit Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl, bevorzugt FeCr hergestellt wird, wobei während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens einem mit einem hierzu eingesetzten Laser aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers gleichzeitig das NbC-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das NbC-FeCr-Pulver oder das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das Cr₃C₂-FeCr-Pulver und ein Aluminiumlegierungs-Pulver, bevorzugt ein Aluminium-Silizium-Pulver zugeführt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln oder Cr₃C₂-Partikeln und Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl hergestellt. Die Partikel der metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl können FeCr-Partikel sein, was natürlich nicht beschränkend sein soll. Die NbC-Partikel (Niobcarbid-Partikel) bzw. Cr₃C₂-Partikel (Chromcarbid-Partikel) können vor dem Zusammenführen mit den Partikeln eines rostfreien Stahls, also zum Beispiel FeCr-Partikeln und dem anschließenden Agglomerieren und Sintern eine Partikelgröße von im Mittel ca. 1 µm (NbC) bzw. ca. 1 - 5 µm (Cr₃C₂) aufweisen. Partikel mit einer solch geringen Größe können mittels herkömmlicher Laser-Pulver-Auftragschweißvorrichtungen nicht gefördert bzw. verarbeitet werden. Durch das Agglomerieren und Sintern der NbC-Partikel oder Cr₃C₂-Partikel jeweils zusammen mit den Partikeln aus einem rostfreien Stahl weisen die Verbundpartikel des NbC-Metallmatrix-Pulvers oder Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers eine Größe auf, die deutlich größer ist als diejenige der NbC-Partikel bzw. Cr₃C₂-Partikel, so dass die Partikel des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers mittels herkömmlicher Laser-Pulver-Auftragschweißvorrichtungen, insbesondere deren Pulverförderer, gefördert bzw. verarbeitet werden können. Unter Verwendung von bevorzugt FeCr-Partikeln kann so als NbC-Metallmatrix-Pulver z.B. ein NbC-FeCr-Pulver oder als Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver z.B. ein Cr₃C₂-FeCr-Pulver hergestellt werden. Im Folgenden wird das NbC-Metallmatrix-Pulver der Einfachheit wegen auch als NbC-FeCr-Pulver und das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver auch als Cr₃C₂-FeCr-Pulver bezeichnet, was natürlich nicht beschränkend sein soll.
Die Partikel des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers lösen sich in dem an der Oberfläche des Bremsscheibengrundkörpers gebildeten Schmelzbad und bewirken das Ausscheiden von Carbidpartikeln mit einem Durchmesser von bis zu 100 µm, so dass die Carbidpartikel eine ideale Größe für einen abrasiven Verschleißschutz aufweisen. Eine derart erfindungsgemäß beschichtete Bremsscheibe eignet sich insbesondere auch für einen Einsatz an einer Vorderradreibbremse eines Kraftwagens. Der aufgeschmolzene Werkstoff des Bremsscheibengrundkörpers kann im Zusammenspiel mit weiteren zugeführten Pulverzusatzwerkstoffen gezielt zum Bilden einer metallischen Matrix mit optimalen Eigenschaften genutzt werden. Es bietet sich an neben Aluminium als Hauptbestandteil der metallischen Matrix Silizium entweder über ein Al-Si-basiertes Legierungspulver oder durch eine mechanische Pulvermischung zuzuführen, weil Silizium sich positiv auf das Aufbrechen von Al₂O₃ Passivschichten an der Oberfläche der zu beschichtenden Bremsscheibengrundkörper auswirkt. Darüber hinaus wirken Zugaben der Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel sich infolge der Bildung von Ausscheidungen intermetallischer Phasen mit Aluminium verfestigend auf die metallische Matrix aus, so dass der Verschleißwiederstand optimiert werden kann. Um eine feine Verteilung der Ausscheidungen abzusichern und damit einer Versprödung der metallischen Matrix vorzubeugen, ist der Gehalt der Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel in Summe auf maximal 15% in der Schutzbeschichtung zu begrenzen.
Die mit Niobcarbiden bzw. Chromcarbiden verstärkte Schutzbeschichtung kann Carbidanteile von 20 Vol.-% bis 70 Vol.-% aufweisen. Die metallische Matrix des Aluminiumlegierungspulvers basiert auf Aluminium und enthält bevorzugt Ausscheidungen aus Silizium sowie intermetallische Phasen von Aluminium mit den Elementen Kupfer, Chrom, Eisen und / oder Nickel, die zu einer Verfestigung der metallischen Matrix und somit zu einem erhöhten Verschleißwiderstand beitragen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine kostengünstige Schutzbeschichtung herstellbar, die eine gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit für die Reibflächen von Bremsscheiben, insbesondere Bremsscheiben mit einem Grundkörper aus einer Aluminiumlegierung, bereitstellt.
Das Laser-Pulver-Auftragschweißverfahren kann derart durchgeführt werden, dass über hohe Oberflächengeschwindigkeiten, bspw. > 10 m/min, bevorzugt > 60 m/min, mit einem hohen Überlappungsgrad, beispielsweise > 75%, bevorzugt > 90%, Schichten mit niedriger Welligkeit und geringen Schichtdickenschwankungen hergestellt werden. Hierdurch können beispielsweise Schichten von nur 100 µm bis 300 µm mittlerer Dicke mit Rauheiten R_a < 10 µm sowie Mikrohärten von im Mittel 550 - 700 HV0,3 hergestellt werden. Die einzelnen Pulver können dem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers mittels separater Zuführdüsen zugeführt werden. Im Gegensatz zu einer aufgespritzten Wolframcarbid-basierten Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Beschichtung kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein metallurgischer Verbund der Schutzbeschichtung mit dem Bremsscheibengrundkörper hergestellt werden, so dass eine eventuelle Unterwanderung der Schutzbeschichtung durch korrosive Medien nicht erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Siliziumanteil des Alumiumlegierungs-Pulvers, das zur Bildung der metallischen Matrix der Schutzbeschichtung eingesetzt wird, bevorzugt mehr als 12% und maximal 50%. Das Silizium wirkt sich insbesondere positiv auf das Aufbrechen von Al₂O₃ Passivschichten an der Oberfläche der zu beschichtenden Bremsscheibengrundkörper aus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden dem Schmelzbad die Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel zugeführt, um über die Bildung intermetallischer Phasen eine Festigkeitssteigerung der metallischen Matrix der Schutzbeschichtung zu erzielen. Um eine feine Verteilung der Ausscheidungen abzusichern und damit einer Versprödung der metallischen Matrix vorzubeugen, ist der Gehalt der Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel in Summe auf maximal 15% in der Schutzbeschichtung zu begrenzen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das NbC-Metallmatrix-Pulver bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver derart hergestellt wird, dass eine Größe von Partikeln des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers in einem Bereich von 10 µm bis 125 µm, bevorzugt in einem Bereich von 15 µm bis 45 µm liegt. Hierdurch lässt sich das NbC-Metallmatrix-Pulver, beispielsweis das NbC-FeCr-Pulver bzw. das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver, z.B. das Cr₃C₂-FeCr-Pulver optimal mittels einer herkömmlichen Laser-Pulver-Auftragschweißvorrichtung, insbesondere deren Pulverförderer, fördern bzw. verarbeiten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der NbC-Anteil des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. der Cr₃C₂-Anteil des Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers in einem Bereich von 50% bis 90%, bevorzugt zwischen 75% und 85% für NbC und zwischen 70% und 80% für Cr₃C₂. Hierdurch weist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schutzbeschichtung eine optimale Härte und Verschleißbeständigkeit auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Bremsscheibengrundkörper vor und / oder während des Laser-Pulver-Auftragschweißens bspw. induktiv oder durch Einsatz von Flammbrennern oder unter Einsatz eines Lasers erwärmt, um einen günstigen Eigenspannungszustand in den Schutzbeschichtungen einzustellen. Auf diesem Weg lassen sich insbesondere hohe Karbidgehalte von ca. 60 Vol.-% und mittlere Schichthärten von 700 HV0,3 ohne Rissbildung realisieren.
Für das Beschichten gießtechnisch hergestellter Bremsscheibengrundkörper ist als weitere vorteilhafte Ausgestaltung das Umschmelzen der Oberfläche des Bremsscheibengrundkörpers bspw. unter Einsatz des gleichen Lasers, der auch für das Laser-Pulver-Auftragschweißen zum Einsatz kommt, zu nennen. Insbesondere über den Druckguss hergestellte Bauteile aus Aluminiumlegierungen weisen hohe Gehalte zwangsgelöster Gase auf. Werden diese Bauteile an ihrer Oberfläche zum Zweck des Auftragschweißens angeschmolzen, so können die zwangsgelösten Gase freigesetzt werden und zu starker Porenbildung führen. Bleibt in einem vorgeschalteten Umschmelzprozess die Schmelze lokal lang genug erhalten, um ein Entgasen zu ermöglichen, so wird der Porenbildung wirksam entgegengewirkt. Gleichzeitig erfolgt eine Vorwärmung des Bremsscheibengrundkörpers, wodurch der Eigenspannungszustand der Schutzbeschichtungen positiv beeinflusst wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Laser-Pulver-Auftragschweißen unter Einsatz einer Mehrstrahl-Pulverdüse (minimal vier Strahlen, bevorzugt sechs Strahlen) ausgeführt. Mehrstrahldüsen erlauben im Gegensatz zu Ringspaltdüsen gezielt einzelne Komponenten der Zusatzwerkstoffmischung an bestimmte Orte des an der Bauteiloberfläche erzeugten Schmelzbads zu injizieren. Darüber kann die Homogenität der Legierungsbildung und der Ort des Ausscheidens der karbidischen Verstärkungsphasen gezielt beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung wird zielführend auf die Bremsseite, bevorzugt auf den Reibring, oder auf die Bremsseiten, bevorzugt auf die Reibringe der Bremsscheibe, aufgetragen. Möglich ist natürlich auch, die Schutzbeschichtung insbesondere außenseitig auf die gesamte Bremsscheibe aufzutragen.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass vor der Durchführung des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens eine Aluminiumlegierungs-Spritzschicht auf die Bremsseite eines Bremsscheibengrundkörpers aus einem Graugussmaterial aufgetragen wird, wobei die Spritzschicht anschließend zusammen mit dem Bremsscheibengrundkörper gesintert wird. Diese Ausgestaltung ist insbesondere sinnvoll, um eine optimale Verbindung zwischen dem Bremsscheibengrundkörper und der anschließend auf die Spritzschicht aufgebrachten erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung herzustellen. Denn es ist technisch nicht möglich, auf einem Fe-Basis Material wie dem Graugussmaterial eine AI-Basis Laser-Beschichtung aufzutragen. Die Spritzschicht und der Bremsscheibengrundkörper können beispielsweise bei etwa 570 °C und für etwa 30 min gesintert werden, um eine optimale Verbindung zwischen dem Bremsscheibengrundkörper und der Spritzschicht herzustellen. Die Aluminiumlegierungs-Spritzschicht kann beispielsweise durch Lichtbogenspritzen, aber alternativ auch durch Drahtflammspritzen, Pulverflammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Kaltgasspritzen oder Plasmaspritzen, auf die Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aufgetragen werden. Auf diese Spritzschicht kann dann die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung aufgebracht werden. Bei der Aluminiumlegierungs-Spritzschicht kann es sich bevorzugt um eine Al-Mg-Spritzschicht handeln.
Die obige Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst, gemäß dem eine Schutzbeschichtung an einer Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers unter Verwendung des Verfahrens nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander hergestellt wird.
Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die mit dem Verfahren herstellbare Bremsscheibe ist wegen der Herstellung des Bremsscheibengrundkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung relativ leichtgewichtig, was sich positiv auf den Energieverbrauch eines damit ausgestatteten Kraftwagens auswirkt und mit einer höheren Korrosionsbeständigkeit der Bremsscheibe einhergeht.
Die obige Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, gemäß dem eine Aluminiumlegierungs-Spritzschicht auf eine Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aufgetragen wird, die Spritzschicht zusammen mit dem Bremsscheibengrundkörper gesintert wird und eine Schutzbeschichtung an einer Bremsseite der Spritzschicht unter Verwendung des Verfahrens nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander hergestellt wird. Bei der Aluminiumlegierungs-Spritzschicht kann es sich bevorzugt um eine Al-Mg-Spritzschicht handeln.
Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden. Der Bremsscheibengrundkörper wird aus einem Graugusswerkstoff gegossen. Die Spritzschicht kann beispielsweise mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 30 µm bis 300 µm aufgetragen werden. Die Spritzschicht kann beispielsweise durch Lichtbogenspritzen auf die Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aufgetragen werden. Das Sintern kann beispielsweise bei etwa 570 °C und für etwa 30 min erfolgen. Dadurch wird eine Diffusion von Aluminium des Spritzschichtwerkstoffs in die Oberfläche des Bremsscheibengrundkörpers begünstigt, wodurch die Haftfestigkeit der Spritzschicht an dem Bremsscheibengrundkörper durch die Bildung von intermetallischen Eisenaluminid-Phasen verbessert wird. Nach dem Herstellen der Bremsscheibe kann wenigstens eine Bremsseite oder beide Bremsseiten der Bremsscheibe geschliffen werden, um die Bremsscheibe auf eine Nenndicke zu schleifen und gewünschte Rauheitswerte der Bremsseite zu realisieren. Das Schleifen kann beispielsweise durch Diamantschleifen erfolgen. Die Schutzbeschichtung ist metallurgisch an die Spritzschicht angebunden, was eine optimale Haftung für die Schutzbeschichtung darstellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers vor dem Auftragen der Spritzschicht aufgeraut. Das Aufrauen der Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers kann beispielsweise mittels Wasserstrahlens erfolgen, so dass beim Aufrauen kein Wärmeeintrag in den Bremsscheibengrundkörper gegeben ist. Durch das Aufrauen der Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers können Kavitations-Hinterschnitte an der Bremsseite ausgebildet werden, die eine starke Verbindung zwischen dem Bremsscheibengrundkörper und der Spritzschicht ermöglichen, indem Teile der Spritzschicht in die Kavitations-Hinterschnitte eingreifen. Zudem kann die Bremsseite durch das Wasserstrahlen optimal gereinigt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Bremsscheibengrundkörper vor dem Aufrauen einem Drehvorgang unterworfen wird. Durch diese spanende Bearbeitung des Bremsscheibengrundkörpers kann wenigstens eine glatte Bremsseite bzw. ringförmige Bremsfläche an dem Bremsscheibengrundkörper gebildet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt

1 ein Ablaufdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe und
2 ein Ablaufdiagramm zu einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe.
In Verfahrensschritt 101 wird ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln bzw. Cr₃C₂-Partikeln und Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl, also bevorzugt einem FeCr hergestellt. So ist beispielsweise ein NbC-FeCr-Pulver bzw. Cr₃C₂-FeCr-Pulver herstellbar, wobei das NbC-Metallmatrix-Pulver oder das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver im Folgenden als NbC-FeCr-Pulver bzw. als Cr₃C₂-FeCr-Pulver bezeichnet wird, ohne dass damit eine Einschränkung bewirkt werden soll. Dabei wird das NbC-FeCr-Pulver bzw. Cr₃C₂-FeCr-Pulver derart hergestellt, dass eine Größe von Partikeln des NbC-FeCr-Pulvers bzw. Cr₃C₂-FeCr-Pulvers in einem Bereich von 10 µm bis 125 µm, bevorzugt 15 µm bis 45 µm, liegt. Der NbC-Anteil des NbC-FeCr-Pulvers bzw. der Cr₃C₂-Anteil des Cr₃C₂-FeCr-Pulvers liegt in einem Bereich von 50% bis 90%, bevorzugt 75% bis 85% für NbC und bevorzugt 70% bis 80% für Cr₃C₂.
In Verfahrensschritt 102 wird ein Bremsscheibengrundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dazu kommen diverse Herstellungsmethoden in Frage. Neben dem Gießen von Aluminiumlegierungen, bevorzugt Al-Si-Basislegierungen mit einem Siliziumgehalt von 7% bis 22%, können die Bremsscheibengrundkörper auch umformtechnisch bspw. mittels Schmiedens oder pulvermetallurgisch oder durch Fügen von Komponenten bspw. durch Reibschweißen von Ringen aus einer Aluminiumlegierung an Bremsscheibentöpfe aus artgleichen oder auch artfremden Werkstoffen hergestellt werden.
Die Reihenfolge der Verfahrensschritte 101 und 102 ist dabei nicht wesentlich. Sowohl der Bremsscheibengrundkörper als Substrat als auch das NbC-FeCr-Pulver oder das Cr₃C₂-FeCr-Pulver sowie ggbf. weitere erforderliche Pulver zum Einstellen einer optimalen metallischen Matrix sind zugleich für den Laser-Pulver-Auftragschweißprozess bereit zu stellen.
In Verfahrensschritt 103 wird eine Schutzbeschichtung an einer Bremsseite oder an zwei Bremsseiten des Bremsscheibengrundkörpers, also bevorzugt auf dem Reibring des Bremsscheibengrundkörpers unter Verwendung eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens hergestellt. Während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens werden einem mit einem hierzu eingesetzten Laser aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers gleichzeitig das NbC-FeCr-Pulver oder das Cr₃C₂-FeCr-Pulver sowie gegebenenfalls weitere Pulver zum Einstellen einer optimalen metallischen Matrix auf der Basis von Aluminium zugeführt. Das weitere zugeführte Pulver basiert bevorzugt auf Aluminium und weist in seiner Gesamtzusammensetzung bevorzugt einen Siliziumanteil von 12% bis 50% auf, und kann als Aluminium-Silizium-Pulver bezeichnet werden. Darüber hinaus können Anteile von Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel enthalten sein, deren Anteil aber zur Vermeidung von Versprödung der metallischen Matrix so eingeschränkt wird, dass sich in Summe maximal 15% dieser Elemente in der metallischen Matrix der Schutzbeschichtung befinden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm zu einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe.
In Verfahrensschritt 201 wird ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln bzw. Cr₃C₂-Partikeln und Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl, also z.B. FeCr hergestellt, so dass z.B. NbC-FeCr-Pulver oder Cr₃C₂-FeCr-Pulver hergestellt wird . Dabei wird das NbC-Metallmatrix-Pulver bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver derart hergestellt, dass eine Größe von Partikeln des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers in einem Bereich von 10 µm bis 125 µm, bevorzugt einem Bereich von 15 µm bis 45 µm liegt. Ein NbC-Anteil des NbC-Metallmatrix-Pulvers bzw. ein Cr₃C₂-Anteil des Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers liegt in einem Bereich von 50% bis 90%, bevorzugt 75% bis 85% für NbC und bevorzugt 70% bis 80% für Cr₃C₂.
In Verfahrensschritt 202 wird ein Bremsscheibengrundkörper aus einem Graugusswerkstoff hergestellt. Die Herstellung in Verfahrensschritt 202 kann ein Gießen und Auskühlen des Bremsscheibengrundkörpers umfassen. Zudem kann die Herstellung in Verfahrensschritt 202 eine spanende Bearbeitung in Form eines Drehens des Bremsscheibengrundkörpers umfassen. Ferner umfasst die Herstellung in Verfahrensschritt 202 ein Aufrauen der Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers mittels Wasserstrahlen.
Zu der Reihenfolge der Verfahrensschritte 201 und 202 gilt das gleiche wie das zu den Verfahrensschritten 101 und 102 gesagte.
In Verfahrensschritt 203 wird eine Aluminiumlegierungs-Spritzschicht bspw. durch Lichtbogenspritzen auf die aufgeraute Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aufgetragen. Die Aluminiumlegierungs-Spritzschicht ist bevorzugt eine Al-Mg-Spritzschicht.
In Verfahrensschritt 204 wird die Spritzschicht zusammen mit dem Bremsscheibengrundkörper bei etwa 570 °C und für etwa 30 min gesintert.
In Verfahrensschritt 205 wird eine Schutzbeschichtung an einer Bremsseite oder zwei Bremsseiten unter Verwendung eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens hergestellt. Während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens werden einem mit einem hierzu eingesetzten Laser aufgeschmolzenen Oberflächenbereich der Schutzschicht gleichzeitig das NbC-Metallmatrix-Pulver oder Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver und Pulver zum gezielten Einstellen einer Aluminiumlegierungsmatrix zugeführt. Der Siliziumanteil Aluminiumlegierungs-Pulvers beträgt bevorzugt zwischen 12% und 50%. Während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens können dem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich der Schutzschicht die Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel zugeführt werden, um durch Bildung feiner Ausscheidungen intermetallischer Phasen mit Aluminium eine Festigkeitssteigerung der metallischen Matrix zu erzielen. Um eine feine Verteilung der Ausscheidungen abzusichern und damit einer Versprödung der metallischen Matrix vorzubeugen, ist der Gehalt der Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel in Summe auf maximal 15% in der Schutzbeschichtung zu begrenzen.
Bezugszeichenliste

101: Verfahrensschritt
102: Verfahrensschritt
103: Verfahrensschritt
201: Verfahrensschritt
202: Verfahrensschritt
203: Verfahrensschritt
204: Verfahrensschritt
205: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017008992 B3 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schutzbeschichtung zumindest an einer Bremsseite eines Bremsscheibengrundkörpers, wobei die Schutzbeschichtung unter Verwendung eines Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein NbC-Metallmatrix-Pulver oder ein Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver durch Agglomerieren und Sintern von NbC-Partikeln oder Cr₃C₂-Partikeln mit Partikeln einer metallischen Matrix aus einem rostfreien Stahl, bevorzugt FeCr hergestellt wird, wobei während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens einem mit einem hierzu eingesetzten Laser aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers gleichzeitig das NbC-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das NbC-FeCr-Pulver oder das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver, bevorzugt das Cr₃C₂-FeCr-Pulver und ein Aluminiumlegierungs-Pulver, bevorzugt ein Aluminium-Silizium-Pulver zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Siliziumanteil des Aluminiumlegierungs-Pulvers, bevorzugt des Aluminium-Silizium-Pulvers 12% - 50% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das NbC-Metallmatrix-Pulver oder das Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulver derart hergestellt wird, dass eine Größe von Partikeln des NbC-Metallmatrix-Pulvers, oder des Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers in einem Bereich von 10 µm bis 125 µm, bevorzugt in einem Bereich von 15 µm bis 45 µm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein NbC-Anteil des NbC-Metallmatrix-Pulvers oder ein Cr₃C₂-Anteil des Cr₃C₂-Metallmatrix-Pulvers in einem Bereich von 50% bis 90%, bevorzugt in einem Bereich von 75% bis 85% für NbC, und bevorzugt in einem Bereich von 70% bis 80% für Cr₃C₂ liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Pulver-Auftragschweißverfahren unter Einsatz einer Mehrstrahldüse ausgeführt wird, wobei die Mehrstrahldüse mindestens vier Strahlen, bevorzugt sechs Strahlen aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens dem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Bremsscheibengrundkörpers gleichzeitig die Elemente Kupfer, Eisen, Chrom und / oder Nickel zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Laser-Pulver-Auftragschweißverfahrens eine Aluminiumlegierungs-Spritzschicht, bevorzugt eine Al-Mg-Spritzschicht auf die Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aus einem Graugussmaterial aufgetragen wird und die Spritzschicht zusammen mit dem Bremsscheibengrundkörper anschließend gesintert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, wobei ein Bremsscheibengrundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzbeschichtung zumindest an einer Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers unter Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, wobei ein Bremsscheibengrundkörper aus einem Graugusswerkstoff hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierungs-Spritzschicht, bevorzugt eine Al-Mg-Spritzschicht auf eine Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers aus einem Graugussmaterial aufgetragen wird, die Spritzschicht zusammen mit dem Bremsscheibengrundkörper gesintert wird und eine Schutzbeschichtung zumindest an einer Bremsseite der Spritzschicht unter Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsseite des Bremsscheibengrundkörpers vor dem Auftragen der Spritzschicht aufgeraut wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass der Bremsscheibengrundkörper vor dem Aufrauen einem Drehvorgang unterworfen wird