DE102022126837A1

DE102022126837A1 - System und verfahren zum herstellen einer verbesserten bremsscheibe mit verbesserter verschleissfestigkeit

Info

Publication number: DE102022126837A1
Application number: DE102022126837.3A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Everest Slattery; Kevin P. Callaghan; Mark T. Riefe
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-04-15
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-10-19
Also published as: US20230332658A1; US11873873B2; CN116949248A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Bremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit geschaffen. Die Systeme und Verfahren schaffen eine Fahrzeugscheibe, die eine Basis aus Eisen (Fe) umfasst. Die Basis umfasst eine Außenfläche mit einem lasergehärteten Abschnitt darin. Der lasergehärtete Abschnitt umfasst Martensit und weist eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche auf, um die verbesserte Bremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit zu definieren.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Bremsscheiben und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum Herstellen von Bremsscheiben mit verbesserter Verschleißfestigkeit.
Bremsscheiben sind mit den Rädern eines Fahrzeugs verbunden und sind entworfen, Bewegung (kinetische Energie) in Wärmeenergie (Wärme) zu verwandeln. Bremsscheiben stellen eine Griffigkeit bereit, die die jeweiligen Bremsbeläge übernehmen, wenn die Bremssättel Druck auf sie ausüben. Die Verschleißfestigkeit von Bremsscheiben hat sich zu einem wichtigen Bereich in der Automobilindustrie entwickelt, insbesondere wenn ihre Langlebigkeit zusammen mit den entsprechenden Bremsbelägen aufrechterhalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Während die derzeitigen Bremsscheiben ihren vorgesehenen Zweck erfüllen, gibt es einen Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Bremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit geschaffen. Das Verfahren umfasst Bereitstellen einer Fahrzeugbremsscheibe, die eine aus Eisen (Fe) bestehende Basis umfasst. Die Basis umfasst eine Außenfläche mit einem Zielabschnitt. Gemäß diesem Aspekt umfasst das Verfahren Reinigen der Bremsscheibe, um eine Verunreinigung darauf zu entfernen.
Gemäß diesem Aspekt umfasst das Verfahren ferner Erwärmen mittels Laser des Zielabschnitts der Außenfläche mit einem Laserstrahl mit einer Leistung zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W auf eine Temperatur zwischen 800 Grad Celsius (°C) und 1400 °C, Definieren eines laserbehandelten Abschnitts, der Austenit umfasst und ein durch den Laserstrahl darauf gebildetes Muster aufweist. Überdies umfasst das Verfahren Abschrecken in der Masse des laserbehandelten Abschnitts auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 270 Grad Celsius pro Sekunde, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt zu schaffen, der Martensit enthält. Gemäß diesem Aspekt weist der lasergehärtete Abschnitt das darauf gebildete Muster und eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche auf, was die verbesserte Bremsscheibe mit erhöhter Verschleiß- und Verformungsfestigkeit definiert.
Gemäß einem Beispiel dieses Aspekts kann das Verfahren ferner das ferritische Nitrocarburieren der Außenfläche der Bremsscheibe umfassen, um eine darin diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung zur Korrosionsbeständigkeit zu bilden.
Gemäß einem weiteren Beispiel liegt die Temperatur des Zielabschnitts zwischen 900 °C und 1100 °C. Gemäß einem noch weiteren Beispiel beträgt die Temperatur des Zielabschnitts 1020 °C.
Gemäß einem Beispiel weist der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 6000 mm/s und 12.000 mm/s auf. Gemäß einem weiteren Beispiel weist der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 8000 mm/s und 10.000 mm/s auf. Gemäß einem noch weiteren Beispiel liegt die Leistung des Laserstrahls zwischen 4800 W und 5200 W. Gemäß einem noch weiteren Beispiel beträgt die Leistung des Laserstrahls 5000 W.
Gemäß einem Beispiel dieses Aspekts liegt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts zwischen 30 Mikrometern und 50 Mikrometern. Gemäß einem weiteren Beispiel beträgt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 Mikrometer.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein System zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit erhöhter Verschleißfestigkeit offenbart. Das System umfasst eine Fahrzeugbremsscheibe, die eine aus Eisen (Fe) bestehende Basis umfasst. Die Basis umfasst eine Außenfläche mit einem Zielabschnitt. Gemäß diesem Aspekt umfasst das System eine Reinigungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe zu reinigen, um eine Verunreinigung von ihr zu entfernen. Überdies umfasst das System eine Lasereinheit mit einem Laserwerkzeug, das dafür ausgelegt ist, einen Laserstrahl auf den Zielabschnitt zu emittieren und den Zielabschnitt mit dem Laserstrahl, der eine Leistung zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W aufweist, auf eine Temperatur zwischen 800 Grad Celsius (°C) und 1400 °C selektiv mittels Laser zu erwärmen, wodurch ein laserbehandelter Abschnitt definiert wird, der Austenit umfasst und ein durch den Laserstrahl auf ihm gebildetes Muster aufweist.
Gemäß diesem Aspekt umfasst das System eine Kühleinheit, die dafür ausgelegt ist, den laserbehandelten Abschnitt mit einer Geschwindigkeit von etwa 270 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur in der Masse abzuschrecken, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt bereitzustellen, der Martensit umfasst. Der lasergehärtete Abschnitt weist das darauf gebildete Muster und eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche auf, was die verbesserte Bremsscheibe mit erhöhter Verschleiß- und Verformungsfestigkeit definiert.
Gemäß diesem Aspekt umfasst das System ferner einen Controller, der mit der Reinigungseinheit, der Lasereinheit und der Kühleinheit und der Oberflächenhärtungseinheit in Verbindung steht. Der Controller ist konfiguriert, die Reinigungseinheit, die Lasereinheit, die Kühleinheit und die Oberflächenhärtungseinheit zu steuern. Gemäß diesem Aspekt umfasst das System ferner eine Leistungsquelle, die konfiguriert ist, die Reinigungseinheit, die Lasereinheit, die Kühleinheit, die Oberflächenhärtungseinheit und den Controller mit Leistung zu versorgen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ferner eine Oberflächenhärtungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe mit ferritischem Nitrocarburieren zu behandeln, um eine in die Außenfläche diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit zu bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Temperatur des Zielabschnitts zwischen 900 °C und 1100 °C. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform beträgt die Temperatur des Zielabschnitts 1020 °C. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform liegt die Leistung des Laserstrahls zwischen 4800 W und 5200 W. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform beträgt die Leistung des Laserstrahls 5000 W.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine verbesserte Bremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit offenbart. Die Scheibe umfasst eine Fahrzeugscheibe, die eine Basis umfasst, die Eisen (Fe) enthält. Gemäß diesem Aspekt umfasst die Basis eine Außenfläche mit einem lasergehärteten Abschnitt darin. Der lasergehärtete Abschnitt umfasst Martensit und weist eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche auf, was die verbesserte Bremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit definiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Außenfläche eine ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit. Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts zwischen 30 und 50 Mikrometern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 Mikrometer.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es soll erkannt werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken; es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Systems zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Draufsicht auf eine durch das System nach 1 implementierte Fahrzeugbremsscheibe;
3 eine verbesserte Bremsscheibe, die mit dem System nach 1 gemäß einer Ausführungsform hergestellt worden ist;
4 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit dem System nach 1 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung schaffen Systeme und Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit. Die Systeme und Verfahren umfassen Erwärmen mittels Laser eines Zielabschnitts der Bremsscheibe, die Gusseisen umfasst, so dass der Zielabschnitt austenitisches Eisen umfasst. Die Systeme und Verfahren beinhalten ferner Kühlen des Zielabschnitts, um den laserbehandelten Abschnitt in der Masse abzuschrecken, so dass sich das austenitische Eisen in Martensit mit verbesserter Härte und Steifigkeit umwandelt.
1 stellt ein System 10 zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in den 1-2 gezeigt ist, umfasst das System 10 eine Fahrzeugbremsscheibe 12. Die Bremsscheibe 12 umfasst eine Basis (oder einen Scheibenabschnitt) 14 mit einer ersten Seite 16 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 18, die aus Eisen (Fe) besteht. Ein Kern 19 ist für die Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Radnabe koaxial drehbar an der Basis 14 befestigt. Gemäß dieser Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Seite 16, 18 der Basis 14 eine Außenfläche 20 mit einem Zielabschnitt 22. Es soll erkannt werden, dass der Zielabschnitt 22 irgendeinen Abschnitt der Außenfläche 20 enthalten kann, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Gemäß diesem Beispiel ist der Zielabschnitt 22 ein ganzer Bereich der Außenfläche 20 der Basis 14.
Wieder in 1 umfasst das System 10 ferner eine Reinigungseinheit 24, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe 12 zu reinigen, um eine Verunreinigung von ihr zu entfernen. Das heißt, die Bremsscheibe 12 wird gereinigt, so dass eine Verunreinigung (Öle, eine Ablagerung, ein Rückstand) auf ihr verhindert oder minimiert wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Reinigungseinheit 24 dafür ausgelegt, ein Lösungsmittel auf die Bremsscheibe 12 aufzutragen, um eine Verunreinigung von ihr zu entfernen. Es soll erkannt werden, dass irgendein geeignetes Lösungsmittel verwendet werden kann, um die Bremsscheibe 12 zu reinigen, wie z. B. ein Plasma oder irgendein in der Technik bekanntes Lösungsmittel, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Reinigungseinheit 24 ist ferner dafür ausgelegt, die Bremsscheibe 12 nach dem Auftragen des Lösungsmittels auf sie zu trocknen. Es soll erkannt werden, dass irgendein geeignetes Trocknungsverfahren verwendet werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Überdies umfasst das System 10 eine Lasereinheit 30 mit einem Laserwerkzeug, das dafür ausgelegt ist, einen Laserstrahl auf den Zielabschnitt 22 zu emittieren und den Zielabschnitt 22 mit dem Laserstrahl mittels Laser selektiv zu erwärmen, so dass der Zielabschnitt 22 Austenit umfasst. Das heißt, das Laserwerkzeug ist dafür ausgelegt, den Zielabschnitt 22 mittels Laser zu erwärmen, um das Gusseisen davon in Austenit umzuwandeln. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Laserstrahl eine Leistung zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W aufweisen, um den Zielabschnitt 22 mittels Laser auf eine Temperatur zwischen 800 Grad Celsius (°C) und 1400 °C zu erwärmen, wodurch ein laserbehandelter Abschnitt definiert wird, der Austenit umfasst und der ein durch den Laserstrahl darauf gebildetes Muster 38 aufweist.
Das Muster 38 kann irgendein geeignetes Muster annehmen, das auf der Außenfläche 20 ausgebildet ist, ohne vom Schutzumfang oder Erfindungsgedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Gemäß diesem Beispiel nimmt das durch den Laserstrahl gebildete Muster mehrere lineare Linien auf dem Zielabschnitt an.
Das Muster kann jedoch ein geschlossenes Muster, ein gepunktetes Muster oder irgendein anderes geeignetes Muster sein.
Bevorzugter kann die Temperatur des Zielabschnitts 22 zwischen 900 °C und 1100 °C liegen und noch bevorzugter 1020 °C betragen. Überdies liegt die Leistung des Laserstrahls bevorzugt zwischen 4800 W und 5200 W. Bevorzugter beträgt die Leistung des Laserstrahls 5000 W.
Gemäß einem Beispiel ist das Laserwerkzeug ein YAG-Festkörperlaser mit einer Laserfleckgröße von 4 mm, einer Leistung von 4800 W, einer Musterfrequenz von 50 Hz, einer Laserstrahlgeschwindigkeit von 900 mm/s und einer Härtungstemperatur von 1020 °C. Es soll erkannt werden, dass andere Laserwerkzeuge verwendet werden können, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das System 10 ferner eine Kühleinheit 32, die dafür ausgelegt ist, den laserbehandelten Abschnitt in der Masse abzuschrecken, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Kühleinheit 32 dafür ausgelegt, den laserbehandelten Abschnitt mit einer Geschwindigkeit von etwa 270 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur in der Masse abzuschrecken, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt (martensitische Umwandlung). Das Abschrecken in der Masse des laserbehandelten Abschnitts auf Umgebungstemperatur definiert einen lasergehärteten Abschnitt 40, der Martensit umfasst (siehe 3). In 3 weist der lasergehärtete Abschnitt 40 das darauf ausgebildete Muster 38 und eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche 20 auf, was die verbesserte Bremsscheibe 34 mit verbesserter Verschleiß- und Verformungsfestigkeit definiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Abschreckgeschwindigkeit zwischen 150 °C und 350 °C pro Sekunde liegen, so dass sich der Austenit in ungehärteten Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt 40 zu schaffen, der Martensit umfasst. Bevorzugt kann die Abschreckgeschwindigkeit zwischen 250 °C und 300 °C pro Sekunde, bevorzugter zwischen 260 °C und 280 °C pro Sekunde liegen. Noch bevorzugter kann die Abschreckgeschwindigkeit 270 °C oder etwa 270 °C pro Sekunde betragen.
Die martensitische Umwandlung findet statt, wenn der Austenit in einem Prozess abgekühlt wird, der als Abschrecken in der Masse bezeichnet wird. Es wird erkannt, dass nach dem Erwärmen mittels Laser die nicht erwärmte Masse, die den Zielabschnitt 22 umgibt, den Zielabschnitt 22 abkühlt oder „in der Masse abschreckt“, um einen Temperaturabfall auf Umgebungstemperatur zu verursachen. Der Temperaturabfall fängt Kohlenstoffatome innerhalb der Kristallstrukturen der Eisenatome ein. Im Ergebnis findet eine martensitische Umwandlung statt, bei der sich die Kristallstrukturen ändern, was die Härte und Steifigkeit des Materials verbessert.
Optional kann das System eine Heizeinheit enthalten, die eine Wärmequelle, wie z. B. einen Ofen oder einen Laser, aufweist. Nach dem Abschrecken in der Masse ist die Heizeinheit dafür ausgelegt, den lasergehärteten Abschnitt 40 zu erwärmen, so dass sich der Martensit des lasergehärteten Abschnitts 40 in angelassenen Martensit umwandelt. Gemäß einem Beispiel kann der lasergehärtete Abschnitt 40 auf zwischen 200 °C und 600 °C erwärmt werden. Bevorzugter wird der lasergehärtete Abschnitt 40 auf etwa 400 °C erwärmt. Es soll erkannt werden, dass irgendeine geeignete Heizquelle verwendet werden kann, um den lasergehärteten Abschnitt 40 zu erwärmen, um dessen Martensit in angelassenen Martensit umzuwandeln, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
In 1 umfasst das System 10 ferner einen Controller 42, der mit der Reinigungseinheit 24, der Lasereinheit 30 und der Kühleinheit 32 in Verbindung steht.
Der Controller 42 ist konfiguriert, die Reinigungseinheit 24, die Lasereinheit 30 und die Kühleinheit 32 zu steuern. Überdies umfasst das System 10 ferner eine Leistungsquelle 44, die konfiguriert ist, die Reinigungseinheit 24, die Lasereinheit 30, die Kühleinheit 32 und den Controller 42 mit Leistung zu versorgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das System 10 eine (nicht gezeigte) Robotereinheit umfassen, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe 12 zu und von der Reinigungseinheit 24, der Lasereinheit 30 und/oder der Kühleinheit 32 zu bewegen. Die Robotereinheit kann irgendeine geeignete Robotervorrichtung sein, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe 12 zu und von der Reinigungseinheit 24, der Lasereinheit 30 und/oder der Kühleinheit 32 zu bewegen, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Einheiten des Systems 10 dafür ausgelegt sein, in Fertigungskommunikation miteinander zu stehen. Die Einheiten können z. B. über eine sich bewegende Fördervorrichtung 46 miteinander in Verbindung stehen, so dass die Bremsscheibe 12 durch die Robotereinheit auf der Fördervorrichtung 46 in der Reinigungseinheit 24 angeordnet werden kann. Nach der Reinigung kann die Bremsscheibe 12 über die Fördervorrichtung 46 von der Reinigungseinheit 24 zur Lasereinheit 30 transportiert werden. Nach dem Erwärmen kann die Bremsscheibe 12 über die Fördervorrichtung 46 (oder die Robotereinheit) von der Lasereinheit 30 zur Kühleinheit 32 bewegt werden. Nach dem Abkühlen kann die Bremsscheibe 12 über die Robotereinheit (oder manuell von Hand) von der Kühleinheit 32 zu einem Bearbeitungsbereich oder einem Prüfbereich bewegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System 10 ferner eine (nicht gezeigte) Oberflächenhärtungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe 12 mit ferritischem Nitrocarburieren (FNC) zu behandeln, um eine in die Außenfläche 20 diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit zu bilden. FNC ist ein Einsatzhärtungsprozess, der verwendet wird, um eine harte, verschleißfeste Oberfläche auf den meisten Gusseisenarten zu erzeugen. Der FNC-Prozess beinhaltet Diffundieren von Stickstoff und Kohlenstoff in Eisenmetallabschnitte. Der Prozess kann verwendet werden, um die Verschleiß- und Ermüdungseigenschaften zu verbessern und um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Beispielhafte FNC-Prozesse können in den U.S.-Patenten 8,287,667 und 9,651,105 gefunden werden, deren Inhalte hier durch Bezugnahme insgesamt mit aufgenommen sind.
4 stellt ein Verfahren 110 zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit über das System 10 nach 1 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung dar. Wie gezeigt ist, umfasst das Verfahren 110 im Kasten 112 Bereitstellen einer Fahrzeugbremsscheibe 12 (2). Die Bremsscheibe 12 umfasst eine Basis (oder einen Scheibenabschnitt) 14 mit einer ersten Seite 16 und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 18, die aus Eisen (Fe) besteht. Ein Kern 19 für die Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Radnabe ist koaxial drehbar an der Basis 14 befestigt. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Basis 14 eine Außenfläche 20 mit einem Zielabschnitt 22. Es soll erkannt werden, dass der Zielabschnitt 22 irgendeinen Abschnitt der Außenfläche 20 enthalten kann, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Gemäß diesem Beispiel ist der Zielabschnitt 22 ein ganzer Bereich der Außenfläche 20 der Basis 14.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst das Verfahren 110 im Kasten 114 das Reinigen der Bremsscheibe 12, um eine Verunreinigung darauf zu entfernen. Gemäß diesem Beispiel kann der Reinigungsschritt durch die Reinigungseinheit 24 (1) ausgeführt werden, die dafür ausgelegt ist, die Bremsscheibe 12 zu reinigen, um eine Verunreinigung darauf zu entfernen. Das heißt, die Bremsscheibe 12 wird gereinigt, so dass eine Verunreinigung (Öle, eine Ablagerung, ein Rückstand) auf ihr verhindert oder minimiert wird.
Gemäß einem Beispiel kann der Reinigungsschritt das Auftragen eines Lösungsmittels auf die Bremsscheibe 12 umfassen, um eine Verunreinigung von ihr zu entfernen. Es soll erkannt werden, dass irgendein geeignetes Lösungsmittel verwendet werden kann, um die Bremsscheibe 12 zu reinigen, wie z. B. ein Plasma oder irgendein in der Technik bekanntes Lösungsmittel, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Überdies umfasst der Reinigungsschritt das Trocknen der Bremsscheibe 12 nach dem Auftragen des Lösungsmittels auf diese. Es soll erkannt werden, dass irgendein geeignetes Trocknungsverfahren verwendet werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Überdies umfasst das Verfahren 110 ferner im Kasten 116 das Erwärmen mittels Laser des Zielabschnitts 22 der Außenfläche 20 mit einem Laserstrahl mit einer Leistung zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W auf eine Temperatur zwischen 800 Grad Celsius (°C) und 1400 °C, was einen laserbehandelten Abschnitt definiert, der Austenit umfasst. Der laserbehandelte Abschnitt weist ein durch den Laserstrahl auf ihm gebildetes Muster 38 auf. Bevorzugt liegt die Temperatur des Zielabschnitts 22 zwischen 900 °C und 1100 °C. Bevorzugter beträgt die Temperatur des Zielabschnitts 22 1020 °C.
Gemäß diesem Beispiel kann der Schritt des Erwärmens mittels Laser durch die Lasereinheit 30 (1) ausgeführt werden, die ein Laserwerkzeug aufweist, das dafür ausgelegt ist, einen Laserstrahl auf den Zielabschnitt 22 zu emittieren und den Zielabschnitt 22 mit dem Laserstrahl selektiv mittels Laser zu erwärmen. Wie erörtert worden ist, ist das Laserwerkzeug dafür ausgelegt, den Laserstrahl auf den Zielabschnitt 22 zu emittieren und den Zielabschnitt 22 selektiv mit einer gewünschten Leistung, wie z. B. zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W, mittels Laser zu erwärmen, um den Zielabschnitt 22 auf Wunsch, wie z. B. zwischen 800 Grad Celsius (°C) und 1400 °C, zu erwärmen, was einen laserbehandelten Abschnitt 40 definiert, der Austenit umfasst und der das auf ihm ausgebildete Muster 38 aufweist. Andere Leistungsbereiche und Temperaturbereiche können verwendet werden, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Gemäß einem Beispiel kann das Laserwerkzeug ein YAG-Festkörperlaser mit einer Laserfleckgröße von 4 mm, einer Leistung von 4800 W, einer Musterfrequenz von 50 Hz, einer Laserstrahlgeschwindigkeit von 900 mm/s und einer Härtungstemperatur von 1020 °C sein. Es soll erkannt werden, dass andere Laserwerkzeuge verwendet werden können, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Gemäß einem Beispiel weist der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 6000 mm/s und 12.000 mm/s auf. Vorzugsweise weist der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 8000 mm/s und 10.000 mm/s auf. Überdies kann die Leistung des Laserstrahls zwischen 4800 W und 5200 W liegen. Bevorzugter kann die Leistung des Laserstrahls 5000 W betragen.
In 4 umfasst das Verfahren 110 im Kasten 120 das Abschrecken in der Masse des laserbehandelten Abschnitts auf Umgebungstemperatur mit einer Abschreckgeschwindigkeit zwischen 150 °C und 350 °C pro Sekunde, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt 40 zu schaffen, der Martensit enthält. Bevorzugt kann die Abschreckgeschwindigkeit zwischen 250 °C und 300 °C pro Sekunde, bevorzugter zwischen 260 °C und 280 °C pro Sekunde liegen. Noch bevorzugter kann die Abschreckgeschwindigkeit 270 °C oder etwa 270 °C pro Sekunde betragen, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt 40 zu schaffen, der Martensit umfasst.
Gemäß diesem Beispiel weist der lasergehärtete Abschnitt 40 das auf ihm ausgebildete Muster 38 und eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche 20 auf, was die verbesserte Bremsscheibe mit verbesserter Verschleiß- und Verformungsfestigkeit definiert. Bevorzugt liegt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 zwischen etwa 30 Mikrometern und etwa 50 Mikrometern. Bevorzugter beträgt die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 40 Mikrometer oder etwa 40 Mikrometer.
Optional kann das Verfahren nach dem Abschrecken in der Masse das Erwärmen des lasergehärteten Abschnitts 40 enthalten, so dass der lasergehärtete Abschnitt 40 angelassenen Martensit umfasst. Das Erwärmen des lasergehärteten Abschnitts kann durch die oben erörterte Heizeinheit, wie z. B. einen Ofen oder einen Laser, ausgeführt werden. Wie oben erwähnt worden ist, kann der lasergehärtete Abschnitt 40 auf zwischen 200 °C und 600 °C erwärmt werden. Bevorzugter wird der lasergehärtete Abschnitt 40 auf etwa 400 °C erwärmt. Es soll erkannt werden, dass irgendeine geeignete Heizquelle verwendet werden kann, um den lasergehärteten Abschnitt 40 zu erwärmen, um dessen Martensit in angelassenen Martensit umzuwandeln, ohne vom Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Gemäß einem Beispiel dieses Aspekts kann das Verfahren 110 ferner das ferritische Nitrocarburieren (FNC) der Außenfläche 20 der Bremsscheibe umfassen, um eine in sie diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit zu bilden. Gemäß diesem Beispiel ist eine Oberflächenhärtungseinheit nach 1 implementiert. Wie erörtert worden ist, ist die Oberflächenhärtungseinheit dafür ausgelegt, die Bremsscheibe mit ferritischem Nitrocarburieren zu behandeln, um eine in die Außenfläche 20 diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit zu bilden.
Wie bekannt ist, ist FNC ein Einsatzhärtungsprozess, der verwendet wird, um eine harte, verschleißfeste Oberfläche auf den meisten Gusseisen zu erzeugen. Der FNC-Prozess beinhaltet das Diffundieren von Stickstoff und Kohlenstoff in Eisenmetallabschnitte. Der Prozess kann verwendet werden, um die Verschleiß- und Ermüdungseigenschaften zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Beispielhafte FNC-Prozesse sind in den US-Patenten 8,287,667 und 9,651,105 zu finden, deren Inhalte hier durch Bezugnahme hier insgesamt mit aufgenommen sind.
Mit dem System 10 nach 1, das das Verfahren 110 nach 4 implementiert, wird eine verbesserte Bremsscheibe 34 mit verbesserter Verschleißfestigkeit in 3 geschaffen. Wie gezeigt ist, umfasst die verbesserte Bremsscheibe 34 die Bremsscheibe 12, die die Basis 14 umfasst, die Eisen (Fe) umfasst. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Basis 14 die Außenfläche 20 mit dem lasergehärteten Abschnitt 40 mit einem Muster 38 darauf. Der lasergehärtete Abschnitt 40 umfasst Martensit und weist eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche 20 auf, was die verbesserte Bremsscheibe 34 mit erhöhter Verschleißfestigkeit definiert. Weiterhin kann die äußere Oberfläche 20 eine ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit umfassen.
Es soll erkannt werden, dass die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 variieren kann. Die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 kann z. B. zwischen etwa 30 Mikrometern und etwa 50 Mikrometern liegen. Bevorzugter kann die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 40 Mikrometer oder etwa 40 Mikrometer betragen.
Es soll erkannt werden, dass der hier verwendete Begriff „etwa“ bis zu ±10 % des Wertes des Parameters bedeutet. Etwa 270 °C kann z. B. einen Bereich zwischen 243 °C und 297 °C enthalten. Gemäß einem weiteren Beispiel kann etwa 40 Mikrometer einen Bereich zwischen 36 Mikrometern und 44 Mikrometern enthalten.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhafter Art, wobei Variationen, die nicht vom Hauptpunkt der vorliegenden Offenbarung abweichen, sich innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung befinden sollen. Derartige Variationen sind nicht als eine Abweichung vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8287667 [0048]
US 9651105 [0048]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Fahrzeugbremsscheibe mit verbesserter Verschleißfestigkeit, das umfasst: Bereitstellen einer Fahrzeugbremsscheibe, die eine aus Eisen (Fe) bestehende Basis umfasst, wobei die Basis eine Außenfläche mit einem Zielabschnitt umfasst; Reinigen der Bremsscheibe, um eine Verunreinigung darauf zu entfernen; Erwärmen mittels Laser des Zielabschnitts der Außenfläche mit einem Laserstrahl mit einer Leistung zwischen 4000 Watt (W) und 9000 W auf eine Temperatur zwischen 800 Grad Celsius ( °C) und 1400 °C, Definieren eines laserbehandelten Abschnitts, der Austenit umfasst und ein darauf durch den Laserstrahl gebildetes Muster aufweist; und Abschrecken in der Masse des laserbehandelten Abschnitts auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 270 Grad Celsius pro Sekunde, so dass sich der Austenit in Martensit umwandelt, um einen lasergehärteten Abschnitt zu schaffen, der Martensit umfasst, wobei der lasergehärtete Abschnitt das darauf gebildete Muster und eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern der Außenfläche aufweist, was die verbesserte Bremsscheibe mit verbesserter Verschleiß- und Verformungsfestigkeit definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das ferritische Nitrocarburieren der Außenfläche der Bremsscheibe umfasst, um eine in sie diffundierte ferritische nitrocarburierte Eisennitridverbindung für die Korrosionsbeständigkeit zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Zielabschnitts zwischen 900 °C und 1100 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Zielabschnitts 1020 °C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 6000 mm/s und 12.000 mm/s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl eine Lasergeschwindigkeit zwischen 8000 mm/s und 10.000 mm/s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistung des Laserstrahls zwischen 4800 W und 5200 W liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistung des Laserstrahls 5000 W beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des lasergehärteten Abschnitts zwischen 30 Mikrometern und 50 Mikrometern liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des lasergehärteten Abschnitts 40 Mikrometer beträgt.