DE10345000B3

DE10345000B3 - Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen und Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE10345000B3
Application number: DE2003145000
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. Füller; Reiner Dipl.-Ing. Heigl (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-09-28

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen wird für deren ringförmige Bremsfläche eine Verschleißschutzschicht vorgesehen, die durch oberflächenseitiges Anschmelzen des Trägermaterials und Vermischen von Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze gebildet und in das Trägermaterial eingebunden wird, wobei der Energieeintrag zum oberflächenseitigen Anschmelzen des Trägermaterials über Lichtwellen, Lichtbogen, Plasma und/oder Elektronenstrahl erfolgt und insbesondere, bevorzugt über einen Laser, als Strahlungsenergie in Form von Lichtwellen auf die anzuschmelzende Oberfläche einwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren der vorgenannten Art (WO 91/10840 A1 wird der Beschichtungswerkstoff in einem Sprürverfahren aufgebracht. Eine metallische Schmelze wird hierzu. einem Sprühkopf zugeführt und mittels desselben bei Beaufschlagung durch ein inaktives, unter hohem Druck stehenden Gas zerstäubt auf die zu beschichtende Bremsfläche aufgetragen, wobei das bezüglich seiner Bremsfläche zu beschichtende Bremsteil sich in einer ansonsten geschlossenen Durchlaufkammer befindet. Zwischen der aufgesprühten Verschleißschutzschicht und dem metallischen Trägermaterial ergibt sich dabei im Wesentlichen nur eine oberflächliche Haftverbindung, bei der die Gefahr von Abplatzungen besteht.

Des Weiteren ist aus der WO 95/01520 A1 ein Beschichtungsverfahren für Bremsflächen von Bremsteilen bekannt, bei dem beim Gießen der Bremsscheibe für den Bremsscheibenkörper eine um die Stärke der Verschleißschichten erweiterte Gießform verwendet wird, in die vor dem Gießvorgang je Bremsfläche ein aus offenporigem Schaum gebildeter, ein- oder mehrteiliger Ringkörper eingelegt wird, dessen Poren sich beim Gießvorgang des Bremskörpers mit dessen Material füllen, wobei als Material für den Bremskörper Stahl-, Gusseisen-, vorzugsweise Kugelgraphit aufweisendes Gusseisen, Grauguss- oder Aluminiumwerkstoff Verwendung findet. Der offenporige Keramikschaum, dessen Poren sich beim Gießvorgang mit diesem Metall füllen, besteht aus einem Keramikwerkstoff, bevorzugt aus einem Siliziumcarbid. Das Aufbringen einer solchen Verschleißschutzschicht mit unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten zum Trägermaterial im Gießverfahren ist im Hinblick auf die Bildung unkontrollierter Risse in der Beschichtung kritisch und damit zerstörungsanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, dass sich eine intensive Haftverbindung zwischen Trägermaterial und Verschleißschutzschicht ergibt, bei der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Trägermaterial und Beschichtung durch eine Mikrorissstruktur ausgeglichen werden.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erreicht, zu dessen Durchführung insbesondere eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 geeignet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt durch das Aufschmelzen des Trägermaterials und die Vermischung der Schmelze mit dem Beschichtungswerkstoff zu einer besonders intensiven Einbindung des Beschichtungswerkstoffes in das Trägermaterial. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Trägermaterial und Beschichtungswerkstoff werden durch eine Mikrorissstruktur ausgeglichen, in der sich neue, im Betrieb gegebenenfalls auch temperaturbedingt entstehende Risse quasi totlaufen.

Die Strahlungsenergie wird durch einen Energiestrahler, insbesondere durch Lichtwellenstrahler, insbesondere Laser, auf gebracht, womit eine sehr feinfühlige Steuerung sowohl der Aufschmelztiefe wie auch der Größe jeweiligen Aufschmelzbereiche möglich ist, so dass sowohl vollflächig wie auch auf gewisse Bereiche der Bremsfläche beschränkt ein Aufbringen der Verschleißschutzschicht möglich ist und insbesondere auch graduell die Verschleißschutzschicht sowohl bezüglich der Aufschmelztiefe wie auch des Eintrags, d. h. des Anteils an Beschichtungswerkstoff variiert werden kann. Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Aufschmelzen des Trägermaterials an der Oberfläche durch Elektronenstrahler; als Energiequelle kommen somit erfindungsgemäß Laser, Lichtbogen, Plasma und/oder Elektronenstrahl in Frage.

Für die Beschichtungsdicke erweist sich dabei eine Größenordnung von etwa 0,5–1 mm als zweckmäßig, und als Beschichtungswerkstoff kommen insbesondere Keramikwerkstoffe (z. B. AL203) in Frage, im Rahmen der Erfindung gegebenenfalls verbunden mit metallischen oder keramischen Zusatzwerkstoffen, über die die tribologischen und/oder thermischen Eigenschaften der jeweiligen Beschichtung variiert werden können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachfolgend mit weiteren Details anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 und 3 beispielhaft verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten zur Ausbildung der Verschleißschutzschicht.
In 1 ist als Bremsteil eine Bremsscheibe 1 gezeigt, und zwar in einer für Kraftfahrzeuge üblichen Form, bei der der rotationssymmetrische, metallische Bremskörper zentral eine topfförmige Nabe 2 und einen über die Nabe 2 im Bereich des Topfrandes getragenen Bremsring 3 aufweist. Der Bremsring 3 weist einander gegenüberliegende Bremsflächen 4 und 5 auf, die, was nicht gezeigt ist, bei Anordnung im Fahrzeug und mitdrehend mit dem jeweiligen Rad, von einer Zuspanneinrichtung übergriffen ist, deren Spannbacken über Bremsbeläge die einander gegenüberliegenden Bremsflächen 4 und 5 beaufschlagen.
Im Ausführungsbeispiel ist veranschaulicht, dass die Bremsscheibe 1 bezüglich ihrer Bremsflächen 4 und 5 eine Verschleißschutzschicht 7, 8 aufweist, wobei die Verschleißschutzschicht 8 auf die Bremsfläche 5 bereits aufgetragen ist und für die Schutzschicht 7 das verfahrensmäßige Vorgehen beim Aufbringen derselben veranschaulicht ist.
Zum Aufbringen der Schutzschicht 7 bzw. 8 ist die Bremsscheibe 1 um ihre Achse 6 rotierend in einer nicht dargestellten Vorrichtung angeordnet, und es umfasst diese Vorrichtung einen Energiestrahler in Form eines Lasers 9, zu dem benachbart eine Düse 10, oder in entsprechender Weise ein Injektor, angeordnet ist. Der Laser 9 ist auf die Bremsfläche 4 des Bremsringes 3 – als mit der Verschleißschutzschicht 7 zu versehendes metallisches Trägermaterial – ausgerichtet und schmilzt das Trägermaterial bei der Beschichtung in einer dünnen Oberflächenzone auf, wobei die Aufschmelztiefe in der Größenordnung von 0,1 mm liegt. Auf die jeweils über den Laser 9 beaufschlagte Fläche wird über die Düse 10, gegebenenfalls geschützt über einen Inertgasmantel, der jeweilige Beschichtungswerkstoff aufgebracht, wobei im Ausführungsbeispiel ein Einblasen dieser Werkstoffpartikel 11 angedeutet ist.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, die entsprechenden Werkstoffpartikel 11 in die bereits aufbereitete Schmelze einzublasen, gegebenenfalls mit entsprechenden Zusatzwerkstoffen einzuspülen oder einzusprühen oder auch den Beschichtungswerkstoff zunächst auf das Trägermaterial aufzubringen und dieses anschließend aufzuschmelzen.
Bezogen auf das Arbeiten in einer Schutzgasatmosphäre kann es zweckmäßig sein, dieses gegebenenfalls über die Düse 10, oder auch gesondert zuzuführen.
Ferner ist es auch möglich, die Bremsscheibe 1 soweit gekapselt unterzubringen, dass eine ausreichende Schutzgasatmosphäre vorgegeben werden kann, gegebenenfalls lediglich verstärkt im eigentlichen Arbeitsbereich durch eine gesonderte Schutzgaszuführung, beispielsweise über die Düse.
Unter Beibehalt der grundsätzlichen Arbeitsweise kann eine ganzflächige Beschichtung der jeweiligen Bremsfläche 4 bzw. 5 vorgenommen werden, es kann das Aufbringen der Verschleißschutzschicht aber auch auf bestimmte Zonen der jeweiligen Bremsflächen beschränkt vorgenommen werden.
Diesbezüglich veranschaulichen 2 und 3 mögliche Muster. So ist in 2 vorgesehen, anstelle einer vollflächigen Verschleißschutzschicht lediglich einen streifenförmigen Auftrag derselben vorzusehen, wobei 2 die Anordnung von ringförmigen Verschleißschutzstreifen 12 zeigt, die konzentrisch zur Achse 6 verlaufen. 3 zeigt demgegenüber Verschleißschutzstreifen 13, die im Wesentlichen radial zur Achse 6 über die jeweilige Bremsfläche 4 verlaufen, wobei die Breite der Verschleißschutzstreifen 13 über dem Radius variieren kann und, wie in 3 gezeigt, bei in Annäherung spi raligem Verlauf der Verschleißschutzstreifen 13 nach radial außen bevorzugt zunimmt.
Neben einer solchen partiellen Beschichtung der jeweiligen Bremsfläche ist es auch möglich, die Verschleißschutzschicht bezüglich der Einlagerung von Beschichtungswerkstoff in die Schmelze über der Fläche zu variieren, so dass beispielsweise zwischen Streifen mit höherem Anteil von in die Schmelze eingetragenem Beschichtungswerkstoff Bereiche liegen, die, bevorzugt bei kontinuierlichem Übergang, einen geringeren Eintrag von Beschichtungswerkstoff in die Schmelze aufweisen. In entsprechender Weise kann auch radial der Eintrag von Beschichtungswerkstoff in die Schmelze variiert werden, so dass sich bezogen auf die Gesamtfläche für die Verschleißschutzschicht eine unterschiedliche Dicke und/oder ein unterschiedlicher Anteil an Beschichtungswerkstoff ergibt, wobei dem Beschichtungswerkstoff zusätzliche metallische oder keramische Zuschlagstoffe beigegeben sein können, über die das tribologische oder thermische Verhalten der Beschichtung variiert werden kann.
Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, durch die Auswahl der Beschichtungswerkstoffe auch auf das Wärmeabfuhrvermögen der Bremsscheibe 1 Einfluss zu nehmen, so beispielsweise dadurch, dass die Beschichtung im Sinne eines schwarzen Strahlers ausgestaltet wird.
Gemäß der Erfindung gestaltete Bremsteile, wie zum Beispiel Bremsscheiben oder Bremstrommeln, zeichnen sich durch Verschleißbeständigkeit, geringes Gewicht sowie günstiges Geräuschverhalten aus, wobei auch letzteres insbesondere durch die Ausgestaltung der Beschichtungsdicke und/oder des Anteils an Beschichtungswerkstoff in der jeweiligen Verschleißschutzschicht Einfluss genommen werden kann. Ferner kann auch das Komfortverhalten bei mit derartigen Bremsteilen ausgestalte ten Bremssystemen verbessert werden, wobei sich insbesordere günstig auswirkt, dass aufgrund der thermischen Stabilität der erfindungsgemäß aufgebrachten und gestalteten Verschleißschutzschicht Reibwertschwankungen minimiert werden können.
Zusammenfassend wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen bereitgestellt, bei dem für deren ringförmige Bremsfläche eine Verschleißschutzschicht vorgesehen wird, die durch oberflächenseitiges Anschmelzen des Trägermaterials und Vermischen von Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze gebildet und in das Trägermaterial eingebunden wird, wobei der Energieeintrag zum oberflächenseitigen Anschmelzen des Trägermaterials über Lichtwellen, Lichtbogen, Plasma und/oder Elektronenstrahl erfolgt und insbesondere, bevorzugt über einen Laser, als Strahlungsenergie in Form von Lichtwellen auf die anzuschmelzende Oberfläche einwirkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen mit ringförmiger Bremsfläche, insbesondere von Bremsscheiben oder Bremstrommeln bildenden Bremsteilen, bei dem die Bremsfläche durch Aufbringen einer einen Beschichtungswerkstoff enthaltenen Verschleißschutzschicht auf ein metallisches Trägermaterial gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial an der Oberfläche durch Strahlungsenergie aufgeschmolzen, der Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze vermischt und so in das Trägermaterial eingebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf das Trägermaterial mittels Lichtwellen eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf das Trägermaterial mittels Lichtbogen eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf das Trägermaterial mittels Plasma eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf das Trägermaterial mittels Elektronenstrahlung eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfläche vollflächig aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfläche bereichsweise aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungswerkstoff in die Schmelze eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungswerkstoff in die Schmelze eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungswerkstoff in die Schmelze eingespült wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial nach Aufbringen des Beschichtungswerkstoffes aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial beim Aufbringen des Beschichtungswerkstoffes aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungswerkstoff ein metallischer Werkstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungswerkstoff ein keramischer Werkstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungswerkstoff ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein metallische und/oder keramische Zusatzstoffe enthaltender Verbundwerkstoff verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahler ein Laser (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser (9) eine Düse (10) zum Einbringen des Beschichtungswerkstoffes zugeordnet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahler ein Lichtbogen-Erzeuger vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahler ein Plasma-Erzeuger vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahler ein Elektronenstrahl-Emitter vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfläche (4, 5) vollflächig mit einer Verschleißschutzschicht (7, 8) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfläche (4, 5) in Teilbereichen mit einer Verschleißschutzschicht (7, 8) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht streifenförmig auf die Bremsfläche aufgebracht ist.