DE202018107169U1

DE202018107169U1 - Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder Bremstrommel für eine Trommelbremse oder Kupplungsscheibe für eine Kupplung, Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung und Verwendung einer Beschichtung

Info

Publication number: DE202018107169U1
Application number: DE202018107169.6U
Authority: DE
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-01-02
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: KR20210100711A; JP2022512136A; WO2020120745A1; CN113260730A; EP3894610A1; US20210396291A1

Abstract

Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, aufweisendeine erste Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% Wolframcarbid oder andere Carbide enthält undeine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbid-haltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-% bis 94 Gew.-% Wolframcarbid enthält, wobeidie erste und die zweite Schicht thermisch gespritzte Schichten sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben sowie eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder eine Bremstrommel für eine Trommelbremse oder eine Kupplungsscheibe für eine Kupplung, ferner eine Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung und abschließend die Verwendung einer Beschichtung.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Scheibenbremsanlagen bestehen unter anderen aus rotierenden Scheiben, meistens aus Gusseisen, Stahl oder Leichtmetallen. Diese Scheiben („Bremsscheiben“) verschleißen durch den Bremsvorgang, wobei die Materialbeschaffenheit der Reibbeläge („Bremsbeläge“) eine Rolle spielt. Je mehr keramische Füllstoffe diese haben, umso höher ist im Allgemeinen der Verschleiß der Reibfläche der Bremsscheibe. Daher enthalten Bremsbeläge meistens mehr metallische als keramische Füllstoffe. Aus Gründen der Haltbarkeit von Bremsbelägen und aus Gründen der Reduzierung der Emissionen von beim Bremsvorgang entstehendem metallhaltigem Staub wird versucht, den Keramikanteil in Bremsbelägen so weit wie möglich zu erhöhen, was jedoch zu Lasten der Lebensdauer der Bremsscheibe als Reibpartner geht, die dadurch entsprechend höheren Reibverschleiß erfährt. Aus diesem Grunde ist es Stand der Technik, Bremsscheiben mit verschleißmindernden Beschichtungen zu versehen.
Als erfolgversprechende Beschichtungswerkstoffe sind solche bekannt, welche einen hohen Anteil Wolframcarbid (WC) enthalten. Diese Beschichtungen werden mittels des Verfahrens des Thermischen Spritzens, meistens mittels des HVOF-Verfahrens („High Velocity Oxygen Fuel“, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen), aufgebracht. Der Anteil von WC ist hauptsächlich bestimmend für den Verschleißwiderstand. Weitere Bestandteile (6 bis 80%) sind typischerweise hauptsächlich Metalle der Gruppe Fe, Co, Ni und Cr sowie deren Legierungen und deren Karbide. In seltenen Fällen können auch weitere Metalle enthalten sein, etwa Al, Mo, Cu, Mn, B oder Si. Die Beschichtungen enthalten infolge der metallurgischen Veränderungen beim thermischen Spritzen zusätzlich Anteile an M6C-Karbiden und/oder Oxiden, z.B. Cr-Oxid, seltener auch W2C. Der Gewichtsanteil an Wolframkarbid im Beschichtungswerkstoff (also im Spritzpulver, welches zur Beschichtung verwendet wird) beträgt zwischen 20 und 94%.
Beachtenswert ist, dass Beschichtungen aus WC-haltigen Beschichtungswerkstoffen wesentlich niedrigere thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, als Werkstoffe auf Fe- oder Al-Basis. Je mehr WC enthalten ist, desto geringer ist i.a. der thermische Ausdehnungskoeffizient. Da jedoch z.B. Bremsscheiben zyklisch thermisch belastet werden und sogar dem Thermoschock widerstehen müssen, kommt es im Einsatz beim Temperaturwechsel zu Spannungen zwischen der Bremsscheibe und deren Beschichtung, so dass die letztere rissig werden kann oder sogar abplatzt und mithin ihre Funktion verliert. Wolframkarbid weist ein Elastizitätsmodul von ca. 700 GPa auf, während Werkstoffe auf Eisenbasis im Bereich von ca. 200 GPa liegen. Dies kann bei Temperaturwechsel zum Aufbau erheblicher Spannungen zwischen Beschichtung und Bremsscheibe führen.
Eine weitere Anforderung an die Bremsscheibenbeschichtung ist, dass sie im Gebrauch keine Risse hat, welche bis zur Bremsscheibe herunterführen. Solche Risse (oder auch durchgehend verbundene Porosität) führen zur Spaltkorrosion, insbesondere unter dem Einfluss von Chloridionen die aus Streusalzeinsatz stammen können. Die bekannten WC-haltigen Beschichtungswerkstoffe genügen daher nicht den vorgenannten Anforderungen an den Korrosionsschutz z.B. einer Bremsscheibe. Aus Gründen des notwendigen Korrosionsschutzes ist es Stand der Technik, die Bremsscheibe vor der Beschichtung galvanisch mit Ni zu beschichten, bevor sie mittels des HVOF-Verfahrens mit einem WC-haltigem Beschichtungswerkstoff beschichtet wird. Allerdings handelt es sich beim Galvanisieren um einen aufwendigen, zusätzlichen Fertigungsschritt in einer anderen Fertigungslinie, verbunden mit Waschen, Trocknen, Transport und Handhabung. Das sinnvolle Werkstoffspektrum der galvanischen Beschichtung ist zudem sehr eingeschränkt und beschränkt sich auf Nickel und Kupfer. Ferner stehen galvanisch abgeschiedenen Beschichtung oft unter Zugspannungen, was in diesem Fall wegen der Rissneigung ungünstig ist.
Mit den bekannten thermischen Spritzverfahren, Beschichtungswerkstoffen und Beschichtungssystemen lässt sich momentan keine Reibschutz-Beschichtung erzeugen, die gleichzeitig allen Anforderungen gerecht wird. Insbesondere keine, die effizienten Reibschutz bietet, haltbar ist, eine hohe Temperaturwechsel- und Thermoschockbeständigkeit aufweist, sowie zuverlässig vor Korrosion schützt und somit Spaltkorrosion verhindert.
Aufgabe und Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es eine Aufgabe und ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine leistungsfähige Beschichtung für tribologisch belastete Bauteile, insbesondere für Bauteile im Automobilbereich vorzusehen, welche die Bauteile vor Reibverschleiß und Korrosion schützt, deren Standzeit verlängert und welche selbst besonders haltbar ist. Eine weitere Aufgabe und ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung sind das Bereitstellen entsprechender Bauteile mit der vorteilhaften Beschichtung und das Bereitstellen von Systemen, die solche Bauteile enthalten und abschließend die Verwendung der Beschichtung zum Beschichten solcher Bauteile.
Liste der Zeichnungen
1 zeigt eine mikroskopische Querschnittsaufnahme in Schichtdickenrichtung (Maßstabsbalken ca. 51 µm lang) der ersten Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung.
Beschreibung der Erfindung
Die obigen Aufgaben werden gelöst und die obigen Ziele erreicht, durch die Gegenstände der unabhängigen und nebengeordneten Schutzansprüche, wobei die abhängigen Schutzansprüche optionale Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen definieren.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Beschichtung insbesondere geeignet für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben aber nicht darauf beschränkt, mit einer ersten, vorzugsweise inneren Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% (Gewichtsprozent) Härteträger, insbesondere Wolframcarbid (WC) oder andere Carbide oder Oxide enthält und einer zweiten, vorzugsweise äußeren Schicht, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbid-haltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-%, bevorzugt 40 Gew.-% bis 94 Gew.-%, bevorzugt bis 90 Gew.-% Wolframcarbid (WC) enthält, wobei die erste und die zweite Schicht thermisch gespritzte Schichten sein können und es bevorzugt sind. Anzumerken ist, dass beliebige Kombinationen obiger Bereichsgrenzen von der vorliegenden Offenbarung mit umfasst sind, beispielsweise auch WC-Gehaltsbereiche von 20 bis 40 Gew.-% oder 40 bis 90 Gew.-% und so weiter.
Als „Beschichtung“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Materialsystem zu verstehen das auf die Oberfläche, insbesondere die Reibflächen eines Grundkörpers flächig, bevorzugt vollflächig d.h. auf der gesamten Reibfläche aufgebracht wird, um diese zu bedecken. Der Grundkörper kann beispielsweise durch eine Automobil-Scheibenbremse, eine Automobil-Bremstrommel oder eine Automobil-Kupplungsscheibe gebildet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf dem Grundkörper zuerst die erste Schicht aufgebracht, die damit eine innere Schicht ist und darüber und darauf die zweite Schicht aufgebracht, die damit eine äußere Schicht ist, die mit dem Reibpartner z.B. dem Bremsbelag bei einer Scheibenbremse oder der Bremsbacke einer Trommelbremse oder der Mitnehmerscheibe in einer Reibungskupplung in Kontakt kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtung insgesamt nur aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht und optional ferner noch aus der unten beschriebenen dritten Schicht. Mithin ist die erfindungsgemäße Beschichtung bevorzugt zweilagig oder optional dreilagig.
Der „metallbasierte Werkstoff“ als Bestandteil der ersten Schicht ist zu verstehen als ein Werkstoff, der überwiegend durch ein Metall bzw. eine metallische Legierung gebildet wird d.h. diese den Grundwerkstoff bzw. die Hauptkomponente bilden. Das Metall bzw. die Legierung kann dabei die Matrix für die Einlagerung von eventuell vorhandenen Carbiden, insbesondere Wolframcarbid, als Härteträger oder Oxiden bilden und ist somit die Hauptkomponente/Grundwerkstoff des metallbasierten Werkstoffes. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Gehalt von Carbiden und/oder Oxiden in dem metallbasierten Werkstoff auf einen Maximalgehalt von einschließlich 20 Gew.-% beschränkt, wobei beliebige kleinere Werte mit umfasst sind, sowie ein Gehalt von 0 Gew.-%. Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, dass der Gehalt von Härteträgern, insbesondere von gezielt zugegebenen Härteträgern, beispielsweise Wolframcarbid und/oder Chromcarbid (CrC) und/oder Siliziumcarbid (SiC), auf einen Maximalgehalt/Maximalwert von einschließlich 20 Gew.-% in dem metallbasierten Werkstoff beschränkt ist. Demnach kann der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht optional und besonders bevorzugt auch carbidfrei bzw. oxidfrei bzw. hartstofffrei sein und besteht dann ausschließlich aus einem Metall oder einer Legierung ohne bewusst zugesetzte und funktional wirkende Härteträger ausgenommen sich unvermeidbar bildende Härteträger, die eher als Verunreinigung anzusehen sind. Bevorzugt ist, dass sich die Gehalte des Grundwerkstoffs des metallbasierten Werkstoffes (z.B. Metall oder Legierung) und von Carbiden und Oxiden sowie unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 Gew.-% aufaddieren. Ferner ist anzumerken, dass die erwähnten Oxide beispielsweise während des thermischen Spritzens automatisch entstehen oder von Zumischungen aus Aluminiumoxid oder Chromoxid stammen.
Der „Wolframcarbid-haltige Werkstoff“ der zweiten Schicht ist zu verstehen als ein Werkstoff, der neben Wolframcarbid noch zumindest eine weitere Komponente in Form eines Metalls oder einer metallischen Legierung aufweist. Je nach Gehalt des Wolframcarbids kann die zweite Komponente die Hauptkomponente oder die Nebenkomponente des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffes darstellen. Optional ist angedacht, dass die zweite Komponente als werkstoffliche Matrix für den Härteträger Wolframcarbid dient. Ebenfalls umfasst von der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist, dass die zweite Schicht optional anstelle des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffs bevorzugt einen anderen Carbid-haltigen Werkstoff und ferner bevorzugt einen Hartstoff-haltigen Werkstoff aufweist bzw. daraus besteht. Bevorzugt ist, dass sich die Gehalte des Wolframcarbids oder des Hartstoffes allgemein und der weiteren Komponente sowie unvermeidbarer Verunreinigungen zu 100 Gew.-% aufaddieren. Im Rahmen dieser Offenbarung, wird der Wolframkarbidgehalt (WC) in Beschichtungswerkstoffen und Beschichtungen wie folgt bestimmt: 94 Gewichtsteilen Wolfram werden rechnerisch 6 Gewichtsteile Kohlenstoff zugeordnet. Die Summe beider errechneter Gewichtsteile ergibt den prozentualen WC-Gehalt im Spritzwerkstoff bzw. in der Beschichtung. Eventuell überschüssiger Kohlenstoffgehalt wird beispielsweise Chrom oder Silizium des metallbasierten Werkstoffes zugeordnet, welche in diesem Falle zumindest teilweise als Karbid vorliegen würden. Der gewählte Gehaltsbereich für Wolframcarbid von einschließlich 20 Gew.-% bis einschließlich 94 Gew.-% ist vorteilhaft darin, dass unterhalb von 20% der Verschleißschutz zu gering ist und oberhalb von 94% der Gehalt an metallischer Matrix wiederum zu gering ist, um der Schicht noch genügend Festigkeit zu verleihen.
Die oben beschriebene Beschichtung stellt ein neuartiges, bevorzugt zweilagiges Beschichtungssystem dar. Insbesondere ist dabei angedacht, dass sich die erste und zweite Schicht funktionsspezifisch insbesondere in ihren Carbid- bzw. Wolframcarbidgehalten sowie ihrer Struktur bzw. Mikrostruktur unterscheiden. Darin besteht die erste Schicht überwiegend aus einem metallischen Werkstoff, um plastisch deformierbar zu sein, ohne zu reißen. Die erste Schicht weist also vorzugsweise eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung auf. Der nach oben begrenzte Anteil von Carbiden dient dazu, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht zu niedrig werden zu lassen, und weiterhin plastische Deformierbarkeit zum Spannungsabbau zu ermöglichen. Der Werkstoff der ersten Schicht ist darüber hinaus korrosionsresistent gegenüber Streusalz (NaCl-basiert). Die zweite Schicht hat die Aufgabe, den Verschleißschutz zu gewährleisten, was durch einem im Vergleich zu ersten Schicht teils deutlich erhöhten Anteil an Härteträgern, insbesondere Wolframcarbid erreicht wird. Da die erste Schicht auch den Korrosionsschutz für den beschichteten Grundkörper übernimmt, kann die zweite Schicht Poren und Risse aufweisen, was sogar positiv ist, da dadurch die ausgeübten Spannungen auf die erste Schicht, die als Pufferschicht dient, sowie auf den Grundkörper bei Temperaturwechseln geringer werden. Ferner erhöhen Poren und Risse sogar die Thermoschockfestigkeit der zweiten Beschichtung, was daher relevant ist, da die Möglichkeit besteht, dass z.B. Fahrzeuge mit heißen Bremsscheiben durch Pfützen fahren können und dadurch plötzliche Temperaturänderungen bewirkt werden, die konventionelle Beschichtungen beschädigen können. Letztendlich sind Risse in der zweiten Beschichtung sogar für das Ansprechverhalten der Bremse bei Nässe förderlich. Somit wird durch die zweilagige Beschichtung eine vorteilhafte Entkopplung der beiden Aufgaben „Korrosionsschutz“ und „Vermeiden von Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten“ einerseits und „Verschleißschutz“ andererseits ermöglicht. Die erste Schicht wirkt daher nicht nur als mechanische Pufferschicht, sondern stellt zusätzlich auch eine Barriereschicht dar, welche den beschichteten Grundkörper vor korrosiven Medien abschirmen kann und somit Spaltkorrosion unterdrückt.
Mit Vorteil besteht die erste Schicht aus dem metallbasierten Werkstoff und/oder besteht die zweite Schicht aus dem Wolframcarbid-haltigen Werkstoff. Diese bevorzugte Ausführungsform ist so zu verstehen, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht im Wesentlichen aus nur einem (Verbund-) Werkstoff bestehen. Konkret besteht die erste Schicht damit nur aus dem metallbasierten Werkstoff einschließlich eventuellen, optionalen Carbiden sowie Oxiden darin und die zweite Schicht nur aus dem Wolframcarbid-haltigen Werkstoff einschließlich Matrixmaterial und sind im Wesentlichen frei von anderen Werkstoffen, die in den Schichten ko-existieren könnten. Damit lassen sich die oben beschriebenen positiven Effekte maximieren. Optional lassen sich der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht und der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht auch als Verbundwerkstoffe charakterisieren, da sie aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen nämlich Metall und keramischer Härteträger (z.B. in Partikelform in der metallischen Matrix eingebettet) aufgebaut sein können. Insbesondere die zweite Schicht weist optional einen Cermet-Charakter auf. Mit Vorteil bestehen dann die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils aus dem entsprechenden Verbundwerkstoff.
Das Merkmal „thermisch gespritzte Schicht“ ist vorliegend so zu verstehen, dass bevorzugt die erste und die zweite Schicht durch thermisches Spritzen erhältlich sind oder erhalten werden und thermische Spritzschichten sind. Technologisch handelt es sich bei den so erzeugten Schichten der Beschichtung um Schichten, die konventionell mittels HVOF-, HVAF-, „Cold Spray“ oder „Warm Spray“-Verfahren d.h. hochkinetischen thermischen Spritzverfahren erzeugt wurden. Prinzipiell sind thermische Spritzverfahren in DIN EN 657 (DIN EN 657:2005-06 „Thermisches Spritzen-Begriffe, Einteilung“) beschrieben, wobei die darin gemachten Definitionen zumindest eine allgemein technische Klassifikation der erfindungsgemäßen Schichten bieten und diese mithin technisch von Schichten und Beschichtungen abgrenzen, die durch andere Beschichtungsverfahren erzeugt worden sind.
Die Schutzwirkung der ersten Beschichtung und der Beschichtung insgesamt gegenüber Korrosion kann beispielsweise mit einem Salzsprühtest gemäß ASTM B 117 am Beschichtungssystem überprüft werden. Bevorzugt ist die erste Schicht bzw. die Beschichtung insgesamt derart beschaffen, dass die Beschichtung im Salzsprühtest nach ASTM B 117 eine Lebensdauer von über 1000h aufweist. Diese voreilhafte Eigenschaft ist strukturell bedingt durch die Morphologie der ersten Schicht, welche derart frei von Poren und Rissen, insbesondere durchgängigen, bis zum Grundkörper reichenden Rissen und Poren ist, dass sie praktisch undurchlässig für korrosive Medien ist. Damit wird der beschichtete Grundkörper besonders gut vor Korrosion geschützt. Die erste Schicht fungiert folglich als Barriereschicht.
Mit Vorteil ist die erste (innere) Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung eine im Wesentlichen dichte, poren- und rissfreie Schicht und die zweite Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung kann hingegen in Schichtdickenrichtung durchgängige Risse und Poren aufweisen. Quantitativ sind diese Merkmale funktional zu bestimmen. Riss- und Porenfreiheit umfasst demnach auch eine Schicht in der einige wenige Poren und Risse anzutreffen sind, solange deren Anzahl so niedrig ist, dass die Funktionsfähigkeit der ersten Schicht als Pufferschicht, Barriereschicht und Korrosionsschutzschicht gewährleistet ist. Ähnlich verhält es sich mit eventuell vorhandenen durchgängigen oder offenen Rissen und Poren in der zweiten Schicht, die von ihrer Anzahl und Beschaffenheit so vorgesehen und vorhanden sind, dass sie die obigen Funktionalitäten insbesondere in Bezug auf die Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit der zweiten Schicht bewirken. Eine rissige Schichtstruktur ist in Bezug auf die Temperaturwechselbeständigkeit besonders bevorzugt, da sie aufgrund ihres geringeren Elastizitätsmoduls bei Temperaturwechseln weniger Spannungen auf die erste Schicht und auf die Bremsscheibe ausübt. Wie oben bereits beschrieben, sind Poren und Risse in der entsprechenden Schicht sogar positiv, da dadurch die ausgeübten Spannungen auf die erste Schicht, die als Pufferschicht dient, sowie auf den Grundkörper bei Temperaturwechseln geringer ausfallen. Ferner erhöhen Poren und Risse sogar die Thermoschockfestigkeit der zweiten Schicht, was daher relevant ist, da die Möglichkeit besteht, dass z.B. Fahrzeuge mit heißen Bremsscheiben durch Pfützen fahren können aber die dadurch bewirkten plötzliche Temperaturänderungen der Beschichtung nicht schaden. Letztendlich sind Risse in der zweiten Schicht sogar für das Ansprechverhalten der Bremse bei Nässe förderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtung weist der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni) und/oder Chrom (Cr) auf oder besteht bevorzugt aus Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom. Diese Ausführungsform umfasst neben technisch reinen Metallen auch technische Legierungen der Metalle Eisen, Nickel und Chrom sowie Legierungen dieser Metalle untereinander. Wie oben bereits dargelegt worden ist, bilden diese Metalle oder deren Legierungen die Hauptkomponente des metallbasierten Werkstoffes der ersten Schicht und die werkstoffliche Matrix zur Aufnahme der optionalen Härteträger, beispielsweise von Wolframcarbid oder von Oxiden. Weitere geeignete Werkstoffe für die erste Schicht bzw. deren metallbasierten Werkstoff sind beispielsweise Edelstähle wie AISI 316L, oder FeCr 70/30, oder Edelstähle 1.4562, 1.4306, 1.4462 nach DIN, oder NiCr 80/20 mit 0.5% Si. Aufgrund der gewünschten Resistenz gegenüber Korrosion durch Chloridionen ist es besonders bevorzugt, dass die erste Schicht bzw. der metallbasierte Werkstoff in jedem Falle Crhaltig ist, bevorzugt mindestens 15 Gew.-% an Chrom aufweist oder aus reinem Cr besteht. Ferner kann der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht noch nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweisen. Die obige Werkstoffwahl ist insbesondere vorteilhaft darin, dass die erste Schicht plastisch deformierbar ist, ohne zu reißen und eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung aufweist.
Separat oder mit obigen Ausführungsform kombinierbar, ist es bevorzugt, dass der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und/oder Aluminium (Al) oder Legierungen dieser Elemente aufweist. Diese Ausführungsform umfasst ebenfalls die aufgelisteten Elemente/Metalle in Reinform bzw. technisch rein, sowie als technische Legierungen und auch als Legierungen untereinander. Insbesondere bevorzugt ist eine Fe-Cr-Al Legierung als Bestandteil, d.h. Neben- oder Hauptkomponente in Abhängigkeit des Härteträgergehaltes, des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffes der zweiten Schicht. Der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht kann zudem noch Silizium (Si) und/oder nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweisen.
Mit Vorteil ist die erste Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung bei Raumtemperatur d.h. im Bereich von 18 °C bis 22 °C stabil austenitisch. Dies bedeutet konkret, dass in der Röntgenbeugungsanalyse nur ein kubisch flächenzentriertes Raumgitter gefunden wird und ist vorteilhaft darin, dass dieses Raumgitter mehr Gleitebenen aufweist, also einfacher plastisch zu deformieren ist. Dies führt insbesondere dazu, dass die erste Schicht plastisch deformierbar ist, ohne zu reißen und eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung aufweist. Die erste Schicht kann aber auch nur teilweise oder gar nicht austenitisch sein, je nach Erfordernis der Pufferwirkung.
Die Dicke der ersten Schicht richtet sich nach der aus Sicht des Korrosionsschutzes notwendigen Mindestschichtdicke sowie nach den Erfordernissen des Spannungsabbaus. Die Dicke der zweiten Schicht richtet sich nach den Erfordernissen der erforderlichen Lebensdauer des zu schützenden Bauteils und der benötigten Reibungsbeständigkeit. Daher ist es ferner bevorzugt ist, dass die erste Schicht eine Dicke von 10 µm bis 500 µm aufweist und/oder die zweite Schicht eine Dicke von 15 µm bis 500 µm aufweist. Durch die Wahl dieser Dicken, wird eine optimale Funktionsfähigkeit der Beschichtung insgesamt gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Beschichtung eine dritte Schicht auf, die eine Aluminium- und/oder Zink-haltige Legierung aufweist, bevorzugt aus einer Aluminium- und/oder Zink-haltigen Legierung oder einem Lack besteht und auf der zweiten Schicht aufgebracht ist. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft aus Gründen des Korrosionsschutzes, der nicht mit der Beschichtung versehenen Abschnitte und Bereich des zu schützenden Bauteils (Bremsscheibe, Bremstrommel, Kupplungsscheibe o. Ä.). Daher ist es günstig, das zu schützende Bauteil insgesamt, inklusive der bereits aufgebrachten Beschichtung mit einer weiteren Schicht zu überziehen. An Stellen des Bauteils, wo bereits die erste und zweite Schicht aufgebracht sind, wird somit eine dritte Schicht zur zunächst zweilagigen Beschichtung hinzugefügt, die sich ggf. auch außerhalb der Bereiche mit der ersten und zweiten Schicht erstreckt und den Grundkörper des zu schützenden Bauteils direkt abdeckt. Diese zusätzliche Schicht wird bei der Inbetriebnahme auf der Reibfläche jedoch schnell abgetragen, so dass die zweite (äußere) Schicht wieder hervorkommt. Eine auf Aluminium oder Zink basierende dritte Schicht kann beispielsweise durch Drahtspritzen, thermisches Spritzen oder Tauchbeschichtung aufgebracht werden.
Die vorliegende Erfindung und Offenbarung umfasst ebenfalls, dass die erste und die zweite Schicht nicht auf eine Herstellung mittels thermisch Spritzens beschränkt sind oder nur die erste Schicht eine thermisch gespritzte Schicht ist und die zweite Schicht nicht auf eine Herstellungsart beschränkt ist. Konkret ist Bestandteil dieser Erfindung also auch eine allgemeinere Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, aufweisend eine erste Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% Wolframcarbid oder andere Carbide enthält und eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbid-haltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-% bis 94 Gew.-% Wolframcarbid enthält. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtung, ist die Beschichtung insgesamt durch thermische Spritzverfahren erhältlich, wird bevorzugt dadurch erhalten wird und ist ferner bevorzugt eine thermisch gespritzte Beschichtung. Thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich insbesondere dadurch vorteilhaft aus, dass es kaum zu metallurgischen Wechselwirkungen mit dem zu beschichtenden Substrat kommt und technisch vorteilhafte Druckspannungen in den Beschichtungen realisiert werden können. Verfahrenstechnisch besteht ein Vorteil darin, insbesondere die erste Schicht als auch die zweite Schicht thermisch zu spritzen, dass beide Schichten in einer Aufspannung gefertigt werden können, so dass kein Prozess- und damit Ortswechsel in der Fertigung nötig wird. Anders im Stand der Technik, wo die erste Schicht galvanisch aufgebracht wird, aber die zweite Schicht über ein anderes Fertigungsverfahren. Zudem ist zu beachten, dass thermische Spritzverfahren wesentlich flexibler sind als galvanische Verfahren und sich damit mehr Werkstoffe verarbeiten lassen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung. Bevorzugt werden zumindest die erste und zweite Schicht durch thermisches Spritzen erzeugt. Die erste Schicht wird dann vorzugsweise mittels eines HVAF-Verfahrens („High-Velocity-Air-Fuel“) oder eines „Cold Spray“-Verfahrens (Kaltgasspritzverfahren) aus Metall- oder Legierungspulvern erzeugt, womit die Reibfläche des zu schützenden Bauteils beschichtet wird. Beide Verfahren verfügen über eine ausreichend hohe Spritzgeschwindigkeit, so dass die Schicht entsprechend weitgehend Poren- und Riss-frei ist, auch im Falle relativ dünner Schichten. Zudem ist es möglich, in der ersten Schicht vorteilhafte Druckspannungen zu erzeugen, indem dem Spritzpulver Partikel zugemischt werden, welche beim Spritzvorgang nicht oder kaum abgeschieden werden. Diese Partikel, z.B. Al₂O₃ oder SiC, verdichten beim Aufprall die Schicht zusätzlich, so dass bereits vergleichsweise dünne Schichtdicken zu vollem Korrosionsschutz führen. Die zweite Schicht wird mittels HVOF- oder HVAF-Verfahren erzeugt. Beide Verfahren bilden bekanntermaßen mit guten Abscheideraten Beschichtungen von ausreichend guter Qualität. Das HVAF-Verfahren zeichnet sich durch die mindestens teilweise Verwendung von Luft als Oxidationsmittel aus, wodurch die Partikelgeschwindigkeit beim thermischen Spritzen bedeutend erhöht wird. Beim HVOF-Verfahren wird dagegen Sauerstoff verwendet. Vorzugsweise kann somit die Beschichtung in einer Fertigungslinie und in einer Aufspannung hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist es, sowohl die erste als auch die zweite Schichte mittels des HVAF-Verfahrens herzustellen. Optional können sowohl die erste Schicht wie auch die zweite Schicht durch ein „Warm Spray“-Verfahren (Warmgasspritzen) hergestellt werden. Dieses Verfahren wird beispielsweise von KeeHyun Kim et al. in „Comparison of Oxidation and Microstructure of Warm-Sprayed and Cold-Sprayed Titanium Coatings", Journal of Thermal Spray Technology 2012, 21 (3-4), 550-560 beschrieben. Generell geeignete Spritzsysteme zu Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung und deren Schichten sind beispielsweise M2 und M3 der Firma UniqueCoat (USA) oder AK-06, AK-07 oder C7 der Firma Kermetico (USA).

Ferner ist folgender Spritzparameter für das thermische Spritzen der ersten Schicht mittels des Spritzsystems C7 vorstellbar:

Propan:	173 Nl/min
Luft:	3342 Nl/min
Sauerstoff:	111 Nl/min
Wasserstoff:	11 Nl/min
Fördergas (Stickstoff):	17,6 Nl/min
Spritzabstand:	203 mm
Düse:	5E (275 mm Länge)
Spritzpulver:	Fe Cr29 Ni10 Mo4 C1,8, gasverdüst, 45/11µm
Förderrate Spritzpulver:	4 kg/h

Dem Spritzpulver wird dabei 24 Gew.-% Siliziumkarbid (SiC) <600 mesh zugemischt, um die Schicht zu verdichten. Es wird aufgrund seines hohen Schmelzpunktes jedoch nicht oder nur selten abgeschieden und findet sich daher nicht oder nur kaum in der ersten Schicht. An seiner Stelle können auch andere Oxide oder Karbide, wie Al₂O₃ (z.B. als Schmelzkorund) oder B₄C verwendet werden. Bei der Wahl der Spritzparameter für die zweite Schicht herrscht weitreichende Wahlfreiheit.
Die vorliegende Erfindung und Offenbarung umfasst also ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, d.h., bevorzugt der zuvor beschriebenen Beschichtung, wobei die erste Schicht und/oder die zweite Schicht der Beschichtung durch thermisches Spritzen erzeugt wird/werden. Bevorzugt ist es, dass zumindest die erste Schicht thermisch gespritzt wird/ist und weiter bevorzugt auch die zweite Schicht thermisch gespritzt wird/ist. Bevorzugt ist es, dass dabei die erste Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung auf den Grundkörper bzw. die Reibfläche eines Bauteils durch thermisches Spritzen aufgebracht wird und danach die zweite Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung optional ebenfalls durch thermisches Spritzen auf die erste Schicht aufgebracht wird. Damit entsteht ein zweilagiges Schichtsystem aus zwei haltbar miteinander verbundenen thermischen Spritzschichten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird/werden die erste Schicht der Beschichtung und/oder die zweite Schicht der Beschichtung durch HVOF- oder HVAF- oder „Cold Spray“-Verfahren hergestellt bzw. aufgebracht. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die erste Schicht mittels eines HVAF- oder „Cold Spray“-Verfahrens aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt/aufgebracht wird und die zweite Schicht durch HVOF- oder HVAF-Verfahren aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt bzw. auf die zweite Schicht aufgebracht wird. Dies umfasst die Option, dass für die Herstellung bzw. das Aufbringen der ersten und der zweiten Schicht gezielt verschiedenartige Verfahren gewählt werden, um die verschiedenartigen Eigenschafts- und Anforderungsprofile einzustellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung sind konkrete Anwendungen der oben beschriebenen Beschichtung in allen ihren Ausführungsformen und mit allen ihren Effekten und Vorteilen. Diese Anwendungen stellen somit auch konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.
Folglich umfasst die vorliegende Erfindung eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder eine Bremstrommel für eine Trommelbremse oder eine Kupplungsscheibe für eine Kupplung, mit der vorangehend beschriebenen Beschichtung, wobei die Beschichtung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf den Reibflächen der Bremsscheibe oder der Bremstrommel oder der Kupplungsscheibe aufgebracht ist. Die hier erwähnte Bremsscheibe, Bremstrommel und Kupplungsscheibe beziehen sich bevorzugt auf entsprechende Bauteile, die aus dem automobilen Kontext bekannt sind. Folglich handelt es sich um Bauteile für Kraftfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Motorräder. Ferner umfasst sind Schwungscheiben von Verbrennungsmotoren mit Druckkupplungen und Reibbelägen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind daher die reibbelasteten Bauteile wie Bremsscheiben, Bremstrommeln oder Kupplungsscheiben derart mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen, dass diese ihre vorteilhaften Effekte entfalten kann. Das Grundmaterial oder der Grundkörper der Bauteile bzw. deren zu schützenden Reibflächen bilden die körperliche Basis, auf welcher die Beschichtung aufgebracht wird. Die erste Schicht bildet die innere Schicht und ist vorzugsweise direkt auf dem Grundmaterial bzw. dem Grundkörper aufgebracht. Auf der ersten Schicht ist ferner die zweite Schicht aufgebracht, welche die äußerste Schicht im Falle einer zweilagigen Beschichtung darstellt und mit dem Reibpartner in Kontakt kommt. Optional kann auf der zweiten Schicht noch die oben beschriebene dritte Schicht aufgebracht sein.
Folglich besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass die erste Schicht unmittelbar auf der Reibfläche aufgebracht ist, und die zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht ist und optional die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist. Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind aber auch Bauteile z.B. Bremsscheibe, Bremstrommel, Kupplungsscheibe, die zumindest teilweise, örtlich mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen sind, wobei unbeschichtete Abschnitte und Oberflächen optional zumindest mit der dritten Schicht (Al-, Zn- oder Lackschicht) zum vorrübergehenden Schutz, insbesondere Korrosionsschutz versehen sind.
Neben den oben spezifizierten Einzelbauteilen, sind die Gesamtsysteme in denen diese eingesetzt werden, ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung und Offenbarung. Konkret also eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse oder ein Kupplung bzw. ein Kupplungssystem, welche jeweils passend die Bremsscheibe im Falle einer Scheibenbremse oder die Bremstrommel im Falle einer Trommelbremse oder die Kupplungsscheibe im Falle einer Kupplung wie zuvor beschrieben aufweisen und als Systemkomponente enthalten.
Ein abschließender Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist die Verwendung der zuvor beschriebenen Beschichtung in allen ihren Ausführungsformen und mit allen ihren Effekten und Vorteilen zur Beschichtung von Bremsscheiben für Scheibenbremsen oder zur Beschichtung von Bremstrommeln für Trommelbremsen oder zur Beschichtung von Kupplungsscheiben für Kupplungen, also zur Beschichtung der zuvor beschriebenen, bevorzugt automobilen, Bauteile.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt beispielhaft eine mikroskopische Querschnittsaufnahme der ersten Schicht als Bestandteil der erfindungsgemäßen Beschichtung. Diese wurde mittels eines HVAF-Verfahrens erzeugt. Die dunkelgrauen Bildbestandteile repräsentieren SiC-Partikel als Härteträger bzw. als Carbid 1 in einer aus dem metallbasierten Werkstoff 2 gebildeten Matrix, die durch hellgraue Bildbestandteile repräsentiert wird. Oxide 3, die durch den thermischen Spritzprozess entstanden sind, erscheinen in 1 als mittelgraue Bildbestandteile. Deutlich erkennbar ist, dass die erste Schicht kompakt und dicht ist und in der mikroskopischen Darstellung weder Risse noch Poren aufzeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 657 [0016]
DIN EN 657:2005-06 [0016]
KeeHyun Kim et al. in „Comparison of Oxidation and Microstructure of Warm-Sprayed and Cold-Sprayed Titanium Coatings“, Journal of Thermal Spray Technology 2012, 21 (3-4), 550-560 [0025]

Claims

Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, aufweisend eine erste Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% Wolframcarbid oder andere Carbide enthält und eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbid-haltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-% bis 94 Gew.-% Wolframcarbid enthält, wobei die erste und die zweite Schicht thermisch gespritzte Schichten sind.
Beschichtung gemäß Schutzanspruch 1, wobei die erste Schicht aus dem metallbasierten Werkstoff besteht, und/oder die zweite Schicht aus dem Wolframcarbid-haltigen Werkstoff besteht.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die Beschichtung insgesamt im Salzsprühtest nach ASTM B 117 eine Lebensdauer von über 1000h aufweist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die erste Schicht eine im Wesentlichen dichte, poren- und rissfreie Schicht ist und die zweite Schicht in Schichtdickenrichtung durchgängige Risse und Poren aufweist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom aufweist, bevorzugt aus Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom besteht, und/oder der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht Eisen, Kobalt, Nickel, Chrom und/oder Aluminium oder Legierungen dieser Elemente aufweist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die erste Schicht bei Raumtemperatur stabil austenitisch ist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die erste Schicht eine Dicke von 10 µm bis 500 µm aufweist, und/oder die zweite Schicht eine Dicke von 15 µm bis 500 µm aufweist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, ferner aufweisend eine dritte Schicht, die eine Aluminium- und/oder Zink-haltige Legierung aufweist, bevorzugt aus einer Aluminium- und/oder Zink-haltigen Legierung oder einem Lack besteht, wobei die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist.
Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die Beschichtung insgesamt durch thermische Spritzverfahren erhältlich ist, bevorzugt erhalten wird und ferner bevorzugt eine thermisch gespritzte Beschichtung ist.
Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder Bremstrommel für eine Trommelbremse oder Kupplungsscheibe für eine Kupplung, mit der Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Schutzansprüche, wobei die Beschichtung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf den Reibflächen der Bremsscheibe oder der Bremstrommel oder der Kupplungsscheibe aufgebracht ist.
Bremsscheibe oder Bremstrommel oder Kupplungsscheibe gemäß Anspruch 10, wobei die erste Schicht unmittelbar auf der Reibfläche aufgebracht ist, und die zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht ist und optional die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist.
Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung, aufweisend die Bremsscheibe oder die Bremstrommel oder die Kupplungsscheibe gemäß einem der Schutzansprüche 10 und 11.