DE2744725A1 - Verschleissfeste beschichtung der arbeitsoberflaeche von scheibenfoermigen maschinenteilen aus aluminium oder aluminiumlegierungen - Google Patents

Verschleissfeste beschichtung der arbeitsoberflaeche von scheibenfoermigen maschinenteilen aus aluminium oder aluminiumlegierungen

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Description

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PATENTANWALT
-H
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CH-3965 KtHfU AL-223/1219
4.10.1277 I/J« ^
Ditum Dtte
7erschleis3feste Beschichtung der Arbeitsoberfläche von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder
Alur.iniunle.xierungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verschlei··- feste Beschichtung der Arbeitsoberfläche von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiuulegierungen, sowie deren Verwendung auf Brensscheiben, insbesondere für !Motorräder, oder Kupplungsscheiben.
Nach den bisherigen Stand der Technik ist es üblich, Brems- und Kupplungsscheiben aus Stahl, einen für die gestellten Anforderungen genügend verschleiss- und abriebfesten Material, herzustellen. Es hat sich deshalb erübrigt, für diesen Werkstoff spezielle Oberflächenbehandlungen vorzusehen. Ix Fahrzeugbau wirken sich die verhSltnismässig schweren Bremsscheiben aus Stahl nachteilig aus, weil die ungefedert. Masse gross ist, was sich in einem geringeren Fahrkomfort
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ausdrückt. 3ei Kupplungsscheiben ist eine möglichst r.iedri-Rotationsbewegung gering gehalter, v/erden kann.·
Fahrzeug- bzw. Maschinenbauer sind schon vor einiger Zeit dazu übergegangen, den Werkstoff Stahl durch das wesentlich leichtere Aluminium zu ersetzen. .Mur.iniu.-i ist jedoch gegen Reib-Verschleissbeanspruchur.g v/enig widerstandsfähig, weshalb die Reibflächer, rp.it einen verschleissfesteren Material beschichtet werden müssen. Die Beschichtung von Aluminium nit Stahl zwecks Erhöhung der Ver schleissf estig'-'.eit ist v;ohl erprobt, aber aus wirtschaftlicher. Gründen wieder aufgegebο r. v:ordeη .
Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine verschleissfesto 2eschichtung der Arbeitsober flache von scheibenförmigen .''aschir.er.teilen zu schaffen, wobei diese Maschinenteile ein minimales Gewicht, ein optimales P.eibverhalten, eine ausreichende Lebensdauer und minimale Herstellungskosten haben. Diese beschichteten Maschinenteile, insbesondere Brems- und Kupplungsscheiben, sollen für eine Fertigung in grosstechnischen Stil geeignet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Arbeitsoberflächen der Maschinenteile aus thermisch aufgetragenen Cemetbeschichtungen mit aluminiumhaitiger Metall-
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kcnoor.ente bestehen.
Cernet-'.ierkstoffe haben zwei Komponenten: Eine -kera.mische und eine"metallische. Die erf indungsgcmäss eingesetzten keramischen V.'erkstoffe nüssen hart und verschleissfest sein, wozu sich Metalloxide r.it entsprechenden Eigenschaften vorteilhaft anbieten. Oxidkeramische Materialien, die aus Al3O3, Al 0 +TiO3, Al2O +ZrO2, Cr3O3 oder Al3O3+Cr2O3 besteher., haben ausgezeichnete Resultate erbracht. Die netallische I'omponer.te des Cornets kann sowohl aus Reinaluniniun als auch aus eir.er siliziurrbzw. nagnesiunhaltigen Aluniniup.legierur.g bestehen.
Cermets der beschriebenen Art können unter anderen durch pulvernetallur-jische Verfahren hergestellt v/erden; f'ir das Auftragen von Cernet-Schichten auf Substrate aller Art bieten sich die bekannter, thermischen Spritzverfahren an, wie z.B. Flann- oder Plasmaspritzen.
Bei der Festlegung des Verhältnisses zwischen keramischem und metallischem Anteil des Cernets nuss berücksichtigt werden, dass die keramische Komponente H.'.rte und Verschleißfestigkeit, die metallische Komponente Duktilität und Schlagunempfindlichkeit bewirkt. Bei verschleissfesten /\rbeitsoberflächen hat man das Bestreben, den metallischen Anteil derart zu ninir.alisieren, dans gerade noch die erforderliche
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Duktilität und Schiaguner.piir.dlichkoit erreicht v.'ird. Dies ist der Fall, wenn das Gev.-ichts-Verhältnis Keramik zu ."'.etall zv:ischen 90:10 ur.d 60:40 liegt. Für die vorzugsv;eise verwendete Zusammensetzung der Cerrr.ets ist ein Gewichts-Verhältnis von KeraiTiik zu Metall, das zwischen 55:15 und 75:25 liegt, besonders geeignet. Diese Mischungen zeiyen auch eine genügend hohe Wärmeleitfähigkeit, um die bein Bremsen erzeugte Käme an das Grundmaterial Aluminium weiterleiten zu können.
Vor dem Aufbringen des Cerr.ets kann eine vorzugsweise 10-100 «im dicke Haftschicht aus Aluminium aufgetragen werden, in welcher der Cermet verankert v/ird.
Eine qualitativ hochwertige verschleissfeste Arbeitsoberfläche kann nur erreicht v/erden, wenn beide Komponenten des Cermets beim thermischen Spritzprozess vollständig aufgeschmolzen werden. Die Spritztemperatur ist einerseits dadurch begrenzt, dass die keramische Komponente vollständig aufgeschmolzen werden muss, und anderseits die metallische Komponente nicht verdampfen darf. Das Verdampfen der metallischen Komponente kann verhindert werden, indem eine geeignet grosse Körnung gewählt v/ird, beispielsweise von 20 bis 60 um. Die für das Aufschmelzen der keramischen Komponente notwendige Temperatur wird vorteilhaft mit einer Plasmaspritzapparatur erzeugt. Eine wirtschaftliche Herstellung solcher Erems- bzw. Kupplungsscheiben kann nur dann gev/ähr-
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leistet sein, wenn ein Plasmabrenner mit hoher Spritzleistung zur Verfügung steht. Dazu eignet sich im besonderen Masse ein wasserstabilisierter Plasmabrenner mit 200 kW elektrischer Leistung.
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Wenn bei Bremsscheiben aus Aluminium oder einer Aluminiunlegierung nach bisher üblichen Konstruktionsplänen für Bremsscheiben aus Stahl Löcher angebracht v/erden und nach den oben beschriebenen Verfahren eine Beschichtung aufgebracht v/ird, hat sich gezeigt, dass diese Schicht die auf sie ausgeübten Scherkräfte nicht aushält. Als Folge davon zeigen sich nach verhältnismässig kurzer Zeit Risse in der aufgespritzten Schicht, v/elche von den angebrachten Lüchern ausgehen und in radialer Richtung der Scheibe verlaufen.
Unsere Versuche haben gezeigt, dass diese Rissbildung vor allen auftritt, wenn zv/ei Löcher, die auf einer Radiallinie der Scheibe liegen, einen zu geringen Abstand haben. Ueberraschend hat sich gezeigt, dass dieses Phänomen dor Rissbildung durch eine besondere Anordnung der Löcher vollständig unterdrückt werden kann. Diese Löcher v/erden so angeordnet, dass der Zwischenraum zv/ischen zv/ei Löchern mindestens 6 mm beträgt, und dass die Verbindungsgeraden von zv/ei beliebigen Löchern mit der durch eines der beiden Lochern gehenden Radiallinie einen Winkel von mindestens 3 0 aufweist.
Die Anzahl, die Anordnung und der Durchmesser dieser Löcher dürfen die Festigkeit der Brems- bzw. Kupplungsscheibe nicht nachteilig beeinträchtigen. Im Gegensatz zu der Anordnung liegen die Anzahl und der Durchmesser der ange-
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brachten Löcher durchaus in Rahmen der üblichen Brerasscheiben aus Stahl. Aus wirtschaftliche" Gründen durchsetzen diese Löcher vorteilhaft nicht nur die Arbeitsfläche, sondern die ganze Bremsscheibe.
Anstelle der Löcher können auch höchstens 20 Schlitze angebracht werden, wobei die Achsen der Schlitze nit einer sie schneidenden Radiallinie einen Winkel aufweisen, der vorzugsweise zwischen 30 und 60 liegt. Die Dimensionen (Länge und Breite) dor Schlitze werden dadurch begrenzt, dass die Festigkeit der Bremsscheibe nicht beeinträchtigt v/erden darf. Tn der Praxis haben sich Schlitze nit einer Breite von 4-6 nun und einer Länge, die höchstens die Hälfte der Scheiber.breite ausmacht, gut bewährt.
Nach einen weiteren Merkria 1 der Erfindung werden die scheibenförmigen maschinenteile für Bremsscheiben, insbesondere für Motorräder, oder Kupplungsscheiben, insbesondere in Automobilen, verwendet. Die verschleissfesten Maschinenteile können jedoch auch als Brensscheiben in Maschinen für die spanabhebende Metallbearbeitung, beispielsweise bei Scheibenbremsen von Drehbänken, eingesetzt v/erden.
In Motorrädern eingesetzte Bremsscheiben werden entgegen den Erwartungen nicht so heiss, dass das Aluminium wegschrr.elzen oder zumindest alle Festigkeitseigenschaften
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verlieren würde. Die meisten schwereren I'.otorräder haben zwei Brensscheiben an Vorderrad, bei welchen es sich gezeiyL hat, dass die Luftkühlung so stark ist, dass Aluminiumbremsscheiben selbst bei einer Vollbremsung nicht wärmer als ca. 300 C werden können. Die eingesetzten Aluminiumlegierungen halten diese Wärmebelastungen ohne unerwünschte Festigkeitsverluste aus.
Die erfindungsgenässe Beschichtung genügt den harten Anforderungen an eine Brems- bzw. Kupplungsscheibe,,auch bezüglich Haftung und Schlagunempfindlichkeit. Die Kombination von oxidkeranischer und metallischer Phase bewirkt eine Paarung von hoher Verschleissfestigkeit und hinreichender Duktilität. Sie genügt ausserdem den Anforderungen hoher Korrosionsfestigkeit.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben:
Beispiel 1
Zur Herstellung einer Bremsscheibe wird ein Rohling in Form einer planen Scheibe aus einer warmfesten, korrosionsbeständigen, schmiedbaren Aluminiumlegierung in der erforderlichen Dicke plangedreht. Der Aussendurchmesser dieser 4,5 mm dicken Scheibe beträgt 260 mm, der Innendurchmesser 144 mm.
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In diese Scheibe v/erden je 20 Löcher in einem radialen Abstand von 96. 109 und 122 mm vom Zentrum der Scheibe derart gebohrt, dass je drei Löcher auf einer Geraden liegen, welche mit der Radiallinie durch das innere Loch der Dreiergruppe einen Winkel von 4 0 bildet. Der Durchmesser der angesenkten Löcher beträgt 6 mm. Anschliessend v/ird die plangedrehte Scheibe mit Korund (Körnung 0,2-1,2 mm) sandgestrahlt, bis eine Oberflächenrauhigkeit von min. Sa 2,5 erreicht ist. Die auf einer Achse rotierende Scheibe v/ird gleichzeitig hinten und vorne mit je einer Düse sandgestrahlt.
Anschliessend wird die kalte Scheibe mit einer 200 kW wasserstabilisierten Plasmaspritzpistole beschichtet. Das Spritzmaterial besteht aus 80% Al3O3 (Körnung 15-40yUm) und 20% Reinaluminium (Körnung 20-50
Die aufgespritzte Schichtdicke beträgt ca. 500 um.
Abschliessend wird die Scheibe mit einer keramisch gebundenen Siliziumkarbidscheibe geschliffen.
Beispiel 2
Die Hojhflächo einer raarkLöblichen Kupplungsscheibe mit den /.hr-i.--r.invji..n vm'i 73 cn η 1 ?; .'infiKcrnn und 18 cn als innerem Durci: ι·-·:,:vor vn rrl ·,; t ;'υπ:ϋ:ί (Küirnu-Kj 0,2-1,? , ji) sandye-
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strahlt, bis eine Oberflachenrnuhigke.it von min. Sa 2,5 erreicht ist. Anschliessend v/ird die Scheibe, wie in Beispiel 1 beschrieben, beschichtet und geschl.iffen.
Beispiel 3
Eine Bremsscheibe mit den Dimensionen und Lochnnordnungen genäss Beispiel 1 v/ird mit einem Bunsenbrenner auf eine Temperatur von 180 C vorgewärmt. Dann v/ird mit einer Lichtbogenspritzappr.ratur eine Schicht von 50 xim Aluminium aufgetragen, Anschliessend v/ird die Scheibe nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren beschichtet und geschliffen.
Beispiel 4
Eine Bremsscheibe- mit den Dimensionen und Lochanordnungen genäss Beispiel 1 v/ird mit einem Bunsenbrenner auf eine Temperatur von 180 C vorgewärmt.. Dann v/ird die Scheibe, wie unter Beispiel 1 beschrieben!, beschichtet und geschliffen.
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Claims (10)

Patentansprüche
1. Verschleissfeste Beschichtung der Arbeitsoberfläche vor. scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus thermisch aufgetragenen Cermetbeschichtungen mit aluminiumhaltiger Metallkomponente besteht.
2. Verschleissfeste Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Komponente aus Metalloxiden besteht.
3. Verschleissfeste Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Komponente aus einem Material der Gruppe, gebildet aus Al-O.. ,Α1_0 +TiO_, +ZrO , Cr 0 und Al2O3Kr 0 , besteht.
4. Verschleissfeste Beschichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumhaltige Komponente Reinaluminium, eine siliziumhaltige- o·.;· eine magnesiumhaltige Aluminiumlegierung ist.
5. Verschleissfeste Beschichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichts-Verhältnis der Komponenten Keramik zu Metall zwischen 90:10 und 60:40 liegt.
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11. Verschleissfeste Beschichtung nach den Ansprüchen 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass sie von die Festigkeit der scheibenförmigen Maschinenteile nicht nachteilig beeinflussenden Schlitzen durchsetzt ist, wobei die Achsen der Schlitze mit einer einen Schlitz der Scheibe schneidenden Radiallinie einen Winkel von 30 - 60 aufweisen.
12. Verwendung der verschleissfesten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1-11 bei Bremsscheiben, insbesondere für Motorräder, oder Kupplungsscheiben, insbesondere für Automobile.
FPA-HBr/Ri - 1219 5. 9.1977
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6. Verschleissfeste Beschichtung nach Anspruch 5, dadurc:. gekennzeichnet, dass das Gewichts-Verhältnis Keramik :·· Metall zwischen 85:15 und 75 :25 liegt.
7. Verschleissf este Beschichtung nach einem der Ansprüc!.. 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels Pias:- spritzverfahren aufgetragen ist.
8. Verschleissfeste Beschichtung nach den Ansprüchen 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Grundmaterial und Cermetbeschichtung eine Haftschicht aus Aluminium befindet.
9. Verschleissfeste Beschichtung nach Anspruch 8, dadurc: gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus Aluminium 10 - 100 Jim dick ist.
10. Verschleissfeste Beschichtung nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass sie von die Festigkeit der scheibenförmigen Maschinenteile nicht nachteilig beeinflussenden Löchern durchsetzt ist, welche einen Zwischenraum von mindestens 6 mm und Verbindungsgeraden mit einem Winkel von mindestens 30 zu einer durch ein Loch gehende Radiallinie der Scheibe aufweisen.
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BAD ORIGINAL
DE2744725A 1977-09-07 1977-10-05 Verschleißfeste Beschichtung der Arbeitsoberfläche von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen Expired DE2744725C3 (de)

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