DE3109037A1

DE3109037A1 - Verbundmetallwerkstoff fuer reibungsbremsen

Info

Publication number: DE3109037A1
Application number: DE19813109037
Authority: DE
Inventors: Tomoharu Fujisawa Kanagawa Ashikawa; Takashi Tokyo Shima; Katuro Omiya Saitama Takasawa; Yasuo Kawasaki Kanagawa Takenaka; Shunichi Muroran Hokkaido Tomizuka; Taro Tokyo Tsujimura
Original assignee: Japan National Railways; Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan National Railways; Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1981-03-10
Publication date: 1981-12-24
Also published as: JPS56134089A; US4760900A

Description

':■--. '^: J-.J' O .1 f O. März 1981

Verbundmetallwerkstoff für Reibungsbremsen

Die Erfindung betrifft Misch- bzw. Verbundmetallwerkstoffe mit hoher Warmrißfestigkeit, insbesondere für Bremsscheiben oder -trommeln von Reibungsbremsen, zur Verhinderung einer Rißbildung durch Wärmeeinwirkung ("Wärmeschock") oder thermische Ermüdung infolge der Gleitreibung.

Das Abbremsen eines Fahrzeugs geschieht unter Ausnutzung einer Reibungskraft, die durch den Andruck eines Bremsbelags gegen die Oberfläche einer an einer Achse angebrachten Bremsscheibe erzeugt wird. Während des AbbremsVorgangs steigt die Temperatur der Oberflächenschicht der sich zusammen mit den benachbarten Teilen der Achse mit hoher Drehzahl drehenden Bremsscheibe aufgrund der Reibung zwischen ihr und dem Bremsbelag sehr schnell an.

Für die Herstellung solcher Bremsscheiben wurde bisher verbreitet Grauguß im Hinblick auf seinen stabilen Reibungskoeffizienten und seine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verwendet. Mit der Zunahme der mit modernen Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, erreichbaren hohen Geschwindigkeiten sind die Bremsscheiben zunehmend erschwerten Betriebsbedingungen unterworfen, die zu Warmrissen in ihrer Gleitreibungsfläche führen können. In vielen Fällen kann die Ausbreitung solcher Warmrisse sogar zu einem Bruch der Bremsscheibe führen.

Wenn nämlich ein Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, kann die Temperatur der Oberflächenschicht der Bremsscheibe bei einem Bremsvorgang zeitweilig einen Temperaturbereich erreichen, in welchem eine Erweichung und eine plastische Verformung des die Oberflächenschicht bildenden Werkstoffs auftritt, wobei diese Oberflächenschicht einer thermischen Ausdehnung und einer Druckverformung unter der

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großen, auf sie ausgeübten Druckbelastung unterworfen ist.

Wenn nach dieser schnellen Erwärmung der Bremsscheiben-Oberflächenschicht der Bremsvorgang beendet wird, wird die in dieser Oberflächenschicht erzeugte Wärme unter Abkühlung derselben abgeleitet. Im Verlauf der Abkühlung entsteht jedoch unter dem Einfluß des kühleren Innenteils der Bremsscheibe eine Zugbeanspruchung in der Oberflächenschicht, die bei der hohen Temperatur einer Druckverformung unterworfen worden ist. Aufgrund dieser Zugbeanspruchung können sich Feinrisse bilden. Bei wiederholten Bremsvorgängen wird die Bremsscheiben-Oberflächenschicht wiederholt dem beschriebenen Erwärmungszyklus ausgesetzt, so daß sich die Feinrißstellen unter Bildung von Warmrissen ausbreiten. Auch wenn die Zugbeanspruchung nicht zu einem Bruch des Werkstoffs führt, bleibt sie als Restspannung zurück. Bei späteren, sich wiederholenden Erwärmungszyklen baut sich die Spannung allmählich auf, bis sie schließlich zu einem Bruch der Bremsscheibe führt.

Wenn Werkstoff mit hohem Rißausbreitungsvermögen (crack transmission properties) den beschriebenen Erwärmungs- und Beanspruchungswirkungen ausgesetzt werden, können darin entstandene Risse sich schnell ausbreiten. Obgleich der üblicherweise für die Herstellung von Bremsscheiben verwendete Grauguß einen stabilen Reibungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Abrieb- bzw. Verschleißfestigkeit und damit ausgezeichnete sog. Bremseigenschaften besitzt, ist seine Neigung zu Rißbildung und -ausbreitung größer als bei den Werkstoffen für allgemeinen Maschinenbau. Außerdem besitzt eine Grauguß-Bremsscheibe eine geringe Zugfestigkeit.

Zur Verbesserung der Eigenschaften von Grauguß für die Verwendung bei Bremsscheiben wurden diesem Werkstoff bereits Legierungselemente, wie Ni, Cr und Mo, zugesetzt,

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doch können auch auf diese Weise die Warmrißbildung und die Rißausbreitung nicht verhindert werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Hochleistungs-Verbundmetallwerkstoffs ausgezeichneter Haltbarkeit für die Herstellung speziell von Bremsscheiben für Reibungsbremsen." Dieser Verbundmetallwerkstoff soll aus einer Oberflächenschicht aus Grauguß, welche die ausgezeichneten Bremseigenschaften gewährleistet, und einem anderen Metall hoher Festigkeit bestehen, das eine Ausbreitung von durch Wärmeeinwirkung oder thermische Ermüdung unter der an der Gleitreibungsfläche erzeugten Wärme hervorgerufenen Rissen zu verhindern vermag.

Diese Aufgabe wird durch die In den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei einer Bremsscheibe aus einem Verbundmetallwerkstoff in Form von Grauguß als Oberflächenschicht der Bremsscheibe und eines anderen, metallurgisch mit dem Grauguß verbundenen Metalls hoher mechanischer Festigkeit und hoher Rißausbreitungsbeständigkeit kann die Ausbreitung von in der Graugußschicht entstehenden Warmrissen und somit ein Bruch der Bremsscheibe verhindert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmetallwerkstoffs für Reibungsbremsen,

Fig. 2 eine Teilschnittdarstellung eines dreilagigen Verbundmetallwerkstoffs gemäß der Erfindung, bei dem ein unterschiedliches Metall hoher Festigkeit als Zwischenschicht vorgesehen ist, und

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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Wiederholungszyklenzahl und der Rißlänge bei wiederholter Einwirkung einer Zugbeanspruchung auf einen erfindungsgemäßen Verbundmetallwerkstoff aus Grauguß und Kohlenstoffstahl.

Der Verbundmetallkörper gemäß· Fig. 1 weist eine Oberflächenschicht 1 aus Grauguß/ eine Schicht 2 aus einem anderen Metall hoher (mechanischer) Zugfestigkeit, eine Außenfläche 3 der Oberflächenschicht 1, eine metallurgische Bindungs-Grenzschicht zwischen den Schichten 1 und 2 sowie Warmrisse 5 auf.

Die Oberflächen(metall)schicht 1, welche die Gleitreibungsfläche einer Bremsscheibe darstellt und die einer schnellen Reibungserwärmung, d. h. einem Wärmeschock unterworfen ist, besteht aus Grauguß mit niedriger Rißausbreitungsbeständigkeit und niedriger (mechanischer) Festigkeit, jedoch mit ausgezeichneten Bremseigenschaften. Das hochfeste Metall 2 kann beispielsweise ein Kohlenstoffstahl, ein niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierung, hochfestes Gußeisen oder dgl. sein. Die Graugußkomponente und die hochfeste Metallkomponente sind durch Gießen, Hochtemperatur-Verpressen oder dgl. zu einem Verbundmetallwerkstoff metallurgisch miteinander verbunden.

Bei diesem Verbundmetallwerkstoff kann ein in der Oberfläche 3 der Schicht 1, welche der Wärmeeinwirkung unterworfen ist, auftretender Riß 5 sich über ein kurzes Stück in Richtung auf das Innere der Bremsscheibe ausdehnen. Wenn der Riß 5 jedoch die metallurgische Verbindungs-Grenzschicht 4 zwischen der Graugußkomponente und der hochfesten Metallkomponente erreicht, wird er durch letztere an einer weiteren Ausdehnung gehindert. Selbst wenn sich in der Oberflächenschicht 1 zahlreiche Risse 5 bilden, erleidet die Bremsscheibe somit keinen Bruch, vielmehr bleiben die ausgezeichneten Bremseigenschaften der Oberflächenschicht 1 erhalten. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit der

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Bremsscheibe erheblich verbessert.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 besteht der Verbundmetallwerkstoff aus einer Oberflächen (metall) schicht 1 aus Grauguß, einer Zwischenschicht aus einem hochfesten, unterschiedlichen Metall 2", wie Kohlenstoffstahl, niedriglegi-erter Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierung, hochfestes Gußeisen oder dgl., sowie einer dritten Schicht 6 eines feste*iMetalls, wie Grauguß, Kohlenstoffstahl, niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl, hochfestes Gußeisen oder dgl., das jedoch vom Metall der Zwischenschicht verschieden ist. Das hochfeste Metall 2¹ ist dabei zwischen die beiden anderen Metallkomponenten eingefügt und mit diesen metallurgisch verbunden. Mit einer aus diesem abgewandelten Verbundmetallwerkstoff hergestellten Bremsscheibe lassen sich dieselben Wirkungen erzielen, wie sie vorstehend geschildert sind.

Ersichtlicherweise kann der erfindungsgemäße Verbundmetallwerkstoff auch für die Herstellung von Bremstrommeln für Trommelbremsen benutzt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1

Ein Verbundmetallwerkstoff (Gesamtdicke 25 mm, Breite 40 mm und Länge 150 mm) aus einer 5 mm dicken Grauguß-Oberflächen-(metall)schicht und einer 20 mm dicken, metallurgisch mit der Oberflächenschicht verbundenen Schicht aus 0,3·%-Kohlenstoffstahl wurde hergestellt und einer Warmfestigkeitsprüfung unterworfen.

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Die Grauguß-Oberflächenschicht wurde 30 s lang mit einer 700⁰C warmen Bleischmelze in Berührung gebracht und dann augenblicklich durch Aufblasen von Luft abgekühlt. Nach fünfmaliger Wiederholung dieses PrüfVorgangs wurde die Oberfläche der Graugußschicht nach einem Farbstoffeindringverfahren auf Rißbildung untersucht. Bei etwa 25-maliger zusätzlicher Wiederholung der'Wärmeschockeinwirkung konnte festgestellt \erden, daß sich verschiedene Risse durch die Grauguß-Oberflächenschicht bis zur Grenzfläche zwischen dieser und der Kohlenstoffstahlschicht ausgedehnt hatten. Anschließend wurde die Wärmeschockbelastung erneut wiederholt. Dabei zeigte es sich, daß sich die Risse auch bei etwa 150-maliger Wiederholung dieser Prüfung nicht über die Verbindungs-Grenzfläche zwischen der Graugußschicht und der Kohlenstoffstahlschicht hinaus ausdehnten.

Es wurden mehrere Prüflinge der vorher angegebenen Art hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß für die hochfeste, metallurgisch mit der Graugußschicht verbundene Metallschicht niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierung und hochfestes Gußeisen anstelle des Kohlenstoff stahls (0,3 % C) verwendet wurden. Mit allen diesen Prüflingen konnten nahezu dieselben Ergebnisse erzielt werden, wie sie vorstehend beschrieben sind.

Weiterhin wurde ein Verbundmetall-Prüfling (Gesamtdicke

.bzw. 30
25 mm, Breite 3/mm und Länge 150 mm) durch metallurgische Verbindung einer 5 mm dicken Graugußschicht mit einer 20 mm dicken 0,3-%-KohlenstoffStahlschicht hergestellt. Der Prüfling wurde in der Mitte mit einer 2 mm tiefen Kerbe versehen. Dieser Prüfling wurde wiederholt einer Zugspannung bzw. -beanspruchung in Längsrichtung unterworfen; hierbei wurde der Zustand bzw. Zeitpunkt festgestellt, bei welchem bzw. zu welchem ein von der Kerbe ausgehender Riß sich durch die Graugußschicht hindurch ausgebreitet hatte und durch die Kohlenstoffstahlschicht mit hoher Rißausbreitungsbeständigkeit angehalten oder an einer weiteren

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Ausbreitung gehindert wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. dargestellt.

Bei wiederholter Einwirkung einer übergroßen Zugbeanspruchung von 700 kg breitete sich der Riß aus, um schließlich die Grenzschicht zwischen der Graugußschicht und der Kohlenstoff stahlschicht zu erzreichen.. Während der Riß im Verlauf einer gewissen Zahl weiterer Einwirkungszyklen der Zugbeanspruchung an dieser Grenzschicht angehalten wurde, dehnte er sich schließlich über diese Grenzschicht hinaus aus. Bei wiederholter Einwirkung einer zweckmäßigen Zugbeanspruchung von 500 kg dehnte sich andererseits der Riß nicht in das Innere der Kohlenstoffstahlschicht hinein aus, auch wenn die Einwirkung der Zugbeanspruchung fortgesetzt wurde, nachdem der Riß die Grenzschicht erreicht hatte.

Zu Vergleichszwecken wurde ein nur aus Grauguß bestehender, die angegebenen Abmessungen besitzender Prüfling auf die vorstehend beschriebene Weise einer Warmfestigkeitsprüfung unterworfen. Nach etwa 50-maliger Wiederholung des Prüfvorgangs hatten sich dabei mehrere Risse bis etwa zur Hälfte der Gesamtdicke ausgedehnt. Dieser Vergleichsprüfling zerbrach dwbei unter einem leichten Hammerschlag.

■ Beispiel 2

Ein dreilagiger Verbundmetallwerkstoff (Gesamtdicke 25 mm. Breite 4 0 mm, Länge 150 mm) der in Fig. 2 dargestellten Art wurde durch metallurgische Verbindung einer 5 mm dicken austenitischen rostfreien Stahlschicht (Typ SUS 304) mit einer 5 mm dicken Graugußschicht als Oberflächenschicht und weitere metallurgische Verbindung einer 15 mm dicken Graugußschicht mit der rostfreien Stahlschicht hergestellt. Die Oberfläche dieses dreilagigen Verbundmetallwerkstoffs wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise einer Warm-

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festigkeitsprüfung unterworfen.

Bei etwa fünfmaliger Wiederholung der Wärmeschockeinwirkung konnte nach dem Farbstoffeindringverfahren die Entstehung von Rissen in der Oberfläche der Graugußschicht festgestellt werden. Im Verlauf von-etwa 30 weiteren Warm- ■ festigkeitsprüfzyklen erreichten die von der Oberfläche ausgehenden Risse die Grenzschicht zwischen der Graugußschicht und der rostfreien Stahlschicht. Die Risse breiteten sich jedoch auch bei etwa 150-maliger Wiederholung der Prüfvorgänge nicht über die Verbindungs-Grenzfläche hinaus aus. Hierdurch konnte belegt werden, daß die Risse in keinem Fall die Graugußschicht an der gegenüberliegenden Seite der rostfreien Stahlschicht erreichen können.

Wie aus den vorstehenden Versuchsergebnissen hervorgeht, besitzt der erfindungsgemäße Verbundmetallwerkstoff für Reibungsbremsen eine -erheblich verbesserte Beständigkeit oder Festigkeit gegenüber Wärmeeinwirkung unter Beibehaltung seiner ausgezeichneten Bremseigenschaften, speziell eines stabilen Reibungskoeffizienten sowie der hohen Verschleißfestigkeit, welche durch Grauguß geboten werden. Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich daher ausgezeichnet für die Herstellung von Bremsscheiben oder Bremstrommeln hervorragender Haltbarkeit.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler ftHäniaT ^{: :} Patentanwälte
Registered Representatives
before the
European Patent Office
The Japan Steel Works, Ltd. und
MöhlstraBe 37 Japanese National Railways D-8000München 80
Tokio / Japan Tel.: 089/982085-87
Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid
N26-25143
10. März 1981

Verbundmetallwerkstoff für Reibungsbremsen

Patentansprüche

f 1 .JVerbundmetallwerkstoff für Reibungsbremsen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gleitreibungs-Oberflächen-(metall)schicht aus Grauguß und eine Schicht aus einem von Grauguß verschiedenen, hochfesten Metall mit hoher Rißausbreitungsbeständigkeit umfaßt und daß die Graugußschicht und die hochfeste Schicht aus dem unterschiedlichen Metall metallurgisch miteinander verbunden sind, wobei die hochfeste Metallschicht eine Ausbreitung bzw. Ausdehnung von in der Gleitreibungs-Oberflachenschicht entstehenden Rissen verhindert.

2. Verbundmetallwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem unterschiedlichen, hochfesten Metall aus einem Metall, wie Kohlenstoffstahl, niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierung und hochfestes Gußeisen, hergestellt ist.

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3. Dreilagiger Verbundmetallwerkstoff für Reibungsbremsen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gleitreibungs-Oberflächen (metall) schicht aus Grauguß, eine Zwischenschicht aus einem unterschiedlichen, hochfesten Metall mit hoher Rißausbreitungsbeständigkeit und eine dritte Schicht aus einem metallischen Werkstoff aufweist, und daß jeweils die Graugußsch'icht und- die Zwischenschicht aus dem unterschiedlichen, hochfesten Metall bzw. letztere und die dritte Metallschicht metallurgisch miteinander verbunden sind, wobei die Zwischenschicht eine Ausbreitung bzw. Ausdehnung von in der Oberflächenschicht entstehenden Rissen verhindert.

4. Verbundmetallwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem Metall, wie Kohlenstoffstahl, niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierung und hochfestes Gußeisen, hergestellt ist.

5. Verbundmetallwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht aus einem Metall, wie Grauguß, Kohlenstoffstahl, niedriglegierter Stahl, rostfreier Stahl und hochfestes Gußeisen, hergestellt ist und aus einem anderen Metall als die Zwischenschicht besteht.

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