EP3844320A1 - Bauteil einer bremse für ein fahrzeug - Google Patents

Bauteil einer bremse für ein fahrzeug

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EP3844320A1
EP3844320A1 EP19762735.9A EP19762735A EP3844320A1 EP 3844320 A1 EP3844320 A1 EP 3844320A1 EP 19762735 A EP19762735 A EP 19762735A EP 3844320 A1 EP3844320 A1 EP 3844320A1
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EP
European Patent Office
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intermediate layer
layer
cover layer
thermal conductivity
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19762735.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reiner Becker
Wilfried Strauss
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP3844320A1 publication Critical patent/EP3844320A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16D2200/0047—Ceramic composite, e.g. C/C composite infiltrated with Si or B, or ceramic matrix infiltrated with metal

Definitions

  • the invention relates to a component of a brake for a vehicle.
  • the component has a base body with a surface which is provided with a coating to increase its wear resistance.
  • Coating is made of a layer lying on the base body
  • the intermediate layer has a higher toughness than the cover layer on the one hand and the hardness on the other hand has a higher hardness than the intermediate layer.
  • a component of this type designed as an internally ventilated brake disc is known from DE 10 2008 053 637 B4.
  • the friction surface formed on the friction ring of the brake disc, which is loaded during a braking process by a brake lining pressed against it, is coated with a two-layer coating in this brake disc, in which one
  • Intermediate layer is applied directly to the friction surface of the base body of the brake disc and for connecting the outer cover layer of the coating lying thereon and for thermal dissipation of the entered in the outer layer during a braking operation
  • the intermediate layer consists of one
  • the thickness of the coating is based on the geometric relationships of the internally ventilated Disc tuned by the thickness of the coating above the cooling channels of the brake disc is greater than above the knobs or webs delimiting the cooling channels.
  • Coating powder produced The coating powders are composed in such a way that they form a matrix based on nickel or nickel-cobalt, in which hard material particles such as WC or T ⁇ O 2 are embedded in order to set the required hardness.
  • the respective coating powder is applied by high-speed flame spraying to the surfaces of the brake disc to be coated, first a thin intermediate layer and then a thicker cover layer being sprayed on. This is followed by a heat treatment in which the previously sprayed-on layers are melted in order to bring about their material connection to the base body of the brake disc, which is made of gray cast iron material.
  • the toughness and hardness of the layers are matched to one another in such a way that the connection of the cover layer is ensured by the intermediate layer.
  • the invention has solved this problem by a component which has at least the features specified in claim 1.
  • a component according to the invention in accordance with the prior art explained at the outset has a base body which has a surface which, in order to increase its wear resistance, is provided with a coating which comprises an intermediate layer resting on the base body and a cover layer resting on the intermediate layer, wherein the intermediate layer has a higher toughness than the top layer, which in turn has a higher hardness than that
  • the intermediate layer made of a Ni or Cr alloy with a Ni or Cr content of at least 50 wt .-% and - optionally - in the
  • the cover layer made of a stainless steel matrix with embedded
  • Vd Dd / Dz thickness ratio Vd> 1, 5.
  • the invention is based on the knowledge that it is
  • the intermediate layer has sufficient toughness in order to
  • top layer, intermediate layer and base body are thus one on top of the other
  • the intermediate layer fulfills several functions. So it serves
  • the component consists of a
  • the depressions are usually the result of graphite inclusions exposed there on the surface to be coated.
  • the intermediate layer absorbs and compensates for temperature-related tensions.
  • it must have a significantly lower heat transfer value than the cover layer, which, due to its high hardness, is particularly susceptible to the development of temperature-induced stress and cracks induced thereby.
  • the ratio Ud / Uz of the thermal transmittance Ud of the cover layer to the thermal transmittance Uz is one
  • the intermediate layer consists of a Ni or Cr alloy with a Ni or Cr content of more than 50% by weight in each case.
  • the intermediate layer is formed from a Ni alloy
  • a suitable alloy specification provides that the intermediate layer consists of (in% by weight) 18-25% Cr, 2-5% Mo, 24-29% Fe, 9 - 11% Nb,
  • Base body and the top layer are optimized so that the
  • Intermediate layer is particularly well able to compensate for the thermal expansion and possible changes in position of the cover layer during a braking operation.
  • the intermediate layer is formed from a Cr alloy
  • a suitable alloy specification provides that the intermediate layer consists of (in% by weight) 3 - 5% Mo, 24 - 29% Fe, 6 - 10% Nb, 2 - 4% Ta, remainder chrome and production-related inevitable impurities.
  • An increase in the Cr content to values of 52-60 wt optimal adhesion of the intermediate layer to the base body and to the cover layer can be guaranteed.
  • the intermediate layer provided according to the invention is optimally suitable for compensating for the expansion of the cover layer which is associated with its heating during a braking operation if the coefficient of thermal expansion of the intermediate layer is 11.7-16.2 [10 6 / K].
  • hard material particles which can be oxides, carbides or nitrides, can optionally be embedded in the intermediate layer.
  • hard material particles which can be oxides, carbides or nitrides, can optionally be embedded in the intermediate layer. Examples of the hard materials in question are:
  • Tungsten carbide, chrome carbide or silicon carbide Tungsten carbide, chrome carbide or silicon carbide.
  • the cover layer of a component according to the invention comprises a
  • the stainless steel matrix in which hard materials are embedded.
  • the stainless steel matrix ensures that the hard materials are held securely and that they develop their hardness-increasing effect over a long service life.
  • the stainless steel matrix provides effective corrosion protection and a sufficiently high thermal conductivity of the cover layer that meets the requirements of the invention.
  • the matrix of the cover layer is formed by a stainless steel.
  • These stainless steels include, in particular, the stainless, austenitic steels. Suitable for this are, for example, stainless steels that are standardized under the material number 1.4404 or in accordance with the US standards AISI / ASTM in the number series 340 - 430L.
  • Hard material particles suitable for this purpose are in particular metal-like, covalent or ionic carbides.
  • the hard materials that are present according to the invention in the cover layer and optionally in the intermediate layer include here in particular
  • Tungsten carbide, chrome carbide or silicon carbide Tungsten carbide, chrome carbide or silicon carbide.
  • Vk / Ve 2/8 - 7/3. Even higher hard material contents would deteriorate the strength and the heat transfer values of the top layer. The required hardness would not be achieved with lower hard material contents.
  • the hard material particles embedded according to the invention in the stainless steel matrix of the cover layer develop their optimum effect with an average grain size of 3-5 pm. Hard material particles of this size are securely held in the stainless steel matrix of the cover layer over a sufficiently long period of use. Accordingly, the optional in the
  • the hard material particles provided between the layer have a size lying in this area.
  • the hardness of the cover layer of a coating according to the invention determined in accordance with DIN EN ISO 6507-1 is typically 950-1050 HV.
  • the notched impact work of the Ni or Cr material of the intermediate layer should be at least 250 joules, the upper limit for the impact energy in practice is 450 joules.
  • the thickness of the coating provided according to the invention is the thickness of the coating provided according to the invention.
  • the thickness of the intermediate layer being 60-100 pm and the thickness of the cover layer 70-150 pm.
  • the thickness of the intermediate layer and cover layer according to the invention ensures, on the one hand, that there is sufficient hard, wear-resistant material in the area of the cover layer for a sufficiently long service life.
  • the thickness of the intermediate layer is chosen so that it
  • Cover layer is exposed to a strong warming, such as occurs during a braking operation.
  • Component coated according to the invention is a friction ring of a brake disc and the surface covered with the coating is on the friction ring
  • Actuator with a brake pad acts.
  • Friction ring represent a separately manufactured component of the brake disc, which in a special assembly step with the respective support part of the
  • Brake disc is connected as it is built in so-called "
  • the friction ring can of course be part of one piece, in particular Casting, manufactured brake disc, are integrally connected to each other in the supporting part and friction ring.
  • the material from which the base body of the component according to the invention is made is typically a metallic cast material that enables the base body to be cast. These include in particular iron ore
  • Described laser deposition welding process in which a weld pool with at least one molten filler material is irradiated onto a surface to be coated by means of a beam radiating onto the weld pool
  • Laser beam is generated by melting powder of the filler material by means of the laser beam, the filler material being melted by the laser beam at a distance from the weld pool and the
  • Melting bath is fed in completely molten form.
  • the melt pool and a focus of the laser beam are shifted parallel to each other relative to the surface to be coated at a speed of at least 20 m / min and the powder density is set so that a laser power of the laser beam in the melt pool is less than 60% of the laser power before the laser beam comes into contact with the powder.
  • Laser cladding processes can be optimized by adapting the area covered by the laser beam device used in each case to the coating area. So with the
  • Laser head is up to 40 mm, which is a correspondingly large one
  • Coating on the respective surface of the base body can be done
  • the single figure shows a brake disc 1 for a motor vehicle in one
  • the brake disc 1 which is a component in the sense of the invention has a base body 2 which is designed and constructed in a conventional manner a cast iron material known for this purpose is cast with the DIN-EN designation EN-JL1040.
  • the heat transfer value Ug of the base body is 45 - 50 W / (m * K).
  • the brake disc 1 has a cup-shaped support part 3 and a friction ring 4 cast thereon, which is shown here as consisting of solid material, but also in a conventional manner as
  • internally vented friction ring 4 can be formed.
  • the friction ring 4 also has, in the usual way, an annular ring on its end faces, which are oriented normal to the axis of rotation X-X
  • friction surfaces 5a, 5b after the casting of the base body 2 have been prepared by machining in a manner known per se so that they have an average roughness depth Rz of 20 pm on their upper side.
  • a coating B which consists of an intermediate layer Z and a cover layer D, is applied to the friction surfaces 5a, 5b of the base body 2 processed in this way.
  • the intermediate layer Z has been produced from a commercially available powdered Ni base material, which consists of (in% by weight) 19% Cr, 18% Fe, 3.0% Mo, 5% Nb + Ta, rest Ni and unavoidable
  • the thickness Dz of the intermediate layer Z was 70-90 gm.
  • the brake disk has been positioned in a horizontal position in a tensioning device (not shown here), which is also shown here by means of a tensioning device (not shown here)
  • Laser order shots have been generated.
  • the laser was then moved radially at a speed of 10 m / min in the direction of the outer circumference of the friction ring.
  • the laser was ignited when moving off and switched off when the outer diameter was reached.
  • the powdery Ni material of the intermediate layer Z is in accordance with the procedure described in DE 10 2011 100 456 B4
  • Laser beam has been given each swept area.
  • the average temperature in the area melted by the laser beam was 600 - 800 ° C.
  • the intermediate layer Z thus produced on the friction surfaces 5a, 5b has a heat transfer value Uz of 24 W / (m « K).
  • the intermediate layer Z compensates for any unevenness on the friction surfaces 5a, 5b and closes the pores 6, so that after the application of the intermediate layer Z on its side facing away from the base body 2 there was a flat surface optimally suitable for the application of the cover layer D. .
  • the cover layer D has been applied to the intermediate layer Z. This is based on how to apply the
  • Intermediate layer Z rotatably clamped brake disc 1 is a powder that consists of a mixture of 50 vol .-% from one under the Material number 1.4404 according to the StahlEisen list of standardized stainless steel and 50 vol.% Tungsten carbide particles with an average grain size of 4 pm. This powder has in turn been applied to the intermediate layer Z in accordance with the procedure described in DE 10 2011 100 456 B4.
  • the cover layer D produced in this way had a thickness Dd of 110 pm and a heat transfer value of 180 W / (nvK) with a hardness of 1005 HV.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Bremse für ein Fahrzeug, mit einem metallischen Grundkörper, der eine Fläche (5a, 5b) aufweist, die zur Erhöhung ihrer Verschleißbeständigkeit mit einer Beschichtung (B) versehen ist, die eine auf dem Grundkörper (2) aufliegende Zwischenschicht (Z) und eine auf der Zwischenschicht (Z) aufliegende Deckschicht (D) umfasst, wobei die Zwischenschicht (Z) eine höhere Zähigkeit besitzt als die Deckschicht (D), die wiederum eine höhere Härte besitzt als die Zwischenschicht (Z). Um die Herstellung eines solchen Bauteils zu vereinfachen und seine Verschleißbeständigkeit zu optimieren, schlägt die Erfindung vor, die Zwischenschicht (Z) aus einer Ni- oder Cr-Legierung mit einem Ni- oder Cr-Gehalt von jeweils mehr als 50 Gew.-% und optional zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit in die Zwischenschicht eingelagerten Hartstoffpartikeln und die Deckschicht (D) aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln zu bilden, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Grundköpers (2) um das 1,5- bis 3-fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht (Z), die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht (D) um das 2- bis 4,5-fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Grund körpers (2) und für das aus der Dicke Dz der Zwischenschicht (Z) und der Dicke Dd der Deckschicht (D) gebildete Dickenverhältnis Vd - Dd/Dz gilt Vd ≥ 1,5.

Description

Bauteil einer Bremse für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Bremse für ein Fahrzeug. Das Bauteil weist einen Grundkörper mit einer Fläche auf, die zur Erhöhung ihrer Verschleißbeständigkeit mit einer Beschichtung versehen ist. Diese
Beschichtung ist aus einer auf dem Grundkörper aufliegenden
Zwischenschicht und einer auf der Zwischenschicht aufliegenden
Deckschicht zusammengesetzt. Um einerseits eine gute
Verschleißbeständigkeit und andererseits eine gute Anbindung an den Grundkörper zu gewährleisten, besitzt einerseits die Zwischenschicht eine höhere Zähigkeit als die Deckschicht und andererseits die Deckschicht eine höhere Härte als die Zwischenschicht.
Ein als innenbelüftete Bremsscheibe ausgestaltetes Bauteil dieser Art ist aus der DE 10 2008 053 637 B4 bekannt. Die am Reibring der Bremsscheibe ausgebildete, bei einem Bremsvorgang durch einen gegen sie gedrückten Bremsbelag belastete Reibfläche ist bei dieser Bremsscheibe mit einer zweischichtig aufgebauten Beschichtung belegt, bei der eine
Zwischenschicht unmittelbar auf die Reibfläche des Grund körpers der Bremsscheibe aufgetragen ist und zur Anbindung der darauf liegenden äußeren Deckschicht der Beschichtung sowie zur thermischen Ableitung der in die äußere Schicht bei einem Bremsvorgang eingetragenen
Wärmeenergie dient. Die Zwischenschicht besteht dabei aus einer
Legierung auf Zink- und/oder Nickelbasis, wogegen die Deckschicht eine Carbidschicht oder eine Metallmatrixcomposit-Schicht ist. Die Dicke der Beschichtung ist auf die geometrischen Verhältnisse der innenbelüfteten Scheibe abgestimmt, indem die Dicke der Beschichtung oberhalb der Kühlkanäle der Bremsscheibe größer ist als oberhalb der die Kühlkanäle voneinander abgrenzenden Noppen oder Stege.
In der DE 10 2005 008 569 A1 ist ebenfalls eine Bremsscheibe beschrieben, auf deren Reibfläche ebenfalls eine aus zwei Schichten bestehende
Beschichtung aufgebracht worden ist. Die Schichten werden aus
Beschichtungspulvem erzeugt. Die Beschichtungspulver sind derart zusammengesetzt, dass sie eine Matrix auf Nickel- oder Nickel-Kobalt-Basis bilden, in die zur Einstellung der benötigten Härte Hartstoffpartikel, wie WC oder TΪO2, eingelagert sind. Das jeweilige Beschichtungspulver wird durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die zu beschichtenden Flächen der Bremsscheibe aufgebracht, wobei zuerst eine dünne Zwischenschicht und anschließend eine dickere Deckschicht aufgespritzt werden. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, bei der die zuvor aufgespritzten Schichten aufgeschmolzen werden, um ihre stoffschlüssige Anbindung an den aus Graugusswerkstoff bestehenden Grundkörper der Bremsscheibe zu bewirken. Dabei sind die Zähigkeit und Härte der Schichten so aufeinander abgestimmt, dass durch die Zwischenschicht die Anbindung der Deckschicht gewährleitet ist.
Aus der US 5,407,035 A ist es des Weiteren bekannt, eine Beschichtung auf einer Reibfläche einer Bremsscheibe mindestens zweischichtig so
auszubilden, dass über eine auf dem Grundkörper der Bremsscheibe liegende Zwischenschicht eine Anbindung der auf ihr liegenden Deckschicht erzielt wird, wobei die Dicke der Zwischenschicht deutlich kleiner ist als die Dicke der Deckschicht.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik hat sich die Aufgabe ergeben, ein einfach herzustellendes, zur Optimierung seiner
Verschleißbeständigkeit mit einer Beschichtung versehenes Bauteil für eine Fahrzeugbremse zu schaffen, bei dem nicht nur eine optimale Wirkung der Beschichtung, sondern auch eine optimale Haftung der Beschichtung auf dem Grundkörper über eine lange Gebrauchsdauer gewährleistet ist.
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch ein Bauteil gelöst, das mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Dementsprechend hat ein erfindungsgemäßes Bauteil in Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik einen Grundkörper, der eine Fläche aufweist, die zur Erhöhung ihrer Verschleißbeständigkeit mit einer Beschichtung versehen ist, die eine auf dem Grundkörper aufliegende Zwischenschicht und eine auf der Zwischenschicht aufliegende Deckschicht umfasst, wobei die Zwischenschicht eine höhere Zähigkeit besitzt als die Deckschicht, die wiederum eine höhere Härte besitzt als die
Zwischenschicht.
Erfindungsgemäß ist nun
- die Zwischenschicht aus einer Ni- oder Cr-Legierung mit einem Ni- oder Cr-Gehalt von mindestens 50 Gew.-% und - optional - in die
Zwischenschicht zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit
eingebetteten Hartstoffpartikeln,
- die Deckschicht aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten
Hartstoffpartikeln gebildet,
- die Wärmeleitfähigkeit des Grundköpers um das 1 ,5- bis 3-fache größer als die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht, und - die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht um das 2- bis 4,5-fache größer als die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers, wobei
- für das aus der Dicke Dz der Zwischenschicht und der Dicke Dd der
Deckschicht gebildete Dickenverhältnis Vd = Dd/Dz gilt Vd > 1 ,5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden wie der allgemeine Erfindungsgedanke nachfolgend im Einzelnen erläutert.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass es zur
Gewährleistung einer hohen Belastbarkeit und einer auch unter hohen
Belastungen langen Haltbarkeit der auf dem jeweiligen Bauteil
erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtung nicht nur erforderlich ist, dass die Zwischenschicht eine ausreichende Zähigkeit aufweist, um im
Betrieb in der Beschichtung auftretende Spannungen auszugleichen, sondern dass es auch notwendig ist, die Wärmeleitfähigkeit von
Deckschicht, Zwischenschicht und Grundkörper so aufeinander
abzustimmen, dass der Abtransport der Wärme aus der jeweiligen Schicht entsprechend der Härte der jeweiligen Schicht und des Grundkörpers so effektiv erfolgt, dass die Spannungen, die im Gebrauch insbesondere in der Deckschicht selbst und zwischen der Deckschicht und der Zwischenschicht durch Reibungswärme ausgelöst werden, die bei einem Bremsvorgang entsteht, auf einem Level gehalten werden, das ausreichend weit unterhalb des Spannungsniveaus liegt, bei dem es zu Rissen in der Deckschicht oder zum Abplatzen der Deckschicht von der Zwischenschicht kommt.
Die Zwischenschicht erfüllt dabei mehrere Funktionen. So dient sie
einerseits zum Ausgleich von Unebenheiten und Vertiefungen, wie Poren oder Ausbrüche, die an der mit der Beschichtung belegten Fläche des jeweiligen Bauteils vorhanden sind. Besteht das Bauteil aus einem
Gusswerkstoff, so sind die Vertiefungen in der Regel die Folge von dort an der zu beschichtenden Fläche frei liegenden Graphiteinschlüssen.
Andererseits nimmt die Zwischenschicht tem peratu rbed i ngte Spannungen auf und gleicht sie aus. Hierzu muss sie nach den Erkenntnissen der Erfindung einen deutlich niedrigeren Wärmedurchgangswert aufweisen als die Deckschicht, die aufgrund ihrer hohen Härte besonders anfällig für die Entstehung temperaturbedingter Spannung und dadurch induzierter Risse ist.
Gleichzeitig muss auch der Grundkörper eine ausreichende
Wärmeleitfähigkeit besitzen, um die bei einem Bremsvorgang entstehende Wärme ausreichend schnell aufnehmen und abtransportieren zu können.
Für das Verhältnis Ug/Uz des Wärmedurchgangwerts Ug des Grundkörpers zum Wärmedurchgangswert Uz der Zwischenschicht gilt erfindungsgemäß Ug/Uz = 1 ,5 - 3. Besonders gute Gebrauchseigenschaften einer
erfindungsgemäßen Beschichtung ergeben sich dabei dann, wenn
Ug/Zu = 1 ,6 - 2,8 ist.
Für das Verhältnis Ud/Ug des Wärmedurchgangwerts Ud der Deckschicht zum Wärmedurchgangswert Ug des Grundkörpers gilt erfindungsgemäß Ud/Ug = 2 - 4,5. Hier ergeben sich besonders gute
Gebrauchseigenschaften, wenn gilt Ug/Uz = 2,1 - 4,1.
Dementsprechend liegt das Verhältnis Ud/Uz des Wärmedurchgangswerts Ud der Deckschicht zum Wärmedurchgangswert Uz bei einer
erfindungsgemäßen Beschichtung bei Ud/Uz = 3 - 13,5, wobei bevorzugt gilt Ud/Uz = 3,36 - 11 ,5. Praxisgerechte Wärmed urchgangswerte Ug des Grundkörpers betragen 48 - 52 W/(m»K).
Praxisgerechte Wärmedurchgangswerte Uz der Zwischenschicht betragen 19 - 28 W/(m*K).
Praxisgerechte Wärmedurchgangswerte Ud der Deckschicht betragen 19 - 28 W/(m*K).
Um die erfindungsgemäßen Maßgaben hinsichtlich ihrer Zähigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit zu erfüllen, besteht die Zwischenschicht aus einer Ni- oder Cr-Legierung mit einem Ni- oder Cr-Gehalt von jeweils mehr als 50 Gew.-%.
Im Fall, dass die Zwischenschicht aus einer Ni-Legierung gebildet ist, sieht eine hierzu passende Legierungsvorschrift vor, dass die Zwischenschicht aus (in Gew.-%) 18 - 25 % Cr, 2 - 5 % Mo, 24 - 29 % Fe, 9 - 11 % Nb,
Rest Nickel und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen, besteht. Durch eine Erhöhung des Cr-Gehalts um 8 - 12 Gew.-% zu Lasten des Ni-Gehalts kann die Haftung der Ni-Zwischenschicht an dem
Grundkörper und an der Deckschicht optimiert werden, so dass die
Zwischenschicht besonders gut in der Lage ist, die bei einem Bremsvorgang thermisch bedingten Ausdehnungen und möglichen Lageveränderungen der Deckschicht auszugleichen.
Im Fall, dass die Zwischenschicht aus einer Cr-Legierung gebildet ist, sieht eine hierzu passende Legierungsvorschrift vor, dass die Zwischenschicht aus (in Gew.-%) 3 - 5 % Mo, 24 - 29 % Fe, 6 - 10 % Nb, 2 - 4 % Ta, Rest Chrom und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, besteht. Durch eine innerhalb der Maßgaben der Erfindung erfolgende, jedoch zu Lasten der Gehalte an den anderen Legierungsbestandteilen gehende Erhöhung des Cr-Gehalts auf Werte von 52 - 60 Gew.-% kann auch hier eine optimale Haftung der Zwischenschicht an dem Grundkörper und an der Deckschicht gewährleistet werden.
Eine optimale Eignung zum Ausgleich der mit ihrer Erwärmung bei einem Bremsvorgang einhergehenden Ausdehnung der Deckschicht weist die erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenschicht dabei dann auf, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht 11 ,7 - 16,2 [106/K] beträgt.
In der Zwischenschicht können zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtung optional Hartstoffpartikel eingebettet sein, bei denen es sich um Oxide, Karbide oder Nitride handeln kann. Beispiele für die in Frage kommenden Hartstoffe sind:
Wolframcarbide, Chromcarbide oder Siliziumcarbide.
Die Deckschicht eines erfindungsgemäßen Bauteils umfasst eine
Edelstahlmatrix, in die Hartstoffe eingebettet sind. Die Edelstahlmatrix gewährleistet dabei zum einen, dass die Hartstoffe sicher gehalten sind und sie ihre härtesteigende Wirkung über eine lange Betriebsdauer entfalten. Gleichzeitig sorgt die Edelstahlmatrix für einen wirksamen Korrosionsschutz und eine ausreichend hohe, den Anforderungen der Erfindung genügende Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht.
Die Matrix der Deckschicht wird erfindungsgemäß durch einen Edelstahl gebildet. Zu diesen Edelstählen zählen insbesondere die nichtrostenden, austenitischen Stähle. Hierzu geeignet sind beispielsweise Edelstähle, die unter der Werkstoffnummer 1.4404 oder gemäß den US-Normen AISI/ASTM in der Nummern reihe 340 - 430L genormt sind.
Die in die Matrix der Deckschicht eingebetteten Hartstoffpartikel
gewährleisten die erforderliche Härte und die damit einhergehende Verschleißbeständigkeit der Deckschicht. Hierzu geeignete Hartstoffpartikel sind insbesondere metallartige, kovalente oder ionische Karbide.
Zu den Hartstoffen, die erfindungsgemäß in der Deckschicht und optional in der Zwischenschicht vorhanden sind, zählen hier insbesondere
Wolframcarbide, Chromcarbide oder Siliziumcarbide.
Ein hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften der Deckschicht optimales Verhältnis von Matrixwerkstoff zu Hartstoffpartikeln ergibt sich dann, wenn der Volumenanteil der in die Stahlmatrix der Deckschicht eingebetteten Hartstoffpartikel am Gesamtvolumen der Deckschicht 20 - 70 Vol -% beträgt. Für das Verhältnis Vk/Ve vom Volumen Vk, das von den Hartstoffen eingenommen wird, zum Volumen Ve, das vom Matrixwerkstoff
eingenommen wird, gilt also vorzugsweise Vk/Ve = 2/8 - 7/3. Noch höhere Hartstoffgehalte würden die Festigkeit und die Wärmeübergangswerte der Deckschicht verschlechtern. Bei niedrigeren Hartstoffgehalten würde die geforderte Härte nicht erreicht.
Ihre optimale Wirkung entfalten die erfindungsgemäß in die Edelstahlmatrix der Deckschicht eingelagerten Hartstoffpartikel bei einer durchschnittlichen Korngröße von 3 - 5 pm. Hartstoffpartikel dieser Größe werden über eine ausreichend lange Gebrauchsdauer sicher in der Edelstahlmatrix der Deckschicht gehalten. Entsprechend weisen auch die optional in der
Zwischenschicht vorgesehenen Hartstoffpartikel eine in diesem Bereich liegende Größe auf.
Die gemäß DIN EN ISO 6507-1 ermittelte Härte der Deckschicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung liegt typischerweise bei 950 - 1050 HV.
Die gemäß DIN EN ISO 148-1 im Kerbschlagversuch ermittelte, als Maß für die Beurteilung ihrer Zähigkeit herangezogene Kerbschlagarbeit des Ni- oder Cr-Werkstoffs der Zwischenschicht sollte mindestens 250 Joule betragen, wobei die Obergrenze für die Kerbschlagarbeit in der Praxis bei 450 Joule liegt.
Die Dicke der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtung beträgt
typischerweise 130 - 250 pm, wobei die Dicke der Zwischenschicht 60 - 100 pm und die Dicke der Deckschicht 70 - 150 pm beträgt. Dabei sind die Dicke Dz der Zwischenschicht und die Dicke Dd der Deckschicht so gewählt, dass für das Dickenverhältnis Vd = Dd/Dz gilt Vd > 1 ,5, insbesondere > 3. Durch die
erfindungsgemäße Abstimmung der Dicken von Zwischenschicht und Deckschicht ist einerseits sichergestellt, dass im Bereich der Deckschicht genügend hartes, verschleißfestes Material für eine ausreichend lange Lebensdauer vorhanden ist. Andererseits ist die Dicke der Zwischenschicht so gewählt, dass diese die
Unebenheiten auf der beschichteten Fläche des Grundkörpers ausgleichen und ihre zur Vermeidung von thermischen Spannungen benötigte ausgleichende Funktion zwischen den Bewegungen und Formveränderungen, denen die
Deckschicht bei einer starken Erwärmung, wie sie bei einem Bremsvorgang eintritt, ausgesetzt ist, erfüllen kann.
Eine besonders gute Wirkung zeigt die Erfindung im Fall, dass das
erfindungsgemäß beschichtete Bauteil ein Reibring einer Bremsscheibe ist und die mit der Beschichtung belegte Fläche eine an dem Reibring
vorhandene Reibfläche ist, gegen die bei einem Bremsvorgang eine
Betätigungseinrichtung mit einem Bremsbelag wirkt. Dabei kann der
Reibring ein separat gefertigtes Bauelement der Bremsscheibe darstellen, das in einem besonderen Montageschritt mit dem jeweiligen Tragteil der
Bremsscheibe verbunden wird, wie es bei so genannten "gebauten
Bremsscheiben" oder bei Bremsscheiben der Fall ist, bei denen das Tragteil in einem gesonderten Arbeitsschritt an den Reibring oder der Reibring in
einem gesonderten Arbeitsschritt an das Tragteil angegossen wird. Ebenso kann der Reibring selbstverständlich Teil einer in einem Stück, insbesondere gießtechnisch, gefertigten Bremsscheibe sein, bei der Tragteil und Reibring einstückig miteinander verbunden sind.
Bei dem Werkstoff, aus dem der Grundkörper des erfindungsgemäßen Bauteils besteht, handelt es sich typischerweise um einen metallischen Gusswerkstoff, der die gießtechnische Herstellung des Grundkörpers ermöglicht. Hierzu zählen insbesondere Eisen- oder
Aluminiumgusswerkstoffe, deren Wärmeleitfähigkeit den Maßgaben der Erfindung besonders gut entsprechen und die insbesondere zur Herstellung von Reibringen geeignet sind.
Der Auftrag der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtung auf die jeweilige Fläche kann grundsätzlich mit jedem thermischen
Auftragsverfahren, wie dem Auftragsschweißen, dem Spritzschweißen oder dem Plasmaschweißen, vorgenommen werden. Die hierzu erforderlichen Techniken sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Als besonders vorteilhaft für den Auftrag der Beschichtung erweisen sich Verfahren zum Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist das in der DE 10 2011 100 456 B4
beschriebene Laserauftrag-Schweißverfahren, bei dem auf eine zu beschichtende Fläche ein Schmelzbad mit zumindest einem geschmolzenen Zusatzwerkstoff mittels eines auf das Schmelzbad einstrahlenden
Laserstrahls erzeugt wird, indem Pulver des Zusatzwerkstoffes mittels des Laserstrahls geschmolzen wird, wobei der Zusatzwerkstoff in einem Abstand zum Schmelzbad durch den Laserstrahl geschmolzen wird und dem
Schmelzbad in vollständig geschmolzener Form zugeführt wird. Dabei werden das Schmelzbad und ein Fokus des Laserstrahls parallel zueinander relativ zur zu beschichtenden Fläche mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 m/min verschoben und die Pulverdichte so eingestellt, dass eine Laserleistung des Laserstrahls im Schmelzbad weniger als 60 % der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls mit dem Pulver beträgt. Durch den Einsatz derartiger Verfahren kann eine besonders intensive Anbindung der Zwischenschicht an den Grundkörper und der Deckschicht bewirkt
werden, so dass die Gefahr einer Delamination der Deckschicht von der
Zwischenschicht oder der Beschichtung insgesamt vom Grundkörper im besonderen Maße minimiert ist. Die Leistungsfähigkeit der bekannten
Laserauftragsschweißverfahren kann dabei durch eine Anpassung der von der jeweils eingesetzten Laserstrahlstrahleinrichtung überstrichenen Fläche an die Beschichtungsfläche optimiert werden. So haben sich bei der
Beschichtung der Reibflächen von Reibringen für Bremsscheiben
Laserstrahleinrichtungen bewährt, bei denen der Durchmesser des
Laserkopfes bis zu 40 mm beträgt, bei dem also eine entsprechend große
Fläche vom Laserstrahl bestrahlt und ein über diese Fläche sich
erstreckendes Schmelzenbad erzeugt wird. Eine optimale Anhaftung der
Beschichtung an der jeweiligen Fläche des Grundkörpers kann dabei
dadurch gewährleistet werden, dass vor dem Auftrag der Beschichtung die zu beschichtende Fläche derart bearbeitet wird, dass an ihr eine gemäß DIN EN ISO 4287 ermittelte "gemittelte Rautiefe Rz" von 12,5 - 25 pm vorliegt.
Als Hilfe für die Überwachung des Verschleißzustands können die
Zwischenschicht und die Deckschicht unterschiedliche Farben aufweisen, so dass bei Erscheinen der Farbe der Zwischenschicht klar ist, dass die Deckschicht verbraucht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels/anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Bremsscheibe 1 für ein Kraftfahrzeug in einem
Schnitt längs ihrer Drehachse X-X.
Die ein Bauteil im Sinne der Erfindung darstellende Bremsscheibe 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der in konventioneller Weise gestaltet und aus einem zu diesem Zweck bekannten Eisengusswerkstoff mit der DIN-EN- Bezeichnung EN-JL1040 gegossen ist. Der Wärmedurchgangswert Ug des Grundkörpers beträgt 45 - 50 W/(m*K).
Die Bremsscheibe 1 weist einen topfförmigen Tragteil 3 und einen daran angegossenen Reibring 4 auf, der hier als aus Vollmaterial bestehend dargestellt ist, genauso aber auch in konventioneller Weise als
innenbelüfteter Reibring 4 ausgebildet sein kann.
Der Reibring 4 weist in ebenso üblicher weise an seinen normal zur Drehachse X-X ausgerichteten Stirnflächen jeweils eine ringförmige
Reibfläche 5a, 5b auf.
Beim für die Beschichtung bereitgestellten Grund körper 2 sind Reibflächen 5a, 5b nach dem Gießen des Grundkörpers 2 durch eine spanabhebende Bearbeitung in an sich bekannter Weise so vorbereitet worden, dass sie an ihrer Oberseite eine gemittelte Rautiefe Rz von 20 pm aufweisen.
Auf die so bearbeiteten Reibflächen 5a, 5b des Grundkörpers 2 ist eine Beschichtung B aufgebracht, die aus einer Zwischenschicht Z und einer Deckschicht D besteht.
Die Zwischenschicht Z ist aus einem handelsüblichen, pulverförmig bereitgestellten Ni-Basiswerkstoff erzeugt worden, der aus (in Gew.-%) 19 % Cr, 18 % Fe, 3,0 % Mo, 5 % Nb+Ta, Rest Ni und unvermeidbaren
Verunreinigungen bestand. Seine Kerbschlagarbeit betrug 350 Joule. Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind in die Zwischenschicht Z keine Hartstoffpartikel eingelagert worden.
Die Dicke Dz der Zwischenschicht Z betrug 70 - 90 gm. Zum Aufträgen der Zwischenschicht Z ist die Bremsscheibe in eine horizontale Position in einer hier nicht gezeigten Spanneinrichtung positioniert worden, die mittels eines hier ebenfalls nicht gezeigten
Drehantriebs um die Drehachse X-X der Bremsscheibe 1 rotierend antreibbar war. Anschließend ist die Zwischenschicht Z mittels
Laserauftragsscheißen erzeugt worden. Dazu ist eine hier nicht gezeigte Laserstrahleinrichtung (Laserkopfdurchmesser = 5 mm) in einer Startposition am Innendurchmesser des Reibrings 4 positioniert worden und die
Bremsscheibe mit 60 Umdrehungen pro Minute gedreht worden. Ausgehend von der Startposition ist der Laser dann mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min radial in Richtung des äußeren Umfangs des Reibrings bewegt worden. Beim Anfahren ist der Laser gezündet und beim Erreichen des Außendurchmessers abgeschaltet worden. Mit Beginn der Laserbestrahlung ist der pulverförmige Ni-Werkstoff der Zwischenschicht Z gemäß der in der DE 10 2011 100 456 B4 beschriebenen Vorgehensweise in den vom
Laserstrahl jeweils überstrichenen Bereich gegeben worden. Die mittlere Temperatur im durch den Laserstrahl aufgeschmolzenen Bereich lag bei 600 - 800 °C.
Die so auf den Reibflächen 5a, 5b erzeugte Zwischenschicht Z hat einen Wärmedurchgangswert Uz von 24 W/(m«K).
Durch die Zwischenschicht Z sind an den Reibflächen 5a, 5b vorhandene Unebenheiten ausgeglichen und Poren 6 geschlossen worden, so dass nach dem Auftrag der Zwischenschicht Z an ihrer von dem Grundkörper 2 abgewandten Seite eine ebene, optimal für den Auftrag der Deckschicht D geeignete Oberfläche vorhanden war.
Nach der Zwischenschicht Z ist die Deckschicht D auf die Zwischenschicht Z aufgebracht worden. Dazu ist auf die wie zum Aufbringen der
Zwischenschicht Z drehantreibbar eingespannten Bremsscheibe 1 ein Pulver, das aus einer Mischung von 50 Vol.-% aus einem unter der Werkstoffnummer 1.4404 gemäß StahlEisen-Liste genormten Edelstahl und 50 Vol.-% Wolframkarbidpartikeln mit einer mittleren Korngröße von 4 pm bestand, bereitgestellt worden. Dieses Pulver ist wiederum entsprechend der in der DE 10 2011 100 456 B4 beschriebenen Vorgehensweise auf die Zwischenschicht Z aufgetragen worden.
Die so erzeugte Deckschicht D wies eine Dicke Dd von 110 pm und einen Wärmedurchgangswert von 180 W/(nvK) bei einer Härte von 1005 HV auf.
BEZUGSZEICHEN
1 Bremsscheibe
2 Grundkörper
3 topfförmiger Tragteil
4 Reibring
5a, 5b Reibflächen
6 Poren an den Reibflächen 5a, 5b
B Beschichtung
D Deckschicht
Dz Dicke der Zwischenschicht Z
X-X Drehachse der Bremsscheibe 1
Z Zwischenschicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Bauteil einer Bremse für ein Fahrzeug, mit einem metallischen
Grundkörper, der eine Fläche (5a, 5b) aufweist, die zur Erhöhung ihrer Verschleißbeständigkeit mit einer Beschichtung (B) versehen ist, die eine auf dem Grundkörper (2) aufliegende Zwischenschicht (Z) und eine auf der Zwischenschicht (Z) aufliegende Deckschicht (D) umfasst, wobei die Zwischenschicht (Z) eine höhere Zähigkeit besitzt als die Deckschicht (D), die wiederum eine höhere Härte besitzt als die Zwischenschicht (Z), dadurch gekennzeichnet,
- dass die Zwischenschicht (Z) aus einer Ni- oder Cr-Legierung mit einem Ni- oder Cr-Gehalt von jeweils mehr als 50 Gew.-% und optional in die Zwischenschicht zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit eingebetteten Hartstoffpartikeln,
- dass die Deckschicht (D) aus einer Edelstahlmatrix mit darin
eingelagerten Hartstoffpartikeln gebildet ist,
- dass die Wärmeleitfähigkeit des Grundköpers (2) um das 1 ,5- bis 3-fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht (Z)
- dass die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht (D) um das 2- bis 4,5- fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers (2) und
- dass für das aus der Dicke Dz der Zwischenschicht (Z) und der Dicke Dd der Deckschicht (D) gebildete Dickenverhältnis Vd = Dd/Dz gilt Vd > 1,5.
2. Bauteil nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Grundköpers (2) um das 1 ,6- bis 2,8-fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht (Z).
3. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht (D) um das 2,1- bis 4,1 -fache größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers (2).
4. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers (2) 48 - 52 W/(m»K), die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht (Z)
19-29 W/(m*K) und die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht (D)
122-190 W/(m«K) beträgt.
5. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht (Z) 11,7- 16,2 [106/K] beträgt.
6. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass es ein Reibring (4) einer Bremsscheibe (1) ist und die mit der Beschichtung (B) belegte Fläche eine an dem
Reibring vorhandene Reibfläche (5a, 5b) ist, gegen die bei einem
Bremsvorgang eine Betätigungseinrichtung mit einem Bremsbelag wirkt.
7. gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der in die Stahlmatrix der Deckschicht (D) eingebetteten Hartstoffpartikel am Gesamtvolumen der Deckschicht (D) 20 - 70 Vol.-% beträgt.
8. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die in die Edelstahlmatrix der Deckschicht (D) eingelagerten Hartstoffpartikel eine durchschnittliche Korngröße von
3 - 5 pm aufweisen.
9. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die in die Edelstahlmatrix der
Deckschicht (D) eingelagerten Hartstoffpartikel aus metallartigen, kovalenten oder ionischen Karbiden bestehen.
10. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die in der Deckschicht (D) oder die optional in der Zwischenschicht enthaltenen Hartstoffpartikel aus einem oder mehreren Hartstoffen aus folgender Gruppe bestehen:
"Wolframcarbid, Chromcarbid, Siliziumcarbid"
11. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für das Verhältnis VKA/E, das aus dem von den in die Edelstahlmatrix der Deckschicht (D) eingebetteten
Hartstoffpartikel eingenommenen Volumen VK und aus dem von der Edelstahlmatrix selbst eingenommenen Volumen VE gebildet wird, gilt:
2/8 < VK/VE < 7/3.
12. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (Z) oder im Fall der optionalen Einlagerung von Hartstoffpartikeln die Matrix der
Zwischenschicht (Z) aus einer Ni-Legierung gebildet ist, die aus (in
Gew.-%) 18-25 % Cr, 2 - 5 % Mo, 24 - 29 % Fe, 9-11 % Nb, Rest Nickel und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen, besteht.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (Z) aus einer Cr- Legierung gebildet ist, die aus (in Gew.-%) 3 - 5 % Mo, 24 - 29 % Fe, 6 - 10 % Nb, 2 - 4 % Ta, Rest Chrom und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, besteht.
14. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Edelstahlmatrix der Deckschicht (D) aus einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404 oder einem der Edelstahle besteht, die in den US-amerikanischen Normen AISI/ASTM unter den Nummern 340 - 430L genormt sind.
15. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (Z) eine andere Farbe aufweist als die Deckschicht (D).
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