EP4278108A1 - Verfahren zur herstellung eines bremskörpers und bremskörper - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bremskörpers und bremskörper

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EP4278108A1
EP4278108A1 EP21701089.1A EP21701089A EP4278108A1 EP 4278108 A1 EP4278108 A1 EP 4278108A1 EP 21701089 A EP21701089 A EP 21701089A EP 4278108 A1 EP4278108 A1 EP 4278108A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
metallic
finished product
brake
brake body
Prior art date
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Pending
Application number
EP21701089.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tilo STEINMEIER
Rene BISCHOFF
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
C4 Laser Technology GmbH
Original Assignee
C4 Laser Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by C4 Laser Technology GmbH filed Critical C4 Laser Technology GmbH
Publication of EP4278108A1 publication Critical patent/EP4278108A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
    • F16D65/02—Braking members; Mounting thereof
    • F16D65/12—Discs; Drums for disc brakes
    • F16D65/127—Discs; Drums for disc brakes characterised by properties of the disc surface; Discs lined with friction material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
    • F16D65/0025—Rust- or corrosion-preventing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2200/00—Materials; Production methods therefor
    • F16D2200/0034—Materials; Production methods therefor non-metallic
    • F16D2200/0039—Ceramics
    • F16D2200/0047—Ceramic composite, e.g. C/C composite infiltrated with Si or B, or ceramic matrix infiltrated with metal

Definitions

  • the present invention relates to the field of vehicle technology and industrial plant technology and relates to a method for producing a brake body and brake bodies produced in this way.
  • the brake bodies according to the invention can be used, for example, in vehicles, industrial plants or wind power plants.
  • Conventional brake bodies in vehicles and in industrial applications are designed, for example, as a one-piece brake disc or brake drum made of a metallic or ceramic material or as a composite brake disc or multi-piece brake disc made of one or more metallic or ceramic materials.
  • Brake bodies have several functional areas.
  • brake discs in motor vehicles are attached to the front and rear axles and have a flat contact surface for this purpose, which is in contact with the rim on the one hand and the wheel bearing on the other.
  • the entire brake disc is connected via the contact surface using wheel bolts.
  • Wind, industrial and power plants also have brake bodies, which are pressed onto a rotor shaft, for example, or are connected to it in some other way.
  • Brake bodies have areas with friction surfaces, via which the braking effect is realized in interaction with frictional brake pads.
  • brake discs can be designed as internally ventilated disc brakes, for example.
  • they have ventilation ducts in different geometries between the friction surfaces, which suck in air, flow through the disc brake, dissipate heat and thus ensure cooling of the brake disc.
  • brake bodies are provided with short-term corrosion protection or with long-term corrosion protection with or without a hard material coating either in the area of the friction surfaces and/or in the area of the ventilation ducts.
  • the short-term corrosion protection only protects the brake body against corrosion for a short period of time, in particular to prevent corrosion until the brake system is put into operation.
  • DE 20 2018 107 169 U1 discloses a coating, in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, with a first layer that has a metal-based material that contains less than 20% by weight of tungsten carbide or other carbides, and a second layer that coated on the first layer and comprising a tungsten carbide-containing material containing 20% to 94% by weight tungsten carbide, the first and second layers being thermally sprayed layers.
  • a brake body for a vehicle is known from DE 20 2018 102 703 U1, with a base body which has a surface formed by roughening as a friction surface and a coating applied to the friction surface by means of a thermal spraying process after roughening has taken place.
  • DE 102 03 507 A1 discloses a brake disc for a vehicle, comprising a base body made of a metallic material, in particular gray cast iron, which has at least one friction surface with a coating made of a hard material, the base body having a material thickness removed under the coating of Direction parallel to the axis of the brake disc, the base body having a material thickness removed by approximately the layer thickness of the coating, or up to +/- 20% more or less, preferably +/- 10%, based on the layer thickness of the coating in the direction axis-parallel to the Has axis of the brake disc.
  • a brake disc for a motor vehicle comprising a substrate, in particular a gray cast iron substrate, at least one friction surface formed on the substrate and at least one cover layer applied at least to the at least one friction surface, the cover layer is harder and thinner than the substrate, and indentations in the top layer which do not penetrate the top layer and/or changes in color are introduced.
  • the disadvantage of the known solutions is that the corrosion and wear protection is only applied to the surface of the friction surfaces on the base body of the brake body and is rubbed off immediately after the first braking operations, so that the friction surface corrodes after a short time and is immediately damaged by the corrosive processes damage the base material.
  • a significantly lower number of braking processes is carried out.
  • the friction surfaces are subjected to less stress and corrosion is not eliminated.
  • Such signs of corrosion can inevitably lead to malfunctions. Malfunctions show up as noise problems and, in extreme cases, can lead to a loss of braking power.
  • there is another disadvantage in that the corrosion that occurs in the area of the friction surfaces causes them to wear out more quickly.
  • Another disadvantage is that the layers that can be achieved by diffusion processes have an insufficient layer thickness to compensate for the tolerances present in the conventional manufacturing process without having to remove a significant part of the already small layer thickness again in order to produce the manufacturing tolerances of offset, friction belt thickness and axial run-out.
  • the object of the present invention consists in specifying a method for producing brake bodies and specifying brake bodies produced in this way, with which the aforementioned disadvantages of the prior art are eliminated.
  • the object is achieved by a method for producing a brake body, which has at least one metallic base body with at least one surface area for forming a friction surface, in which at least one layer of a metallic semi-finished product is arranged at least partially on the surface area intended for forming the friction surface, which is subsequently is materially bonded to the metallic base body by means of a joining process.
  • the layer of the metallic semi-finished product is arranged essentially completely on the surface of the metallic base body that is provided as the friction surface.
  • the two or more layers are cohesively connected to the metallic base body and/or to one another in one or more process steps by means of joining processes.
  • at least one layer of the metallic semi-finished product consisting of two or more segments is arranged.
  • Layers and/or segments of a layer made of different materials, shapes and/or layer thicknesses are also advantageously arranged, with the segments being particularly advantageously arranged as circular, oval, polygonal and/or free-form platelets.
  • an Al-based alloy is arranged at least on this layer, and then a thermal treatment of the brake body is carried out, so that a diffusion structure consists at least of the layer formed from segments and the Al-based one alloy is formed.
  • the at least one layer of the metallic semi-finished product is materially bonded to the metallic base body by means of magnetic pulse welding, brazing welding, roll cladding, ultrasonic welding, friction welding and/or modifications thereof.
  • the object of the invention is achieved with a brake body which has at least one metal base body with a friction surface applied to a formed surface area, which is a prefabricated layer of a metal semi-finished product which is materially connected to the metal base body by means of joining methods.
  • At least one layer is advantageously made of stainless steel, a metal matrix composite material, ceramic matrix composite material, cermet, hard metal, Glidcop and/or a material from the material class of the aluminide. Also advantageously, the friction surface has a layer thickness of 0.1 mm to 4.0 mm.
  • the friction surface is formed from two or more layers.
  • the layers are made of different materials, shapes and/or layer thicknesses.
  • At least one layer of the metallic semi-finished product is formed from segments, with the segments particularly advantageously being circular, oval, polygonal and/or free-form platelets.
  • the friction surface has wear-detection features, with the wear-detection features being surface depressions and/or colored substances particularly advantageously.
  • a brake body is to be understood as a component in the form of a brake disc or brake drum, which consists of a metallic base body and different functionalized areas such as diametrically arranged friction surfaces, a contact surface for fastening the brake body to an axle or shaft or also formed by webs Has ventilation channels.
  • a metallic base body is to be understood as meaning the formed brake disc or brake drum with the functionalized areas, which is made of steel, gray cast iron and/or aluminum.
  • friction surfaces should be understood to mean a one-sided or two-sided disk-like surface via which the braking effect is achieved in cooperation with suitably designed brake pads.
  • a metallic semi-finished product is to be understood to mean a material which can only partially have metallic components or is also completely metallic.
  • a metallic semi-finished product can advantageously be a high-grade steel, a metal matrix composite material, ceramic matrix composite material, cermet, hard metal, Glidcop and/or a material from the material class of the aluminides.
  • a brake disc or brake drum with improved corrosion and wear protection properties, which is produced by applying a layer of a metallic semi-finished product to the metallic base body, the friction surface being formed by at least one layer of the metallic semi-finished product and this is bonded to the metallic base body by a joining process.
  • the improved anti-wear and anti-corrosion properties are achieved at least in the area of the friction surfaces of the brake body, whereby the area of the contact surface and/or the ventilation ducts can also have the anti-wear and anti-corrosion protection according to the invention.
  • a joining zone which is advantageously 1 ⁇ m to 50 ⁇ m wide is formed by the integral joining of the at least one layer of the metallic semi-finished product and the metallic base body.
  • the material-to-material joining has the advantage that a uniform material bond is realized between the metallic semi-finished product and the metallic base body, as a result of which an improved connection between the friction surface and the metallic base body is achieved.
  • improved thermal conductivity properties and adhesive strengths between the metallic base body and the friction surface are achieved, which leads to a longer service life of the brake body with improved protection against wear and corrosion.
  • the prefabricated metallic semi-finished product can be stainless steel, a metal matrix composite material, ceramic matrix composite material, cermet, hard metal, Glidcop and/or a material from the aluminide material class.
  • Magnetic pulse welding, solder welding, roll cladding and/or friction welding and their specialized modifications, such as laser-assisted roll cladding, are advantageously particularly inexpensive and fast joining methods.
  • the layer of the metallic semi-finished product is arranged essentially completely on the surface of the metallic base body that is provided as the friction surface. This may be necessary in particular for larger and heavier vehicles with increased braking force required, while for vehicles with lower braking requirements, e.g. due to recuperation in electric vehicles, only a partial arrangement of a layer of the metallic semi-finished product on the surface of the metallic base body intended as a friction surface can be realized .
  • two or more layers of a metallic semi-finished product are arranged, which together form the layer thickness of the friction surface of the brake body.
  • layers with the same or different material, different layer thicknesses within a layer or also with different layer thicknesses of the layers can be arranged one below the other and are bonded to the metallic base body and to each other in one or more process steps by means of joining processes.
  • At least one layer of the metallic semi-finished product is formed by individual segments.
  • the arrangement of individual segments makes it possible, for example, to produce surface-structured friction surfaces by, for example, spacing the segments with gap formation from one another, into which an Al-based alloy can then advantageously be introduced.
  • Such surface structures can be, for example, gap-like depressions that reach down to the metallic base body, which lead to improved heat and abrasion removal from the friction surface and thus improve the performance of the brake body.
  • Another advantage of arranging segments of a layer of the metallic semi-finished product is that the integral joining process can be designed to save time and money, since a higher energy input per area is made possible, which leads to a faster material connection of the segments to the metallic base body.
  • surface structures can be produced in a simple manner, which are advantageous, for example, for the thermal behavior and the removal of fine dust.
  • the segments of a layer are circular, oval, polygonal and/or as free-form small plates, which are arranged on the metallic base body or on a layer and are connected to them with a material bond.
  • small plates has the advantage that the friction surface can be functionalized in some areas, for example by different material selection or number of small plates, and the thermal properties can be adjusted individually.
  • the brake body is preheated to a temperature of 250° C. to 650° C. in a protective gas atmosphere before at least one layer of the metallic semi-finished product is arranged. It was found that at one Temperatures above 200°C during preheating normally produce undesirable oxidation products, but these can be prevented by using a protective gas atmosphere.
  • the friction surface of the brake body produced according to the invention advantageously has a layer thickness of 0.1 mm to 4.0 mm, particularly advantageously a layer thickness of 0.3 mm to 1.5 mm, due to the at least one arranged layer of the metallic semi-finished product.
  • a possible thermally induced distortion of the friction surface and the brake body can be corrected in a simple manner with a final mechanical treatment, without removing the improved wear and corrosion properties and without reducing the required layer thickness of the friction surface.
  • the final mechanical processing means that an additional work step to eliminate imbalances can be omitted.
  • the brake body according to the invention which has at least one layer of the metallic semi-finished product in the area of the friction surfaces, since the particular hardness of 350 HV [0.3] to 850 HV [0.3] prevents the brake linings from running in the friction surfaces are avoided.
  • connection webs formed in the ventilation ducts Due to the thermally initiated inward diffusion of the Al-based alloy into the cast or steel material in the connection webs formed in the ventilation ducts, it is possible to dimension the connection webs with a smaller wall thickness.
  • An internally ventilated brake disk of a vehicle made of gray cast iron which has a hardness of 200-250 HV, on average 211 HV.
  • the brake disc has two diametrically opposite friction surfaces and one Contact surface for attaching the brake disc to an axle.
  • the two friction surfaces are connected by web-like ventilation channels.
  • the surface is treated with corundum (99.81% Al2O3, 0.1% Na 2 , 0.0.04% TiO 2 . 0.02% SiO 2 .
  • a first circular layer of strip material made of iron aluminide is then arranged on the metal base body in the area of the friction surfaces provided and is bonded to the metal base body by means of magnetic pulse welding.
  • the circular first layer and the segmented second layer each have a layer thickness of 0.55 mm, so that a friction surface with a layer height of 1.1 mm is formed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugtechnik und der Industrieanlagentechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bremskörpern und derart hergestellte Bremskörper. Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Angabe eines Verfahrens und eines Bremskörpers, der einen verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutz und eine größerer Schichtdicke der Reibfläche aufweist und zeit- und kostengünstig herstellbar sind. Gelöst wird die Aufgabe durch einen Bremskörper, der mindestens einen metallischen Grundkörper mit einer auf einem ausgebildeten Oberflächenbereich aufgebrachten Reibfläche aufweist, die eine vorgefertigte Lage eines metallischen Halbzeugs ist, die mit dem metallischen Grundkörper mittels Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden ist. Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren, bei dem die Reibfläche durch mindestens eine Lage eines metallischen Halbzeugs gebildet und diese durch ein Fügeverfahren stoffschlüssig mit dem metallischen Grundkörper verbunden wird. Die erfindungsgemäßen Bremskörper können beispielsweise in Fahrzeugen, Industrieanlagen oder Windkraftanlagen eingesetzt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers und Bremskörper
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugtechnik und der Industrieanlagentechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers und derart hergestellte Bremskörper. Die erfindungsgemäßen Bremskörper können beispielsweise in Fahrzeugen, Industrieanlagen oder Windkraftanlagen eingesetzt werden.
Herkömmliche Bremskörper in Fahrzeugen und bei industriellen Anwendungen sind beispielsweise als Bremsscheibe oder Bremstrommel in einteiliger Form aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff oder als Verbundbremsscheibe beziehungsweise mehrteilige Bremsscheibe aus einem oder mehreren metallischen oder keramischen Materialien ausgebildet.
Dabei weisen Bremskörper mehrere funktionelle Bereiche auf. So werden Bremsscheiben bei Kraftfahrzeugen an der Vorder- und Hinterachse befestigt und weisen hierfür eine plane Anlagefläche auf, die im Kontakt mit der Felge einerseits und dem Radlager andererseits steht. Die gesamte Bremsscheibe wird über die Anlagefläche mittels Radbolzen verbunden. Auch Wind-, Industrie- und Kraftanlagen weisen Bremskörper auf, die beispielsweise auf einer Rotorwelle aufgepresst oder anderweitig mit dieser verbunden sind.
Bremskörper weisen Bereiche mit Reibflächen auf, über die die Bremswirkung im Zusammenwirken mit reibenden Bremsbelägen realisiert wird.
Zur besseren Ableitung der entstehenden Wärme können beispielsweise Bremsscheiben als innenbelüftete Scheibenbremsen ausgebildet sein. Hierzu weisen sie zwischen den Reibflächen Belüftungskanäle in unterschiedlichen Geometrien auf, die Luft ansaugen, die Scheibenbremse durchströmen, Wärme ableiten und so die Kühlung der Bremsscheibe gewährleisten. Bremskörper werden im Stand der Technik entweder im Bereich der Reibflächen und/oder im Bereich der Belüftungskanäle mit einem Kurzzeitkorrosionsschutz oder mit einem Langzeitkorrosionsschutz mit oder ohne einer Hartstoffbeschichtung versehen. Der Kurzzeitkorrosionsschutz schützt den Bremskörper nur für einen kurzen Zeitraum gegenüber Korrosion, insbesondere um Korrosion bis zur Inbetriebnahme der Bremsanlage zu vermeiden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösung bekannt, um Bremsscheiben vor Korrosion und Verschleiß zu schützen.
Aus der DE 20 2018 107 169 U1 ist eine Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben mit einer ersten Schicht bekannt, 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.
Aus der DE 20 2018 102 703 U1 ist ein Bremskörper für ein Fahrzeug bekannt, mit einem Grundkörper, der eine durch Aufrauen ausgebildete Oberfläche als Reibfläche und eine nach erfolgtem Aufrauen mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Reibfläche aufgebrachte Beschichtung aufweist.
Zudem ist aus der DE 102 03 507 A1 eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug bekannt, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material aufweist, wobei der Grundkörper unter der Beschichtung eine abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist, wobei der Grundkörper eine etwa um die Schichtdicke der Beschichtung, beziehungsweise bis zu +/- 20% mehr oder weniger, vorzugsweise +/- 10%, bezogen auf die Schichtdicke der Beschichtung abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist. Und auch bekannt ist aus der DE 10 2014 008 844 A1 eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Substrat, insbesondere ein Grauguss-Substrat, mindestens eine auf dem Substrat gebildete Reibfläche und mindestens eine zumindest auf der mindestens einen Reibfläche aufgebrachte Deckschicht, wobei die Deckschicht härter und dünner ist, als das Substrat, und wobei in der Deckschicht Vertiefungen, welche die Deckschicht nicht durchdringen, und/oder farbliche Veränderungen eingebracht sind.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Korrosions- und Verschleißschutz nur oberflächig im Bereich der Reibflächen auf den Grundkörper des Bremskörpers aufgebracht ist und unmittelbar nach den ersten Bremsvorgängen abgerieben wird, so dass die Reibfläche nach kurzer Zeit korrodiert und durch die korrosiven Prozesse unmittelbar den Grundwerkstoff beschädigen. Gerade bei beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen wird eine wesentliche geringere Anzahl von Bremsvorgängen vorgenommen. Dadurch werden die Reibflächen weniger beansprucht und Korrosionsansatz nicht beseitigt. Derartige Korrosionsansätze können zwangsläufig zu Fehlfunktionen führen. Fehlfunktionen zeigen sich mit Geräuschproblemen und können im Extremfall zu einem Verlust der Bremsleistung führen. Zudem besteht ein weiterer Nachteil darin, dass durch die auftretende Korrosion im Bereich der Reibflächen diese schneller verschleißen.
Nachteilig ist weiterhin, dass die durch Diffusionsprozesse erreichbaren Schichten eine unzureichende Schichtdicke aufweisen, um die im herkömmlichen Fertigungsprozess vorhandenen Toleranzen auszugleichen, ohne dass ein erheblicher Teil der ohnehin geringen Schichtdicke wieder abgetragen werden muss, um die Fertigungstoleranzen von Offset, Reibbandstärke und Planlauf herzustellen.
Nachteilig sind auch die hohen Material- und Herstellungskosten von hartstoffbeschichteten Bremsscheiben, die mit Schichtsystemen auf der Basis von Carbiden wie zum Beispiel Wolframcarbid, Chromcarbid oder Borcarbid beschichtet sind. Der Aufwand von Energie bereits zur Herstellung der Zusatzwerkstoffe sowie die Materialeffizienz der bekannten Beschichtungsverfahren wie auch der hohe Aufwand von thermischer Energie zum Auf-/Abschmelzen der Werkstoffe beim Beschichten und der Einbringung der Energie in das Substrat erzeugen hohe Herstellungskosten für die zu beschichtenden Bremskörper.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von Bremskörpern sowie die Angabe von derart hergestellten Bremskörpern, mit denen die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bremsköpers, der mindestens einen metallischen Grundkörper mit mindestens einem Oberflächenbereich zum Ausbilden einer Reibfläche aufweist, bei dem mindestens teilweise auf dem zum Ausbilden der Reibfläche vorgesehenen Oberflächenbereich mindestens eine Lage eines metallischen Halbzeugs angeordnet wird, die nachfolgend mittels Fügeverfahren mit dem metallischen Grundkörper stoffschlüssig verbunden wird.
Vorteilhafterweise wird die Lage des metallischen Halbzeugs im Wesentlichen vollständig auf der als Reibfläche vorgesehenen Oberfläche des metallischen Grundkörpers angeordnet.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei oder mehrere Lagen des metallischen Halbzeugs angeordnet werden.
Auch vorteilhafterweise werden mehrere Lagen des metallischen Halbzeugs mit gleicher oder unterschiedlicher Schichtdicke angeordnet.
Und auch vorteilhafterweise werden die zwei oder mehreren Lagen in einem oder mehreren Verfahrensschritten mittels Fügeverfahren mit dem metallischen Grundkörper und/oder untereinander stoffschlüssig verbunden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine aus zwei oder mehreren Segmenten bestehende Lage des metallischen Halbzeugs angeordnet.
Weiterhin vorteilhafterweise werden Lagen und/oder Segmente einer Lage aus unterschiedlichen Materialien, Formen und/oder Schichtdicken angeordnet, wobei besonders vorteilhaft die Segmente als kreisrunde, ovale, mehreckige und/oder als freiformflächige Plättchen angeordnet werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn nach dem Anordnen der aus Segmenten gebildeten Lage mindestens auf dieser Lage eine Al-basierte Legierung angeordnet wird, anschließend eine thermische Behandlung des Bremskörpers durchgeführt wird, sodass eine Diffusionsstruktur mindestens aus der aus Segmenten gebildeten Lage und der Al-basierten Legierung gebildet wird.
Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs mit dem metallischen Grundkörper mittels Magnetimpulsschweißen, Lötschweißen, Walzplattieren, Ultraschallschweißen, Reibschweißen und/oder deren Modifizierungen stoffschlüssig verbunden.
Und auch vorteilhafterweise wird abschließend eine mechanische Bearbeitung der Oberfläche mindestens der Reibfläche des Bremskörpers realisiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einem Bremskörper gelöst, der mindestens einen metallischen Grundkörper mit einer auf einem ausgebildeten Oberflächenbereich aufgebrachten Reibfläche aufweist, die eine vorgefertigte Lage eines metallischen Halbzeugs ist, die mit dem metallischen Grundkörper mittels Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist mindestens eine Lage aus Edelstahl, ein Metallmatrixverbundwerkstoff, Ceramic Matrix Composite, Cermet, Hartmetall, Glidcop und/oder ein Material der Werkstoffklasse der Aluminide ist. Auch vorteilhafterweise weist die Reibfläche eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 4,0 mm auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Fügezone aus und/oder zwischen metallischem Grundkörper und Lage des metallischen Halbzeugs zwischen 1 pm und 50pm vorhanden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Bremskörpers ist die Reibfläche aus zwei oder mehreren Lagen gebildet.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die Lagen aus unterschiedlichen Materialien, Formen und/oder Schichtdicken vorhanden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs aus Segmenten gebildet, wobei besonders vorteilhaft die Segmente kreisrunde, ovale, mehreckige und/oder freiformflächige Plättchen sind.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mindestens die Reibfläche Verschleißerkennungsmerkmale aufweist, wobei besonders vorteilhaft die Verschleißerkennungsmerkmale Oberflächenvertiefungen und/oder Farbsubstanzen sind.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals gelungen, Bremskörper mit verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften herzustellen, deren Reibfläche eine große Schichtdicke aufweist. Zudem wird ein zeit- und kostengünstiges Herstellungsverfahren bereitgestellt.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einer Bremskörper ein Bauteil in Form einer Bremsscheibe oder Bremstrommel verstanden werden, das aus einem metallischen Grundkörper besteht und unterschiedliche funktionalisierte Bereiche wie diametral angeordnete Reibflächen, eine Anlagefläche zum Befestigen des Bremskörpers an einer Achse oder Welle oder auch durch Stege ausgebildete Belüftungskanäle aufweist. Unter einem metallischen Grundkörper soll im Rahmen der Erfindung die ausgebildete Bremsscheibe oder Bremstrommel mit den funktionalisierten Bereichen verstanden werden, die aus Stahl, Grauguss und/oder Aluminium hergestellt ist.
Unter Reibflächen soll im Rahmen der Erfindung eine ein- oder zweiseitig ausgebildete scheibenartige Flächen verstanden werden, über die im Zusammenwirken mit passend ausgebildeten Bremsbelägen die Bremswirkung erreicht wird.
Unter einem metallischen Halbzeug sollen im Rahmen der Erfindung ein Material verstanden werden, das nur teilweise metallische Bestandteile aufweisen kann oder auch vollständig metallisch ausgebildet ist. Ein metallisches Halbzeug kann vorteilhafterweise ein Edelstahl, ein Metallmatrixverbundwerkstoff, Ceramic Matrix Composite, Cermet, Hartmetall, Glidcop und/oder ein Material der Werkstoffklasse der Aluminide sein.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals gelungen, eine Bremsscheibe oder Bremstrommel mit verbesserten Korrosions- und Verschleißschutzeigenschaften bereitzustellen, die durch das Aufbringen einer Lage eines metallischen Halbzeugs auf dem metallischen Grundkörper hergestellt ist, wobei die Reibfläche durch mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs gebildet und diese durch ein Fügeverfahren stoffschlüssig mit dem metallischen Grundkörper verbunden ist. Die verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften werden mindestens im Bereich der Reibflächen des Bremskörpers erreicht, wobei auch Bereich der Anlagefläche und/oder der Belüftungskanäle den erfindungsgemäßen Verschleiß- und Korrosionsschutz aufweisen können.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers, bei dem zur Ausbildung der gewünschten Reibfläche mindestens teilweise mindestens auf der als Reibfläche vorgesehenen Oberfläche des metallischen Grundkörpers mindestens eine Lage eines metallischen Halbzeugs angeordnet wird.
Wesentlich ist, dass die mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs anschließend stoffschlüssig mit dem metallischen Grundkörper durch ein Fügeverfahren verbunden wird. Durch das stoffschlüssige Fügen der mindestens einen Lage des metallischen Halbzeuges und des metallischen Grundkörpers wird eine Fügezone ausgebildet, die vorteilhafterweise 1 pm bis 50pm breit ist.
Das stoffschlüssige Fügen hat den Vorteil, dass ein gleichmäßiger stofflicher Verbund von metallischem Halbzeug und metallischem Grundkörper realisiert wird, wodurch eine verbesserte Anbindung der Reibfläche mit dem metallischen Grundkörper erreicht wird. Zudem werden verbesserte Wärmeleiteigenschaften und Haftfestigkeiten zwischen metallischem Grundkörper und Reibfläche erreicht, was zu einer längeren Standzeit des Bremskörpers bei verbessertem Verschleiß- und Korrosionsschutz führt.
Das bereits vorgefertigte metallische Halbzeug kann ein Edelstahl, ein Metallmatrixverbundwerkstoff, Ceramic Matrix Composite, Cermet, Hartmetall, Glidcop und/oder ein Material der Werkstoffklasse der Aluminide sein.
Besonders kostengünstige und schnelle Fügeverfahren sind vorteilhafterweise das Magnetimpulsschweißen, Lötschweißen, Walzplattieren und/oder Reibschweißen, und deren spezialisierte Modifikationen, wie bspw. das laserunterstützte Walzplattieren.
Zur Bereitstellung einer größeren wirksamen Reibfläche ist es von Vorteil, wenn die Lage des metallischen Halbzeugs im Wesentlichen vollständig auf der als Reibfläche vorgesehenen Oberfläche des metallischen Grundkörpers angeordnet wird. Insbesondere für größere und schwerere Fahrzeuge mit erhöhter benötigter Bremskraft kann dies erforderlich sein, während für Fahrzeuge mit geringeren Bremsanforderungen, z.B. aufgrund der Rekuperation bei Elektrofahrzeugen, eine nur teilweise Anordnung einer Lage des metallischen Halbzeugs auf der als Reibfläche vorgesehene Oberfläche des metallischen Grundkörpers realisiert sein kann.
Vorstellbar ist auch, dass vorteilhafterweise zwei oder mehrere Lagen eines metallischen Halbzeugs angeordnet werden, die in der Summe die Schichtdicke der Reibfläche des Bremskörpers bilden. Hierbei können Lagen mit gleichem oder unterschiedlichem Werkstoff, unterschiedlicher Schichtdicke innerhalb einer Lage oder auch mit unterschiedlichen Schichtdicken der Lagen untereinander angeordnet werden und in einem oder mehreren Verfahrensschritten mittels Fügeverfahren mit dem metallischen Grundkörper und untereinander stoffschlüssig verbunden werden.
Zur Vereinfachung des Fügeverfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden der Lage des metallischen Halbzeugs mit dem metallischen Grundkörper ist es von Vorteil, wenn mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs durch einzelne Segmente gebildet wird. Durch die Anordnung von einzelnen Segmenten wird es beispielsweise möglich, oberflächenstrukturierte Reibfläche durch beispielsweise eine Beabstandung der Segmente mit Spaltbildung zueinander zu erzeugen, in die nachfolgend in vorteilhafter Weise eine Al-basierte Legierung eingetragen werden kann. Derartige Oberflächenstrukturen können beispielsweise spaltartig ausgebildete und bis zum metallischen Grundkörper reichende Vertiefungen sein, die zu einem verbesserten Wärme- und Abriebaustrag aus der Reibfläche führen und so die Leistung des Bremskörpers verbessern.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung von Segmenten einer Lage des metallischen Halbzeuges besteht darin, dass das stoffschlüssige Fügeverfahren zeit- und kostengünstiger ausgestaltet werden kann, da ein höher Energieeintrag je Fläche ermöglicht wird, was zu einem schnelleren stofflichen Verbinden der Segmente mit dem metallischen Grundkörper führt. Zudem lassen sich in einfacher Weise Oberflächenstrukturen erzeugen, die beispielsweise für das thermische Verhalten und den Abtransport von Feinstaub vorteilhaft sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Segmente einer Lage kann vorgesehen sein, dass die Segmente kreisrunde, ovale, mehreckige und/oder als freiformflächige Plättchen sind, die auf dem metallischen Grundkörper oder auf einer Lage angeordnet und mit diesen stoffschlüssig verbunden werden. Die Verwendung von Plättchen hat den Vorteil, dass die Reibfläche beispielsweise durch unterschiedliche Materialauswahl oder Anzahl der Plättchen bereichsweise funktionalisiert und in den thermischen Eigenschaften individuell eingestellt werden kann.
Von besonderem Vorteil ist, wenn der Bremskörper vor dem Anordnen mindestens einer Lage des metallischen Halbzeuges auf eine Temperatur von 250°C bis 650°C unter Schutzgasatmosphäre vorgewärmt wird. Es wurde festgestellt, dass bei einer Temperatur über 200°C beim Vorwärmen normalerweise unerwünschte Oxidationsprodukte entstehen, die jedoch durch den Einsatz einer Schutzgasatmosphäre verhindert werden.
Ein Verzicht auf den Einsatz von Schutzgas beim Vorwärmen des Bremskörpers ist überraschenderweise dann möglich, wenn die Vorwärmtemperatur lediglich bei 150°C bis 200°C eingestellt wird.
Die Reibfläche des erfindungsgemäß hergestellten Bremskörpers weist durch die mindestens eine angeordnete Lage des metallischen Halbzeuges vorteilhafterweise eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 4,0 mm auf, besonders vorteilhaft eine Schichtdicke von 0,3mm bis 1 ,5mm.
Mit einer abschließenden mechanischen Bearbeitung kann ein möglicherweise entstandener thermisch bedingter Verzug der Reibfläche und des Bremskörpers in einfacher Weise korrigiert werden, ohne dass dabei die verbesserten Verschleiß- und Korrosionseigenschaften entfernt und die erforderliche Schichtdicke der Reibfläche vermindert werden. Durch die abschließende mechanische Bearbeitung wird erreicht, dass ein zusätzlicher Arbeitsgang zur Beseitigung von Unwuchten entfallen kann.
Durch den erfindungsgemäßen Bremskörper, der mindestens im Bereich der Reibflächen mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs aufweist, wird dieser Nachteil beseitigt, da durch die besondere Härte von 350 HV [0,3] bis 850 HV [0,3] ein Einlaufen der Bremsbeläge in die Reibflächen vermieden wird.
Durch das thermisch initiierte Eindiffundieren der Al-basierten Legierung in den Gussoder Stahlwerkstoff bei den ausgebildeten Verbindungsstegen der Belüftungskanäle wird es möglich, die Verbindungsstege mit geringerer Wandstärke zu dimensionieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen
Ausführungsbeispiel 1
Eine innenbelüftete Bremsscheibe eines Fahrzeuges aus Grauguss wird bereitgestellt, die eine Härte von 200-250 HV, im Mittel auf 211 HV, aufweist. Die Bremsscheibe weist zwei voneinander diametral gegenüberliegend angeordnete Reibflächen sowie eine Anlagefläche für die Befestigung der Bremsscheibe an einer Achse auf. Die beiden Reibflächen sind durch stegartig ausgebildete Belüftungskanäle verbunden. Mit Korund (99,81 % AI2O3, 0,1 % Na20,0,04% TiO2. 0,02% SiO2. 0,03% Fe2O3) und unter Anwendung einer Stickstoff-Schutzgasatmosphäre wird die Oberfläche der beiden Reibflächen zweimalig in und entgegen der Drehrichtung der Bremsscheibe bei einem Winkel von 45° mechanisch bearbeitet und dadurch Verschmutzungen, Fette und Öle sowie Eisenoxide entfernt, um verbesserte Bedingungen für die nachfolgende stoffschlüssige Verbindung mit des metallischen Grundkörpers mit einer ersten Lage eines Halbzeugs bereitzustellen.
Anschließend wird im Bereich der vorgesehen Reibflächen auf dem metallischen Grundkörper eine erste kreisrunde Lage eines Bandmaterials aus Eisenaluminid angeordnet und mittels Magnetimpulsschweißen stoffschlüssig mit dem metallischen Grundkörper verbunden. Nachfolgend wird auf der ersten Lage eine aus insgesamt 6 gleichen Segmenten bestehende kreisrunde zweite Lage eines Bandmaterials aus Eisenaluminid angeordnet. Die Segmente werden mit einer Spaltbreiter von 1 mm und voneinander beabstandet angeordnet und jeweils mittels Magnetimpulsschweißen stoffschlüssig mit der ersten kreisrunden Lage aus Edelstahl verbunden. Die kreisrunde erste Lage und die segmentierte zweite Lage haben jeweils eine Schichtdicke von 0,55mm, sodass eine Reibfläche mit einer Schichthöhe von 1 ,1 mm ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Bremsköpers, der mindestens einen metallischen Grundkörper mit mindestens einem Oberflächenbereich zum Ausbilden einer Reibfläche aufweist, bei dem mindestens teilweise auf dem zum Ausbilden der Reibfläche vorgesehenen Oberflächenbereich mindestens eine Lage eines metallischen Halbzeugs angeordnet wird, die nachfolgend mittels Fügeverfahren mit dem metallischen Grundkörper stoffschlüssig verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Lage des metallischen Halbzeugs im Wesentlichen vollständig auf der als Reibfläche vorgesehenen Oberfläche des metallischen Grundkörpers angeordnet wird. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zwei oder mehrere Lagen des metallischen Halbzeugs angeordnet werden. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Lagen des metallischen Halbzeugs mit gleicher oder unterschiedlicher Schichtdicke angeordnet werden. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zwei oder mehreren Lagen in einem oder mehreren Verfahrensschritten mittels Fügeverfahren mit dem metallischen Grundkörper und/oder untereinander stoffschlüssig verbunden werden. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine aus zwei oder mehreren Segmenten bestehende Lage des metallischen Halbzeugs angeordnet wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Lagen und/oder Segmente einer Lage aus unterschiedlichen Materialien, Formen und/oder Schichtdicken angeordnet werden. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Segmente als kreisrunde, ovale, mehreckige und/oder als freiformflächige Plättchen angeordnet werden. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem nach dem Anordnen der aus Segmenten gebildeten Lage mindestens auf dieser Lage eine Al-basierte Legierung angeordnet wird, anschließend eine thermische Behandlung des Bremskörpers durchgeführt wird, sodass eine Diffusionsstruktur mindestens aus der aus Segmenten gebildeten Lage und der Al-basierten Legierung gebildet wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs mit dem metallischen Grundkörper mittels Magnetimpulsschweißen, Lötschweißen, Walzplattieren, Ultraschallschweißen, Reibschweißen und/oder deren Modifizierungen stoffschlüssig verbunden wird. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem abschließend eine mechanische Bearbeitung der Oberfläche mindestens der Reibfläche des Bremskörpers realisiert wird. Bremskörper, der mindestens einen metallischen Grundkörper mit einer auf einem ausgebildeten Oberflächenbereich aufgebrachten Reibfläche aufweist, die eine vorgefertigte Lage eines metallischen Halbzeugs ist, die mit dem metallischen Grundkörper mittels Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden ist. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem mindestens eine Lage aus Edelstahl, ein Metallmatrixverbundwerkstoff, Ceramic Matrix Composite, Cermet, Hartmetall, Glidcop und/oder ein Material der Werkstoffklasse der Aluminide ist. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reibfläche eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 4,0 mm aufweist. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Fügezone aus und/oder zwischen metallischem Grundkörper und Lage des metallischen Halbzeugs zwischen 1 pm und 50pm vorhanden ist. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reibfläche aus zwei oder mehreren Lagen gebildet ist. 14 Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lagen aus unterschiedlichen Materialien, Formen und/oder Schichtdicken vorhanden sind. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Lage des metallischen Halbzeugs aus Segmenten gebildet ist. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Segmente kreisrunde, ovale, mehreckige und/oder freiformflächige Plättchen sind. Bremskörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens die Reibfläche Verschleißerkennungsmerkmale aufweist. Bremskörper nach Anspruch 20, bei dem die Verschleißerkennungsmerkmale Oberflächenvertiefungen und/oder Farbsubstanzen sind.
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