WO2010089047A1 - Bremsscheibe für ein fahrzeug sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Bremsscheibe für ein fahrzeug sowie verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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Definitions

  • the object is achieved by a brake disc for a vehicle with the features of claim 1. With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 14.
  • the proportion of WC is preferably in the range of 60-85%. (In the data in%, unless stated otherwise, always means% by weight.)
  • Another coating B is formed of oxide ceramics, for example titanium oxide (TiO 2 ) and aluminum oxide (AL 2 O 3 ).
  • the alumina content is preferably between 60% by weight and 97% by weight and titanium oxide (TiO 2 ), preferably in a proportion of between 3% and 40% by weight.
  • Particularly preferred are compositions with 50-60% Al 2 O 3 and 40-50% TiO 2 .
  • the coating material in powder form is sprayed onto the friction surfaces R to be coated at very high speed.
  • a relatively low heated process gas is accelerated by expansion in a Laval nozzle to supersonic speed, thereby forming a gas jet.
  • these Gas jet is injected the coating material.
  • the powdery coating material is thereby accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, it forms a dense and firmly adhering layer upon impact with the friction surfaces R to be coated, even without prior melting or melting.
  • the coating material is melted in wire form by means of an arc.
  • the spray particles forming thereby are sprayed onto the friction surfaces R to be coated by means of an atomizing gas.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe (BS) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (G) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher Reibflächen (R) mit einer Beschichtung (B) aus einem harten Material aufweist. Erfindungsgemäß ist die Beschichtung (B) aus Carbiden, Keramik, Cermet oder Metallen gebildet.

Description

Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in DE 10 2004 016 098 A1 beschrieben, eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe bekannt. Die Bremsscheibe weist mindestens einen Grundkörper auf, welcher mindestens partiell im Bereich seiner äußeren Oberfläche eine verschleißfeste Schicht trägt, die als Reibschicht dient, wobei mindestens eine Zwischenschicht als haftvermittelnde Schicht und/oder als Korrosionsschutzschicht zwischen dem Grundkörper und mindestens einer äußeren verschleißfesten Schicht aufgebracht wird und diese mindestens eine Zwischenschicht galvanisch aufgebracht wird.
In der DE 10 2005 008 569 A1 wird ein Reibelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. In dem Verfahren wird ein Reibelementgrundkörper bereitgestellt und eine Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung weist eine Einschmelzlegierung auf und wird eingeschmolzen.
Aus der DE 102 03 507 A 1 ist eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Die Bremsscheibe umfasst einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material mit hohem Reibwert aufweist. Der Grundkörper wird um die Schichtdicke der Beschichtung abgedreht in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid, Diamant oder einem keramischen Material. In der DE 103 42 743 A1 ist eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Die Bremsscheibe umfasst einen Grundkörper, welcher eine mindestens im Bereich der äußeren Oberfläche verschleißfeste Schicht trägt, die als Reibschicht dient sowie einen Bereich aus einem Material zur Haftvermittlung zwischen dem Grundkörper und der mindestens einen verschleißfesten äußeren Schicht aufweist, wobei der Bereich aus dem Material zur Haftvermittlung und die verschleißfeste äußere Schicht als mindestens eine Gradientenschicht ausgebildet ist, deren Zusammensetzung sich in Schichtdickenrichtung ändert.
Aus der DE 103 45 000 B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen bekannt. Bei dem Verfahren zur Herstellung von Bremsteilen wird für deren ringförmige Bremsfläche eine Verschleißschutzschicht vorgesehen, die durch oberflächenseitiges Anschmelzen des Trägermaterials und Vermischen von Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze gebildet und in das Trägermaterial eingebunden wird, wobei der Energieeintrag zum oberflächenseitigen Anschmelzen des Trägermaterials über Lichtwellen, Lichtbogen, Plasma und/oder Elektronenstrahl erfolgt und insbesondere, bevorzugt über einen Laser, als Strahlungsenergie in Form von Lichtwellen auf die anzuschmelzende Oberfläche einwirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bremsscheibe für ein Fahrzeug und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 14 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Bremsscheibe für ein Fahrzeug umfasst einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, Stahl oder Aluminiumlegierung, welcher Reibflächen mit einer Beschichtung aus einem harten, verschleißbeständigen Material aufweist. Die Beschichtung weist Hartstoffe in der Form von Carbiden, oder Oxid-Keramik auf. Die Hartstoffe aus Carbiden oder Oxid-Keramik tragen erheblich zu einer verbesserten Verschleißbeständigkeit und guten sowie konstanten Reibwerten bei. Die Karbide oder die Oxidkeramik liegen dabei durch eine Binderphase oder eine Matrix gebunden vor, welche insbesondere durch Legierungen auf der Basis von Cr1 Ni und/oder Fe gebildet sind. Hierzu zählen insbesondere auch Cr- und/oder Cr/Ni-Stähle.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine kostengünstige Bremsscheibe herstellbar, da ein Großteil der Bremsscheibe aus kostengünstigem Grauguss ist. Durch die Beschichtung weist die Bremsscheibe jedoch einen weitaus geringeren Verschleiß auf als eine Bremsscheibe, bei welcher auch die Reibflächen aus Grauguss gebildet sind. Des Weiteren sind durch diese Beschichtung eine Gewichtsreduzierung und eine Korrosionsreduzierung der Bremsscheibe erreichbar.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht einen gleichmäßigen Reibwert der Bremsscheibe und eine Reduzierung beim Bremsen auftretender Temperaturen, wodurch ein so genanntes Bremsenfading, d. h. ein Ausfall der Bremse aufgrund Überhitzung vermeidbar ist. Durch eine Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen beim Bremsen ist zudem eine Komfortsteigerung erzielbar. Durch die erfindungsgemäße Lösung entfallen während einer Fertigung aufwändige Nachbehandlungen zu einer Oberflächenhärtung der Bremsscheibe.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsscheibe.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsscheibe BS. Die Bremsscheibe BS ist gebildet aus einem Grundkörper G aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Grauguss. Als weitere Werkstoffe können auch Stahl oder eine Leichtmetalllegierung wie bspw. Aluminium eingesetzt werden. Die Reibflächen R der Bremsscheibe BS weisen eine Beschichtung B aus einem harten Material auf, welches als Verschleißschutzmaterial wirkt.. Diese Beschichtung B umfasst als Hartstoffe Carbide und/oder Oxidkeramik. Derartige Beschichtungen können auch zu den Materialklassen der Cermets oder Metalllegierungen gehören. In einer ersten Ausgestaltung der Beschichtung sind Carbide aus Wolfram und/oder aus Chrom in eine metallische Matrix aus Nickel, Cobalt und/oder Chrom eingelagert.
Der Anteil an WC liegt hier bevorzugt im Bereich von 60-85%. (Unter den Angaben in % sind soweit nichts anderes angegeben immer Gewichts-% zu verstehen.)
Der metallischen Matrix kommt im Wesentlichen die Aufgabe der Bindung der eingeschlossenen Carbide zu. Der Anteil an metallischer Matrix liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 50%, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 25%.
Dabei sind für die metallische Matrix insbesondere Legierungszusammensetzungen mit einem hohen Co-Anteil von Bedeutung, so dass sich für die Beschichtung insbesondere Anteile von 8-15% Co, 2 bis 6% Cr und 0,001 bis 3% Ni sowie gegebenenfalls Spuren weiterer Metalle ergeben.
Typische bevorzugte Beschichtungszusammensetzungen sind:
70-85 % WC,
7-12 % Co 10,
3-5% Cr,
0,5-2% Ni , sowie Verunreinigungen,
oder
75-85 % WC,
7-12 % Co 10,
3-5% Cr,
0,001 bis 1 Ni, sowie Verunreinigungen.
Eine weitere Ausführungsform der Beschichtung B aus Carbiden ist WCCoCrNi, mit einem Anteil von ca. 80 Gewichtsprozent, Cobalt, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 10 Gewichtsprozent, Chrom, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 4 Gewichtsprozent und Nickel, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 1 Gewichtsprozent gebildet. Das Cr kann in diesen Beschichtungs-Zusammensetzungen zumindest teilweise auch als Carbid gebunden vorliegen.
Eine weitere gut geeignete metallische Matrix ist durch einen hohen Ni-Gehalt geprägt. Als wesentliche Bestandteile dieser Beschichtungen treten als Hartstoffe WC und Cr3C2 auf, die zusammen einen Anteil von 70 bis 95 % der Beschichtung ergeben.
Typische bevorzugte Beschichtungszusammensetzungen sind:
65-85 % WC
15-30% Cr3C2
5-12 % Ni, sowie Verunreinigungen,
oder
70-75 % WC,
18-22 % Cr3C2,
5-8 % Ni, sowie Verunreinigungen.
Eine Beschichtung B aus Carbiden ist beispielsweise WCCr3CaNi1, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 73 Gewichtsprozent, Chromcarbid, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 20 Gewichtsprozent und Nickel, vorzugsweise mit einem Anteil von ca. 7 Gewichtsprozent gebildet.
Eine weitere Beschichtung mit Carbiden ist aus einem Chromstahl gebildet. Hier treten im wesentlich Cr-Carbide als Hartstoffe auf. Die bevorzugten Stähle weisen einen Chromanteil von 12 bis 22 Gewichtsprozent auf. Bevorzugt sind 15-20% Cr.
Eine weitere Beschichtung B ist aus Oxid-Keramik, beispielsweise aus Titanoxid (TiO2) und Aluminiumoxid (AL2O3) gebildet. Der Aluminiumoxid-Anteil liegt bevorzugt zwischen 60 Gewichtsprozent und 97 Gewichtsprozent und Titanoxid (TiO2), vorzugsweise mit einem Anteil zwischen 3 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent. Besonders bevorzugt sind Zusammensetzungen mit 50-60% AI2O3 und 40-50% TiO2.
Eine weitere Beschichtung ist ein Verbundwerkstoff aus Oxidkeramik in einer Metallmatrix, häufig auch als Cermet bezeichnet.Als metallische Matrix, ist insbesondere Edelstahl geeignet. Besonders geeignete Edelstahle sind Cr/Ni-Stähle, insbesondere 316L oder 1.4404. Die Keramik ist vorzugsweise mit einem Anteil von 50-80, bevorzugt 65 bis 75 Gewichtsprozent und die intermetallsiche Matrix vorzugsweise mit einem Anteil von 20-50%, bevorzugt 25-35 Gewichtsprozent enthalten.. Die Keramik besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid (AL2O3) mit Titanoxid (TiO2). Der Aluminiumoxid-Anteil in der Keramik liegt bevorzugt zwischen 60 Gewichtsprozent und 97 Gewichtsprozent und Titanoxid (TiO2) vorzugsweise bei einem Anteil zwischen 3 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent. Besonders bevorzugt sind Zusammensetzungen mit 50-60% AI2O3 und 40-50% TiO2.
Durch eine Vorbehandlung des Grundkörpers G der Bremsscheibe BS vor einem Aufbringen der Beschichtung B, beispielsweise durch ein Anschleifen der Reibflächen R, sind eine optimale Beschichtung B und ein optimaler Halt der Beschichtung B auf dem Grundkörper G erzielbar.
Als Beschichtungsverfahren sind vorzugsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen anwendbar. Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eignet sich besonders zur Erzeugung der Beschichtung B aus Carbiden. Das Plasmaspritzen ist zur Erzeugung der Beschichtung B aus Keramik, Cermet oder Metall geeignet. Zur Erzeugung der Beschichtung B aus Metall sind auch das Kaltgasspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen geeignet.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird unter Verwendung von Sauerstoff und einem Brennstoff in einer Spritzpistole eine chemische Reaktion erzeugt. Durch einen dadurch entstehenden Druck werden Spritzpartikel eines Beschichtungswerkstoffs mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtenden Reibflächen R aufgebracht. Der Beschichtungswerkstoff ist der Spritzpistole als Draht oder in Pulverform zuführbar.
Beim Plasmaspritzen wird durch einen Lichtbogen und ein diesen Lichtbogen durchströmendes Plasmagas ein Plasma erzeugt. In einen sich dadurch bildenden Plasmagasstrom wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform eingebracht, welcher durch das Plasma aufgeschmolzen und durch den Plasmagasstrom auf die zu beschichtenden Reibflächen R aufgespritzt wird.
Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtenden Reibflächen R aufgespritzt. Dazu wird ein relativ niedrig aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch sich ein Gasstrahl bildet. In diesen Gasstrahl wird der Beschichtungswerkstoff injiziert. Der pulverförmige Beschichtungswerkstoff wird dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass er im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf die zu beschichtenden Reibflächen R eine dichte und fest haftende Schicht bildet.
Beim Lichtbogendrahtspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Drahtform mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzen. Sich dadurch bildende Spritzpartikel werden mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtenden Reibflächen R aufgespritzt.
Des Weiteren ist die Beschichtung B beispielsweise auch mittels Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Induktion aufbringbar, wobei der Beschichtungswerkstoff beispielsweise in Pulverform auf die zu beschichtenden Reibflächen R aufgebracht und mittels Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Induktion aufgeschmolzen wird.
Durch eine Variation von Verfahrensparametern der genannten Beschichtungsverfahren ist die Beschichtung B optimierbar, so dass eine optimal auf dem Grundkörper G haftende Beschichtung B mit optimalen Eigenschaften erzielbar ist, d. h. eine verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung B mit einem optimierten Geräusch-, Vibrationsund Temperaturverhalten.
Bezugszeichenliste
BS Bremsscheibe
B Beschichtung
G Grundkörper
R Reibfläche

Claims

Patentansprüche
1. Bremsscheibe (BS) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (G) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher Reibflächen (R) mit einer Beschichtung (B) aus einem harten Material aufweist, wobei die Beschichtung (B) Hartstoffe aus Carbiden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch
- 70-85 % WC, 7-12 % Co, 3-5% Cr, 0,5-2% Ni , sowie Verunreinigungen
- oder 75-85 % WC, 7-12 % Co, 3-5% Cr, 0,001 bis 1 Ni, sowie Verunreinigungen
- oder 65-85 % WC, 15-30% Cr3C2 , 5-12 % Ni, sowie Verunreinigungen,
- oder 70-75 % WC, 18-22 % Cr3C2, 5-8 % Ni, sowie Verunreinigungen, gebildet ist.
2. Bremsscheibe (BS) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (G) aus einem metallischen Werkstoff, welcher Reibflächen (R) mit einer Beschichtung (B) aus einem harten Material aufweist, welche Oxid-Keramik aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Titanoxid (TiO2) und Aluminiumoxid (AI2O3) gebildet ist mit einem Gehalt an 60-97% AI2O3 und 3-40% TiO2.
3. Bremsscheibe (BS) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (G) aus einem metallischen Werkstoff, welcher Reibflächen (R) mit einer Beschichtung (B) aus einem harten Material aufweist, welche Oxid-Keramik amfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Verbundwerkstoff aus Oxidkeramik und Metallmatrix im
Verhältnis von 50-80% zu 20-50% ist, und die Keramik durch AI2O3 und TiO2 im Verhältnis von 60-97% zu 3-40 % gebildet ist und die Metallmatrix aus Cr/Ni-Stahl gebildet ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (BS) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (B) auf Reibflächen (R) eines Grundkörpers (G) aus einem metallischen Werkstoff mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird.
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