Reibscheibe mit einer Verschleißschutzschicht und integrierter Verschleißindikation und Zusammensetzungen der Verschleißschutzschicht
Die Erfindung betrifft eine Reibscheibe, insbesondere einer Bremsscheibe für
Scheibenbremsen, mit einer Verschleißschutzschicht und integrierter
Verschleißindikation. Ferner betrifft die Erfindungen Zusammensetzungen der
Verschleißschutzschicht der Reibscheibe.
Bekanntermaßen ist es sinnvoll, Reibsysteme mit einer Einrichtung auszustatten, mit der erkannt werden kann, wann in Folge eines Verschleißes die Lebensdauer einer
Reibscheibe überschritten ist und diese ausgewechselt werden sollte. Dazu beschreibt die DE 101 18 920 C1 eine Reibscheibe aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Keramik-Verbundwerkstoff, bei der ein Teil der Reibfläche aus einem anderen, insbesondere einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff besteht, der eine geringere
Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit aufweist als der Rest der Reibfläche. Der dadurch während des Betriebs bedingte höhere Verschleiß verändert die Auswuchtgüte der Reibscheibe und verursacht ein optisches, akustisches oder mechanisches Signal, wenn die Reibscheibe ihre Lebensdauer überschreitet.
Aus der EP 0 41 1 284 A2 ist ein Verschleißanzeiger zum Anzeigen der Abnutzungsgrenze von Bremsbelägen an Kraftfahrzeugen bekannt, der bei sicherer Funktion einfach im Aufbau und kostengünstig in der Herstellung sein soll. Zu diesem Zweck ist eine U-förmi- ge Leiterschleife in einem Stopfen angeordnet, der in eine Bohrung der Bremsbacken- Trägerplatte eingesetzt ist. Bei Erreichen der Abnutzungsgrenze und einem in Kontakt Treten der Leiterschleife mit der Bremsscheibe wird ein elektrisches Signal ausgelöst.
Um eine visuelle Überprüfung einer Bremsscheibe zu ermöglichen, so dass eine verbleibende Lebensdauer oder ein unregelmäßiger Verschleiß festgestellt werden kann, ist in der US 4,457,566 B1 eine Bremsscheibe mit einem optischen Verschleißindikator offenbart. Dazu weist die Bremsscheibe in der Oberfläche zumindest einer Reibfläche eine im Wesentlichen parallel dazu verlaufende Ausnehmung auf, die so tief ist, dass die darunter liegende Bremsscheibe noch eine minimale Stärke aufweist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine Reibscheibe, insbesondere eine Bremsscheibe bereitzustellen, die zum einen mit einer Verschleißschutzschicht zur Reduktion der Bremsstaubbildung ausgestattet ist, um die Imission von Feinstaub in die Umwelt zu minimieren und die zum anderen einen Verschleißindikator aufweist, mittels dessen in einfacher Weise optisch erkannt werden kann, wann bei der mit der Verschleißschutzschicht ausgestatteten Reibscheibe eine Reibwertveränderung auftritt und sie infolge dessen gewechselt werden muss, um erhöhten Verschleiß und vermehrte Staubemission zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Reibscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen des Gegenstands sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Weiterhin ist es wünschenswert eine Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht bereitzustellen, die zur Applikation auf der Reibfläche einer Bremsscheibe aus einem beliebigen Material und einer beliebigen Ausbildung zur Reduktion der Feinstaubemission geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch Zusammensetzungen mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Reibscheibe wie sie als eine Bremsscheibe für Scheibenbremsen oder als Kupplungsscheibe zum Einsatz kommt, die zur Minimierung von Verschleiß und damit der Feinstaubbildung mit einer Verschleißschutzschicht auf der Reibfläche der Reibscheibe ausgestattet ist. Da das Zusammenwirken von Reibbelag und Reibscheibe ein spezielles Reibsystem darstellen, kommt einer Anzeige der Lebensdauer der Verschleißschutzschicht beziehungsweise einer Anzeige des Überschreitens der Lebensdauer der Schutzschicht auf der Reibfläche besondere Bedeutung zu. Zwischen der Verschleißschutzschicht, die die Reibfläche vollflächig bedeckt und der Reibscheibe sind ein oder mehrere Indikationsflächenelemente vorgesehen, die einen Teil der Reibfläche einnehmen und sich hinsichtlich Farbgebung und/oder Struktur von der Reibfläche und/oder der Verschleißschutzschicht deutlich unterscheiden. Sind mehr als ein Indikationsflächenelement vorgesehen, so können diese voneinander beabstandet über die Reibfläche verteilt angeordnet werden, die Ausbildung eines Indikationsflächenelements als ringartig umlaufende Struktur ist allerdings auch denkbar.
Mit Hilfe der zwischen Verschleißschutzschicht und der Reibfläche der Reibscheibe angeordneten Indikationsflächenelemente kann exakt erkannt werden, wann ein kritischer Verschleiß der Schutzschicht eingetreten ist und daher ein Wechsel der Reibscheibe notwendig ist. Ist die Schutzschicht verschlissen, kommt es zu einer Reibwertveränderung, die sich auf das Zusammenwirken von Reibbelag und Reibscheibe auswirkt, was zu einer Verschleißerhöhung der Reibscheibe und einer vermehrten Feinstaubbildung führt.
Das unter der Verschleißschutzschicht angeordnete Indikationsflächenelement wird freigelegt, sobald die Verschleißschutzschicht auf die festgelegte Tiefe abgetragen ist. Da das Indikationsflächenelement dabei auch in die Verschleißschutzschicht hineinragen kann, sind
Die Indikation des kritischen Verschleißes erfolgt insbesondere durch optisch erkennbare Indikationsflächenelemente. Diese können in einer Ausführungsform lediglich aus einer Vertiefung in der Reibfläche der Reibscheibe bestehen, die durch ihre Kontur auffällt, wenn die Verschleißschutzschicht abgetragen ist. In weiterer Ausführung kann die Vertiefung auch mit einem Indikationsmaterial gefüllt sein, das eine andere Farbe und/oder Struktur als die umgebende Reibfläche aufweist.
Alternativ, insbesondere aber in Ergänzung zur optischen Indikationswirkung kann das Indikatorflächenelement auch mit haptischer Wirkung ausgestattet sein. Hierzu sind beispielsweise sehr raue oder porige Indikationsmaterialien geeignet, deren struktureller Unterschied zur glatten Bremsscheibenoberfläche sich leicht erfühlen lässt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Indikationsflächenelement eine Schicht des Indikatormaterials nicht in sondern auf der Reibfläche angeordnet, das dann von der Verschleißschutzschicht umgeben ist und sich daher zumindest von der Verschleißschutzschicht farblich oder strukturell unterscheidet.
Die Verschleißschutzschicht wird mit einer Dicke von 10 bis 200 μιτι vorzugsweise von 10 bis 50 pm auf der Reibfläche der Reibscheibe appliziert, ist damit sehr dünn und primär für den Einsatz auf einer Reibscheibe auf einem metallischen Material gedacht.
Die Reibscheibe, die mit der Verschleißschutzschicht ausgestattet werden kann, kann somit aus einem Grauguss, einem Stahl oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Indikationsflächenelement liegt unter der Verschleißschutzschicht und wird erst nach dem kritischen Verschleiß sichtbar. Es besteht dazu beispielsweise aus einer farbigen, schwar-
zen oder weißen Keramik, einem mineralischen Farbstoff und/oder einem Fasergewebe oder -geflecht. Ebenso sind Metall- oder auch Keramikschäume geeignet. Die Verschleißschutzschicht selbst besteht entweder aus einer Keramik, insbesondere auf der Basis von Carbiden oder Oxidkeramik, aus einem Cermet, der bevorzugt ein Verbundwerkstoff aus einem Carbid oder einer Oxidkeramik in einer metallischen Matrix ist, oder sie kann aus einer Hartmetalllegierung bestehen.
Ferner können in der Verschleißschutzschicht Keramikhartstoffpartikel eingebettet sein, die insbesondere aus Aluminiumoxid (Korund) und/oder Titandioxid bestehen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Zusammensetzungen der Verschleißschutzschicht einer erfindungsgemäßen Reibscheibe, abhängig davon, ob es sich dabei um eine Metalllegierung, ein Cermet oder eine Keramik handelt.
Im Falle einer Metalllegierung zur Bildung der Verschleißschutzschicht kann die Zusammensetzung beispielsweise aus einer chrom- und/oder nickelhaltigen Wolframbasislegierung oder einem Chrom/Nickel-Stahl bestehen. Bei der Wolframbasislegierung handelt es sich um eine Zusammensetzung, die vorzugsweise 20 bis 35 Gew.-% Chrom und 5 bis 15 Gew.-% Nickel und besonders bevorzugt 27 Gew.-% und 10 Gew.-% Nickel mit einem die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Wolfram und den legierungsüblichen Verunreinigungsspuren aufweist. Der alternative Chrom/Nickel-Stahl weist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest 16 Gew.-% Chrom und zumindest 10 Gew.-% Nickel auf, besonders bevorzugt sind ein Chromgehalt von 16,5 bis 20 Gew.-% und ein Nickelgehalt von 10 bis 26 Gew.-%.
Wird für die Verschleißschutzschicht ein Cermet verwendet, so kann sich dieser aus einer Wolframlegierung zusammensetzen, in dem Keramikpartikel aus Al203, Ti02 und/oder SiC enthalten sind. Ein alternativer Cermet liegt mit WC und/oder CrC in einer metallischen Matrix aus Ni, Co und/oder Cr vor, wobei besonders ein Anteil von WC von 60 bis 85 Gew.-% bevorzugt ist. Besonders geeignet ist ein Cermet mit 70 bis 85 Gew.-% WC und 7 bis 12 Gew.-% Co..
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung für eine Verschleißschutzschicht einer Reibscheibe bezieht sich auf eine Keramik, die aus WC, CrC, SiC, Al203, Ti02 oder einer Kombination davon besteht. Bevorzugte Keramiken setzen sich aus WC und AI203 oder aus Al20 3und Ti02 zusammen, letztere vorzugsweise mit einem AI203.Anteil von 60 bis 97 Gew.-% und einem Ti02JAnteil von 3 bis 40 Gew.-%.
Die genannten und weiteren Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenquerschnittsteilansicht einer Bremsscheibe mit Verschleißschutzschicht und Verschleißindikation,
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen Reibflächenausschnitt mit zwei verschiedenen
Verschleißindikatoren,
Fig. 2b eine Seitenschnittansicht, die der Ansicht aus Fig. 2a entspricht.
Die erfindungsgemäße Reibscheibe bezieht sich vor allem auf Bremsscheiben, es sind aber auch andere Reibscheiben wie etwa Kupplungsscheiben umfasst. Bei den Bremsscheiben kann es sich um eine Verbundbremsscheibe oder um eine Bremsscheibe aus Vollmaterial handeln, die erfindungsgemäß mit einer Verschleißschutzschicht auf der Reibfläche, die an dem Reibring der Reibscheibe vorliegt, ausgestattet ist und eine integrierte Verschleißindikation umfasst.
Fig. 1 zeigt eine innen belüftete Bremsscheibe 2, die etwa aus einem Grauguss, Stahl oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein kann. Auf den beiden voneinander abgewandten Reibflächen 2' der Reibscheibe 2 ist jeweils eine Verschleißschutzschicht 1 aufgebracht, die eine Dicke von unter 200 μπι, vorzugsweise von unter 50 pm aufweist. Als Indikationsflächenelement 3 ist in Fig. 1 eine lokal aufgebrachte Schicht aus einem Indikatormaterial zu sehen, die von der Verschleißschutzschicht 1 umgeben wird. Dieses Indikatorflächenelement 3 wird optisch erfassbar, wenn die Verschleißschutzschicht 1 entsprechend abgetragen bzw. verschlissen ist. Nicht dargestellt, aber auch denkbar, ist, dass zumindest ein weiteres Indikationsflächenelement auf der zweiten Reibfläche angeordnet ist, die dann allerdings nicht von außen direkt ersichtlich ist, wenn die
Bremsscheibe an einem Fahrzeug montiert ist.
In Fig. 2a und 2b sind zwei verschiedene Ausführungsformen eines Indikatorflächenelements 3 dargestellt, wobei es sich bei beiden zunächst um eine in die Reibfläche 2' der Reibscheibe 2 eingebrachte Vertiefung 3 handelt. Während das auf der rechten Seite dargestellte Indikationsflächenelement 3 lediglich durch eine Ansenkung realisiert wird, so dass nach Verschleiß der Schutzschicht 1 , wie in Fig.2a dargestellt, lediglich die Kontur beispielsweise als Sackloch sichtbar wird, ist die Vertiefung auf der linken Seite mit einem Indikationsmaterial 3 befüllt, das sich hinsichtlich Farbe und/oder Struktur von der Reibfläche 2' unterscheidet. Farbliche Unterschiede können zum einen dadurch erreicht werden, dass als Indikatormaterial weiße, schwarze oder farbige Materialien zum Einsatz kommen, es kann aber auch eine Verfärbung durch eine chemische insbesondere oxidative Reaktion infolge der Wärmeeinwirkung des Reibsystems hervorgerufen werden.
Generell kommen als Indikatormaterialien beispielsweise Keramiken in Frage, die eine weiße Färbung aus AI203 oder Ti02 aufweisen können oder eine schwarze Färbung aus SiC. Weitere Farben können durch mineralische Farben wie etwa Metalloxide realisiert werden. Die Keramik kann als Inlay in eine Vertiefung eingesetzt oder auf die Reibfläche aufgesetzt werden, bevor die Verschleißschutzschicht aufgebracht wird. Die Befestigung kann durch geeignete Verklebung oder ggfs. Verschweißung oder Löten erfolgen.
Bevorzugt wird das Indikatorelement beim Gießen der Reibscheibe eingegossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Verschleißschutzschicht aus einem Metall-Keramikverbundwerkstoff besteht, kann als Indikatormaterial ein weiße Keramik verwendet werden, die bei Herstellung beispielsweise bei dem Anspritzen der Be- schichtung zunächst in die Indikatorausnehmung gespritzt wird, woraufhin dann das Aufspritzen der Verschleißschutzschicht erfolgt, indem die Spritzvorrichtung auf die Metall/Keramik-Beschichtung umgestellt wird.
Strukturelle Unterschiede zur optischen Erfassung des Indikationsflächenelements können etwa durch ein Eingussteil aus Metallfasern beziehungsweise -gewebe oder - Metallgeflecht implementiert werden, beispielsweise durch das Eingießen eines kleinen Stahlgewebeteils in eine Aluminiumbremsscheibe. In dieser Weise lassen sich auch vorteilhafterweise Metall- oder Keramikschäume implementieren. Nach dem die
Verschleißschutzschicht ihre Lebensdauer überschritten hat und abgetragen bzw.
verschlissen ist, wird das Gewebe respektive der Schaum freigelegt, so dass die sich
farblich und/oder strukturell von der Reibfläche unterscheidenden Fasern respektive Schäume optisch oder auch haptisch erfassbar werden.
Zusammensetzungen für die Verschleißschutzschicht von erfindungsgemäßen Reibscheiben bilden zusammen mit einem Reibbelag, wie etwa einem Bremsbelag, ein spezielles Reibsystem, das sich durch geringen Verschleiß und geringe Feinstaubbildung auszeichnet. Mittels des integrierten Verschleißindikators kann exakt erkannt werden, wann die Reibscheibe gewechselt werden muss, um eine Reibwertveränderung mit Verschleißerhöhung und vermehrter Bremsstaubbildung zu vermeiden.
Das Indikationsflächenelement kann dabei durch ein oder mehrere lokale Flächenelemente gebildet werden. In Fig. 2a ist dazu ein Kreiselement zu sehen, die Formgebung kann selbstverständlich ständig von der gezeigten abweichen. Es sind sämtliche geometrischen Figuren und Designelemente denkbar, Indikationsflächenelemente können auch dreieckig, sternförmig oder etwa aus Buchstaben gebildet sein. Ist das Flächenelement als ringartig umlaufende Struktur ausgebildet, so kann dies auch ein kreisförmiger Ring sein oder ein geschwungenes oder gezacktes Band darstellen. Die umlaufende Struktur ist besonders einfach zu erkennen, da sie nicht, wie lokal aufgebrachte Elemente eventuell von der vor der Bremsscheibe montierte Felge verdeckt werden können. So ist bei einem umlaufenden Indikationsflächenelement auf den ersten Blick auch bei montierten Rädern zu erkennen, ob die Bremsscheibe gewechselt werden muss oder nicht.
Eine bevorzugte Zusammensetzung einer Verschleißschutzschicht besteht aus WC und Al203 oder AI2O3 und Ti02 als Keramiken. Letztere enthält vorzugsweise 60 bis
97 Gew.-% Al203 und 3 bis 40 Gew.-% Ti02. Alternativ kann eine Zusammensetzung für eine Verschleißschutzschicht auf W basieren, es kann sich dabei um eine Wolframbasislegierung mit Cr und/oder Ni handeln, die vorzugsweise 20 bis 35 Gew.-% Cr und 5 bis 15 Gew.-% Ni sowie Restbestandteil W und legierungsübliche Verunreinigungen enthält. Eine bevorzugte Wolframbasislegierung enthält 27 Gew.-% Cr und 10 Gew.-% Ni. In eine solche Wolframbasislegierung können keramische Hartstoffpartikel insbesondere aus Al203 und/oder Ti02 integriert sein.
Wird für die Verschleißschutzschicht ein Cr/Ni-Stahl verwendet, so kann dieser mindestens 16 Gew.-% Cr und mindestens 10 Gew.-% Ni aufweisen. Eine beispielsweise durch
eine keramische Spritzgussschicht aus Cr/Ni-Stahl ausgebildete Verschleißschutzschicht kann bevorzugt auch einen Cr-Gehalt von 16,5 bis 20 Gew.-% und ein Ni 10 bis
26 Gew.-% aufweisen.
Cermet aus Carbid (Oxid-) Keramiken in metallischer Matrix können zur Verwendung als Verschleißschutzschicht aus W- und/oder aus CrC in einer metallischen Matrix aus N, Co und/oder Cr gebildet sein. Ein Wolframcarbidanteil liegt dabei in einem Bereich 60 bis 85 Gew.-%, eine bevorzugte Zusammensetzung umfasst 70 bis 85 Gew.-% WC und 7 bis 12 Gew.-% Co. Auch ist denkbar, als Verschleißschutzschicht eine Zusammensetzung aus Al203, Ti02 und/oder SiC in einer Wolframmatrix zu verwenden.