WO2020120745A1 - Beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben, bremsscheibe für eine scheibenbremse oder bremstrommel für eine trommelbremse oder kupplungsscheibe für eine kupplung, scheibenbremse oder trommelbremse oder kupplung, verfahren zur herstellung einer beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben und verwendung einer beschichtung - Google Patents

Beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben, bremsscheibe für eine scheibenbremse oder bremstrommel für eine trommelbremse oder kupplungsscheibe für eine kupplung, scheibenbremse oder trommelbremse oder kupplung, verfahren zur herstellung einer beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben und verwendung einer beschichtung Download PDF

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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a coating, in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, and a brake disc for a disc brake or a brake drum for a drum brake or a clutch disc for a clutch, furthermore a disc brake or drum brake or clutch, a method for producing a coating, in particular for brake discs, Brake drums and clutch discs and finally the use of a coating.
  • Disc brake systems consist, among other things, of rotating discs, mostly made of cast iron, steel or light metals. These discs (“brake discs”) wear through the braking process, the material properties of the friction linings (“brake linings”) playing a role. In general, the more ceramic fillers they have, the higher the wear on the friction surface of the brake disc. Therefore brake pads usually contain more metallic than ceramic fillers. For reasons of the durability of brake pads and for reasons of reducing the emissions of metal-containing dust arising during the braking process, attempts are made to increase the ceramic portion in the brake pads as much as possible increase, which, however, is detrimental to the life of the brake disc as a friction partner, which is accordingly subject to higher friction wear. For this reason, it is state of the art to provide brake discs with wear-reducing coatings.
  • tungsten carbide WC
  • HVOF High Velocity Oxygen Fuel
  • the proportion of WC is mainly decisive for the wear resistance.
  • Other components (6 to 80%) are typical Mainly metals from the group Fe, Co, Ni and Cr as well as their alloys and their carbides. In rare cases other metals can also be contained, such as Al, Mo, Cu, Mn, B or Si.
  • the coatings contain due to the metallurgical changes in the thermal Injection also contains proportions of M6C carbides and / or oxides, eg Cr oxide, more rarely also W2C.
  • the proportion by weight of tungsten carbide in the coating material is between 20 and 94%.
  • coatings made of WC-containing coating materials have significantly lower coefficients of thermal expansion than materials based on Fe or Al.
  • brake disks for example, are cyclically thermally stressed and even have to withstand thermal shock, stresses arise between the brake disk and its coating when the temperature changes, so that the latter can crack or even flake off and therefore lose its function.
  • Tungsten carbide has a modulus of elasticity of around 700 GPa, while iron-based materials range around 200 GPa lie. This can lead to the build-up of considerable tension between the coating and the brake disc when the temperature changes.
  • the known WC-containing coating materials therefore do not meet the aforementioned requirements for corrosion protection, e.g. a brake disc.
  • electroplating is a complex, additional production step in another production line, combined with washing, drying, transport and handling.
  • the sensible spectrum of materials used for electroplating is also very limited and limited to nickel and copper.
  • galvanically deposited coatings are often subject to tensile stresses, which is disadvantageous in this case because of the tendency to crack.
  • the object and aim of the present invention is therefore to overcome the above-described problems in the prior art.
  • a further object and a further aim of the present invention are the provision of corresponding components with the advantageous coating and the provision of systems which contain such components and finally the use of the coating for coating such components.
  • FIG. 1 shows a microscopic cross-sectional image in the layer thickness direction (scale bar approx. 51 pm long) of the first layer of the coating according to the invention.
  • the present invention encompasses a coating particularly suitable for, but not limited to, brake disks, brake drums and clutch disks, with a first, preferably inner layer, which has a metal-based material which has less than 20% by weight (weight percent) hardness carrier, in particular tungsten carbide (WC ) or other carbides or oxides and a second, preferably outer layer, which is applied to the first layer and a tungsten carbide-containing Material which contains 20 wt .-%, preferably 40 wt .-% to 94 wt .-%, preferably up to 90 wt .-% tungsten carbide (WC), wherein the first and second layers can be thermally sprayed layers and it are preferred.
  • a first, preferably inner layer which has a metal-based material which has less than 20% by weight (weight percent) hardness carrier, in particular tungsten carbide (WC ) or other carbides or oxides
  • a second, preferably outer layer which is applied to the first layer and a tungs
  • a “coating” is to be understood as a material system that is applied to the surface, in particular the friction surfaces of a base body, preferably over the entire surface, that is to say over the entire friction surface, in order to cover it.
  • the base body can be, for example, an automobile disc brake , an automobile brake drum or an automobile clutch disc.
  • the first layer which is thus an inner layer, is applied to the base body and the second layer, which is therefore an outer layer, is applied thereon and thereon comes into contact with the friction partner, for example the brake lining in the case of a disc brake or the brake shoe of a drum brake or the driving disk in a friction clutch.
  • the coating as a whole consists only of the first layer and the second layer and optionally also of the third described below layer.
  • the coating according to the invention is therefore preferably two-layer or optionally three-layer.
  • the “metal-based material” as a component of the first layer is to be understood as a material which is predominantly formed by a metal or a metallic alloy, ie these form the base material or the main component.
  • the metal or the alloy can be the matrix for the storage of any carbides present, in particular form tungsten carbide as a hardness carrier or oxides and is therefore the main component / base material of the metal-based material.
  • the content of carbides and / or oxides in the metal-based material is limited to a maximum content of 20% by weight, including any smaller values, and a content of 0% by weight.
  • the content of hardness carriers in particular of specifically added hardness carriers, for example tungsten carbide and / or chromium carbide (CrC) and / or silicon carbide (SiC), to a maximum content / maximum value of 20% by weight in the metal-based Material is limited.
  • the metal-based material of the first layer can optionally and particularly preferably also be carbide-free or oxide-free or hard material-free and then consists exclusively of a metal or an alloy without deliberately added and functionally active hardness carriers, with the exception of hardness carriers which form inevitably and which are more likely to be regarded as contamination .
  • the contents of the base material of the metal-based material (for example metal or alloy) and of carbides and oxides as well as unavoidable impurities add up to 100% by weight. It should also be noted that the oxides mentioned arise automatically, for example, during thermal spraying or come from admixtures of aluminum oxide or chromium oxide.
  • the "tungsten carbide-containing material" of the second layer is to be understood as a material which, in addition to tungsten carbide, has at least one further component in the form of a metal or a metallic alloy.
  • the second component can be the main component or the secondary component of the Represent tungsten carbide-containing material. It is optionally contemplated that the second component as a material matrix for the Hardness carrier tungsten carbide is used. Also included in the present invention and disclosure is that the second layer optionally has, instead of the tungsten carbide-containing material, preferably another carbide-containing material and further preferably a hard material-containing material.
  • the contents of the tungsten carbide or the hard material in general and the further component and unavoidable impurities add up to 100% by weight.
  • the tungsten carbide content (WC) in coating materials and coatings is determined as follows: 94 parts by weight of tungsten are mathematically assigned to 6 parts by weight of carbon. The sum of both calculated parts by weight gives the percentage WC content in the spray material or in the coating. Any excess carbon content is assigned, for example, to chromium or silicon of the metal-based material, which in this case would be at least partially present as carbide.
  • the selected content range for tungsten carbide of 20% by weight up to and including 94% by weight is advantageous in that below 20% the wear protection is too low and above 94% the content of the metallic matrix is in turn too small to reduce the Layer to give enough strength.
  • the coating described above represents a novel, preferably two-layer coating system.
  • the first and second layers differ function-specifically, particularly in their carbide or tungsten carbide contents and their structure or microstructure.
  • the first layer consists mainly of a metallic material in order to be plastically deformable without tearing.
  • the first layer therefore preferably has a low deformation limit and a high elongation at break.
  • the upper limit of carbides serves not to increase the coefficient of thermal expansion to become low, and to continue to allow plastic deformability for stress relief.
  • the material of the first layer is also corrosion-resistant to road salt (based on NaCl).
  • the second layer has the task of ensuring wear protection, which is achieved by a proportion of hardness carriers, in particular tungsten carbide, which is sometimes significantly higher than that of the first layer. Since the first layer also provides corrosion protection for the coated base body, the second layer may have pores and cracks, which is even positive, since this reduces the stresses exerted on the first layer, which serves as a buffer layer, and on the base body when the temperature changes . Furthermore, pores and cracks even increase the thermal shock resistance of the second coating, which is therefore relevant, since there is the possibility that vehicles with hot brake disks can drive through puddles, for example, and cause sudden temperature changes that can damage conventional coatings. Ultimately, cracks in the second coating are even conducive to the response of the brake in wet conditions.
  • the two-layer coating thus advantageously enables the two tasks of "corrosion protection” and "avoiding stresses due to different thermal expansion coefficients" on the one hand and “wear protection” on the other.
  • the first layer therefore not only acts as a mechanical buffer layer, but also provides a barrier layer which can shield the coated body from corrosive media and thus suppress crevice corrosion.
  • the first layer advantageously consists of the metal-based material and / or the second layer consists of the tungsten carbide-containing material.
  • This preferred embodiment is to be understood such that the first layer and / or the second layer essentially consist of only one (Composite) material exist.
  • the first layer consists only of the metal-based material including any optional carbides and oxides in it and the second layer only consists of the tungsten carbide-containing material including matrix material and is essentially free of other materials that could co-exist in the layers. This can maximize the positive effects described above.
  • the metal-based material of the first layer and the tungsten carbide-containing material of the second layer can also be characterized as composite materials, since they can be made up of at least two different materials, namely metal and ceramic hardness carrier (e.g. embedded in particle form in the metallic matrix).
  • the second layer in particular optionally has a cermet character.
  • the first layer and the second layer then advantageously each consist of the corresponding composite material.
  • the feature “thermally sprayed layer” is to be understood such that the first and second layers are preferably obtainable or obtained by thermal spraying and are thermal spray layers.
  • the layers of the coating thus produced are layers that are conventional by means of HVOF, HVAF, "Cold Spray” or “Warm Spray” processes, ie highly kinetic thermal spray processes.
  • thermal spray processes are in DIN EN 657 (DIN EN 657: 2005-06 "Thermal spraying terms, classification”) described, wherein the definitions made therein provide at least a general technical classification of the layers according to the invention and thus technically differentiate them from layers and coatings that have been produced by other coating methods.
  • the protective effect of the first coating and the coating as a whole against corrosion can be checked, for example, using a salt spray test in accordance with ASTM B 117 on the coating system.
  • the first layer or the coating as a whole is preferably such that the coating in the salt spray test according to ASTM B 117 has a service life of more than 1000 hours.
  • This premature property is structurally determined by the morphology of the first layer, which is so free of pores and cracks, in particular continuous cracks and pores reaching to the base body, that it is practically impermeable to corrosive media. This protects the coated body particularly well against corrosion.
  • the first layer therefore acts as a barrier layer.
  • the first (inner) layer of the coating according to the invention is advantageously an essentially dense, pore-free and crack-free layer and the second layer of the coating according to the invention, on the other hand, can have continuous cracks and pores in the layer thickness direction.
  • These features can be determined functionally. Accordingly, freedom from cracks and pores also includes a layer in which a few pores and cracks can be found, as long as their number is so low that the functionality of the first layer as a buffer layer, barrier layer and corrosion protection layer is ensured.
  • the situation is similar with any continuous or open cracks and pores in the second layer, the number and nature of which are intended and available in such a way that they bring about the above functionalities, in particular with regard to the temperature and thermal shock resistance of the second layer.
  • a cracked layer structure is particularly preferred with regard to the resistance to temperature changes, since due to its lower modulus of elasticity, it exerts less stress on the first layer and on the brake disc during temperature changes.
  • pores and cracks in the corresponding layer are even positive, since the stresses exerted on the first layer, which serves as a buffer layer, and on the base body are lower in the event of temperature changes.
  • pores and cracks even increase the thermal shock resistance of the second layer, which is therefore relevant, since there is the possibility that, for example, vehicles with hot brake discs can drive through puddles but do not damage the sudden temperature changes in the coating caused thereby.
  • cracks in the second layer are even conducive to the response of the brake in wet conditions.
  • the metal-based material of the first layer has iron (Fe) and / or nickel (Ni) and / or chromium (Cr) or preferably consists of iron and / or nickel and / or chromium.
  • this embodiment also includes technical alloys of the metals iron, nickel and chromium and alloys of these metals with one another. As has already been explained above, these metals or their alloys form the main component of the metal-based material of the first layer and the material matrix for accommodating the optional hardness carriers, for example tungsten carbide or oxides.
  • first layer or their metal-based material are, for example, stainless steels such as AISI 316L, or FeCr 70/30, or stainless steels 1.4562, 1.4306, 1.4462 according to DIN, or NiCr 80/20 with 0.5% Si. Because of the desired resistance to corrosion by chloride ions, it is particularly preferred that the first layer or the metal-based material in any case contains Cr, preferably has at least 15% by weight of chromium or consists of pure Cr. Furthermore, the metal-based material of the first layer can still have impurities that cannot be avoided. The material choice above is particularly advantageous in that the first layer is plastically deformable without tearing and has a low deformation limit and a high elongation at break.
  • the tungsten carbide-containing material of the second layer iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), chromium (Cr) and / or aluminum (Al) or alloys of these elements having.
  • This embodiment also includes the elements / metals listed in pure form or technically pure, as well as technical alloys and also as alloys with one another.
  • An Fe-Cr-Al alloy is particularly preferred as a component, i.e. Secondary or main component depending on the hardness content, the tungsten carbide-containing material of the second layer.
  • the tungsten carbide-containing material of the second layer can also contain silicon (Si) and / or impurities that cannot be avoided.
  • the first layer of the coating according to the invention is advantageously at room temperature, i.e. austenitic stable in the range from 18 ° C to 22 ° C. Specifically, this means that only a cubic surface-centered space lattice is found in the X-ray diffraction analysis and is advantageous in that this space lattice has more sliding planes, that is to say it is easier to deform plastically. In particular, this leads to the first layer being plastically deformable without tearing and having a low deformation limit and a high elongation at break. However, the first layer can also be only partially or not at all austenitic, depending on the requirement of the buffer effect.
  • the thickness of the first layer depends on the minimum layer thickness necessary from the point of view of corrosion protection and on the requirements for stress relief.
  • the thickness of the second layer depends on the requirements of the required lifespan of the component to be protected and the required friction resistance. It is therefore further preferred that the first layer has a thickness of 10 mpi to 500 mpi and / or the second layer has a thickness of 15 mpi to 500 mpi. By choosing these thicknesses, an optimal functionality of the coating is guaranteed overall.
  • the coating according to the invention has a third layer which has an aluminum and / or zinc-containing alloy, preferably consists of an aluminum and / or zinc-containing alloy or a lacquer and is applied to the second layer is.
  • a third layer is thus added to the initially two-layer coating, which may also extend outside the areas with the first and second layers and directly covers the base body of the component to be protected .
  • this additional layer is quickly removed from the friction surface during commissioning, so that the second (outer) layer emerges again.
  • a third layer based on aluminum or zinc can be applied, for example, by wire spraying, thermal spraying or dip coating.
  • first and second layers are not limited to thermal spray manufacturing or only the first layer is a thermally sprayed layer and the second layer is not limited to one type of manufacture.
  • part of this invention is also a more general coating, in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, comprising a first layer which has a metal-based material which contains less than 20% by weight of tungsten carbide or other carbides and a second layer which is based on the first layer is applied and has a tungsten carbide-containing material which contains 20% by weight to 94% by weight of tungsten carbide.
  • the coating as a whole can be obtained by thermal spraying processes, is preferably obtained thereby and is furthermore preferably a thermally sprayed coating.
  • Thermally sprayed layers are characterized in particular by the fact that there are hardly any metallurgical interactions with the substrate to be coated and that technically advantageous compressive stresses can be achieved in the coatings.
  • Another aspect of the present invention and disclosure is a method for producing the coating according to the invention.
  • At least the first and second layers are preferably produced by thermal spraying.
  • the first layer is then preferably by means of an HVAF process ("High Velocity Air Fuel”) or one "Cold Spray” process (cold gas spraying process) made of metal or alloy powder, with which the friction surface of the component to be protected is coated.
  • Both processes have a sufficiently high spraying speed so that the layer is largely free of pores and cracks, also in the In the case of relatively thin layers, it is also possible to generate advantageous compressive stresses in the first layer by adding particles to the wettable powder which are not or hardly deposited during the spraying process, such as AlO or SiC, which additionally compress the layer on impact
  • the second layer is produced using the HVOF or HVAF process.
  • Both processes are known to form coatings of sufficiently good quality with good deposition rates.
  • the HVAF process is characterized by the at least partial use of Air as an oxidizing agent, which significantly increases the particle speed during thermal spraying. In contrast, oxygen is used in the HVOF process.
  • the coating can thus preferably be produced in one production line and in one setting.
  • both the first and the second layer can be produced by a “warm spray” process (hot gas spraying).
  • hot gas spraying This process is described, for example, by KeeHyun Kim et al. In “Comparison of Oxidation and Microstructure of Warm-Sprayed and Cold-Sprayed Titanium Coatings ", Journal of Thermal Spray Technology 2012, 21 (3-4), 550-560.
  • suitable spray systems for producing the coating according to the invention and its layers are, for example, M2 and M3 from UniqueCoat (USA) or AK-06, AK-07 or C7 from Kermetico (USA).
  • the following spraying parameters for thermal spraying of the first layer by means of the spraying system C7 are also conceivable:
  • Nozzle 5E (275 mm length)
  • Wettable powder Fe Cr29 NilO Mo4 CI, 8
  • Feed rate of spray powder 4 kg / h
  • SiC silicon carbide
  • the present invention and disclosure thus comprise a method for producing a coating, in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, ie, preferably the coating described above, the first layer and / or the second layer of the coating being / being produced by thermal spraying. It is preferred that at least the first layer is / is thermally sprayed and further preferably the second layer is / is thermally sprayed. It is preferred that the first layer of the coating according to the invention is applied to the base body or the friction surface of a component by thermal spraying, and then optionally also the second layer of the coating according to the invention is applied to the first layer by thermal spraying. This creates a two-layer system consisting of two thermally sprayed layers that are permanently bonded together.
  • the first layer of the coating and / or the second layer of the coating is / are produced or applied by HVOF or HVAF or "cold spray” methods. It is particularly preferred that the first layer is formed by means of a HVAF or "Cold Spray” process is produced / applied from metal or alloy powders and the second layer is produced from metal or alloy powders by HVOF or HVAF processes or is applied to the second layer. This includes the option of specifically selecting different types of processes for the production or application of the first and second layers in order to set the different types of property and requirement profiles.
  • the present invention comprises a brake disk for a disk brake or a brake drum for a drum brake or a clutch disk for a clutch, with the coating described above, the coating being applied at least partially, preferably completely, to the friction surfaces of the brake disk or the brake drum or the clutch disk is.
  • the brake disk, brake drum and clutch disk mentioned here preferably relate to corresponding components which are known from the automotive context. Consequently, there are components for motor vehicles such as cars, trucks and motorcycles. Flywheels of internal combustion engines with pressure clutches and friction linings are also included.
  • the friction-loaded components such as brake disks, brake drums or clutch disks are provided with the coating according to the invention in such a way that it can develop its advantageous effects.
  • the base material or the base body of the components or their friction surfaces to be protected form the physical basis on which the coating is applied.
  • the first layer forms the inner layer and is preferably applied directly to the base material or the base body.
  • the second layer which is the outermost layer in the case of a two-layer coating and comes into contact with the friction partner, is also applied to the first layer.
  • the third layer described above can also be applied to the second layer.
  • a preferred embodiment consists in that the first layer is applied directly on the friction surface, the second layer is applied on the first layer and optionally the third layer is applied on the second layer.
  • Components of the present invention also include components e.g. Brake disc, brake drum, clutch disc, which are at least partially, locally provided with the coating according to the invention, wherein uncoated sections and surfaces are optionally provided at least with the third layer (Al, Zn or paint layer) for temporary protection, in particular corrosion protection.
  • a disc brake or a drum brake or a clutch or a clutch system each of which fits Have brake disc in the case of a disc brake or the brake drum in the case of a drum brake or the clutch disc in the case of a clutch as described above and included as a system component.
  • a final aspect of the present invention and disclosure is the use of the coating described above in all its embodiments and with all its effects and advantages for coating brake discs for disc brakes or for coating brake drums for drum brakes or for coating clutch discs for clutches, i.e. for coating of the previously described, preferably automotive, components.
  • Figure 1 shows an example of a microscopic cross-sectional view of the first layer as part of the coating according to the invention. This was generated using an HVAF process.
  • the dark gray image components represent SiC particles as hardness carriers or as carbide 1 in a matrix formed from the metal-based material 2, which is represented by light gray image components.

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, sowie eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder eine Bremstrommel für eine Trommelbremse oder eine Kupplungsscheibe für eine Kupplung, eine Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung selbst sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben und die Verwendung einer Beschichtung. Die Beschichtung weist eine erste Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% Wolframcarbid oder andere Carbide enthält und eine zweite Schicht auf, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbidhaltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-% bis 94 Gew.-% Wolframcarbid enthält, wobei die erste und die zweite Schicht thermisch gespritzte Schichten sind.

Description

Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben , Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder Bremstrommel für eine Trommelbremse oder Kupplungsscheibe für eine Kupplung, Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung, Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben , Bremstrommeln und Kupplungsscheiben und Verwendung einer Beschichtung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben sowie eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder eine Bremstrommel für eine Trommelbremse oder eine Kupplungsscheibe für eine Kupplung, ferner eine Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung, ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben und abschließend die Verwendung einer Beschichtung.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Scheibenbremsanlagen bestehen unter anderen aus rotierenden Scheiben, meistens aus Gusseisen, Stahl oder Leichtmetallen. Diese Scheiben („Bremsscheiben") verschleißen durch den Bremsvorgang, wobei die Materialbeschaffenheit der Reibbeläge („Bremsbeläge") eine Rolle spielt. Je mehr keramische Füllstoffe diese haben, umso höher ist im Allgemeinen der Verschleiß der Reibfläche der Bremsscheibe. Daher enthalten Bremsbeläge meistens mehr metallische als keramische Füllstoffe. Aus Gründen der Haltbarkeit von Bremsbelägen und aus Gründen der Reduzierung der Emissionen von beim Bremsvorgang entstehendem metallhaltigem Staub wird versucht, den Keramikanteil in Bremsbelägen so weit wie möglich zu erhöhen, was jedoch zu Lasten der Lebensdauer der Bremsscheibe als Reibpartner geht, die dadurch entsprechend höheren Reibverschleiß erfährt. Aus diesem Grunde ist es Stand der Technik, Bremsscheiben mit verschleißmindernden Beschichtungen zu versehen.
Als erfolgversprechende Beschichtungswerkstoffe sind solche bekannt, welche einen hohen Anteil Wolframcarbid (WC) enthalten. Diese Beschichtungen werden mittels des Verfahrens des Thermischen Spritzens, meistens mittels des HVOF- Verfahrens („High Velocity Oxygen Fuel", Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) , aufgebracht. Der Anteil von WC ist hauptsächlich bestimmend für den Verschleißwiderstand. Weitere Bestandteile (6 bis 80%) sind typischerweise hauptsächlich Metalle der Gruppe Fe, Co, Ni und Cr sowie deren Legierungen und deren Karbide. In seltenen Fällen können auch weitere Metalle enthalten sein, etwa Al, Mo, Cu, Mn, B oder Si. Die Beschichtungen enthalten infolge der metallurgischen Veränderungen beim thermischen Spritzen zusätzlich Anteile an M6C-Karbiden und/oder Oxiden, z.B. Cr- Oxid, seltener auch W2C. Der Gewichtsanteil an Wolframkarbid im Beschichtungswerkstoff (also im Spritzpulver, welches zur Beschichtung verwendet wird) beträgt zwischen 20 und 94%.
Beachtenswert ist, dass Beschichtungen aus WC-haltigen Beschichtungswerkstoffen wesentlich niedrigere thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, als Werkstoffe auf Fe- oder Al-Basis. Je mehr WC enthalten ist, desto geringer ist i.a. der thermische Ausdehnungskoeffizient. Da jedoch z.B. Bremsscheiben zyklisch thermisch belastet werden und sogar dem Thermoschock widerstehen müssen, kommt es im Einsatz beim Temperaturwechsel zu Spannungen zwischen der Bremsscheibe und deren Beschichtung, so dass die letztere rissig werden kann oder sogar abplatzt und mithin ihre Funktion verliert. Wolframkarbid weist ein Elastizitätsmodul von ca. 700 GPa auf, während Werkstoffe auf Eisenbasis im Bereich von ca. 200 GPa liegen. Dies kann bei Temperaturwechsel zum Aufbau erheblicher Spannungen zwischen Beschichtung und Bremsscheibe führen .
Eine weitere Anforderung an die Bremsscheibenbeschichtung ist, dass sie im Gebrauch keine Risse hat, welche bis zur Bremsscheibe herunterführen . Solche Risse (oder auch durchgehend verbundene Porosität) führen zur Spaltkorrosion, insbesondere unter dem Einfluss von Chloridionen die aus Streusalzeinsatz stammen können. Die bekannten WC-haltigen Beschichtungswerkstoffe genügen daher nicht den vorgenannten Anforderungen an den Korrosionsschutz z.B. einer Bremsscheibe. Aus Gründen des notwendigen Korrosionsschutzes ist es Stand der Technik, die Bremsscheibe vor der Beschichtung galvanisch mit Ni zu beschichten, bevor sie mittels des HVOF-Verfahrens mit einem WC-haltigem Beschichtungswerkstoff beschichtet wird. Allerdings handelt es sich beim Galvanisieren um einen aufwendigen, zusätzlichen Fertigungsschritt in einer anderen Fertigungslinie, verbunden mit Waschen, Trocknen, Transport und Handhabung. Das sinnvolle WerkstoffSpektrum der galvanischen Beschichtung ist zudem sehr eingeschränkt und beschränkt sich auf Nickel und Kupfer. Ferner stehen galvanisch abgeschiedenen Beschichtung oft unter Zugspannungen, was in diesem Fall wegen der Rissneigung ungünstig ist.
Mit den bekannten thermischen Spritzverfahren, Beschichtungswerkstoffen und Beschichtungssystemen lässt sich momentan keine Reibschutz-Beschichtung erzeugen, die gleichzeitig allen Anforderungen gerecht wird. Insbesondere keine, die effizienten Reibschutz bietet, haltbar ist, eine hohe Temperaturwechsel- und Thermoschockbeständigkeit aufweist, sowie zuverlässig vor Korrosion schützt und somit Spaltkorrosion verhindert. Aufgabe und Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere ist es eine Aufgabe und ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine leistungsfähige Beschichtung für tribologisch belastete Bauteile, insbesondere für Bauteile im Automobilbereich vorzusehen, welche die Bauteile vor Reibverschleiß und Korrosion schützt, deren Standzeit verlängert und welche selbst besonders haltbar ist. Eine weitere Aufgabe und ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung sind das Bereitstellen entsprechender Bauteile mit der vorteilhaften Beschichtung und das Bereitstellen von Systemen, die solche Bauteile enthalten und abschließend die Verwendung der Beschichtung zum Beschichten solcher Bauteile.
Liste der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine mikroskopische Querschnittsaufnahme in Schichtdickenrichtung (Maßstabsbalken ca. 51 pm lang) der ersten Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung.
Beschreibung der Erfindung
Die obigen Aufgaben werden gelöst und die obigen Ziele erreicht, durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen und nebengeordneten Ansprüche, wobei die abhängigen Ansprüche optionale Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen definieren .
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Beschichtung insbesondere geeignet für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben aber nicht darauf beschränkt, mit einer ersten, vorzugsweise inneren Schicht, die einen metallbasierten Werkstoff aufweist, der weniger als 20 Gew.-% (Gewichtsprozent) Härteträger, insbesondere Wolframcarbid (WC) oder andere Carbide oder Oxide enthält und einer zweiten, vorzugsweise äußeren Schicht, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und einen Wolframcarbid-haltigen Werkstoff aufweist, der 20 Gew.-%, bevorzugt 40 Gew.-% bis 94 Gew.-%, bevorzugt bis 90 Gew.-% Wolframcarbid (WC) enthält, wobei die erste und die zweite Schicht thermisch gespritzte Schichten sein können und es bevorzugt sind. Anzumerken ist, dass beliebige Kombinationen obiger Bereichsgrenzen von der vorliegenden Offenbarung mit umfasst sind, beispielsweise auch WC-Gehaltsbereiche von 20 bis 40 Gew.-% oder 40 bis 90 Gew.-% und so weiter.
Als „Beschichtung" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Materialsystem zu verstehen das auf die Oberfläche, insbesondere die Reibflächen eines Grundkörpers flächig, bevorzugt vollflächig d.h. auf der gesamten Reibfläche aufgebracht wird, um diese zu bedecken. Der Grundkörper kann beispielsweise durch eine Automobil-Scheibenbremse, eine Automobil-Bremstrommel oder eine Automobil-Kupplungsscheibe gebildet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf dem Grundkörper zuerst die erste Schicht aufgebracht, die damit eine innere Schicht ist und darüber und darauf die zweite Schicht aufgebracht, die damit eine äußere Schicht ist, die mit dem Reibpartner z.B. dem Bremsbelag bei einer Scheibenbremse oder der Bremsbacke einer Trommelbremse oder der Mitnehmerscheibe in einer Reibungskupplung in Kontakt kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtung insgesamt nur aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht und optional ferner noch aus der unten beschriebenen dritten Schicht. Mithin ist die erfindungsgemäße Beschichtung bevorzugt zweilagig oder optional dreilagig.
Der „metallbasierte Werkstoff" als Bestandteil der ersten Schicht ist zu verstehen als ein Werkstoff, der überwiegend durch ein Metall bzw. eine metallische Legierung gebildet wird d.h. diese den Grundwerkstoff bzw. die Hauptkomponente bilden. Das Metall bzw. die Legierung kann dabei die Matrix für die Einlagerung von eventuell vorhandenen Carbiden, insbesondere Wolframcarbid, als Härteträger oder Oxiden bilden und ist somit die Hauptkomponente/Grundwerkstoff des metallbasierten Werkstoffes. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Gehalt von Carbiden und/oder Oxiden in dem metallbasierten Werkstoff auf einen Maximalgehalt von einschließlich 20 Gew.-% beschränkt, wobei beliebige kleinere Werte mit umfasst sind, sowie ein Gehalt von 0 Gew.-%. Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, dass der Gehalt von Härteträgern, insbesondere von gezielt zugegebenen Härteträgern, beispielsweise Wolframcarbid und/oder Chromcarbid (CrC) und/oder Siliziumcarbid (SiC) , auf einen Maximalgehalt/Maximalwert von einschließlich 20 Gew.-% in dem metallbasierten Werkstoff beschränkt ist. Demnach kann der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht optional und besonders bevorzugt auch carbidfrei bzw. oxidfrei bzw. hartstofffrei sein und besteht dann ausschließlich aus einem Metall oder einer Legierung ohne bewusst zugesetzte und funktional wirkende Härteträger ausgenommen sich unvermeidbar bildende Härteträger, die eher als Verunreinigung anzusehen sind. Bevorzugt ist, dass sich die Gehalte des Grundwerkstoffs des metallbasierten Werkstoffes (z.B. Metall oder Legierung) und von Carbiden und Oxiden sowie unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 Gew.-% aufaddieren. Ferner ist anzumerken, dass die erwähnten Oxide beispielsweise während des thermischen Spritzens automatisch entstehen oder von Zumischungen aus Aluminiumoxid oder Chromoxid stammen.
Der „Wolframcarbid-haltige Werkstoff" der zweiten Schicht ist zu verstehen als ein Werkstoff, der neben Wolframcarbid noch zumindest eine weitere Komponente in Form eines Metalls oder einer metallischen Legierung aufweist. Je nach Gehalt des Wolframcarbids kann die zweite Komponente die Hauptkomponente oder die Nebenkomponente des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffes darstellen. Optional ist angedacht, dass die zweite Komponente als werkstoffliche Matrix für den Härteträger Wolframcarbid dient. Ebenfalls umfasst von der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist, dass die zweite Schicht optional anstelle des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffs bevorzugt einen anderen Carbid-haltigen Werkstoff und ferner bevorzugt einen Hartstoff-haltigen Werkstoff aufweist bzw. daraus besteht. Bevorzugt ist, dass sich die Gehalte des Wolframcarbids oder des Hartstoffes allgemein und der weiteren Komponente sowie unvermeidbarer Verunreinigungen zu 100 Gew.-% aufaddieren. Im Rahmen dieser Offenbarung, wird der Wolframkarbidgehalt (WC) in Beschichtungswerkstoffen und Beschichtungen wie folgt bestimmt: 94 Gewichtsteilen Wolfram werden rechnerisch 6 Gewichtsteile Kohlenstoff zugeordnet. Die Summe beider errechneter Gewichtsteile ergibt den prozentualen WC-Gehalt im Spritzwerkstoff bzw. in der Beschichtung. Eventuell überschüssiger Kohlenstoffgehalt wird beispielsweise Chrom oder Silizium des metallbasierten Werkstoffes zugeordnet, welche in diesem Falle zumindest teilweise als Karbid vorliegen würden. Der gewählte Gehaltsbereich für Wolframcarbid von einschließlich 20 Gew.-% bis einschließlich 94 Gew.-% ist vorteilhaft darin, dass unterhalb von 20% der Verschleißschutz zu gering ist und oberhalb von 94% der Gehalt an metallischer Matrix wiederum zu gering ist, um der Schicht noch genügend Festigkeit zu verleihen .
Die oben beschriebene Beschichtung stellt ein neuartiges, bevorzugt zweilagiges Beschichtungssystem dar. Insbesondere ist dabei angedacht, dass sich die erste und zweite Schicht funktionsspezifisch insbesondere in ihren Carbid- bzw. Wolframcarbidgehalten sowie ihrer Struktur bzw. Mikrostruktur unterscheiden. Darin besteht die erste Schicht überwiegend aus einem metallischen Werkstoff, um plastisch deformierbar zu sein, ohne zu reißen. Die erste Schicht weist also vorzugsweise eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung auf. Der nach oben begrenzte Anteil von Carbiden dient dazu, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht zu niedrig werden zu lassen, und weiterhin plastische Deformierbarkeit zum Spannungsabbau zu ermöglichen. Der Werkstoff der ersten Schicht ist darüber hinaus korrosionsresistent gegenüber Streusalz (NaCl-basiert ) . Die zweite Schicht hat die Aufgabe, den Verschleißschutz zu gewährleisten, was durch einem im Vergleich zu ersten Schicht teils deutlich erhöhten Anteil an Härteträgern, insbesondere Wolframcarbid erreicht wird. Da die erste Schicht auch den Korrosionsschutz für den beschichteten Grundkörper übernimmt, kann die zweite Schicht Poren und Risse aufweisen, was sogar positiv ist, da dadurch die ausgeübten Spannungen auf die erste Schicht, die als Pufferschicht dient, sowie auf den Grundkörper bei Temperaturwechseln geringer werden. Ferner erhöhen Poren und Risse sogar die Thermoschockfestigkeit der zweiten Beschichtung, was daher relevant ist, da die Möglichkeit besteht, dass z.B. Fahrzeuge mit heißen Bremsscheiben durch Pfützen fahren können und dadurch plötzliche Temperaturänderungen bewirkt werden, die konventionelle Beschichtungen beschädigen können. Letztendlich sind Risse in der zweiten Beschichtung sogar für das Ansprechverhalten der Bremse bei Nässe förderlich. Somit wird durch die zweilagige Beschichtung eine vorteilhafte Entkopplung der beiden Aufgaben „Korrosionsschutz" und „Vermeiden von Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten" einerseits und „Verschleißschutz" andererseits ermöglicht. Die erste Schicht wirkt daher nicht nur als mechanische Pufferschicht, sondern stellt zusätzlich auch eine Barriereschicht dar, welche den beschichteten Grundkörper vor korrosiven Medien abschirmen kann und somit Spaltkorrosion unterdrückt.
Mit Vorteil besteht die erste Schicht aus dem metallbasierten Werkstoff und/oder besteht die zweite Schicht aus dem Wolframcarbid-haltigen Werkstoff. Diese bevorzugte Ausführungsform ist so zu verstehen, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht im Wesentlichen aus nur einem (Verbund-) Werkstoff bestehen. Konkret besteht die erste Schicht damit nur aus dem metallbasierten Werkstoff einschließlich eventuellen, optionalen Carbiden sowie Oxiden darin und die zweite Schicht nur aus dem Wolframcarbid- haltigen Werkstoff einschließlich Matrixmaterial und sind im Wesentlichen frei von anderen Werkstoffen, die in den Schichten ko-existieren könnten. Damit lassen sich die oben beschriebenen positiven Effekte maximieren. Optional lassen sich der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht und der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht auch als Verbundwerkstoffe charakterisieren, da sie aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen nämlich Metall und keramischer Härteträger (z.B. in Partikelform in der metallischen Matrix eingebettet) aufgebaut sein können. Insbesondere die zweite Schicht weist optional einen Cermet-Charakter auf. Mit Vorteil bestehen dann die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils aus dem entsprechenden Verbundwerkstoff.
Das Merkmal „thermisch gespritzte Schicht" ist vorliegend so zu verstehen, dass bevorzugt die erste und die zweite Schicht durch thermisches Spritzen erhältlich sind oder erhalten werden und thermische Spritzschichten sind. Technologisch handelt es sich bei den so erzeugten Schichten der Beschichtung um Schichten, die konventionell mittels HVOF-, HVAF-, „Cold Spray" oder „Warm Spray"-Verfahren d.h. hochkinetischen thermischen Spritzverfahren erzeugt wurden. Prinzipiell sind thermische Spritzverfahren in DIN EN 657 (DIN EN 657:2005-06 „Thermisches Spritzen-Begriffe, Einteilung") beschrieben, wobei die darin gemachten Definitionen zumindest eine allgemein technische Klassifikation der erfindungsgemäßen Schichten bieten und diese mithin technisch von Schichten und Beschichtungen abgrenzen, die durch andere Beschichtungsverfahren erzeugt worden sind. Die Schutzwirkung der ersten Beschichtung und der Beschichtung insgesamt gegenüber Korrosion kann beispielsweise mit einem Salzsprühtest gemäß ASTM B 117 am Beschichtungssystem überprüft werden. Bevorzugt ist die erste Schicht bzw. die Beschichtung insgesamt derart beschaffen, dass die Beschichtung im Salzsprühtest nach ASTM B 117 eine Lebensdauer von über 1000h aufweist. Diese voreilhafte Eigenschaft ist strukturell bedingt durch die Morphologie der ersten Schicht, welche derart frei von Poren und Rissen, insbesondere durchgängigen, bis zum Grundkörper reichenden Rissen und Poren ist, dass sie praktisch undurchlässig für korrosive Medien ist. Damit wird der beschichtete Grundkörper besonders gut vor Korrosion geschützt. Die erste Schicht fungiert folglich als Barriereschicht.
Mit Vorteil ist die erste (innere) Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung eine im Wesentlichen dichte, poren- und rissfreie Schicht und die zweite Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung kann hingegen in Schichtdickenrichtung durchgängige Risse und Poren aufweisen. Quantitativ sind diese Merkmale funktional zu bestimmen. Riss- und Porenfreiheit umfasst demnach auch eine Schicht in der einige wenige Poren und Risse anzutreffen sind, solange deren Anzahl so niedrig ist, dass die Funktionsfähigkeit der ersten Schicht als Pufferschicht, Barriereschicht und Korrosionsschutzschicht gewährleistet ist. Ähnlich verhält es sich mit eventuell vorhandenen durchgängigen oder offenen Rissen und Poren in der zweiten Schicht, die von ihrer Anzahl und Beschaffenheit so vorgesehen und vorhanden sind, dass sie die obigen Funktionalitäten insbesondere in Bezug auf die Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit der zweiten Schicht bewirken. Eine rissige Schichtstruktur ist in Bezug auf die Temperaturwechselbeständigkeit besonders bevorzugt, da sie aufgrund ihres geringeren Elastizitätsmoduls bei Temperaturwechseln weniger Spannungen auf die erste Schicht und auf die Bremsscheibe ausübt. Wie oben bereits beschrieben, sind Poren und Risse in der entsprechenden Schicht sogar positiv, da dadurch die ausgeübten Spannungen auf die erste Schicht, die als Pufferschicht dient, sowie auf den Grundkörper bei Temperaturwechseln geringer ausfallen. Ferner erhöhen Poren und Risse sogar die Thermoschockfestigkeit der zweiten Schicht, was daher relevant ist, da die Möglichkeit besteht, dass z.B. Fahrzeuge mit heißen Bremsscheiben durch Pfützen fahren können aber die dadurch bewirkten plötzliche Temperaturänderungen der Beschichtung nicht schaden. Letztendlich sind Risse in der zweiten Schicht sogar für das Ansprechverhalten der Bremse bei Nässe förderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtung weist der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht Eisen (Fe) und/oder Nickel (Ni) und/oder Chrom (Cr) auf oder besteht bevorzugt aus Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom. Diese Ausführungsform umfasst neben technisch reinen Metallen auch technische Legierungen der Metalle Eisen, Nickel und Chrom sowie Legierungen dieser Metalle untereinander. Wie oben bereits dargelegt worden ist, bilden diese Metalle oder deren Legierungen die Hauptkomponente des metallbasierten Werkstoffes der ersten Schicht und die werkstoffliche Matrix zur Aufnahme der optionalen Härteträger, beispielsweise von Wolframcarbid oder von Oxiden. Weitere geeignete Werkstoffe für die erste Schicht bzw. deren metallbasierten Werkstoff sind beispielsweise Edelstähle wie AISI 316L, oder FeCr 70/30, oder Edelstähle 1.4562, 1.4306, 1.4462 nach DIN, oder NiCr 80/20 mit 0.5% Si. Aufgrund der gewünschten Resistenz gegenüber Korrosion durch Chloridionen ist es besonders bevorzugt, dass die erste Schicht bzw. der metallbasierte Werkstoff in jedem Falle Cr- haltig ist, bevorzugt mindestens 15 Gew.-% an Chrom aufweist oder aus reinem Cr besteht. Ferner kann der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht noch nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweisen. Die obige Werkstoffwahl ist insbesondere vorteilhaft darin, dass die erste Schicht plastisch deformierbar ist, ohne zu reißen und eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung aufweist.
Separat oder mit obigen Ausführungsform kombinierbar, ist es bevorzugt, dass der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und/oder Aluminium (Al) oder Legierungen dieser Elemente aufweist. Diese Ausführungsform umfasst ebenfalls die aufgelisteten Elemente/Metalle in Reinform bzw. technisch rein, sowie als technische Legierungen und auch als Legierungen untereinander. Insbesondere bevorzugt ist eine Fe-Cr-Al Legierung als Bestandteil, d.h. Neben- oder Hauptkomponente in Abhängigkeit des Härteträgergehaltes, des Wolframcarbid-haltigen Werkstoffes der zweiten Schicht. Der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht kann zudem noch Silizium (Si) und/oder nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweisen.
Mit Vorteil ist die erste Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung bei Raumtemperatur d.h. im Bereich von 18 °C bis 22 °C stabil austenitisch . Dies bedeutet konkret, dass in der Röntgenbeugungsanalyse nur ein kubisch flächenzentriertes Raumgitter gefunden wird und ist vorteilhaft darin, dass dieses Raumgitter mehr Gleitebenen aufweist, also einfacher plastisch zu deformieren ist. Dies führt insbesondere dazu, dass die erste Schicht plastisch deformierbar ist, ohne zu reißen und eine niedrige Verformungsgrenze und eine hohe Bruchdehnung aufweist. Die erste Schicht kann aber auch nur teilweise oder gar nicht austenitisch sein, je nach Erfordernis der Pufferwirkung.
Die Dicke der ersten Schicht richtet sich nach der aus Sicht des Korrosionsschutzes notwendigen Mindestschichtdicke sowie nach den Erfordernissen des Spannungsabbaus. Die Dicke der zweiten Schicht richtet sich nach den Erfordernissen der erforderlichen Lebensdauer des zu schützenden Bauteils und der benötigten Reibungsbeständigkeit. Daher ist es ferner bevorzugt ist, dass die erste Schicht eine Dicke von 10 mpi bis 500 mpi aufweist und/oder die zweite Schicht eine Dicke von 15 mpi bis 500 mpi aufweist. Durch die Wahl dieser Dicken, wird eine optimale Funktionsfähigkeit der Beschichtung insgesamt gewährleistet.
In einer bevorzugten Aus führungs form weist die erfindungsgemäße Beschichtung eine dritte Schicht auf, die eine Aluminium- und/oder Zink-haltige Legierung aufweist, bevorzugt aus einer Aluminium- und/oder Zink-haltigen Legierung oder einem Lack besteht und auf der zweiten Schicht aufgebracht ist. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft aus Gründen des Korrosionsschutzes, der nicht mit der Beschichtung versehenen Abschnitte und Bereich des zu schützenden Bauteils (Bremsscheibe, Bremstrommel , Kupplungsscheibe o. Ä. ) . Daher ist es günstig, das zu schützende Bauteil insgesamt, inklusive der bereits aufgebrachten Beschichtung mit einer weiteren Schicht zu überziehen. An Stellen des Bauteils, wo bereits die erste und zweite Schicht aufgebracht sind, wird somit eine dritte Schicht zur zunächst zweilagigen Beschichtung hinzugefügt, die sich ggf. auch außerhalb der Bereiche mit der ersten und zweiten Schicht erstreckt und den Grundkörper des zu schützenden Bauteils direkt abdeckt. Diese zusätzliche Schicht wird bei der Inbetriebnahme auf der Reibfläche jedoch schnell abgetragen, so dass die zweite (äußere) Schicht wieder hervorkommt. Eine auf Aluminium oder Zink basierende dritte Schicht kann beispielsweise durch Drahtspritzen, thermisches Spritzen oder Tauchbeschichtung aufgebracht werden .
Die vorliegende Erfindung und Offenbarung umfasst ebenfalls, dass die erste und die zweite Schicht nicht auf eine Herstellung mittels thermisch Spritzens beschränkt sind oder nur die erste Schicht eine thermisch gespritzte Schicht ist und die zweite Schicht nicht auf eine Herstellungsart beschränkt ist. Konkret ist Bestandteil dieser Erfindung also auch eine allgemeinere Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, aufweisend eine erste Schicht, 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. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtung, ist die Beschichtung insgesamt durch thermische Spritzverfahren erhältlich, wird bevorzugt dadurch erhalten wird und ist ferner bevorzugt eine thermisch gespritzte Beschichtung. Thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich insbesondere dadurch vorteilhaft aus, dass es kaum zu metallurgischen Wechselwirkungen mit dem zu beschichtenden Substrat kommt und technisch vorteilhafte Druckspannungen in den Beschichtungen realisiert werden können. Verfahrenstechnisch besteht ein Vorteil darin, insbesondere die erste Schicht als auch die zweite Schicht thermisch zu spritzen, dass beide Schichten in einer Aufspannung gefertigt werden können, so dass kein Prozess- und damit Ortswechsel in der Fertigung nötig wird. Anders im Stand der Technik, wo die erste Schicht galvanisch aufgebracht wird, aber die zweite Schicht über ein anderes Fertigungsverfahren. Zudem ist zu beachten, dass thermische Spritzverfahren wesentlich flexibler sind als galvanische Verfahren und sich damit mehr Werkstoffe verarbeiten lassen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung. Bevorzugt werden zumindest die erste und zweite Schicht durch thermisches Spritzen erzeugt. Die erste Schicht wird dann vorzugsweise mittels eines HVAF-Verfahrens („High-Velocity-Air-Fuel" ) oder eines „Cold Spray"-Verfahrens (Kaltgasspritzverfahren) aus Metall oder Legierungspulvern erzeugt, womit die Reibfläche des zu schützenden Bauteils beschichtet wird. Beide Verfahren verfügen über eine ausreichend hohe Spritzgeschwindigkeit, so dass die Schicht entsprechend weitgehend Poren- und Riss-frei ist, auch im Falle relativ dünner Schichten. Zudem ist es möglich, in der ersten Schicht vorteilhafte Druckspannungen zu erzeugen, indem dem Spritzpulver Partikel zugemischt werden, welche beim Spritzvorgang nicht oder kaum abgeschieden werden. Diese Partikel, z.B. AI O oder SiC, verdichten beim Aufprall die Schicht zusätzlich, so dass bereits vergleichsweise dünne Schichtdicken zu vollem Korrosionsschutz führen. Die zweite Schicht wird mittels HVOF- oder HVAF-Verfahren erzeugt. Beide Verfahren bilden bekanntermaßen mit guten Abscheideraten Beschichtungen von ausreichend guter Qualität. Das HVAF-Verfahren zeichnet sich durch die mindestens teilweise Verwendung von Luft als Oxidationsmittel aus, wodurch die Partikelgeschwindigkeit beim thermischen Spritzen bedeutend erhöht wird. Beim HVOF- Verfahren wird dagegen Sauerstoff verwendet. Vorzugsweise kann somit die Beschichtung in einer Fertigungslinie und in einer Aufspannung hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist es, sowohl die erste als auch die zweite Schichte mittels des HVAF-Verfahrens herzustellen. Optional können sowohl die erste Schicht wie auch die zweite Schicht durch ein „Warm Spray"-Verfahren (Warmgasspritzen) hergestellt werden. Dieses Verfahren wird beispielsweise von KeeHyun Kim et al . in „Comparison of Oxidation and Microstructure of Warm-Sprayed and Cold-Sprayed Titanium Coatings" , Journal of Thermal Spray Technology 2012, 21 (3-4), 550-560 beschrieben. Generell geeignete Spritzsysteme zu Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung und deren Schichten sind beispielsweise M2 und M3 der Firma UniqueCoat (USA) oder AK-06, AK-07 oder C7 der Firma Kermetico (USA) . Ferner ist folgender Spritzparameter für das thermische Spritzen der ersten Schicht mittels des Spritzsystems C7 vorstellbar :
Propan : 173 Nl/min
Luft : 3342 Nl/min
Sauerstoff : 111 Nl/min
Wasserstoff : 11 Nl/min
Fördergas (Stickstoff) : 17,6 Nl/min
Spritzabstand : 203 mm
Düse : 5E (275 mm Länge)
Spritzpulver : Fe Cr29 NilO Mo4 CI, 8
gasverdüst, 45/llpm
Förderrate Spritzpulver: 4 kg/h
Dem Spritzpulver wird dabei 24 Gew.-% Siliziumkarbid (SiC) <600 mesh zugemischt, um die Schicht zu verdichten. Es wird aufgrund seines hohen Schmelzpunktes jedoch nicht oder nur selten abgeschieden und findet sich daher nicht oder nur kaum in der ersten Schicht. An seiner Stelle können auch andere Oxide oder Karbide, wie AI2O3 (z.B. als Schmelzkorund) oder B4C verwendet werden. Bei der Wahl der Spritzparameter für die zweite Schicht herrscht weitreichende Wahlfreiheit.
Die vorliegende Erfindung und Offenbarung umfasst also ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, d.h., bevorzugt der zuvor beschriebenen Beschichtung, wobei die erste Schicht und/oder die zweite Schicht der Beschichtung durch thermisches Spritzen erzeugt wird/werden. Bevorzugt ist es, dass zumindest die erste Schicht thermisch gespritzt wird/ist und weiter bevorzugt auch die zweite Schicht thermisch gespritzt wird/ist. Bevorzugt ist es, dass dabei die erste Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung auf den Grundkörper bzw. die Reibfläche eines Bauteils durch thermisches Spritzen aufgebracht wird und danach die zweite Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung optional ebenfalls durch thermisches Spritzen auf die erste Schicht aufgebracht wird. Damit entsteht ein zweilagiges Schichtsystem aus zwei haltbar miteinander verbundenen thermischen Spritzschichten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird/werden die erste Schicht der Beschichtung und/oder die zweite Schicht der Beschichtung durch HVOF- oder HVAF- oder „Cold Spray"- Verfahren hergestellt bzw. aufgebracht. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die erste Schicht mittels eines HVAF- oder „Cold Spray"-Verfahrens aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt/aufgebracht wird und die zweite Schicht durch HVOF- oder HVAF-Verfahren aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt bzw. auf die zweite Schicht aufgebracht wird. Dies umfasst die Option, dass für die Herstellung bzw. das Aufbringen der ersten und der zweiten Schicht gezielt verschiedenartige Verfahren gewählt werden, um die verschiedenartigen Eigenschafts- und Anforderungsprofile einzustellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung sind konkrete Anwendungen der oben beschriebenen Beschichtung in allen ihren Ausführungsformen und mit allen ihren Effekten und Vorteilen. Diese Anwendungen stellen somit auch konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar .
Folglich umfasst die vorliegende Erfindung eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder eine Bremstrommel für eine Trommelbremse oder eine Kupplungsscheibe für eine Kupplung, mit der vorangehend beschriebenen Beschichtung, wobei die Beschichtung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf den Reibflächen der Bremsscheibe oder der Bremstrommel oder der Kupplungsscheibe aufgebracht ist. Die hier erwähnte Bremsscheibe, Bremstrommel und Kupplungsscheibe beziehen sich bevorzugt auf entsprechende Bauteile, die aus dem automobilen Kontext bekannt sind. Folglich handelt es sich um Bauteile für Kraftfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Motorräder. Ferner umfasst sind Schwungscheiben von Verbrennungsmotoren mit Druckkupplungen und Reibbelägen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind daher die reibbelasteten Bauteile wie Bremsscheiben, Bremstrommeln oder Kupplungsscheiben derart mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen, dass diese ihre vorteilhaften Effekte entfalten kann. Das Grundmaterial oder der Grundkörper der Bauteile bzw. deren zu schützenden Reibflächen bilden die körperliche Basis, auf welcher die Beschichtung aufgebracht wird. Die erste Schicht bildet die innere Schicht und ist vorzugsweise direkt auf dem Grundmaterial bzw. dem Grundkörper aufgebracht. Auf der ersten Schicht ist ferner die zweite Schicht aufgebracht, welche die äußerste Schicht im Falle einer zweilagigen Beschichtung darstellt und mit dem Reibpartner in Kontakt kommt. Optional kann auf der zweiten Schicht noch die oben beschriebene dritte Schicht aufgebracht sein .
Folglich besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass die erste Schicht unmittelbar auf der Reibfläche aufgebracht ist, und die zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht ist und optional die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist. Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind aber auch Bauteile z.B. Bremsscheibe, Bremstrommel , Kupplungsscheibe, die zumindest teilweise, örtlich mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen sind, wobei unbeschichtete Abschnitte und Oberflächen optional zumindest mit der dritten Schicht (Al-, Zn- oder Lackschicht) zum vorrübergehenden Schutz, insbesondere Korrosionsschutz versehen sind.
Neben den oben spezifizierten Einzelbauteilen, sind die Gesamtsysteme in denen diese eingesetzt werden, ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung und Offenbarung. Konkret also eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse oder ein Kupplung bzw. ein Kupplungssystem, welche jeweils passend die Bremsscheibe im Falle einer Scheibenbremse oder die Bremstrommel im Falle einer Trommelbremse oder die Kupplungsscheibe im Falle einer Kupplung wie zuvor beschrieben aufweisen und als Systemkomponente enthalten.
Ein abschließender Aspekt der vorliegenden Erfindung und Offenbarung ist die Verwendung der zuvor beschriebenen Beschichtung in allen ihren Ausführungsformen und mit allen ihren Effekten und Vorteilen zur Beschichtung von Bremsscheiben für Scheibenbremsen oder zur Beschichtung von Bremstrommeln für Trommelbremsen oder zur Beschichtung von Kupplungsscheiben für Kupplungen, also zur Beschichtung der zuvor beschriebenen, bevorzugt automobilen, Bauteile.
Ausführungsbei spiel
Figur 1 zeigt beispielhaft eine mikroskopische Querschnittsaufnahme der ersten Schicht als Bestandteil der erfindungsgemäßen Beschichtung. Diese wurde mittels eines HVAF-Verfahrens erzeugt. Die dunkelgrauen Bildbestandteile repräsentieren SiC-Partikel als Härteträger bzw. als Carbid 1 in einer aus dem metallbasierten Werkstoff 2 gebildeten Matrix, die durch hellgraue Bildbestandteile repräsentiert wird. Oxide 3, die durch den thermischen Spritzprozess entstanden sind, erscheinen in Figur 1 als mittelgraue Bildbestandteile. Deutlich erkennbar ist, dass die erste Schicht kompakt und dicht ist und in der mikroskopischen Darstellung weder Risse noch Poren aufzeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben,
Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, aufweisend
eine erste Schicht, 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.
2. Beschichtung gemäß Anspruch 1, wobei
die erste Schicht aus dem metallbasierten Werkstoff besteht, und/oder
die zweite Schicht aus dem Wolframcarbid-haltigen Werkstoff besteht.
3. Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Beschichtung insgesamt im Salzsprühtest nach ASTM B 117 eine Lebensdauer von über 1000h aufweist, und/oder
die erste Schicht eine im Wesentlichen dichte, poren- und rissfreie Schicht ist und die zweite Schicht in Schichtdickenrichtung durchgängige Risse und Poren aufweist.
4. Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der metallbasierte Werkstoff der ersten Schicht Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom aufweist, bevorzugt aus Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom besteht, und/oder
der Wolframcarbid-haltige Werkstoff der zweiten Schicht Eisen, Kobalt, Nickel, Chrom und/oder Aluminium oder Legierungen dieser Elemente aufweist.
5. Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die erste Schicht bei Raumtemperatur stabil austenitisch ist, und/oder
die erste Schicht eine Dicke von 10 gm bis 500 gm aufweist, und/oder
die zweite Schicht eine Dicke von 15 pm bis 500 pm aufweist .
6. Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner aufweisend
eine dritte Schicht, die eine Aluminium- und/oder Zink haltige Legierung aufweist, bevorzugt aus einer Aluminium- und/oder Zink-haltigen Legierung oder einem Lack besteht, wobei
die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist .
7. Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Beschichtung insgesamt durch thermische Spritzverfahren erhältlich ist, bevorzugt erhalten wird und ferner bevorzugt eine thermisch gespritzte Beschichtung ist.
8. Bremsscheibe für eine Scheibenbremse oder Bremstrommel für eine Trommelbremse oder Kupplungsscheibe für eine Kupplung, mit
der Beschichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Beschichtung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, auf den Reibflächen der Bremsscheibe oder der Bremstrommel oder der Kupplungsscheibe aufgebracht ist.
9. Bremsscheibe oder Bremstrommel oder Kupplungsscheibe gemäß Anspruch 8, wobei
die erste Schicht unmittelbar auf der Reibfläche aufgebracht ist, und die zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht ist und optional die dritte Schicht auf der zweiten Schicht aufgebracht ist.
10. Scheibenbremse oder Trommelbremse oder Kupplung, aufweisend
die Bremsscheibe oder die Bremstrommel oder die Kupplungsscheibe gemäß einem der Ansprüche 8 und 9.
11. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung insbesondere für Bremsscheiben, Bremstrommeln und Kupplungsscheiben, bevorzugt der Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
eine erste Schicht und/oder eine zweite Schicht der Beschichtung durch thermisches Spritzen erzeugt wird/werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei
zumindest die erste Schicht thermisch gespritzt wird und optional auch die zweite Schicht thermisch gespritzt wird und/oder
die erste Schicht auf einen Grundkörper bzw. eine Reibfläche eines Bauteils durch thermisches Spritzen aufgebracht wird und danach die zweite Schicht, optional ebenfalls durch thermisches Spritzen, auf die erste Schicht aufgebracht wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 und 12, wobei die erste Schicht und/oder die zweite Schicht durch HVOF- oder HVAF- oder „Cold Spray"-Verfahren hergestellt bzw. aufgebracht wird/werden, bevorzugt wobei
die erste Schicht mittels eines HVAF- oder „Cold Spray"- Verfahrens aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt/aufgebracht wird und die zweite Schicht durch HVOF- oder HVAF-Verfahren aus Metall- oder Legierungspulvern hergestellt bzw. auf die zweite Schicht aufgebracht wird.
14. Verwendung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7
zur Beschichtung von Bremsscheiben für Scheibenbremsen oder zur Beschichtung von Bremstrommeln für Trommelbremsen oder zur Beschichtung von Kupplungsscheiben für Kupplungen.
PCT/EP2019/085093 2018-12-14 2019-12-13 Beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben, bremsscheibe für eine scheibenbremse oder bremstrommel für eine trommelbremse oder kupplungsscheibe für eine kupplung, scheibenbremse oder trommelbremse oder kupplung, verfahren zur herstellung einer beschichtung insbesondere für bremsscheiben, bremstrommeln und kupplungsscheiben und verwendung einer beschichtung WO2020120745A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/292,776 US20210396291A1 (en) 2018-12-14 2019-12-13 Coating, in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, brake disc for a disc brake or brake drum for a drum brake or clutch disc for a clutch, disc brake or drum brake or clutch, method for producing a coating in particular for brake discs, brake drums and clutch discs, and use of a coating
KR1020217021838A KR20210100711A (ko) 2018-12-14 2019-12-13 특히 브레이크 디스크, 브레이크 드럼 및 클러치 디스크용 코팅, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크 또는 드럼 브레이크용 브레이크 드럼 또는 클러치용 클러치 디스크, 디스크 브레이크 또는 드럼 브레이크 또는 클러치, 특히 브레이크 디스크, 브레이크 드럼 및 클러치 디스크용 코팅을 생산하는 방법, 및 코팅의 용도
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