WO2023020660A2 - Fertigungsverfahren für ein werkstück mit einer veredelungsschicht, sowie ein werkstück mit einer veredelungsschicht - Google Patents

Fertigungsverfahren für ein werkstück mit einer veredelungsschicht, sowie ein werkstück mit einer veredelungsschicht Download PDF

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WO2023020660A2
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finishing
treatment surface
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Tobias Phillip Utsch
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
    • F16D65/02—Braking members; Mounting thereof
    • F16D65/12—Discs; Drums for disc brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
    • F16D65/02—Braking members; Mounting thereof
    • F16D2065/13—Parts or details of discs or drums
    • F16D2065/1304—Structure
    • F16D2065/132—Structure layered

Definitions

  • the invention relates to a manufacturing method for a workpiece with a finishing layer and a workpiece with a finishing layer.
  • the stresses induced during production between the finishing layer and the treatment surface also represent a stress for the connection between the finishing layer and the treatment surface, so that the connection strength for an additional mechanical load during operation of the workpiece can lead to premature detachment of the finishing layer.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art.
  • the features according to the invention result from the independent claims, for which advantageous configurations are shown in the dependent claims.
  • the features of the claims can be combined in any technically meaningful way, whereby the explanations from the following description and features from the figures can also be used for this purpose, which include additional configurations of the invention.
  • the invention relates to a manufacturing method for a workpiece with a finishing layer, having the following steps: a. providing a workpiece with a treatment surface; and b. Providing the treatment surface with a finishing layer.
  • the manufacturing method is primarily characterized in that at least the following step is also included: c. Reducing stresses in the finishing layer.
  • a manufacturing method for a workpiece with a finishing layer is proposed here, in which the finishing layer is applied to the treatment surface.
  • a finishing layer is, for example, a friction layer with carbides and/or an anti-corrosion layer, for example for exterior areas in a motor vehicle or for seawater applications.
  • post-processing by cutting is not carried out, but that the stresses in the finishing layer, and preferably also in the treatment surface, of the workpiece are reduced.
  • a fatigue strength of the connection between the finishing layer and the treatment surface is improved because externally applied forces, for example a shearing moment during the braking process in the case of a brake disk, do not add up to an already existing stress.
  • the stresses are reduced to such an extent that a compressive stress in the finishing layer opposite the treatment surface, i.e. a stress which, if excessive, would lead to a convex deformation with the surface of the workpiece, is brought about.
  • a compressive stress in the finishing layer opposite the treatment surface i.e. a stress which, if excessive, would lead to a convex deformation with the surface of the workpiece.
  • step c. the stresses in the finishing layer, and preferably also in the treatment surface, are reduced using at least one of the following methods:
  • a particularly advantageous embodiment of the manufacturing process is carried out with stress-relief annealing, with stresses introduced by thermal post-treatment with the finishing layer and part of the treatment surface being released.
  • finishing layer (with an effect on the underlying treatment surface) is proposed, in which the finishing layer and optionally at least part of the treatment surface is compacted.
  • the compaction causes a reduction in the tensile stresses in the finishing layer or between the finishing layer and the treatment surface or alone in the treatment surface up to the point where compressive stress builds up.
  • Another advantage of mechanical processing is that the structure is not changed or is only slightly changed during this cold forming process, which means that even demanding finishing layers or materials of the treatment surface can be processed.
  • the finishing layer is compacted with a roller-like body, when hammering with a flat blow and when pressing with a (preferably full-surface) compressive stress on the finishing layer and, if necessary, the treatment surface.
  • step b at least one of the following properties is achieved:
  • the roughness of the finishing layer is reduced and/or the surface density of the finishing layer (and preferably the treatment surface) is increased.
  • a post-treatment step for example with machining
  • the increased surface density on the one hand an increased strength of the finishing layer (or the treatment surface) is achieved and on the other hand an improvement in the connection between the finishing layer and the treatment surface can also be achieved. A higher long-term strength can thus be achieved and/or the use of materials can be reduced.
  • the roughness of the finishing layer is only reduced to the extent that the relatively soft materials of a matrix in which hard materials, such as carbides, are added, are leveled and the embedded hard materials are not leveled or are leveled to a lesser extent when the roughness is reduced, so that For example, for a brake disc, the carbides are firmly embedded in the matrix material, which is now compressed, for example, and are optimally involved in the braking effect.
  • the aforesaid properties are improved by reducing the stresses in step c described above. achieved, preferably by means of a mechanical compaction process, such as rolling, hammering or pressing. It should be noted that step c. can also include several processes, such as stress-relief annealing and subsequent mechanical cold-forming.
  • the finishing layer comprises an adhesion layer and a functional layer, preferably a friction layer, with the adhesion layer being arranged between the treatment surface and the functional layer.
  • an adhesive layer is preferably first applied to the treatment surface and a functional layer above it, ie on the side facing away from the workpiece.
  • the adhesive layer is preferably designed to ensure a stable hold of the friction layer.
  • the friction layer is designed, for example, to provide a specific coefficient of friction for a counter-element, for example a brake shoe.
  • step c. in step c. the stresses in the adhesive layer, preferably in relation to the finishing layer exclusively in the adhesive layer, are reduced.
  • Step c is preferred. carried out after the adhesion layer has been applied and before the friction layer is applied.
  • a workpiece with a finishing layer having a carrier body with a treatment surface, with a finishing layer being applied to the treatment surface.
  • the workpiece is characterized above all by the fact that the finishing layer is post-compacted.
  • a workpiece with a finishing layer is now proposed here, for example a brake disc as explained above, the workpiece comprising a carrier body, preferably a cast body, on which the treatment surface forms at least a partial area of the surface of the carrier body.
  • a finishing layer is applied to this treatment surface, for example by high-velocity oxy-fuel spraying [HVOF] or laser deposition welding, particularly preferably extremely high-speed Laser deposition welding [EHLA], it is now proposed here that the finishing layer is post-compacted, i.e. post-compacting after the application of the finishing layer on the treatment surface by means of a thermal or mechanical (cold forming) process.
  • HVOF high-velocity oxy-fuel spraying
  • EHLA extremely high-speed Laser deposition welding
  • a workpiece with a finishing layer having a carrier body with a treatment surface, with a finishing layer being applied to the treatment surface.
  • the workpiece is primarily characterized by the fact that the stress in the finishing layer is neutral or compressive stress.
  • a workpiece with the same basic requirements is proposed here, with a support body having a treatment surface having a finishing layer.
  • the stress in the finishing layer is neutral or is a compressive stress.
  • the stress in the treatment surface at least near the finishing layer is preferably neutral or a compressive stress. This can be implemented inexpensively using a thermal process (e.g. stress-relief annealing) or a mechanical process (cold forming).
  • the stress in the finishing layer (or the treatment surface) is both neutral or compressive stress and post-compacted.
  • the tension in the finishing layer, and preferably also in the treatment surface is evenly distributed and a maximum deviation is at most 15% [fifteen percent], preferably less.
  • the workpiece is a rotary workpiece with an axis of rotation, preferably a brake disk for a motor vehicle.
  • the workpiece is a rotary workpiece, the rotary workpiece being rotated about a central axis of rotation when the finishing layer is applied.
  • a single feed axis for the coating unit is then often sufficient for applying the finishing layer.
  • this feed axis is aligned parallel to the axis of rotation (corresponds to the cylinder axis).
  • the treatment surface is in the form of a cylinder cover or disk, this feed axis is aligned parallel to the radius of the axis of rotation (corresponds to the cylinder axis or disk axis).
  • An infeed axis or adjustment axis is preferably also provided, with it being particularly preferable for this axis to be movable in the coating process or during calibration, adapted to the coating speed or to the measuring speed.
  • the infeed axis can only be moved more slowly and it is only adjusted before the application of the finishing layer or a calibration or an intermediate step of the process in question begins.
  • the rotary workpiece is a brake disk for a motor vehicle (including a commercial vehicle).
  • the treatment surface is the friction surface that comes into contact with a brake pad during operation when the motor vehicle is decelerating.
  • the carrier disk is cast, for example, made of steel or lamellar gray cast iron.
  • the finishing layer includes carbides, which ensure the desired roughness and abrasion resistance of the finished surface.
  • the finishing layer is an MMC [Engl.: Metal Matrix Composite], preferably comprising stainless steel as matrix material.
  • the additives are, for example, niobium [Nb], silicon [Si], chromium [Cr] and/or titanium [Ti].
  • the finishing layer is composed of two or more layers of material with different compositions, with for example (preferably exclusively a bonding layer and a friction layer are provided.
  • the brake disk has a shield with a height difference of at most 10 ⁇ m [ten micrometers] to 200 ⁇ m on the outer diameter of the rotating workpiece.
  • a shielding is therefore within a range that is permissible for the final state of the brake disk and it is not necessary to remove material from the coating due to the shielding.
  • the height of material to be removed is in the same amount range as for compensating for a waviness and/or a maximum difference between the height minimum and the height maximum, it being preferably ensured by means of the measurement method described above that the effects do not add up.
  • a workpiece with such an accumulation is sorted out as scrap or (in individual cases) a larger layer height is applied or a dedicated minimum height is subsequently filled. The latter is possible with the measuring method described above because the measuring unit (and the coating unit) are referenced to the workpiece and the exact position of the minimum height is therefore known.
  • the finishing layer comprises an adhesion layer and a functional layer, preferably a friction layer, with the adhesion layer being arranged between the treatment surface and the functional layer.
  • the adhesive layer preferably exclusively the adhesive layer in relation to the finishing layer, is post-compacted and/or the stress of the adhesive layer, preferably exclusively the adhesive layer, is neutral or has a compressive stress.
  • FIG. 2 a workpiece during step c. of the manufacturing process according to FIG. 1 ;
  • Fig. 3 the workpiece according to FIG. 2 after step c. the manufacturing process; and
  • FIG. 4 a motor vehicle with brake discs in a schematic plan view.
  • step a a workpiece 1 with a treatment surface 3 is provided.
  • the workpiece 1 is a rotary workpiece with an axis of rotation 5, for example a brake disc 6 (see FIG. 4).
  • the treatment surface 3 is provided with a finishing layer 2, for example with a suitable automated coating device.
  • a finishing layer 2 comprises, for example, an adhesion layer and/or a friction layer with carbides and/or an anti-corrosion layer.
  • a final step c. the stresses in the finishing layer 2, and purely optionally also in the treatment surface 3, of the workpiece 1 are reduced.
  • a fatigue strength of the connection between the finishing layer 2 and the treatment surface 3 is improved because externally applied forces, for example a shearing moment during the braking process in the case of a brake disk 6, do not add up to an already existing stress.
  • Tensile stresses are preferably reduced or converted into compressive stresses.
  • the stresses on the adhesive layer are preferably reduced.
  • a workpiece 1 during step c. of the manufacturing process according to FIG. 1 is shown.
  • the workpiece 1 comprises a carrier body 4, purely optionally a cast body, on which the treatment surface 3 of the carrier body 4 is arranged at the top according to the illustration.
  • a finishing layer 2 with a (specific) surface density is applied to this treatment surface 3, for example by extremely high-speed laser deposition welding [EHLA].
  • EHLA extremely high-speed laser deposition welding
  • the finishing layer 2 is now optionally post-compacted by means of mechanical cold forming, for example a rolling device 8 in the form of a cylindrical roller.
  • a rolling device 8 in the form of a cylindrical roller.
  • the rolling device 8 is rolled over the finishing layer 2 in predefined paths with a predefined contact pressure, with the rolling device 8 pressing into the finishing layer 2 (according to the illustration, the rolling device 8 is therefore shown overlapping with the finishing layer 2) and recompacting it.
  • the material underneath the treatment surface 3 is also post-compacted. The compaction causes a reduction in the tensile stresses in the finishing layer 2 or between the finishing layer 2 and the treatment surface 3.
  • the roughness of the finishing layer 2 is further reduced and, purely optionally, the surface density of the finishing layer 2 and purely optionally of the treatment surface 3 is increased.
  • a post-treatment step for example with machining, is superfluous or the effort is reduced, which means shorter machine times and smaller amounts of material can be used.
  • the increased surface density on the one hand an increased strength of the finishing layer 2 (or the treatment surface 3) is achieved and on the other hand an improvement in the connection between the finishing layer 2 and the treatment surface 3 can also be achieved. A higher long-term strength can thus be achieved and/or the use of materials can be reduced.
  • FIG. 3 the workpiece 1 according to FIG. 2 is after step c. of the manufacturing process is shown.
  • the tension in the finishing layer 2 is neutral.
  • the stress is also neutral in the treatment surface 3 at least near the finishing layer 2 . This is implemented inexpensively by means of the mechanical method (compare FIG. 2) and deformation of the workpiece 1 as a result of the application of the finishing layer 2 is reduced or even eliminated again, and a compressive stress may even be induced.
  • the motor vehicle 7 has four wheels 9, with two wheels 9 each being arranged opposite one another on a common wheel axle (congruent with the axis of rotation 5 of the brake discs 6).
  • each of the wheels 9 has a brake disc 6 with an axis of rotation 5, with the wheel 9 and brake disc 6 being connected in a torque-proof manner.
  • a finishing layer 2 is applied to each of the two axially opposite sides of the brake disk 6 by means of the manufacturing method shown in FIG.
  • a pair of brake pads 10 is assigned to each of the brake discs 6, the brake pads 10 being fixedly connected to the vehicle body.
  • a respective brake pad 10 is pressed against the respective brake disc 6 .
  • Most of the braking energy is introduced into the respective brake disc 6 as waste heat, which is why the finishing layer 2 is subjected to high temperatures and high shear loads and high pressure.
  • the finishing layer 2 must withstand this load case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für ein Werkstück (1 ) mit einer Veredelungsschicht (2), aufweisend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Werkstücks (1 ) mit einer Behandlungsoberfläche (3); und b. Versehen der Behandlungsoberfläche (3) mit einer Veredelungsschicht (2). Das Fertigungsverfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin zumindest folgender Schritt umfasst ist: c. Reduzieren von Spannungen in der Veredelungsschicht (2). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht, bei welchem die Veredelungsschicht nachverdichtet ist und/oder die Spannung in der Veredelungsschicht neutral oder eine Druckspannung ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Fertigungsverfahren und dem Werkstück ist mit kostengünstigen Mitteln eine hohe Qualität und lange Lebensdauer der Veredelungsschicht erzielbar.

Description

Fertiqunqsverfahren für ein Werkstück mit einer Veredelunqsschicht, sowie ein Werkstück mit einer Veredelunqsschicht
Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht, sowie ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht.
Im Stand der Technik ist es bekannt, ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht zu versehen, beispielsweise eine Bremsscheibe mit einer Reibbeschichtung mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und/oder mittels eines Diffusionsverfahrens. In Folge von dem thermischen Eintrag beim Aufbringen der Veredelungsschicht kommt es zu lokalen Spannungen und teilweise Verformungen des Werkstücks.
Beispielsweise ist es bekannt, dass bei Bremsscheiben eine sogenannte Schirmung entsteht, bei welcher der radial-äußere Rand relativ zum radial-inneren Rand normal zur (idealen) Oberfläche höher ist. Bei einigen Werkstücken wird dies in Kauf genommen und bei anderen wird dies durch nachgelagerte spanabhebende Verfahren ausgeglichen. Sobald ein Spanabhub notwendig ist, muss ein entsprechendes Aufmaß vorgesehen werden, womit ein Mehr an Material und Masse sowie Fertigungszeiten einhergeht.
Die beim Fertigen induzierten Spannungen zwischen der Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche stellen zudem eine Belastung für die Verbindung zwischen der Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche dar, sodass die Verbindungsfestigkeit für eine zusätzliche mechanische Belastung im Betrieb des Werkstücks zu frühzeitiger Ablösung der Veredelungsschicht führen kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen. Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht, aufweisend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Werkstücks mit einer Behandlungsoberfläche; und b. Versehen der Behandlungsoberfläche mit einer Veredelungsschicht.
Das Fertigungsverfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin zumindest folgender Schritt umfasst ist: c. Reduzieren von Spannungen in der Veredelungsschicht.
Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
Hier ist ein Fertigungsverfahren für ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht vorgeschlagen, bei welchem die Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche aufgebracht wird. Eine solche Veredelungsschicht ist beispielsweise eine Reibschicht mit Karbiden und/oder eine Korrosionsschutzschicht, beispielsweise für Außenbereiche in einem Kraftfahrzeug oder eine Seewasseranwendung. Hier ist nun vorgeschlagen, dass nicht eine spanende Nachbearbeitung vorgenommen wird, sondern die Spannungen in der Veredelungsschicht, und bevorzugt auch in der Behandlungsoberfläche, des Werkstücks reduziert werden. Wenn die Spannungen reduziert sind, wird eine Dauerfestigkeit der Verbindung zwischen der Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche verbessert, weil sich von außen eingetragene Kräfte, beispielsweise bei einer Bremsscheibe ein Schermoment beim Bremsvorgang, nicht auf eine bereits vorhandene Spannung aufsummieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsformen werden die Spannungen so weit reduziert, dass in der Veredelungsschicht gegenüber der Behandlungsoberfläche eine Druckspannung, also eine Spannung, welche im übertriebenen Fall zu einer konvexen Verformung mit der Oberfläche des Werkstücks führen würde, herbeigeführt ist. Somit ist der Betrag der Spannungen von einer äußeren Belastung abgezogen und somit die Wirkung der äußeren Belastung auf die Verbindung zwischen Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche reduziert.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Fertigungsverfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt c. die Spannungen in der Veredelungsschicht, und bevorzugt auch in der Behandlungsoberfläche, mittels zumindest eines der folgenden Verfahren reduziert werden:
- Spannungsarmglühen;
- Rollieren;
- Hämmern;
- Pressen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Fertigungsverfahrens ist mit einem Spannungsarmglühen ausgeführt, wobei sich durch eine thermische Nachbehandlung mit der Veredelungsschicht und einem Teil der Behandlungsoberfläche eingebrachte Spannungen auflösen.
Alternativ ist ein mechanisches Bearbeiten der Veredelungsschicht (mit Wirkung auf die darunterliegende Behandlungsoberfläche) vorgeschlagen, bei welcher die Veredelungsschicht und gegebenenfalls zumindest ein Teil der Behandlungsoberfläche verdichtet wird. Die Verdichtung bewirkt eine Reduzierung der Zugspannungen in der Veredelungsschicht beziehungsweise zwischen der Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche oder allein in der Behandlungsoberfläche bis hin zu dem Aufbauen einer Druckspannung. Ein weiterer Vorteil der mechanischen Bearbeitung ist, dass das Gefüge bei dieser Kaltverformung nicht oder nur unwesentlich verändert wird und somit auch anspruchsvolle Veredelungsschichten oder Werkstoffe der Behandlungsoberfläche bearbeitet werden können. Beim Rollieren wird mit einem walzenähnlichen Körper die Veredelungsschicht verdichtet, beim Hämmern mit einem flächigen Schlag und beim Pressen mit einer (bevorzugt vollflächigen) Druckbeanspruchung der Veredelungsschicht und gegebenenfalls der Behandlungsoberfläche. Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Fertigungsverfahrens vorgeschlagen, dass weiterhin im Vergleich zu dem Beschichtungsergebnis mittels Schritt b. zumindest eine der folgenden Eigenschaften erzielt wird:
- eine reduzierte Rauigkeit; und
- eine erhöhte Oberflächendichte, wobei bevorzugt diese zumindest eine Eigenschaft in Schritt c. erzielt wird.
Hier ist vorgeschlagen, dass die Rauigkeit der Veredelungsschicht reduziert und/oder die Oberflächendichte der Veredelungsschicht (und bevorzugt der Behandlungsoberfläche) erhöht wird. Mit der reduzierten Rauigkeit ist beispielsweise ein Nachbehandlungsschritt, beispielsweise mit spanender Bearbeitung, überflüssig oder reduziert, womit kürzere Maschinenzeiten und geringere Materialmengen einsetzbar sind. Mit der erhöhten Oberflächendichte ist zum einen eine erhöhte Festigkeit der Veredelungsschicht (beziehungsweise der Behandlungsoberfläche) erreicht und zum anderen ist auch eine Verbesserung der Verbindung zwischen der Veredelungsschicht und der Behandlungsoberfläche erzielbar. Damit ist eine höhere Langzeitfestigkeit erzielbar und/oder ein Materialeinsatz verringerbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Rauigkeit der Veredelungsschicht nur insoweit reduziert, dass die relativ weichen Materialien einer Matrix, in welcher Hartstoffe, beispielsweise Karbide, aufgenommen sind, eingeebnet werden und die eingebetteten Hartstoffe bei dem Reduzieren der Rauigkeit nicht oder weniger stark eingeebnet werden, sodass beispielsweise für eine Bremsscheibe die Karbide in dem Matrixmaterial, welches nun beispielsweise verdichtet ist, fest eingebettet und an der Bremswirkung optimal beteiligt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsformen werden zu vorgenannten Eigenschaften mittels des Reduzierens der Spannungen in dem oben beschriebenen Schritt c. erzielt, bevorzugt mittels eines mechanischen Verdichtungsverfahrens, wie beispielsweise Rollieren, Hämmern oder Pressen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Schritt c. auch mehrere Verfahren umfassen kann wie beispielsweise ein Spannungsarmglühen und nachträgliches mechanisches Kaltverformen. ln einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Veredelungsschicht eine Haftschicht und eine Funktionsschicht, bevorzugt eine Reibschicht, wobei die Haftschicht zwischen der Behandlungsoberfläche und der Funktionsschicht angeordnet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wir bevorzugt zunächst eine Haftschicht auf die Behandlungsoberfläche aufgebracht und darüber, also auf der Werkstück abgewandten Seite, einen Funktionsschicht. Die Haftschicht ist bevorzugt ausgelegt, um einen stabilen Halt der Reibschicht zu gewährleisten. Die Reibschicht ist beispielsweise dazu ausgelegt, eine bestimmten Reibungskoeffizienten zu einem Gegenelement, beispielsweise einer Bremsbacke, bereitzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird in Schritt c. die Spannungen in der Haftschicht, bevorzugt in Bezug auf die Veredelungsschicht ausschließlich in der Haftschicht, reduziert werden.
Bevorzugt wird Schritt c. ausgeführt, nachdem die Haftschicht aufgebracht wurde und bevor die Reibschicht aufgebracht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht vorgeschlagen, wobei das Werkstück einen Trägerkörper mit einer Behandlungsoberfläche aufweist, wobei auf der Behandlungsoberfläche eine Veredelungsschicht aufgebracht ist.
Das Werkstück ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die Veredelungsschicht nachverdichtet ist.
Hier ist nun ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht vorgeschlagen, beispielsweise eine Bremsscheibe wie eingangs erläutert, wobei das Werkstück einen Trägerkörper, bevorzugt einen Gusskörper, umfasst, auf welchem die Behandlungsoberfläche zumindest einen Teilbereich der Oberfläche des Trägerkörpers bildet. Auf dieser Behandlungsoberfläche ist eine Veredelungsschicht aufgebracht, beispielsweise durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen [HVOF] oder Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA], Hier ist nun vorgeschlagen, dass die Veredelungsschicht nachverdichtet ist, also nach dem Aufbringen der Veredelungsschicht auf der Behandlungsoberfläche mittels eines thermischen oder mechanischen (Kaltverformung) Verfahrens nachverdichtet ist. Diese Eigenschaft ist bereits an der Oberfläche des so bearbeiteten Werkstücks von außen erkennbar oder aber zumindest in einem Schnitt oder mittels anderer (zerstörungsfreier) Prüfverfahren. Zu dem Prozess der Herstellung eines solchen Werkstücks wird auf die obige Beschreibung zu den Fertigungsverfahren verwiesen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht vorgeschlagen, wobei das Werkstück einen Trägerkörper mit einer Behandlungsoberfläche aufweist, wobei auf der Behandlungsoberfläche eine Veredelungsschicht aufgebracht ist.
Das Werkstück ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in der Veredelungsschicht neutral oder eine Druckspannung ist.
Hier ist in einer Variante oder auch in der gleichen Ausführungsform ein Werkstück mit den gleichen Grundvoraussetzungen vorgeschlagen, wobei also ein Trägerkörper mit einer Behandlungsoberfläche eine Veredelungsschicht aufweist. Insoweit wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Hier ist nun vorgeschlagen, dass die Spannung in der Veredelungsschicht neutral ist oder eine Druckspannung ist. Bevorzugt ist zudem in der Behandlungsoberfläche zumindest nahe der Veredelungsschicht die Spannung neutral oder eine Druckspannung. Dies ist mittels eines thermischen Verfahrens (beispielsweise Spannungsarmglühen) oder eines mechanischen Verfahrens (Kaltverformen) kostengünstig umsetzbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannung in der Veredelungsschicht (beziehungsweise der Behandlungsoberfläche) sowohl neutral oder eine Druckspannung, als auch nachverdichtet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannung in der Veredelungsschicht, und bevorzugt auch in der Behandlungsoberfläche, gleichmäßig verteilt und eine maximale Abweichung beträgt maximal 15 % [fünfzehn Prozent], bevorzugt weniger. Hinsichtlich der Herstellung und Vorteile wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen. Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkstücks vorgeschlagen, dass das Werkstück mittels eines Fertigungsverfahrens nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung gefertigt ist.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werkstücks vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück mit einer Rotationsachse ist, bevorzugt eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug.
Hier ist vorgeschlagen, dass das Werkstück ein Rotationswerkstück ist, wobei das Rotationswerkstück um eine zentrale Rotationsachse rotiert wird, wenn die Veredelungsschicht aufgetragen wird. Oftmals ist dann eine einzige Vorschubachse für die Beschichtungseinheit zum Aufträgen der Veredelungsschicht ausreichend. Bei einer zylindrischen Form der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse) ausgerichtet. Bei einer Zylinderdeckelform beziehungsweise Scheibenform der Behandlungsoberfläche ist diese Vorschubachse parallel zu dem Radius zu der Rotationsachse (entspricht der Zylinderachse beziehungsweise Scheibenachse) ausgerichtet. Bevorzugt ist weiterhin eine Zustellachse beziehungsweise Justierachse vorgesehen, wobei besonders bevorzugt diese im Beschichtungsprozess beziehungsweise beim Einmessen angepasst an die Beschichtungsgeschwindigkeit beziehungsweise an die Messgeschwindigkeit verfahrbar ist. Alternativ ist die Zustellachse nur langsamer bewegbar und es wird lediglich vor Beginn eines Auftragens der Veredelungsschicht beziehungsweise eines Einmessens oder eines Zwischenschritts des betreffenden Vorgangs eingestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Rotationswerkstück eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug (einschließlich eines Nutzfahrzeugs). Die Behandlungsoberfläche ist die Reibfläche, welche im Betrieb beim Entschleunigen des Kraftfahrzeugs mit einem Bremsklotz in Kontakt kommt. Die Trägerscheibe ist beispielsweise gegossen, beispielsweise aus Stahl oder Lamellengrauguss. Die Veredelungsschicht umfasst Karbide, welche für eine gewünschte Rauigkeit und Reibfestigkeit der veredelten Oberfläche sorgen. Beispielsweise ist die Veredelungsschicht eine MMC [engl.: Metall Matrix Composite], bevorzugt umfassend Edelstahl als Matrixmaterial. Die Zuschlagstoffe sind beispielsweise Niob [Nb], Silizium [Si], Chrom [Cr] und/oder Titan [Ti], Die Veredelungsschicht ist in einer Ausführungsform in zwei oder mehr Lagen von Material mit unterschiedlicher Zusammensetzung zusammengesetzt, wobei beispielsweise (bevorzugt ausschließlich) eine Bindeschicht und eine Reibschicht vorgesehen sind. Für den allgemeinen technischen Hintergrund wird auf die DE 10 2018 120 897 A1 verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Bremsscheibe eine Schirmung mit einer Höhendifferenz von maximal 10 pm [zehn Mikrometer] bis 200 pm am Außendurchmesser des Rotationswerkstücks auf. Damit ist eine solche Schirmung in einem für den Endzustand der Bremsscheibe zulässigen Bereich und es ist nicht notwendig, aufgrund der Schirmung Material von der Veredelungsschicht abzutragen. Alternativ ist die Höhe von abzutragendem Material in dem gleichen Betragsbereich wie zum Ausgleich einer Welligkeit und/oder einer maximalen Differenz zwischen dem Höhenminimum und dem Höhenmaximum, wobei bevorzugt mittels des oben beschriebenen Messverfahrens sichergestellt ist, dass eine Aufsummierung der Effekte nicht vorliegt. Ein Werkstück, bei welchem eine solche Aufsummierung vorliegt, wird als Ausschuss aussortiert oder es wird (im Einzelfall) eine größere Schichthöhe aufgetragen oder dezidiert ein Höhenminimum nachträglich aufgefüllt. Letzteres ist mit dem oben beschriebenen Messverfahren möglich, weil die Messeinheit (und die Beschichtungseinheit) zu dem Werkstück referenziert sind und somit die genaue Lage des Höhenminimums bekannt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Veredelungsschicht eine Haftschicht und eine Funktionsschicht, bevorzugt eine Reibschicht, umfasst, wobei die Haftschicht zwischen der Behandlungsoberfläche und der Funktionsschicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform ist die Haftschicht, bevorzugt in Bezug auf die Veredelungsschicht ausschließlich die Haftschicht, nachverdichtet und/oder die Spannung der Haftschicht, bevorzugt ausschließlich der Haftschicht, ist neutral oder einen Druckspannung. Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : ein Flussdiagramm eines Fertigungsverfahrens für ein Werkstück mit einer Veredelungsschicht;
Fig. 2: ein Werkstück während Schritt c. des Fertigungsverfahrens gemäß Fig. 1 ; Fig. 3: das Werkstück gemäß Fig. 2 nach Schritt c. des Fertigungsverfahrens; und Fig. 4: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.
In Fig. 1 ist ein Flussdiagramm eines Fertigungsverfahrens für ein Werkstück 1 mit einer Veredelungsschicht 2 gezeigt. In Schritt a. wird ein Werkstück 1 mit einer Behandlungsoberfläche 3 bereitgestellt. Beispielsweise ist das Werkstück 1 ein Rotationswerkstück mit einer Rotationsachse 5, beispielsweise eine Bremsscheibe 6 (vergleiche Fig. 4).
In einem folgenden Schritt b. wird die Behandlungsoberfläche 3 mit einer Veredelungsschicht 2 versehen, beispielsweise mit einer dazu geeigneten automatisierten Beschichtungsvorrichtung. Eine solche Veredelungsschicht 2 umfasst beispielsweise eine Haftschicht und/oder eine Reibschicht mit Karbiden und/oder eine Korrosionsschutzschicht.
In einem abschließenden Schritt c. werden die Spannungen in der Veredelungsschicht 2, und rein optional auch in der Behandlungsoberfläche 3, des Werkstücks 1 reduziert. Wenn die Spannungen reduziert sind, wird eine Dauerfestigkeit der Verbindung zwischen der Veredelungsschicht 2 und der Behandlungsoberfläche 3 verbessert, weil sich von außen eingetragene Kräfte, beispielsweise bei einer Bremsscheibe 6 ein Schermoment beim Bremsvorgang, nicht auf eine bereits vorhandene Spannung aufsummieren. Bevorzugt werden Zugspannungen reduziert oder in Druckspannungen umgewandelt. Bevorzugt werden die Spannungen an der Haftschicht reduziert. In Fig. 2 ist ein Werkstück 1 während Schritt c. des Fertigungsverfahrens gemäß Fig. 1 gezeigt. Das Werkstück 1 umfasst einen Trägerkörper 4, rein optional einen Gusskörper, auf welchem die Behandlungsoberfläche 3 des Trägerkörpers 4 darstellungsgemäß oben angeordnet ist. Auf dieser Behandlungsoberfläche 3 ist eine Veredelungsschicht 2 mit einer (spezifischen) Oberflächendichte aufgebracht, beispielsweise durch Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA], Infolge von dem thermischen Eintrag beim Aufbringen der Veredelungsschicht 2 kommt es zu lokalen Spannungen und Verformungen des Werkstücks 1, sodass das hier dargestellte Werkstück 1 eine Durchbiegung infolge von Zugspannungen in der Veredelungsschicht 2 (und folglich auch in der Behandlungsoberfläche 3) aufweist.
In dem veranschaulichten Schritt c. wird nun die Veredelungsschicht 2 rein optional mittels mechanischer Kaltverformung, beispielsweise einer Rolliervorrichtung 8 in Form von einer zylindrischen Walze, nachverdichtet. Rein optional wird dazu die Rolliervorrichtung 8 in vordefinierten Bahnen mit einem vordefinierten Anpressdruck über die Veredelungsschicht 2 gewalzt, wobei sich dabei die Rolliervorrichtung 8 in die Veredelungsschicht 2 eindrückt (darstellungsgemäß ist daher die Rolliervorrichtung 8 überlappend mit der Veredelungsschicht 2 gezeigt) und diese nachverdichtet. Rein optional wird dabei auch das Material unterhalb der Behandlungsoberfläche 3 nachverdichtet. Die Verdichtung bewirkt eine Reduzierung der Zugspannungen in der Veredelungsschicht 2 beziehungsweise zwischen der Veredelungsschicht 2 und der Behandlungsoberfläche 3.
Bei der Kaltumformung ist weiterhin die Rauigkeit der Veredelungsschicht 2 reduziert und rein optional die Oberflächendichte der Veredelungsschicht 2 und rein optional der Behandlungsoberfläche 3 erhöht. Mit der reduzierten Rauigkeit ist beispielsweise ein Nachbehandlungsschritt, beispielsweise mit spanender Bearbeitung, überflüssig oder der Aufwand reduziert, womit kürzere Maschinenzeiten anfallen und geringere Materialmengen einsetzbar sind. Mit der erhöhten Oberflächendichte ist zum einen eine erhöhte Festigkeit der Veredelungsschicht 2 (beziehungsweise der Behandlungsoberfläche 3) erreicht und zum anderen ist auch eine Verbesserung der Verbindung zwischen der Veredelungsschicht 2 und der Behandlungsoberfläche 3 erzielbar. Damit ist eine höhere Langzeitfestigkeit erzielbar und/oder ein Materialeinsatz verringerbar. In Fig. 3 ist das Werkstück 1 gemäß Fig. 2 nach Schritt c. des Fertigungsverfahrens gezeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die Spannung in der Veredelungsschicht 2 neutral ist. Rein optional ist zudem in der Behandlungsoberfläche 3 zumindest nahe der Veredelungsschicht 2 die Spannung neutral. Dies ist mittels des mechanischen Verfahrens (vergleiche Fig. 2) kostengünstig umgesetzt und so eine Verformung des Werkstücks 1 infolge des Auftragens der Veredelungsschicht 2 reduziert oder sogar wieder aufgelöst, gegebenenfalls sogar eine Druckspannung induziert.
In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 7 mit Bremsscheiben 6 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 7 weist vier Räder 9 auf, wobei jeweils zwei Räder 9 auf einer gemeinsamen Radachse (kongruent mit der Rotationsachse 5 der Bremsscheiben 6) gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 9 eine Bremsscheibe 6 mit einer Rotationsachse 5 auf, wobei Rad 9 und Bremsscheibe 6 drehmomentfest verbunden sind.
Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 6 mittels des in Fig. 1 gezeigten Fertigungsverfahrens eine Veredelungsschicht 2 aufgetragen. Jeder der Bremsscheiben 6 ist ein Paar von Bremsklötzen 10 zugeordnet, wobei die Bremsklötze 10 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 7 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 10 gegen die jeweilige Bremsscheibe 6 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 6 eingetragen, weshalb die Veredelungsschicht 2 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Die Veredelungsschicht 2 muss diesem Belastungsfall standhalten.
Mit dem hier vorgeschlagenen Fertigungsverfahren und dem Werkstück ist mit kostengünstigen Mitteln eine hohe Qualität und lange Lebensdauer der Veredelungsschicht erzielbar. Bezuqszeichenliste
Werkstück Veredelungsschicht Behandlungsoberfläche Trägerkörper Rotationsachse Bremsscheibe
Kraftfahrzeug Rolliervorrichtung Rad
Bremsklotz

Claims

Patentansprüche Fertigungsverfahren für ein Werkstück (1 ) mit einer Veredelungsschicht (2), aufweisend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Werkstücks (1 ) mit einer Behandlungsoberfläche (3); und b. Versehen der Behandlungsoberfläche (3) mit einer Veredelungsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin zumindest folgender Schritt umfasst ist: c. Reduzieren von Spannungen in der Veredelungsschicht (2). Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt c. die Spannungen in der Veredelungsschicht (2), und bevorzugt auch in der Behandlungsoberfläche (3), mittels zumindest eines der folgenden Verfahren reduziert werden:
- Spannungsarmglühen;
- Rollieren;
- Hämmern;
- Pressen. Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei weiterhin im Vergleich zu dem Beschichtungsergebnis mittels Schritt b. zumindest eine der folgenden Eigenschaften erzielt wird:
- eine reduzierte Rauigkeit; und
- eine erhöhte Oberflächendichte, wobei bevorzugt diese zumindest eine Eigenschaft in Schritt c. erzielt wird. Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Veredelungsschicht (2) eine Haftschicht und eine Funktionsschicht, bevorzugt eine Reibschicht, umfasst, wobei die Haftschicht zwischen der Behandlungsoberfläche (3) und der Funktionsschicht angeordnet ist. Fertigungsverfahren nach Anspruch 4, wobei wobei in Schritt c. die Spannungen in der Haftschicht, bevorzugt in Bezug auf die Veredelungsschicht (2) ausschließlich in der Haftschicht, reduziert werden. 6. Werkstück (1 ) mit einer Veredelungsschicht (2), wobei das Werkstück (1 ) einen Trägerkörper (4) mit einer Behandlungsoberfläche (3) aufweist, wobei auf der Behandlungsoberfläche (3) eine Veredelungsschicht (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Veredelungsschicht (2) nachverdichtet ist.
7. Werkstück (1 ) mit einer Veredelungsschicht (2), wobei das Werkstück (1 ) einen Trägerkörper (4) mit einer Behandlungsoberfläche (3) aufweist, wobei auf der Behandlungsoberfläche (3) eine Veredelungsschicht (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in der Veredelungsschicht (2) neutral oder eine Druckspannung ist.
8. Werkstück (1 ) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das Werkstück (1 ) mittels eines Fertigungsverfahrens nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 5 gefertigt ist.
9. Werkstück (1 ) nach einem von Anspruch 6 bis Anspruch 9, wobei das Werkstück (1 ) ein Rotationswerkstück mit einer Rotationsachse (5) ist, bevorzugt eine Bremsscheibe (6) für ein Kraftfahrzeug (7).
10. Werkstück (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Veredelungsschicht (2) eine Haftschicht und eine Funktionsschicht, bevorzugt einen Reibschicht, umfasst, wobei die Haftschicht zwischen der Behandlungsoberfläche (4) und der Funktionsschicht angeordnet ist.
11 . Werkstück (1 ) nach Anspruch 10, wobei die Haftschicht, bevorzugt in Bezug auf die Veredelungsschicht (2) ausschließlich die Haftschicht, nachverdichtet ist und/oder die Spannung der Haftschicht, bevorzugt in Bezug auf die Veredelungsschicht (2) ausschließlich der Haftschicht, neutral oder einen Druckspannung ist.
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