AT526715A1 - Bremselement - Google Patents

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AT526715A1
AT526715A1 ATA50869/2022A AT508692022A AT526715A1 AT 526715 A1 AT526715 A1 AT 526715A1 AT 508692022 A AT508692022 A AT 508692022A AT 526715 A1 AT526715 A1 AT 526715A1
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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Bremselement (1) vorgesehen, umfassend einen Grundkörper (2) sowie eine Reibschicht (3), wobei die Reibschicht (3) einen Stahl umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist: 10 – 15 Gew.-% Mn 18 – 24 Gew.-% Cr < 1 Gew.-% Si < 1 Gew.-% N < 0,1 Gew.-% C Rest Fe.

Description

Grundkörper sowie eine Reibschicht.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Herstellen
eines erfindungsgemäßen Bremselements.
Bremselemente der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird ein sich bewegendes, bspw. rotierendes Element an seiner Oberfläche durch Bremsbeläge berührt, sodass Reibung zwischen dem sich bewegenden Element und dem Bremsbelag entsteht. Diese Reibung bewirkt eine Umwandlung der Bewegungsenergie des sich bewegenden Elements in thermische Energie und damit eine Abbremsung des sich bewegenden Elements. Ein Beispiel hierfür ist eine Scheibenbremse, bei der eine rotierende Bremsscheibe mithilfe von wahlweise an die Bremsscheibe andrückbaren Bremsklötzen, die die Bremsbeläge aufweisen,
bei Bedarf gebremst werden kann.
Während dem Bremsvorgang sind die Bremselemente, bspw. Bremsscheiben, hohen Belastungen ausgesetzt. Einerseits wird aufgrund der mechanischen Belastung Material von dem Bremselement abgerieben und andererseits wird aufgrund der thermischen Belastung das Bremselement stark erhitzt. Dies führt dazu, dass Bremselemente in regelmäßigen Abständen bzw. bei Erreichen einer Verschleißgrenze getauscht und durch neue Bremselemente ersetzt werden müssen, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Bremselemente und damit
des jeweiligen Bremssystems zu gewährleisten. Bekannte Bremselemente, insbesondere Bremsscheiben, sind
bspw. aus Grauguss, Stahl oder Keramik hergestellt. Weiters
sind bspw. aus der WO 2020/043712 Al Bremsscheiben bekannt,
Haltbarkeit zu erzielen.
Nachteilig bei den bekannten Bremselementen ist allerdings, dass durch den durch die Bremsklötze während des Bremsvorganges ausgeübten Druck auf die Bremselemente die Oberfläche der Bremselemente, insbesondere die Reibschicht, beschädigt bzw. verschlissen werden kann. Durch diese Materialabtragung wird die ursprünglich unterhalb der Oberfläche des Bremselements befindliche Materialschicht ungewollt freigelegt und der Umwelt ausgesetzt. Dies ermöglicht das unerwünschte Bilden von Korrosion an den Bremselementen und reduziert die Lebensdauer der
Bremselemente deutlich.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Bremselement bereitzustellen, welches eine geringere Anfälligkeit für Korrosion aufweist. Insbesondere soll das Bremselement einen geringeren Verschleiß der Reibschicht im Betrieb
sowie eine verbesserte Dämpfung aufweisen. Erfindungsgemäß ist bei einem Bremselement der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Reibschicht einen Stahl
umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist:
10 - 15 Gew.-% Mn (Mangan) 18 - 24 Gew.-% Cr (Chrom)
Rest Fe (Eisen).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht aus dem Stahl besteht. Die Reibschicht schließt einerseits ggf. vorhandene Öffnungen in der Oberfläche des Grundkörpers, wodurch gleichzeitig der Korrosionsschutz gegenüber der Umwelt erhöht wird und verbessert weiters den Verschleiß sowie die Dämpfung des Bremselements. Dies verlängert insbesondere die Lebensdauer des Bremselements, bis es
ersetzt werden muss.
Besonders bevorzugt weist der Stahl die folgende
Richtanalyse auf:
10 - 11 Gew.-% Mn (Mangan)
18 - 20 Gew.-% Cr (Chrom)
< 1 Gew.-% Si (Silizium)
< 1 Gew.-% Ni (Nickel)
< 0,1 Gew.-% C (Kohlenstoff) 0,06 Gew.-% P (Phosphor)
0,03 Gew.-% S (Schwefel)
0,4 - 0,65 Gew.-% N (Stickstoff) < 1 Gew.-% Mo (Molybdän)
Rest Fe (Eisen).
Der Stahl ist bevorzugt ein Manganhartstahl, besonders
bevorzugt ein Manganhartstahl 1.3820 (X8CrMnN20-10).
4 —- 6 Gew.-% Mn (Mangan)
22 - 28 Gew.-% Cr (Chrom)
3 - 5 Gew.-% B (Bor)
< 1 Gew.-% Si (Silizium)
0,4 - 0,6 Gew.-% C (Kohlenstoff)
Rest Fe (Eisen).
Die Reibschicht besteht bei dieser bevorzugten Ausführung also aus einer Mischung aus dem Stahl mit der oben genannten Richtanalyse und der Legierung. Das Mischverhältnis zwischen dem Stahl und der Legierung beträgt bevorzugt ca. 80:20, 60:40, 40:60 oder 20:80. Durch das Vorsehen einer Mischung aus dem Stahl und der Legierung kann die Härte und die Festigkeit der Reibschicht weiter
verbessert werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht im Wesentlichen kein Nickel aufweist. Bevorzugt weist die Reibschicht weniger als 0,2 Gew.-% Nickel, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% Nickel auf. Nickel gilt als bedenklich für die Gesundheit von Menschen. Durch das Vorsehen einer nickelfreien Reibschicht wird vermieden, dass Nickel durch den Abrieb während des Bremsvorganges in
die Umgebungsluft gelangen und anschließend eingeatmet
werden kann.
Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Reibschicht im Wesentlichen keine CMR-Stoffe aufweist. Bevorzugt weist die Reibschicht weniger als 0,2 Gew.-% CMR-Stoffe, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% CMR-Stoffe auf. CMR-Stoffe
enthalten.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als das 1,1-fache der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers ist. Bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Reibschicht 1,1 bis 10-mal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit der Reibschicht ca. 1,12 bis 1,36-mal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers. Diese Ausbildung ermöglicht es, dass die beim Bremsvorgang entstehende Wärmeenergie zu einem großen Teil über die Reibungsschicht abgeführt wird und die über den Grundkörper abgeführte Wärmeenergie reduziert wird. Dies erlaubt eine Reduzierung der thermischen Masse des Grundkörpers und damit eine Gewichtsreduzierung des
Bremselements.
Bevorzugt weist die Reibschicht eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 65 bis 85 W/mK auf. Grauguss, ein bevorzugtes Material für den Grundkörper, weist üblicherweise eine
Wärmeleitfähigkeit von ca. 48 bis 52 W/mK auf.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln gebildet ist. Hierdurch wird eine besonders harte Reibschicht bereitgestellt, wodurch der Verschleiß der
Reibschicht und damit des Bremselements verringert wird.
Chromcarbidpartikel und/oder Vanadiumcarbidpartikel.
Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Grundkörper ein Grauguss ist bzw. einen Grauguss umfasst. Grauguss weist Kohlenstoff in Form von Graphit auf. Dieser Graphit kann bspw. genutzt werden, um Hartstoffpartikel während des Auftragens der Reibschicht mithilfe der Wärmequelle und eines Schweißzusatzstoffes, bspw. einem Pulver, in der Reibschicht zu formen, wobei sich die Hartstoffpartikel als primär ausgeschiedene Hartstoffe beim Erstarren der aufgebrachten Schmelze bilden. Hierbei wirkt die Wärmequelle, bspw. ein Laser, mit dem Schweißzusatzstoff, bspw. einem Pulver, und dem im Grauguss befindlichen Graphit zusammen, um die Hartstoffpartikel in der Reibschicht zu bilden. Die Hartstoffpartikel werden also in der Schmelze gebildet und nicht über eine externe Quelle zugeführt. Die entstehenden Hartstoffpartikel bestehen hierbei bspw. aus Chromcarbid und/oder Vanadiumcarbid. Bevorzugt weisen die Hartstoffpartikel eine durchschnittliche Korngröße von ca. 3 bis 5 ım auf. Weiters bevorzugt beträgt der Anteil der Hartstoffpartikel in der Reibschicht ca. 20 bis 70 Vol.-&, bevorzugt 35 bis 55 Vol.%, um einerseits eine hohe Härte und andererseits eine
ausreichende Festigkeit der Reibschicht sicherzustellen.
Die Dicke der Reibschicht beträgt bevorzugt 3,5 mm oder mehr. Bevorzugt ist die Reibschicht direkt auf dem Grundkörper angeordnet, also ohne eine Zwischenschicht. Dies erlaubt die Abführung der Wärme direkt von der Reibschicht auf den Grundkörper. Weiters erlaubt dieser
Aufbau eine einfache Herstellung des Bremselements.
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auszuüben.
Erfindungsgemäß ist weiters ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bremselements vorgesehen, wobei die Reibschicht auf den Grundkörper durch Auftragschweißen aufgebracht wird. Es wird also zunächst der Grundkörper bereitgestellt, der anschließend mithilfe eines Auftragschweißverfahrens mit einer Reibschicht mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschichtet wird. Beim Auftragschweißen wird der Schweißzusatzwerkstoff durch eine Wärmequelle, bspw. einen Laserstrahl, geschmolzen und auf den Grundkörper aufgebracht. Nach dem Erstarren des aufgebrachten Materials ist eine feste Reibschicht gebildet. Auftragschweißen eignet sich hierfür, da es ein erprobtes Verfahren ist, welches einfach, schnell und kostengünstige anwendbar ist, um das erfindungsgemäße
Bremselement herzustellen.
Weiters ist es möglich, dass durch das Auftragschweißen während des Auftrages Hartphasen in der Reibschicht gebildet werden, die den Verschließ der Reibschicht weiter
reduzieren. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Grundkörper
werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Reibschicht nach dem Aufbringen kontrolliert abgekühlt wird. Die Abkühlung erfolgt also nicht durch eine einfache Abkühlung an der Luft, sondern der Entzug bzw. ggf. die Einbringung von Wärme zum Bremselement wird gesteuert, um die gewünschte Abkühlungskurve zu erhalten. Das gewünschte Abkühlverhalten ist insbesondere von der genauen Zusammensetzung der Reibschicht abhängig. Durch die kontrollierte Abkühlung wird erreicht, dass Risse oder andere Beschädigungen in der Reibschicht bzw. im Übergangsbereich zwischen der Reibschicht und dem Grundkörper bestmöglich reduziert bzw.
vermieden werden.
Bevorzugt wird die Reibschicht bzw. der Grundkörper nach dem Aufbringen der Reibschicht mit einer im Wesentlichen linearen Abkühlrate von 25°C pro 10 Sekunden bis 35°C pro 10 Sekunden, besonders bevorzugt ca. 30°C pro 10 Sekunden abgekühlt. Die kontrollierte Abkühlung erfolgt bevorzugt
bis zu einer Temperatur des Bremselements von ca. 30°C. Nach der Beschichtung des Grundkörpers mit der Reibschicht
kann die Reibschicht weiterbearbeitet werden, bspw. indem
die Oberfläche der Reibschicht teilweise abgetragen wird,
erhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bremselement und Fig. 2 eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Bremselement 1 dargestellt, umfassend einen Grundkörper 2 und eine beidseitig aufgetragene Reibschicht 3. Im Betrieb während eines Bremsvorganges wirkt die Reibschicht 3 mit einem Bremsbelag, bspw. Bremsklötzen zusammen, um das sich bewegende Bremselement 1 abzubremsen. Bei dieser Ausbildung können Bremsbeläge an beiden Seiten des Grundkörpers 2 angeordnet sein, um beidseitig Druck auf das Bremselement 1
auszuüben und dieses damit zu bremsen.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auftragen einer erfindungsgemäßen Reibschicht 3 auf einen Grundkörper 2 gezeigt. Der Grundkörper 2 ist hierbei als Grauguss ausgebildet. Ein Bearbeitungsgerät 4 bringt einen Laserstrahl 5 sowie beidseitig des Laserstrahls 5 Pulver 6 auf die Oberfläche des Grundkörpers 2 auf. Durch die Hitze des Laserstrahls 5 wird eine lokale Schmelze aus dem Pulver 6 und einem Teil des Materials des Grundkörpers 1 erzeugt, sodass sich die Reibschicht 3 mit dem Grundkörper 1 verbindet. Im als Grauguss ausgebildeten Grundkörper 1 befinden sich Graphitlamellen 7, die während des Aufbringens der Reibschicht 3 zusammen mit dem Pulver 6
Hartstoffpartikel 8 ausbilden, die nach dem Erstarren in
der Reibschicht 3 angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonders harte Reibschicht 3 erzeugt, die sowohl weniger verschleißanfällig als auch weniger korrosionsanfällig ist
und daher eine längere Lebensdauer aufweist.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Bremselement, umfassend einen Grundkörper (2) sowie eine Reibschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) einen Stahl umfasst, der die folgende Richtanalyse aufweist:
10 - 15 Gew.-% Mn
18 —- 24 Gew.-% Cr
< 1 Gew.-% Si
< 1 Gew.-% N
< 0,1 Gew.-% C
Rest Fe.
2. Bremselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) weiters eine Legierung umfasst, die die folgende Richtanalyse aufweist:
4 —- 6 Gew.-% Mn
22 —- 28 Gew.-% Cr
3- 5 Gew.-? B
< 1 Gew.-% Si
0,4 - 0,6 Gew.-% C
Rest Fe.
3. Bremselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) im Wesentlichen
kein Nickel aufweist.
4, Bremselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) im Wesentlichen
keine CMR-Stoffe aufweist.
5. Bremselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) eine
Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als das 1,1-fache
der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers (2) ist.
6. Bremselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) aus einer Edelstahlmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln
(8) gebildet ist.
7. Bremsscheibe, umfassend zumindest ein Bremselement (1)
nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Verfahren zum Herstellen eines Bremselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht (3) auf den Grundkörper (2) durch
Auftragschweißen aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Reibschicht (3) nach dem Aufbringen kontrolliert abgekühlt wird.
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