CN103392079A - 制动盘及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造由基体（1）构成的制动盘的方法，该基体具有摩擦环表面（2）。该方法包括提供基体（1）以及通过将电子射束（5）对准摩擦环表面（2）而对摩擦环表面（2）进行粗糙化处理的步骤，其中在摩擦环表面（2）中在每mm²的摩擦环表面（2）上产生规定数量的凹处（3）。凹处（3）彼此之间的布置结构在此是预先设定的，且每个凹处（3）都具有预先设定的深度和形状。然后在不进行蚀刻步骤的情况下涂覆摩擦环表面涂层（4）。此外公开了一种相应的制动盘。

Description

制动盘及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的制动盘和一种制造方法，该方法特别包括对制动盘的摩擦环表面的粗糙化处理。

背景技术

这种包括用于降低摩擦环表面磨损的涂层的机动车制动盘由现有技术中已知。

DE10 342 743A1描述了一种用于制造机动车的制动盘的方法以及该制动盘本身，所述制动盘包括基体，该基体至少在外表面区域中包括耐磨层，该耐磨层起摩擦层的作用。此外，在基体和耐磨外层之间存在由增附剂材料形成的区域，其中由增附剂材料形成的区域和耐磨外层被设计为渐变层，它们的组合沿着层厚度方向而变化。

此外，DE10 2004 016 098A1描述了一种制动盘，该制动盘同样具有基体，该基体在其外表面区域内至少部分承载一用作摩擦层的耐磨层。在基体和耐磨外层之间设有一作为增附剂涂层和/或防腐层的中间层，且该中间层是电镀涂覆的。

增附剂涂层的涂覆带来额外的过程步骤和材料支出，但是其中经过涂层处理的制动盘的附着问题大多没有被令人满意地解决。存在这样的危险，即当制动盘在使用过程中承受大负荷时，可能包含中间层在内的涂层发生松脱或剥落，因为涂层彼此之间以及涂层与摩擦面表面之间大多情况下为材料结合连接，没有形成足够稳定的连接。

因此，为了改进在摩擦环表面和起保护作用的涂层之间的接触面，已经致力于对摩擦环表面进行机械或激光结构化处理，从而增大接触面。

在EP1336054B1中考虑到了机械处理，对要求一定的涂层厚度的制动盘坯件进行精确的车削处理，然后例如通过机械方式清理制动盘上的加工残留物，并且紧接着通过精细的刚石或具有类似特性的喷丸材料的喷丸处理进行粗糙化处理。

摩擦环表面的激光结构化处理是一个相当耗时的过程，其会形成大的高温影响区并促使在部件边沿形成焊口，这样就无法实现摩擦环表面的令人满意的结构化。

原则上，在专利申请文件DE2 318 098中已经对要覆盖上由金属、塑料或橡胶制成的涂层的金属工件的表面处理进行了说明：在此考虑到，在涂覆涂层之前对该工件进行多次粗糙化处理，或通过化学方式——例如通过蚀刻——进行预先准备，其中不利地产生了不均匀的表面结构。可通过使用电子射束克服该缺点，因为通过或多或少的能量输入和电子射束的聚焦可对表面的特定的厚度范围和厚度区域实现粗糙化处理或甚至熔化，其中通过在含氧气氛中的处理而产生氧化物和熔渣，这些氧化物和熔渣又会损害增大后的表面的附着特性并且因此在电子射束处理后必须利用选出的化学材料来清除，尤其是通过蚀刻方法除去。

发明内容

从这种现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种用于对摩擦环表面进行处理的经过改进的方法，从而使该摩擦环表面能与保护涂层更好且更持久地连接。

该目的通过具有权利要求1所述特征的方法来实现。

本发明的目的还在于，提供一种制动盘，该制动盘具有在基体的摩擦环表面与保护涂层之间的经过改进的连接。

该目的通过具有权利要求4所述特征的制动盘来实现。

在各个从属权利要求中说明了该方法和该装置的改进方案。

根据本发明的、用于制造由具有带有涂层的摩擦环表面的基体构成的制动盘的方法在第一个实施方式中设有以下步骤：首先提供基体，然后通过将电子射束对准（射向）摩擦环表面而对摩擦环表面进行粗糙化处理，其中在摩擦环表面中在每平方毫米的摩擦环表面上产生规定数量的凹处。其中对电子射束的能量、方向以及与待处理表面之间的距离进行调整，以使凹处彼此之间的布置结构按预先设定的方式实现，以及每个凹处都具有预先设定的深度和形状。

现在能在不必进行蚀刻步骤或其它的清理步骤或中间步骤的情况下涂覆摩擦环表面涂层。因此，如果例如在不含氧气的气氛或真空中进行电子射束处理，就可以省去用于清除经过粗糙化处理的表面上的熔渣残余物的蚀刻。但即使不是上述情况，并且由于在含氧的照射过程中存在氧气而在摩擦环表面上形成了熔渣等，也无需蚀刻步骤，因为在随后进行的涂层涂覆中会将可能存在的熔渣残余物由此排挤出去或一起嵌入到结构中。

因此有利地提供了一种用于优化摩擦环表面的过程安全的且能复制的方法，通过该方法能将扩大了2至6倍的摩擦环表面通过机械咬合的方式更好地与构成涂层的材料连接在一起。有利的是，通过电子射束进行的结构化过程仅需短的周期时间，并且实现了涂层的因而被优化的渐变的（graduellen）结构。

为此，电子射束是锐聚焦的且被高度加速的电子射束，它能使在摩擦环表面上以期望的数量和形状形成凹处。为了能避免在摩擦环表面上产生熔渣，如上面已经描述过地，在含氧量少的气氛中、尤其是在惰性气体气氛中进行摩擦环表面的照射。

随后借助于高速火焰喷涂、等离子喷涂、冷气喷涂或电弧丝材喷涂进行摩擦环表面涂层的涂覆，摩擦环表面涂层具有形式为碳化物或氧化物陶瓷的硬质材料，该摩擦环表面涂层被涂覆在制动盘基体上，该制动盘基体由金属材料制成，尤其由例如灰口铸铁、钢或铝合金制成。通过将可能存在的熔渣残余物要么排挤出去要么一起嵌入到形成的结构中，上述涂覆方法能实现在粗糙化处理后直接涂覆涂层。

在此，碳化物或氧化物陶瓷通过粘结相（Binderphase）或矩阵方式连接，它们由基于铬、镍和/或铁的合金形成。这特别也包括铬钢或铬镍钢。

通过根据本发明的方法制成的制动盘由一个具有带有涂层的摩擦环表面的基体构成，因此该制动盘在基体的摩擦环表面上具有在每平方毫米上的预先设定数量的、由电子照射形成的凹处，该凹处按照彼此之间的预先设定的布置结构或甚至以图样的形式被置入摩擦环表面中。每个凹处都具有预先设定的深度和形状。有利的是，涂层随后与摩擦环表面的凹处以无中间层的方式形成组合式的形状结合的和材料结合的连接。

通过凹处以及其数量、形状和深度的作用，摩擦环表面与无凹处的摩擦环表面相比扩大了2至6倍。

制动盘的基体由金属材料制成，其中优选的是灰口铸铁，它可以尤其适合地以根据本发明的方式进行加工。

摩擦环表面的涂层相对于涂层的总重量具有：

-70–85重量百分比的WC，7–12重量百分比的Co，3–5重量百分比的Cr，0.5–2重量百分比的Ni，或

-75–85重量百分比的WC，7–12重量百分比的Co，3–5重量百分比的Cr，0.001–1重量百分比的Ni，或

-65–85重量百分比的WC，15–30重量百分比的Cr₃C₂，5–12重量百分比的Ni，或

-70–75重量百分比的WC，18–22重量百分比的Cr₃C₂，5–8重量百分比的Ni，

以及杂质。

在摩擦环表面的涂层的上述陶瓷中选择的是例如氧化物陶瓷，尤其是含有氧化镁、二氧化锆、二氧化钛和/或氧化铝的涂层。

摩擦环表面的涂层也可以具有作为复合材料的氧化物陶瓷和金属基质，其中氧化物陶瓷和金属基质的比例为从50-80%至20-50%。金属基质例如由Cr/Ni钢构成。

附图说明

通过下文的说明并参考附图对所述以及其它优点进行说明。说明书中的附图用于辅助说明以及方便理解主题。图中示出：

图1示出在电子射束照射过程中的制动盘的透视图，

图2示出凹处的电子显微镜横截面图，

图3a示出穿过根据本发明的一个实施方式的设有涂层的摩擦环表面中的两个凹处的侧面剖视示意图，

图3b示出穿过根据本发明的一个实施方式的设有涂层的摩擦环表面的凹处的、带有力矢量的侧面剖视示意图，

图4a示出根据现有技术的设有涂层的摩擦环表面的侧面剖视示意图，

图4b示出根据现有技术的设有涂层的摩擦环表面的、带有力矢量的侧面剖视示意图，

图5a示出根据本发明的一个实施方式的带有凹处的摩擦环表面的电子显微镜拍摄图，

图5b示出根据本发明的一个实施方式的带有凹处的摩擦环表面的经过放大的电子显微镜拍摄图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造由基体1构成的制动盘的方法，该基体具有摩擦环表面2，如图1所示。应在摩擦环表面2上涂覆耐磨涂层。为使该耐磨涂层具有更好的附着性，在涂覆涂层之前通过将电子射束5对准摩擦环表面2而对摩擦环表面2进行粗糙化处理，借助于电子射束在每mm²的摩擦环表面2上产生规定数量的凹处3（参见图2和图5a、b中的电子显微镜拍摄图），其中凹处3彼此之间的布置结构是预先设定的，且每个凹处3都具有预先设定的深度和形状。

然后在不对经过粗糙化处理的摩擦环表面进行蚀刻步骤的情况下涂覆耐磨保护涂层4，如图3a和3b所示。这样可通过适宜地产生的表面轮廓、其预先规定的数量及其准确定义的几何形状来影响摩擦环的表面质量，由此可针对待涂覆涂层的摩擦环产生所期望的表面几何形状。

通过对准的、单独照射电子形式的电子射束5进行摩擦环表面2的粗糙化处理。电子射束处理是基于在锐聚焦的且被高度加速的电子射束5击中待结构化的表面2时的能量转换。电子在击中表面2的界面时被减速，其中它的动能在炽点（Brennfleck）被转化为热能。电子在界面中的穿透深度取决于电子的速度及其加速电压以及被加载的材料的厚度。由于炽点中的功率密度高，因此材料在该区域内将在几微秒内被熔化并部分蒸发。通过产生的蒸气压力将射束击中点的熔化微滴排挤到外面。如果在穿透工件后立即切断电子射束，那么毛细管作用将继续存在。

为避免在炽点周围的区域内形成氧化物和熔渣，可在含氧量少的气氛中、尤其是在惰性气体气氛中进行摩擦环表面2的照射。

借助于高速火焰喷涂、等离子喷涂、冷气喷涂或电弧丝材喷涂而涂覆在基体1的摩擦环表面2上的涂层4随后与通过凹处3进行粗糙化处理的摩擦环表面4以无中间层的方式形成组合式的形状结合连接和材料结合连接。

因此，并且由于涂层4和摩擦环表面2之间相对较小的接触面增大，可降低涂层4的脱离风险或剥落风险。可由此改进并优化涂层和摩擦环表面之间的至今为止未定义的机械连接。根据本发明的方法提供了一种过程安全的且能复制的表面优化，其中通过根据不同表面结构的设计扩大了2至6倍的表面，使在制动盘基体1和相应涂层之间实现更好的附着性能或机械连接。此外，非常快的结构化过程能使周期时间缩短，并优化了层结构、例如涂层的渐变结构。

根据本发明的制动盘由基体1和涂覆在摩擦环表面2上的涂层4构成。基体1由金属材料制成，例如由灰口铸铁制成。作为其它基体材料也可考虑钢或轻金属合金，例如基于铝的合金。摩擦环表面2上的涂层4由硬质材料制成，该材料起耐磨保护材料的作用。对此适用的材料包括硬质材料碳化物和/或氧化物陶瓷。因此适合作为摩擦环表面的耐磨保护涂层的材料也包括金属陶瓷（陶瓷金属复合材料）、CMC（陶瓷纤维增强复合材料）和MMC（带有嵌入式硬质材料颗粒的金属基复合材料），它们除耐磨保护外也具有优良的摩擦性能。

示例性的涂层4是嵌入到由镍、钴和/或铬构成的金属基质中的、由钨和/或铬组成的碳化物。

在此，WC含量在60–85%的范围内。（如果数据以百分比的形式存在，则只要未作特殊说明，均指重量百分比）。

主要用于化合（binden）包含的碳化物的金属基质的含量在10–50%的范围内，优选地在15–25%的范围内。

其中尤其优选的金属基质是具有高Co含量的合金组合物，其中涂层尤其包含8–15%的Co、2–6%的Cr和0.001–3%的Ni以及在需要时还包含其它痕量金属。

典型优选的涂层组合物包含70–85%的WC、7–12%的Co、3–5%的Cr和0.5–2%的Ni，以及杂质。另一个典型优选的涂层组合物包含75–85%的WC、7–12%的Co、3–5%的Cr和0.001至1%的Ni，以及杂质。

涂层4的另一个实施方式是金属结合的碳化物WC-Co-Cr-Ni，它包含一组合物，优选地，该组合物由约10重量百分比的Co、约4重量百分比的Cr和优选约1重量百分比的Ni和余量的WC组成。

其中，在这些涂层组合物中，也可至少部分地结合Cr作为碳化物。

另一种适合于形成耐磨保护涂层的金属基质的特征为高的Ni含量。该涂层的重要组成部分为硬质材料WC和Cr₃C₂，它们共占涂层含量的70–90%。

针对所述类型的耐磨保护涂层，典型优选的涂层组合物包含65-85%的WC、15–30%的Cr₃C₂和5-12%的Ni以及杂质，或70–75%的WC、18–22%的Cr₃C₂和5–8%的Ni以及杂质。

此类涂层WC-Cr₃C₂-Ni的优选的组合物的WC含量约为73重量百分比，铬碳化物的含量约为20重量百分比，以及镍含量约为7重量百分比。

由铬钢同样也可以构成其它适用的碳化物涂层。其中硬质材料主要由铬碳化物构成。优选的钢的铬含量为12-22重量百分比。然而Cr含量优选为15-20%。

在另一个优选的设计方案中，基体（1）由金属材料制成，尤其由灰口铸铁制成，且摩擦环表面（2）的涂层（4）由氧化物陶瓷和金属制成，该氧化物陶瓷尤其从Al₂O₃、ZrO₂、MgO和/或TiO₂的组中选出，该金属特别是Cr/Ni钢。

优选地，可以借助于高速火焰喷涂、等离子喷涂、冷气喷涂或电弧丝材喷涂将该涂层涂覆在摩擦环表面上。高速火焰喷涂尤其适用于产生碳化物涂层。等离子喷涂适用于产生由陶瓷、金属陶瓷或金属构成的涂层。冷气喷涂和电弧丝材喷涂也适用于产生由金属构成的涂层。

在高速火焰喷涂中，将涂层材料的喷涂颗粒以极高的速度涂覆到待处理的摩擦环表面2上。在等离子喷涂中，粉末状的涂层材料被带入到等离子气流中，该涂层材料通过等离子体被熔化并通过等离子气流被喷涂到待涂覆涂层的摩擦环表面2上。

在冷气喷涂中，将粉末状的涂层材料以非常高的速度喷涂到待处理的摩擦环表面2上。其中粉末状的涂层材料被加速到高速度，以使不同于其它热喷涂方法地，也在无需进行预先的熔焊或熔化的情况下当涂层材料在撞击到待涂覆涂层的摩擦环表面2上时即可形成密封且牢固附着的涂层。

在电弧丝材喷涂中，借助于电弧来熔化的喷涂颗粒被借助于喷雾气体喷涂到待处理的摩擦环表面2上。

喷涂颗粒分别具有高的能量含量，通过该能量含量可形成与摩擦环表面之间的材料结合的连接，而同时将摩擦环表面上可能存在的熔渣或氧化物排挤出去或一起嵌入形成的结构中，并且因此对摩擦环表面上涂层的附着性不会造成影响或仅造成很小的影响。

在图2中示出了由灰口铸铁GG20制成的制动盘基体1的表面2中的、在电子射束照射后产生的凹处3的轮廓。在此，凹处3在表面2上的直径b约为250μm。凹处3的深度a也为大约250μm。该位置的表面积通过凹处的尺寸扩大了约一倍：不再是直径b的圆面积，而是凹处3的底面积和侧面积。通过多个此类凹处3，除了所述材料结合之外还可通过所述涂覆方式额外地形成在摩擦环表面2和涂层4之间的机械咬合，以及明显更牢固的连接，由此也可明显提高摩擦环表面2上的涂层4的附着强度。这种情况在图3a至4b中表明。

在图3a和3b中示出的是，通过根据本发明设计的、在涂层4和摩擦环表面2之间通过凹处3实现的连接，涂层4在摩擦环表面2上具有更优化的应力；而在图4a和4b中示出的是，根据现有技术的涂层4的原本的应力方向，该应力方向在制动过程中是由剪切力F_S基于产生的摩擦力F_R决定的，其基本上是径向的或者沿切线方向平行于摩擦环表面。因此根据现有技术涂覆在未经表面结构化处理的制动盘的平的摩擦环表面2上的涂层4需承受因此增强的剪应力，这可能容易造成涂层4脱落。

图3a示出了制动盘断面，其中借助于电子射束产生的预定深度的凹处3被置入摩擦环表面2。接下来被涂覆的涂层4啮合到凹处3中并且由此与摩擦环表面材料结合地和形状结合地连接。图3b示出了在制动过程中作用于涂层4上的摩擦力F_R被分解为与凹处3的壁相垂直和平行地延伸的力矢量F_S和F_N。根据凹处3的所产生的轮廓几何形状，应力方向现在部分沿垂直方向延伸，这能降低剪应力并整体上明显提高涂层4的耐久性。

图5a示出了根据本发明产生的带有多个凹处3的摩擦环表面2的拍摄图。图中示出了2mm的量度，因此可推断出每mm²上约4个凹处的凹处密度，它们在此被按照呈菱形的样式布置。由于电子射束照射方法的高精度，可任意选择和设计所产生的凹处的布置结构。

在图5b中可看到图5a的根据本发明产生的摩擦环表面2的放大示意图，其表明凹处3的布置结构。凹处3的样式可被视作在平行线条上形成的点，其中这些点被在一线条上以彼此之间特定距离地布置，且相邻线条上的点以该特定距离的一半距离互相交错地布置。在此这样选择线条彼此之间的距离，即一线条上的点也又与另一线条上的点隔开特定距离布置。上述的预先设定的距离的平均长度约为500μm。在此涉及到凹处3的一种布置结构，该布置结构与涂层4和摩擦环表面2之间的最佳连接相关地得到优化。

总体而言，根据本发明的借助于电子射束的粗糙化处理方法带来最高的处理速度，而同时在布置经过粗糙化处理的表面轮廓时通过电子射束也能提供最高的灵活性。用于喷涂的界面明显增大了，由此明显提高了在涂层和摩擦环表面之间的附着性。

通过在凹处的区域内产生的更大的层厚度，降低了由耐磨层构成的摩擦面传入制动盘基体中的热量，并由此提高了连接***（Verbundsystems）的整体耐热性。因此在耐磨层和基体之间既不需要粘合层也不需要隔热层。

通过所选的凹处几何形状，可将涂层中的原本的应力方向（剪应力）转化为法向力应力和剪应力。

另外，通过电子射束照射后形成的凹处轮廓，确保了待喷涂涂层的渐变结构。这样也基本排除了相对厚的热涂层中的破裂危险。在涂层热喷涂后立即发生硬化，这样在层厚度更大的情况下形成非常高的残余应力，这可能会造成破裂。涂层在轮廓中的渐变结构避免了该风险。

因此可通过凹处的所设计的布置结构以及通过平衡涂层中的最大应力，使得即使在制动应力更大的情况下也能防止可能的裂隙形成。

最后，根据本发明的制动盘的制造成本低，因为可使用价格低的灰口铸铁作为制动盘基体的材料。涂层使制动盘具有更高的耐磨性。此外，可由此降低制动盘的重量并减少腐蚀。此外，涂层为制动盘提供了均衡的摩擦系数，并降低了制动时的温度，由此可避免出现所谓的制动衰退、也就是说由于过热而导致的制动失效。最后，涂层降低了制动时的振动和噪音，由此提高了舒适度。

Claims (7)

1.一种用于制造由基体（1）构成的制动盘的方法，所述基体具有摩擦环表面（2），所述方法包括以下步骤：

-提供所述基体（1），通过将电子射束（5）对准所述摩擦环表面（2）以使得在所述摩擦环表面（2）中在每mm²的摩擦环表面（2）上产生规定数量的凹处（3）而对摩擦环表面（2）进行粗糙化处理，其中所述凹处（3）彼此之间的布置结构是预先设定的，且每个凹处（3）都具有预先设定的深度和形状，

-在不进行蚀刻步骤的情况下涂覆摩擦环表面涂层（4）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子射束（5）是锐聚焦的且被高度加速的电子射束（5），且在含氧量少的气氛中、尤其是在惰性气体气氛中进行摩擦环表面（2）的照射。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于高速火焰喷涂、等离子喷涂、冷气喷涂或电弧丝材喷涂进行摩擦环表面涂层（4）的涂覆。

4.一种由具有设有涂层（4）的摩擦环表面（2）的基体（1）构成的制动盘，其特征在于，所述基体（1）的摩擦环表面（2）在每mm²上具有预先设定数量的、由电子照射形成的凹处（3），所述凹处按照彼此之间的预先设定的布置结构存在于所述摩擦环表面（2）上，其中每个凹处（3）都具有预先设定的深度和形状，且所述涂层（4）与所述摩擦环表面（4）的凹处（3）以无中间层的方式形成组合式的形状结合连接和材料结合连接。

5.根据权利要求4所述的制动盘，其特征在于，通过所述凹处（3）的数量、形状和深度，摩擦环表面（2）与无凹处的摩擦环表面（2）相比扩大了2至6倍。

6.根据权利要求4或5所述的制动盘，其特征在于，所述基体（1）由金属材料制成，尤其由灰口铸铁制成，以及所述摩擦环表面（2）的涂层（4）相对于涂层的总重量具有：

-70–85重量百分比的WC，7–12重量百分比的Co，3–5重量百分比的Cr，0.5–2重量百分比的Ni，或

-75–85重量百分比的WC，7–12重量百分比的Co，3–5重量百分比的Cr，0.001–1重量百分比的Ni，或

-65–85重量百分比的WC，15–30重量百分比的铬碳化物、尤其为Cr₃C₂，5–12重量百分比的Ni，或

-70–75重量百分比的WC，18–22重量百分比的，5–8重量百分比的Ni，

以及杂质。

7.根据权利要求4或5所述的制动盘，其特征在于，所述基体（1）由金属材料制成，尤其由灰口铸铁制成，以及所述摩擦环表面（2）的涂层（4）由氧化物陶瓷和金属制成，所述氧化物陶瓷尤其从Al₂O₃、ZrO₂、MgO和/或TiO₂的组中选出，所述金属尤其为Cr/Ni钢。

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