CN115210485A - 制动盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制动盘(3)，该制动盘具有包括可渐变设定的导热率和比热阻的导热层(4、6)，其中导热层由至少两种不同的材料或不同层厚度构成，由此在该导热层内渐变地设定导热率或比热阻。

Description

制动盘及其制造方法
技术领域
本发明涉及车辆技术和工业设备技术的领域并且涉及制动盘，所述制动盘具有至少一个导热层，所述至少一个导热层包括渐变的导热率和比热电阻。本发明还涉及用于制造根据本发明的制动盘的方法。所提出的制动盘例如可用作车辆中的内部通风制动盘或用作工业制动器或风力涡轮机中的制动盘。
背景技术
车辆中以及工业设备中的传统制动盘或者构造成一件式地由一种金属或陶瓷材料制成的制动盘或者构造成由一种或多种金属或陶瓷材料制成的复合制动盘或多件式制动盘。
制动盘在机动车中附接到在旋转的前车轴和后车轴上并且为此具有平坦的接触表面，接触表面一方面与轮辋接触并且另一方面与车轮轴承接触。
制动盘还具有包括摩擦表面的区域，经由摩擦表面与制动衬共同作用实现制动作用。
为了更好地排走所产生的热量，例如可以将制动盘构造成内部通风的盘式制动器。为此，制动盘在制动盘毂的内侧上具有适当的通风通道，通风通道一方面吸入空气，所述空气流过制动盘并且排走在制动盘中产生的热量，并且因此确保对制动单元的冷却。
为了更好地防止制动盘磨损和腐蚀，在现有技术中提出不同的解决方案。
由DE 10 2008 053 637 A1已知一种用于制动盘的摩擦环，该摩擦环至少在某些区域中具有涂层，其中涂层具有包括不同涂层厚度的厚度轮廓。通过热喷射工艺或PVD工艺施加涂层。
由DE 10 2005 008 569 A1已知用于制造摩擦元件的方法，其中提供摩擦元件基体并且施加涂层。涂层具有熔融合金，熔融合金在热学制造方法中熔化。
由WO 2007/043 961 A1已知一种具有涂层的车辆部件，该车辆部件基本上由金属基材料制成并且包括至少一个工作表面，该工作表面布置成使得其在具有5次运动的相对运动中引起摩擦磨损并且包括耐磨损涂层。该构件的特征尤其在于顶部涂层，该顶部涂层包括大于50重量％且小于99重量％的钼，其余优选的是第一组的至少一种元素，第一组包括铝、硼、碳、铬、钴、镧、锰、镍、铌、氧、硅、钽、钨、钇和普通杂质。
由DE 10 2014 006 064 A1已知一种包括灰铸铁衬底和至少一个覆盖层的构件，其中在衬底和覆盖层之间直接地在灰铸铁衬底上形成表面层，该表面层具有包含氮化物、碳化物和/或氧化物的层。覆盖层由金属基质的金属陶瓷材料和分布在其中的氧化物陶瓷组分组成，其中氧化物陶瓷组分占金属陶瓷材料的30至70重量％。
由DE 10 2014 015 474 A1已知一种具有灰铸铁衬底的制动盘，所述衬底具有至少布置在摩擦表面上的多个表面层，其中所述表面层在灰铸铁衬底上以从衬底至外表面的顺序具有：至少一个粘合层；由氮化、氧化氮或氮碳共渗的粘合层材料和可选的灰铸铁材料制成的一个防腐蚀层；可选的基本上由氧化铁制成的氧化层；和由氧化物陶瓷或金属陶瓷材料制成的防磨损层或摩擦层。粘合层由灰铸铁衬底的材料构成，其中Cr和/或Mo的含量增加至20至60重量％，其中灰铸铁的大部分层状碳化物作为碳化铬和/或碳化钼以化学键合方式存在于粘合层中。
通过已知的解决方案，提供基本上由灰铸铁构成的金属基体的不同涂层，涂层能够更好地防止制动盘腐蚀和磨损。
然而，缺点是尤其在利用再生进行能量回收的电动汽车的越来越重要的制动器的情况下，当制动盘和制动衬相互作用时，不能实现所必需的运行温度，因为由于能量转换制动***的使用频率大大降低。这会导致制动性能下降，直至整个制动***完全失效。
现有技术的缺点还在于，由于提出的不同制动盘涂层基本上实施成硬质材料层，因此与制动盘相互作用的制动衬的合适的材料组合必须以成本高和耗时的方式匹配制动盘的现有涂层。
缺点还在于，在制动盘中，由于热引入不同，而在制动盘内产生应力，该应力由于摩擦表面的某些区域中的温度峰值产生。这不利地导致制动盘翘曲(也称为屏蔽效应或锥形)，这继而导致尤其在最上部的硬质材料层中的裂纹形成。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的制动盘，该制动盘消除现有技术的缺点。
该目的通过权利要求中给出的本发明实现。有利的设计方案是从属权利要求的对象，其中本发明也包括各个从属权利要求以和联接的组合，只要它们不相互排斥。
根据本发明的目的通过一种制动盘实现，所述制动盘具有金属基体，金属基体具有至少一个用于将制动盘固定到旋转轴的环形固定元件、面对旋转轴且构造成圆形表面的第一摩擦区域以及与第一摩擦区域在直径上相对置且背离旋转轴布置的第二摩擦区域，金属基体在第一和第二摩擦区域的区域中具有至少一个环形导热层，在所述导热层上布置有至少一个能承受摩擦应力的硬质材料层，其中借助激光堆焊焊，将至少一个导热层布置在金属基体上并且将能承受摩擦应力的硬质材料层布置在导热层上，使得能够实现层的材料连接，其中所述导热层由至少两种不同的材料构成并且在所述导热层中的导热率λ被渐变地设定，其中至少在第一和/或第二摩擦区域的内部圆周区域中，存在具有导热率λ1的金属或陶瓷材料和/或金属合金，并且在第一和/或第二摩擦区域的外部圆周区域中，存在具有导热率λ2的金属或陶瓷材料和/或金属合金，其中至少λ1＜λ＜λ2。
根据本发明的目的也通过一种制动盘实现，所述制动盘具有金属基体，金属基体具有至少一个用于将制动盘固定到旋转轴的环形固定元件、面对旋转轴且构造成圆形表面的第一摩擦区域以及与第一摩擦区域在直径上相对置且背离旋转轴布置的第二摩擦区域，其中金属基体在第一和/或第二摩擦区域的区域中具有至少一个环形导热层，在所述导热层上布置有至少一个能承受摩擦应力的硬质材料层，其中借助激光堆焊，将至少一个导热层布置在金属基体上并且将能承受摩擦应力的硬质材料层布置在导热层上，使得实现层的材料连接，并且其中导热层中的至少一个在径向方向上朝向制动盘的外圆周具有渐变的层厚度dsw，由此在导热层中比热阻Rthi在径向方向上朝向制动盘的外圆周逐渐减小。
有利地布置至少两个导热层，其中第一导热层布置在金属基体上并且第二导热层布置在第一导热层上，其中至少第二导热层分别形成与能承受摩擦应力的硬质材料层以及与第一导热层的界面区域。
在制动盘的另一有利的设计方案中，在面对旋转轴的摩擦区域上的至少一个导热层和/或能承受摩擦应力的硬质材料层与在背离旋转轴的摩擦区域上的至少一个导热层和/或应力的硬质材料层形成有不同的层厚度。
也有利地，在径向方向上朝向制动盘的外圆周，至少一个导热层在延伸直至圆周表面的最大40％的内部圆周区域中具有导热率λ1为10W/(m*K)至14W/(m*K)的材料，在从圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有导热率λ2为12W/(m*K)至26W/(m*K)的材料，并且在从圆周表面的60％延伸直至外圆周的外部圆周区域中具有导热率λ3为24W/(m*K)至40W/(m*K)的材料。
还有利的是，至少一个导热层在径向方向上朝向制动盘的外圆周具有连续地增加或突然地增加的层厚度dsw。
有利地，至少一个导热层具有50μm至500μm的层厚度dswi，特别有利地具有100μm至150μm的层厚度dswi。
还有利的是，在径向方向上朝向制动盘的外圆周，所述导热层在延伸直至圆周表面的最大40％的内部圆周区域中具有比在外部圆周区域中的层厚度dsw3大10％-15％的层厚度dsw1并且在从圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度dsw3大5％-10％的层厚度dsw2，其中所述外部圆周区域从圆周表面的60％延伸至外圆周，其中导热层和能承受摩擦应力的硬质材料层的层组成是恒定的。
有利地，导热层由Al基、Fe基、Ni基、Cr基和/或Cu基合金制成。
同样有利地，至少导热层还具有碳化物和/或氧化物陶瓷的硬质材料颗粒，其中有利地，导热层的硬质材料颗粒具有0.5μm至120μm的平均粒度D50，并且其中同样有利地，硬质材料颗粒在导热层中的体积比例为1％至80％、特别有利地30％至50％。
在制动盘的有利的设计方案中，导热层为合金，其中在轴向方向上的最小导热率在径向的部分区域中以及在与能承受摩擦应力的硬质材料层的界面区域中，并且最大导热率在与另一导热层或金属基体的界面区域中。
有利地，至少在金属基体和至少第一导热层之间存在粘附层。
还有利地，能承受摩擦应力的硬质材料层至少具有50μm至500μm的层厚度dSH，特别有利200μm至250μm的层厚度dSH。
能承受摩擦应力的硬质材料层由金属陶瓷制成，特别有利地由碳化硅、碳化硼、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化钽、碳化铬和/或氧化物陶瓷制成，并且非常特别有利地由具有Ni含量≤15wt％的材料组4或5的不锈钢基体的碳化钨制成。
根据本发明的目的还通过一种用于制造根据本发明要求保护的制动盘的方法实现，其中，借助激光堆焊，至少在金属基体上至少部分地材料连接地布置第一导热层，然后在第一导热层上材料连接地布置能承受摩擦应力的硬质材料层，其中导热层由至少两种不同的材料制成并且在导热层内导热率λ1渐变地设定，使得导热层在径向方向上具有逐渐增加的导热率λ，其中至少在第一和/或第二摩擦区域的内部圆周区域中布置具有导热率λ1的金属或陶瓷的材料和/或金属合金并且在第一和/或第二摩擦区域的外部圆周区域中布置具有导热率λ2的金属或陶瓷材料和/或金属合金，最后处理能承受摩擦应力的硬质材料层的表面。
此外根据本发明借助激光堆焊，至少在金属基体上至少部分地材料连接地布置第一导热层，然后在第一导热层上材料连接地布置能承受摩擦应力的硬质材料层，从而实现层的材料连接，其中至少一个导热层在径向方向上朝向制动盘的外圆周以渐变的层厚度dsw布置，由此在该导热层中比热阻Rthi在径向方向上朝向制动盘的外圆周逐渐减小。
在该方法的有利的设计方案中，在第一步骤中，在径向方向上，导热层在延伸直至圆周表面的最大35％的内部圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度ds3大10％-15％的层厚度ds1并且在从圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度ds3大5％-10％的层厚度ds2，其中外部圆周区域从制动盘的圆周表面的60％延伸至外圆周，从而在该导热层中比热阻Rthi从内部圆周区域至外部圆周区域逐渐地减小。
有利地，在径向方向上朝向制动盘的外圆周，至少一个导热层在延伸直至圆周表面的最大35％的内部圆周区域中具有导热率λ1为10W/(m*K)至14W/(m*K)的材料，在从圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有导热率λ2为12W/(m*K)至26W/(m*K)的材料并且在从圆周表面的60％延伸直至圆周表面的外圆周的外部圆周区域中设置导热率λ3为24W/(m*K)至40W/(m*K)的材料。
特别有利的是，在借助激光堆焊布置导热层之前，将基体至少在第一和/或第二摩擦区域的部分区域中加热到150℃至500℃的温度。
借助根据本发明的解决方案，提供了一种新型的制动盘，借助该制动盘，尤其在整个制动盘中以有效的方式控制了热平衡以及在更好的制动性能下实现了制动盘内的均匀的温度分布。此外，借助新的制动盘，以简单的方式有效地避免了热应力和裂纹形成，其中在制动盘中的热引入均匀地分布并且调节制动盘内的温度分布。新型构造的制动盘可应用在工业设备、风力涡轮机以及尤其车辆中，其中车辆不应仅仅理解为乘用车，而是也应理解为载货汽车、轻便摩托车和自行车。
根据本发明的制动盘具有金属基体，所述金属基体具有用于将制动盘固定到旋转轴的环形固定元件、面对旋转轴且构造成圆形表面的第一摩擦区域和与第一摩擦区域在直径上相对置且背离旋转轴布置并且同样构造成圆形表面的第二摩擦区域。制动盘在第一和/或第二摩擦区域上还具有至少一个根据本发明构造的导热层和布置在该导热层上的能承受摩擦应力的硬质材料层。
在制动过程中出现典型的温度特征曲线。
已经发现，用于将制动盘固定到旋转轴的环形固定元件具有比金属基体的第一和第二摩擦区域明显更小的热负荷。
环形固定元件上的较小热负荷由金属基体的材料引起，与金属基体一样，环形固定元件通常如由灰铸铁制制成，因此具有在大约50W/(m*K)的范围中的高的导热率λ。
与此相反，尤其在第一和第二摩擦区域的外部圆周区域中的温度始终高于摩擦盘的内部圆周区域中的温度，因为从内部圆周区域中产生的摩擦热直接地排放给接触的且相邻布置的环形固定元件。
已经发现，背离旋转轴的第二摩擦区域在制动过程中相对于在直径上相对置布置的第一摩擦区域在制动过程中具有更高的温度。令人惊奇地发现，在第一和第二摩擦区域之间出现的温度差不利地导致制动盘由于温度梯度而翘曲(屏蔽效应、锥形)，硬质材料层的表面波纹状地变形，由此在能承受摩擦应力的硬质材料层内引起裂纹形成。
为了实现均匀的热分布和负荷以及能承受摩擦应力的硬质材料层和整个制动盘的补偿的热平衡，根据本发明提出，在金属基体和能承受摩擦应力的硬质材料层之间布置至少一个特殊构造的导热层，该导热层在径向方向上从环形固定元件至制动盘的外圆周具有渐变的导热率λi和渐变的比热阻Rthi。
根据本发明，这通过以下方式实现：至少一个导热层由至少两种不同的材料构成，至少两种不同的材料具有不同的导热率。在此方面，在导热层内的导热率λi被渐变地设定，其中至少在第一和/或第二摩擦区域的内部圆周区域中存在具有导热率λ1的金属或陶瓷材料和/或金属合金。在第一和/或第二摩擦区域的外部圆周区域中存在具有导热率λ2的金属或陶瓷材料和/或金属合金。原则上，在选择导热层的材料时适用的是，在制动盘的径向方向中在内部圆周区域中的导热率λ1始终小于在外部圆周区域中的导热率λ2。就此而言，根据本发明，λ1＜λ＜λ2。
通过不同地选择导热层内的金属或陶瓷材料和/或金属合金，在制动盘的内部圆周区域中产生的制动热量通过具有低导热率λ1的区域延迟地排出，这使得制动盘在该区域中更快的温度控制并且准备使用。与此相反，在制动盘的外部圆周区域中产生的制动热量通过具有高导热率λ2的材料迅速地从能承受摩擦应力的硬质材料层排出到金属基体中，这使得能承受摩擦应力的硬质材料层快速地冷却并且尤其通过防止在外部圆周区域中的热峰值负荷而改进了制动盘的使用寿命。
尤其在使用回收的制动能量以及与此相关的更少数量的制动过程的车辆中，为了实现制动设备能快速地准备好使用，相应的导热层至少在径向方向上朝向制动盘的外圆周也可具有若干个不同的材料区域，这些不同的材料区域的导热率λi不同。
由于具有不同材料以及因此不同导热率λ1、λ2...λi的若干个区域，在导热层内实现了连续的或突变的导热率梯度。
由于导热层的设置在第一和/或第二摩擦区域的内部圆周区域中的其中至少一种材料的导热率λ1较低，因此，在能承受摩擦应力的硬质材料层以及该导热层中产生的摩擦热量存储在该特殊的内部圆周区域中。由此，在硬质材料层的相关的内部圆周区域中由于一种隔离作用而更快速地达到了制动盘的运行温度并且实现了制动盘的更快速的运行温度。
通常在制动盘中的尤其在能承受摩擦应力的硬质材料层中在内部圆周区域和外部圆周区域之间的温度梯度通过导热层中的不同设定的导热率λi和不同设定的比热阻Rthi补偿并且使得制动盘内的温度均匀化，由此改进使用寿命并且在能承受摩擦应力的硬质材料层的整个面上实现了均匀的制动作用。
在本发明的有利实施例中，至少两个导热层可以至少布置在第一和/或第二摩擦区域上，其中一个导热层被施加在金属基体上并且另一导热层被施加在之前布置的导热层上。在此最上部的导热层相应地形成与能承受摩擦应力的硬质材料层以及与布置在金属基体上的导热层的界面。
在此重要的是，在若干个导热层的情况下，至少最后设置的、与能承受摩擦应力的硬质材料层形成材料连接的导热层在该导热层内具有导热率λi以及因此比热阻Rthi的梯度。这尤其意味着，避免了在制动过程期间在能承受摩擦应力的硬质材料层中在外部圆周区域中出现的热负荷并且使得产生的制动热量有针对性地从外部圆周区域排出到金属基体中，而在内部圆周区域中有针对性地延迟地排走热量并且为了实现最佳的运行温度在能承受摩擦应力的硬质材料层中引导该热量。
有利地，导热层构造成：在径向方向上在延伸直至圆周表面的最大40％的内部圆周区域中具有导热率λ1为10W/(m*K)至14W/(m*K)的材料，在从圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有导热率λ2为12W/(m*K)至26W/(m*K)的材料并且在从圆周面的60％延伸至外圆周的外部圆周区域中具有导热率λ3为24W/(m*K)至40W/(m*K)的材料。
就此而言，至少一个导热层在第一和/或第二摩擦区域中具有不同的导热率λi，该导热率考虑在制动过程期间的不同温度。
通过根据本发明提出的激光堆焊的涂覆方法实现了特别有利的技术作用和效果。
一方面，在需要设置的层、即至少一个导热层和能承受摩擦应力的硬质材料层之间以及在至少一个导热层和金属基体之间建立材料连接。这带来如下优点：实现了在层之间的更好的热传导和使得层彼此更好地连接。还实现了更好的防腐蚀和防磨损。
此外，特别是通过根据本发明提出的激光堆焊，能够以简单的方式实现导热层的待设定的导热率λi和待设定的比热阻Rthi的梯度，这尤其能够在相对于制动盘圆周的径向构造中连续地或突变地设定导热率。通过激光堆焊，能够在涂覆期间将具有不同导热率λi和比热阻Rthi的不同材料在一个制造过程中连续或间断地布置在第一和第二摩擦区域上。此外，通过激光堆焊，能够改变制动盘上的每个导热层的层厚度ds以及因此单独地在制动盘的特定的圆周区域中设定比热阻Rthi。
Al基、Fe基、Ni基、Cu基和/或Cr基合金作为根据本发明的导热层的材料提供了如下优点：经由合金元素或金属或陶瓷材料的组分可通过激光堆焊方法至少在径向和轴向方向上连续地或突变地设定导热率λi和比热阻Rthi。
借助激光堆焊设置导热层因此能够可变地设定材料组分、比热阻Rthi和导热率λi，以便例如在制动盘的第一或第二摩擦区域的热负荷较高的区域中设置具有高的导热率λi或低的比热阻Rthi的材料并且在具有低的热负荷的区域中设置具有高的比热阻Rthi或低的导热率λi的材料。
作为制动盘的热均匀化的另外的选择，根据本发明提出提供仅由一种材料制成的一个导热层并且导热层的层厚度dsw在径向方向上朝向制动盘的外圆周渐变地构造，由此将在导热层内的比热阻Rthi设定为不同的并因此匹配第一和第二摩擦区域的期望的温度特征曲线。
在特别优选的实施例中，导热层在径向方向上在延伸直至圆周表面的最大35％的内部圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度dsw3大10％-15％的层厚度dsw1并且在从圆周表面30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度dsw3大5％-10％的层厚度dsw2，其中所述外部圆周区域从圆周表面的60％延伸至外圆周。
通过提供至少一个导热层的不同的层厚度dsw尤其克服了不期望的屏蔽效果，即随着在能承受摩擦应力的硬质材料层中形成波纹形状引起的第一和第二摩擦区域的歪倾和与其相关联的整个制动盘的翘曲。还能够通过不同的比热阻Rthi单独地设定摩擦盘中的热平衡。
在另一有利的实施例中，导热层附加地具有硬质材料颗粒，硬质材料颗粒在第一和第二摩擦区域中引起导热层的更好的强度和硬度以及层结构。特别有利地，硬质材料颗粒具有0.5μm至120μm的平均粒度D50并且还能够以1％至80％、特别有利在30％和50％之间的体积份额存在。
有利地提供至少在金属基体和至少一个导热层之间存在粘附层的制动盘。硬质层引起第一导热层在金属基体上的更好连接，使得可取消对金属基体的表面的机械制备。也可能的是，在导热层之间和/或在导热层和能承受摩擦应力的硬质材料层之间设置粘附层，以改善各个层彼此之间的粘附性以及整个层结构的粘附强度。
对于制动盘的成本有利的制造和长的使用寿命，有利的是，能承受摩擦应力的硬质材料层具有50μm至500μm的至少一个层厚度dSH、非常特别有利地具有200μm至250μm的层厚度dSH。在此发现特别有利的是，能承受摩擦应力的硬质材料层由金属陶瓷制成，例如由碳化硅、碳化硼、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化钽、碳化铬和/或氧化物陶瓷制成，特别有利地由具有Ni含量≤15wt％的材料组4或5的不锈钢基体的碳化钨制成。
已经发现，在导热层布置在金属基体上时出现摩擦区域的由热引起的翘曲，由此出现前述屏蔽效应。与此相反，有利地提出在借助激光堆焊材料连接地布置导热层之前，在前置的热处理工艺中至少在第一和/或第二摩擦区域的部分区域中将金属基体加热到150℃至500℃的温度。由此，可使得制动盘内的热引起的应力最小。此外，实现了导热层与金属基体之间更好的材料连接。此外，通过预先加热金属基体，可降低激光堆焊期间的激光强度，这继而有利地使得碳化物无损伤地集成在硬质材料层中。具有较低激光功率的激光器产生更低的制造成本。
借助根据本发明的实现方案，提供一种新型的制动盘，借助该制动盘实现了多种技术优点和作用。
在金属基体的第一和/或第二摩擦区域上的至少一个导热层具有不同的材料或者具有不同层厚度的仅一种材料，不同材料和不同层厚度在它们的导热率和/或在它们的比热阻方面不同并且由此实现对制动盘的各个区域的热影响。在此，至少一个导热层的不同材料或不同层厚度渐变地设定，使得导热率在径向方向上至少朝向制动盘的外圆周连续地或突变地增加或比热阻在径向方向上至少朝向制动盘的外圆周连续地或突变地减小。这提供的优点是：
-有针对性地避免在制动盘的各个区域中的热负荷峰值；
-在制动盘内设定均匀的温度分布；
-防止制动盘的翘曲和裂纹形成；
-提供更快速的投入使用和制动性能；以及
-实现制动盘的更长的使用寿命。
附图说明
下面根据三个实施例更详细地解释本发明。
在附图中：
图1示出了穿过制动盘的示意性截面图；
图2示出了第一和第二摩擦区域的细节；
图3示出了制动盘的涂层的示意图，所述涂层具有恒定的层厚度和渐变材料组成的导热层和能承受摩擦应力的硬质材料层；
图4示出了制动盘的轴向俯视图，所述制动盘具有内部、中间和外部圆周区域，这些圆周区域具有渐变的导热层；
图5示出了具有渐变式层厚度的导热层和能承受摩擦应力的硬质材料层的示意性层结构；
图6示出了具有由渐变层厚度的导热层和渐变材料组成的导热层以及能承受摩擦应力的硬质材料层的组合的示意性层结构；以及
图7示出了具有两个彼此叠置的渐变导热层的示意性层结构。
具体实施方式
实施例1
图1和图2示意性地示出了穿过制动盘的截面图，该制动盘具有由灰铸铁制成的金属基体1、固定元件12、在金属基体1上在直径上在两侧布置的导热层4、6以及能承受摩擦应力的硬质材料层8。
面对旋转轴14的第一导热层4(图3)由Fe基合金构成并且背离旋转轴14的第一导热层6由Ni基合金构成，其中借助激光堆焊施加的导热层4和6布置在由灰铸铁构成的金属基体1上。
在相应的导热层4和6上布置能承受摩擦应力的硬质材料层8，硬质材料层8由碳化钨制成、具有平均层厚度为120μm的材料编号为DIN EN 1.4016(430L)的不锈钢基质，硬质材料层8具有78W/(m*K)的导热率λ。
图4示出了制动盘的俯视图，其中制动盘具有两个在直径上相对置布置的导热层4和6，即面对转动轴的第一导热层4和背离转动轴14的导热层6。
面对旋转轴14的第一导热层4在径向方向上总共具有三个圆周区域9、10和11，这三个圆周区域具有不同的材料。该导热层4的第一材料在径向方向上在内部圆周区域9中具有10W/(m*K)的导热率λ1，内部圆周区域9包括摩擦区域的圆周表面的35％；第二材料在径向方向上在中间圆周区域10中具有25W/(m*K)的导热率λ2，中间圆周区域10包括摩擦区域的圆周表面的35％至60％；并且第三材料在径向方向上在外部圆周区域11中具有55W/(m*K)的导热率λ3，外部圆周区域11包括摩擦区域的圆周表面的60％直至外圆周。
背离旋转轴14的导热层6在径向方向上同样总共具有三个圆周区域9、10和11，这三个圆周区域具有不同的材料。背离旋转轴14的导热层6的第一材料在径向方向上在内部圆周区域9中具有12W/(m*K)的导热率λ1，内部圆周区域9包括摩擦区域的圆周表面的30％；第二材料在径向方向上在中间圆周区域10中具有23W/(m*K)的导热率λ2，中间圆周区域10包括摩擦区域的圆周表面的30％至45％；并且第三材料在径向方向上在外部圆周区域11中具有48W/(m*K)的导热率λ3，外部圆周区域11包括摩擦区域的圆周表面的45％直至外圆周。
如图3和图6中所示，面对旋转轴14的第一导热层4在径向方向上具有连续减小的层厚度dsw，其中在摩擦区域的外圆周上的最小层厚度dsw3为90μm并且在摩擦区域的内圆周上的最大层厚度dsw4为145μm。
如图3和图6中所示，背离旋转轴14的导热层6在径向方向上具有恒定的层厚度dsw，该层厚度为120μm。
设置的导热层4和6实现在能承受摩擦应力的硬质材料层1中的均匀的热平衡，借助该热平衡，实现在摩擦区域2和3的整个圆周表面中的更快速的热准备就绪状态。此外，渐变的导热层4和6以及不同的层厚度防止出现屏蔽效应，由此防止制动盘中形成裂纹。
实施例2
图1和图2示意性地示出了穿过制动盘的截面图，制动盘具有由灰铸铁制成的金属基体1、固定元件12、在金属基体上在直径上在两侧布置的导热层4和6以及能承受摩擦应力的硬质材料层8。
面对旋转轴14的第一导热层4(图3)由Cr基合金制成并且背离旋转轴14的导热层由Cu基合金制成，其中导热层4和6借助激光堆焊布置在由灰铸铁制成的金属基体1上。
在相应的导热层4和6上布置由碳化钨制成的能承受摩擦应力的硬质材料层8，该硬质材料层8具有材料编号DIN EN 1.4016(430L)的不锈钢基质，平均层厚度为120μm，该硬质材料层8具有78W/(m*K)的导热率λ。
在图4中示出了制动盘的俯视图，其中制动盘具有两个在直径上相对置布置的导热层，即面对旋转轴14的导热层4和背离旋转轴14的导热层6。
面对旋转轴14的导热层4在径向方向上总共具有三个区域9、10和11，三个区域具有不同的材料。该导热层4的第一材料在径向方向上在内部圆周区域9中具有12W/(m*K)的导热率λ1，内部圆周区域9包括摩擦区域的圆周表面的35％；导热层的第二材料在径向方向上在中间圆周区域10中具有23W/(m*K)的导热率λ2，中间圆周区域10包括摩擦区域的圆周表面的40％；并且导热层的第三材料在径向方向上在外部圆周区域11中具有36W/(m*K)的导热率λ3，外部圆周区域11包括摩擦区域的圆周表面的30％。
背离旋转轴14的导热层6在径向方向上同样总共具有三个区域9、10和11，三个区域具有不同的材料。该导热层的第一材料在径向方向上在内部圆周区域9中具有12W/(m*K)的导热率λ1，内部圆周区域9包括摩擦区域的圆周表面的30％；导热层的第二材料在径向方向上在中间圆周区域中具有23W/(m*K)的导热率λ2，中间圆周区域包括摩擦区域的圆周表面的40％；并且该导热层的第三材料在径向方向上在外部圆周区域11中具有36W/(m*K)的导热率λ3，外部圆周区域11包括摩擦区域的圆周表面的30％。
根据图5，背离旋转轴14的导热层6和面对旋转轴14的导热层4在径向方向上具有连续减小的层厚度dsw，其中在摩擦区域的外圆周上的最小层厚度dsw1和dsw3为80μm并且在摩擦区域的内圆周上的最大层厚度dsw2和dsw4为160μm。
设置的导热层4和6实现在能承受摩擦应力的硬质材料层7中的均匀的热平衡，借助该热平衡，实现在摩擦区域2和3的整个圆周表面中的更快速的热准备就绪状态。此外，渐变的导热层4和6以及不同的层厚度防止出现屏蔽效应，由此防止制动盘中形成裂纹。
实施例3
图7示出了第一摩擦区域2或第二摩擦区域3，其中在金属基体1上布置两个不同的导热层4和5以及能承受摩擦应力的硬质材料层8。
由没有梯度的Al基合金制成的导热层5布置在金属基体1上。导热层4布置在导热层5上并且由Cu基合金制成。
导热层5在径向方向上总共具有三个区域9、10和11，三个区域具有不同的材料。该导热层的第一材料在径向方向上在内部圆周区域9中具有12W/(m*K)的导热率λ1，内部圆周区域9包括摩擦区域的圆周表面的30％；导热层的第二材料在径向方向上在中间圆周区域10中具有23W/(m*K)的导热率λ2，中间圆周区域10包括摩擦区域的圆周表面的40％；并且该导热层的第三材料在径向方向上在外部圆周区域11中具有36W/(m*K)的导热率λ3，外部圆周区域11包括摩擦区域的圆周表面的30％。
导热层5在径向方向上具有平均层厚度dsw为120μm的恒定层高度。
设置的导热层4和5实现在能承受摩擦应力的硬质材料层1中的均匀的热平衡，借助该热平衡，实现在摩擦区域2和3的整个圆周表面中的更快速的热准备就绪状态。此外，渐变的导热层4和5以及不同的层厚度防止出现屏蔽效应，由此防止制动盘中形成裂纹。
附图标记列表
1-金属基体
2-面对旋转轴的第一摩擦区域
3-背离旋转轴的第二摩擦区域
4-面对旋转轴的第一导热层
5-面对旋转轴的第二导热层
6-背离旋转轴的第一导热层
7-背离旋转轴的第二导热层
8-能承受摩擦应力的硬质材料层
9-内部圆周区域
10-中间圆周区域
11-外部圆周区域
12-固定元件
13-通风通道
14-旋转轴。

Claims (21)

1.一种制动盘，所述制动盘具有金属基体(1)，所述金属基体(1)具有至少一个用于将所述制动盘固定到旋转轴(14)的环形固定元件(12)、面对旋转轴(14)且构造成圆形表面的第一摩擦区域(2)以及与所述第一摩擦区域(2)在直径上相对置且背离旋转轴布置的第二摩擦区域(3)，其中所述金属基体(1)在所述第一和第二摩擦区域(2、3)的区域中具有至少一个环形导热层(4、6)，在所述导热层(4、6)上布置有至少一个能承受摩擦应力的硬质材料层(8)，其中借助激光堆焊，将所述至少一个导热层(4、6)布置在所述金属基体(1)上并且将所述能承受摩擦应力的硬质材料层(8)布置在所述导热层(4、6)上，使得能够实现所述层的材料连接，其中所述导热层(4、6)由至少两种不同的材料构成并且在所述导热层(4、6)中的导热率λ被渐变地设定，其中至少在所述第一和/或第二摩擦区域(2、3)的内部圆周区域(9)中，存在具有导热率λ1的金属或陶瓷材料和/或金属合金，并且在所述第一和/或第二摩擦区域(2、3)的外部圆周区域(11)中，存在具有导热率λ2的金属或陶瓷材料和/或金属合金，其中至少λ1＜λ＜λ2。
2.一种制动盘，所述制动盘具有金属基体(1)，所述金属基体(1)具有至少一个用于将所述制动盘固定到旋转轴(14)的环形固定元件(12)、面对旋转轴且构造成圆形表面的第一摩擦区域(2)以及与所述第一摩擦区域(2)在直径上相对置且背离旋转轴(14)布置的第二摩擦区域(3)，其中所述金属基体(1)在所述第一和/或第二摩擦区域(2、3)的区域中具有至少一个环形导热层(4、6)，在所述导热层上布置有至少一个能承受摩擦应力的硬质材料层(8)，其中借助激光堆焊，将所述至少一个导热层(4、6)布置在所述金属基体(1)上并且将所述能承受摩擦应力的硬质材料层(8)布置在所述导热层(4、6)上，使得实现所述层的材料连接，并且其中所述导热层(4、6)中的至少一个在径向方向上朝向所述制动盘的外圆周具有渐变的层厚度dsw，由此，在所述导热层(4、6)中比热阻Rthi在径向方向上朝向所述制动盘的外圆周逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的制动盘，其中，布置至少两个导热层，其中第一导热层布置在所述金属基体上并且第二导热层布置在所述第一导热层上，其中至少所述第二导热层分别与所述能承受摩擦应力的硬质材料层以及与所述第一导热层形成界面区域。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，在面对旋转轴的摩擦区域上的至少一个导热层和/或能承受摩擦应力的硬质材料层与在背离旋转轴的摩擦区域上的至少一个导热层和/或能承受摩擦应力的硬质材料层形成有不同的层厚度。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，在径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周，至少一个导热层在延伸直至所述圆周表面的最大40％的内部圆周区域中具有导热率λ1为10W/(m*K)至14W/(m*K)的材料，在从所述圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有导热率λ2为12W/(m*K)至26W/(m*K)的材料、并且在从所述圆周表面的60％延伸直至所述外圆周的外部圆周区域中具有导热率λ3为24W/(m*K)至40W/(m*K)的材料。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，至少一个导热层在径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周具有连续地增加或突发地增加的层厚度dsw。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，至少一个导热层具有50μm至500μm的层厚度dswi，特别有利地具有100μm至150μm的层厚度dswi。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，在径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周，所述导热层在延伸直至所述圆周表面的最大40％的内部圆周区域中具有比在外部圆周区域中的层厚度dsw3大10％-15％的层厚度dsw1并且在从所述圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有比所述外部圆周区域中的所述层厚度dsw3大5％-10％的层厚度dsw2，其中所述外部圆周区域从所述圆周表面的60％延伸至所述外圆周，其中所述导热层和所述能承受摩擦应力的硬质材料层的层组成是恒定的。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，所述导热层由Al基、Fe基、Ni基、Cr基和/或Cu基合金制成。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，至少所述导热层还具有碳化物和/或氧化物陶瓷的硬质材料颗粒。
11.根据权利要求10所述的制动盘，其中，所述导热层的所述硬质材料颗粒具有0.5μm至120μm的平均粒度D50。
12.根据权利要求10或11所述的制动盘，其中，所述硬质材料颗粒在所述导热层中的体积比例为1％至80％、特别有利地为30％至50％。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，所述导热层为合金，其中在轴向方向上，最小导热率在径向的部分区域中以及在与所述能承受摩擦应力的硬质材料层的界面区域中并且最大导热率在与另一导热层或所述金属基体的界面区域中。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，至少在所述金属基体和所述至少第一导热层之间存在粘附层。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，所述能承受摩擦应力的硬质材料层至少具有50μm至500μm的层厚度dSH、特别有利地具有200μm至250μm的层厚度dSH。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的制动盘，其中，所述能承受摩擦应力的硬质材料层由金属陶瓷制成，特别有利地由碳化硅、碳化硼、碳化钨、碳化钒、碳化钛、碳化钽、碳化铬和/或氧化物陶瓷制成，并且非常特别有利地由具有Ni含量≤15wt％的材料组4或5的不锈钢基体的碳化钨制成。
17.一种用于制造根据权利要求1至16中至少一项所述的制动盘的方法，其中，借助激光堆焊，至少在金属基体(1)上至少部分地材料连接地布置第一导热层(4、6)，然后在所述第一导热层(4、6)上材料连接地布置能承受摩擦应力的硬质材料层(8)，其中所述导热层(4、6)由至少两种不同的材料制成并且在所述导热层内导热率λi渐变地设定，使得所述导热层在径向方向上具有逐渐增加的导热率λ，其中至少在所述第一和/或第二摩擦区域(2、3)的内部圆周区域(9)中布置具有导热率λ1的金属或陶瓷的材料和/或金属合金并且在所述第一和/或第二摩擦区域(2、3)的外部圆周区域(11)中布置具有导热率λ2的金属或陶瓷材料和/或金属合金，最后处理所述能承受摩擦应力的硬质材料层(8)的表面。
18.一种用于制造根据权利要求1至16中至少一项所述的制动盘的方法，其中，借助激光堆焊，至少在金属基体(1)上至少部分地材料连接地布置第一导热层(4、6)，然后在所述第一导热层(4、6)上材料连接地布置能承受摩擦应力的硬质材料层(8)，从而实现所述层(4、6、8)的材料连接，其中至少一个导热层(4、6)在径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周以渐变的层厚度dsw布置，由此在所述导热层(4、6)中比热阻Rthi在径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周逐渐减小。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在第一步骤中，在所述径向方向上，所述导热层在延伸直至所述圆周表面的最大35％的内部圆周区域中具有比外部圆周区域中的层厚度ds3大10％-15％的层厚度ds1并且在从所述圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有比所述外部圆周区域中的所述层厚度ds3大5％-10％的层厚度ds2，其中所述外部圆周区域从所述制动盘的所述圆周表面的60％延伸至所述外圆周，从而在所述导热层中所述比热阻Rthi从所述内部圆周区域至所述外部圆周区域逐渐地减小。
20.根据权利要求17至19中至少一项所述的方法，其中，在所述径向方向上朝向所述制动盘的所述外圆周，至少一个导热层在延伸直至所述圆周表面的最大35％的内部圆周区域中具有导热率λ1为10W/(m*K)至14W/(m*K)的材料，在从所述圆周表面的30％延伸至最大65％的中间圆周区域中具有导热率λ2为12W/(m*K)至26W/(m*K)的材料，并且在从所述圆周表面的60％延伸直至所述外圆周的外部圆周区域中具有导热率λ3为24W/(m*K)至40W/(m*K)的材料。
21.根据权利要求17至20中至少一项所述的方法，其中，在借助激光堆焊布置所述导热层之前，将所述金属基体至少在所述第一和/或第二摩擦区域的部分区域中加热到150℃至500℃的温度。
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