DE2744725B2 - Verschleißfeste Beschichtung der Arbeitsoberfläche von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen - Google Patents
Verschleißfeste Beschichtung der Arbeitsoberfläche von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder AluminiumlegierungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sieh aiii eine
verschleißfeste Beschichtung tier Arbeilsoberfläche von
scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, sowie deren Verwendung auf
Bremsscheibe:-,, insbesondere für Motorräder, oder
Kupplungsscheiben.
Nach dem bisherigen Stand der Technik ist es üblich.
Brems- und Kupplungsscheiben aus Stahl, einem für die gestellten Anforderungen genügend verschleiß- und
abriebfesten Material, herzustellen. Es hat sich deshalb erübrigt, für diesen Werkstoff spezielle Oberflächenbehandlungen
vorzusehen. Im Fahrzeugbau wirken sich die verhältnismäßig schweren Bremsscheiben aus Stahl
nachteilig aus, weil die ungefederte Masse groß ist. was sich in einem geringeren Fahrkomfort ausdrückt. Bei
Kupplungsscheiben ist eine möglichst niedrige Masse erwünscht, weil damit der Energieaufwand für die
Rotationsbewegung gering gehalten werden kann.
Fahrzeug- bzw. Maschinenbauer sind schon vor einiger Zeit dazu übergegangen, den Werkstoff Stahl
durch das wesentlich leichtere Aluminium zu ersetzen. Aluminium ist jedoch gegen Keib-Vcrschleißbcanspruchung
wenig widerstandsfähig, weshalb die Reibflächen mit einem verschleißfesteren Material beschichtet
werden müssen. Die Beschichtung von Aluminium mit Stahl zwecks Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist wohl
erprobt, aber aus wirtschaftlichen Gründen wieder aufgegeben worden.
Die Frfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine verschleißfeste Beschichtung der Arbeitsoberflächc
von scheibenförmigen Maschinenteilen zu schaffen, wobei diese Maschinenteile ein minimales Gewicht, ein
optimales Reibverhallen, eine ausreichende Lebensdauer und minimale Herstellungskosten haben. Diese
beschichteten Maschinenteile, insbesondere Brems- und Kupplungsscheiben, sollen für eine Fertigung in
großtechnischem Stil geeignet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Arbeitsoberflächc der Maschinenteile aus
thermisch aufgetragenen Cermeibeschichtungen mil aluminiumhaltiger Metallkomponente bestehen.
Cermct-Werkstoffc haben zwei Komponenten: Eine keramische und eine metallische. Die erfindungsgemäll
eingesetzten keramischen Werkstoffe müssen hart und verschleißfest sein, wo/u sich Metalloxide mit entsprechenden
Eigenschaften vorteilhaft anbieten. Oxidkeramischc Materialien, die aus AI2Oi, AI2Oi + TiO2.
AI2Oi + ZrC)2, Cr2O1 oder AI2O1 + Cr2Oi bestehen,
haben ausgezeichnete Resultate erbracht. Die metallische Komponente des Cermets kann sowohl aus
Reinaluminium als auch aus einer silizium- bzw. magnesiumhall igen Aluminiumlegierung bestehen.
Cermets der beschriebenen Art können unter anderem durch pulvermctallurgische Verfahren hergestellt
werden; für das Auftragen von Cermel-Schichten auf Substrate aller -\rt bieten sich die bekannten
thermischen Sprit/veiiahrcn an, wie /.. B. Flamm- oder
Plasmaspritzen.
Bei der Festlegung des Verhältnisses zwischen keramischem und metallischem Anteil des Cermets muß
berücksichtigt werden, daß die keramische Komponente Härte und Verschleißfestigkeit, die metallische
Komponente Duktilitäl und Schlagunempfindlichkeii bewirkt. Bei verschleißfesten Arbeitsoberl'lächen hat
man das Beslreben, den metallischen Anteil derail zu minimalisieren, daß gerade noch die erforderliche
Dukililät und Schlagunempfindlichkeil erreicht wird. Dies ist der Fall, wenn das Gewichts-Verhältnis
Keramik zu Metall zwischen 90 : 10 und 60 : 40 liegt. Für die vorzugsweise verwendete Zusammensetzung der
Cermets ist ein Gewichts-Verhältnis von Keramik zu Metall, das zwischen 85 : 15 und 75 :25 liegt, besonders
geeignet. Diese Mischungen /eigen auch eine genügend hohe Wärmeleitfähigkeit, um die beim Bremsen
erzeugte Wärme an das Grundmaterial Aluminium weiterleiten zu können.
Vor dem Aufbringen des Cermets kann eine vorzugsweise 10—ΙΟΟμηι dicke Haftschicht aus Aluminium
aufgetragen werden, in welcher der Cermet verankert wird.
Eine qualitativ hochwertige verschleißfeste Arbeitsoberfläche kann nur erreicht werden, wenn beide
Komponenten des Cermets beim thermischen Spritzprozeß vollständig aufgeschmolzen werden. Die Spritztemperatur
ist einerseits dadurch begrenzt, daß die keramische Komponente vollständig aufgeschmolzen
werden muß, und andererseits die mciaüischc Komponente
nicht verdampfen darf. Das Verdampfen der metallischen Komponente kann verhindert werden,
indem eine geeignet große Körnung gewählt wird. beispielsweise von 20 bis 60 μηι. Die für das Aufschmelzen
der keramischen Komponente notwendige Temperatur wird vorteilhaft mit einer Plasmaspritzapparatur
erzeugt. F.inc wirtschaftliche Herstellung solcher Brems- bzw. Kupplungsscheiben kann nur dann
gewährleistet sein, wenn ein Plasmabrenner mit hoher .Spritzleistung zur Verfügung steht. Dazu eignet sich im
besonderen Maße ein wasserstabilisierter Plasmabrenner mit 200 kW elektrischer Leistung.
Wenn bei Bremsscheiben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung nach bisher üblichen Konstruktionsplänen
für Bremsscheiben aus Stahl Löcher angebracht werden und nach den oben beschriebenen
Verfahren eine Beschichtung aufgebracht wird, hat sich gezeigt, daß diese Schicht die auf sie ausgeübten
Scherkräfte nicht aushält. Als Folge davon /eigen sich nach verhältnismäßig kurzer Zeil Risse in der
aufgespritzten Schicht, welche von den angeblachten Löchern ausgehen und in radialer Richtung der Scheibe
verlaufen.
I Insere Versuche haben gezeigt, daß diese Rißbildung
vor allem auftritt, wenn zwei Locher, die auf einer
Radiallinie der Scheibe liegen, einen zu geringen Abstand haben. Überraschend hat sich ge/eigl, daß
dieses Phänomen der RilJbildung durch eine besondere Anordnung der Löcher vollständig unterdrückt werden
kann. Diese Löcher werden so angeordnet, daß der Zwischenraum zwischen zwei Löchern mindestens
Ii nun beträgt, und daß die Verbindungsgeladen von zwei beliebigen Löchern mit der durch eines der beiden
Löchern gehenden Radiallinie einen Winkel von mindestens JO" aufweist.
Die Anzahl, die Anordnung und der Durchmesser dieser Löcher dürfen die Festigkeit der Brems- bzw.
Kupplungsscheibe nicht nachteilig beeinträchtigen. Im Gegensatz zu der Anordnung liegen die Anzahl und der
Durchmesser der angebrachten Löcher im Rahmen der üblichen Bremsscheiben aus Stahl. Aus wirtschaftlichen
Gründen durchsetzen diese Löciier vorteilhaft nicht nur
die Arbeitsfläche, sondern die ganze Bremsscheibe.
Anstelle der Löcher können auch höchstens 20 Schlitze
angebracht werden, wobei die Achsen der Schlitze mit einer sie schneidenden Radiallinie einen Winkel
aiilweisen, der vorzugsweise /wischen 50 und W)" liegt.
Die Dimensionen (Länge und Breite) der Schlitze werden dadurch begrenzt, daß die Festigkeit der
Bremsscheibe nicht beeinträchtigt werden darf. In der
Praxis haben sich Schlitze mit einer Breite von 4 —b mm
und einer Länge, die höchstens die Hälfte der .Scheibenbreite ausmacht, gut bewährt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die scheibenförmigen Maschinenteile für Bremssehciben,
insbesondere für Motorräder, oder Kupplungsscheiben, insbesondere in Automobilen, verwendet. Die
verschleißfesten Maschinenteile können jedoch auch als Bremsscheiben in Maschinen für die spanabhebende
Metallbearbeitung, beispielsweise bei Scheibenbremsen von Drehbänken, eingesetzt werden.
In Motorrädern eingesetzte Bremsscheiben werden entgegen den Erwartungen nicht so heiß, daß das
Aluminium wegschmelzen oder zumindest alle Festigkeitscigenschaften
verlieren würde. Die meisten schwc-
is reren Motorräder haben zwei Bremsscheiben am Vorderrad, bei welchen es sich gezeigt hat. daß die
Luftkühlung so stark ist, daß Aluminiumbremsscheiben selbst bei einer Vollbremsung nicht wärmer als ca.
300"C werden können. Die eingesetzten Aluminiumle-
>o gierungen halten diese Wärmcbelastungen ohne unerwünschte
Festigkeitsverluste aus.
Die erfindungsgemäßc Beschichtung genügt den harten Anforderungen an eine Brems- bzw. Kupplungsscheibe,
auch bezüglich Haftung und Schlaguncmpfind-
_>r) lichkeit. Die Kombination von oxidkeramischer und
metallischer Phase bewirkt eine Paarung von hoher Verschleißfestigkeit und hinreichender Duktilität. Sie
genügt außerdem den Anforderungen hoher Korrosionsfestigkeit.
in Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausfiihrungsbcispiele
näher beschrieben.
r> Zur I lerstellung einer Bremsscheibe wird ein Rohling
in Form einer planen Scheibe aus einer warmfesten, korrosionsbeständigen, schmiedbaren Aluminiumlegierung
in der erforderlichen Dicke plangedreht. Der Außendurchmesscr dieser 4,5 mm dicken Scheibe
■to beträgt 260 mm,der Innendurchmesser 144 mm. In diese
Scheibe werden je 20 Löcher in einem radialen Abstand von 96, 109 und 122 mm vom Zentrum der Scheibe
derart gebohrt, daß je drei Löcher auf einer Geraden liegen, welche mit der Radiallinie durch das innere Loch
•*r> der Dreiergruppe einen Winkel von 40" bildet. Der
Durchmesser der angesenkten Löcher beträgt b mm. Anschließend wird die plangedrehic Scheibe mit
Korund (Körnung 0,2—1,2 mm) sandgestrahlt, bis eine Oberflächcnrauhigkeil von min. Sa 2,5 erreicht ist. Die
r>» auf einer Achse rotierende Scheibe wird gleichzeitig
hinten und vorne mit je einer Düse sandgestrahlt.
Anschließend wird die kalte Scheibe mit einer 200 kW
wasserstabilisierten Plasmasprit/pistole beschichtet. Das Spritzmatciral besieht aus 80°/» AI)Oj (Körnung
v, 15 —40 μηι) und 20% Reinaluminium (Körnung
20-50 μιιι).
Die aufgespritzte Schichtdicke beträgt ca. 500 μηι.
Abschließend wird die Scheibe mit einer keramisch gebundenen Siliziumkarbidscheibe geschliffen.
Abschließend wird die Scheibe mit einer keramisch gebundenen Siliziumkarbidscheibe geschliffen.
Die Reibfläche einer marklüblichen Kupplungsscheibe mit den Abmessungen von 23 cm als äußeren und
18 cm als innerem Durchmesser wird mil Korund (Körnung 0,2— 1,2 mm) sandgestrahlt, bis eine Olvrflächenrauhigkeit
von min. Sa 2.5 erreicht ist. Anschlie-
Bend wird die Scheibe, wie in Beispiel 1 beschrieben,
beschichtet und geschliffen.
Eine Bremsscheibe mit den Dimensionen und Lochanordnungen gemäß Beispiel 1 wird mit einem
Bunsenbrenner auf eine Temperatur von 180" C vorgewärmt. Dann wird mit einer Lichtbogenspritzapparatur
eine Schicht von 50 μπι Aluminium aulgetragen.
Anschließend wird die Scheibe nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren beschichtet und geschliffen.
Eine Bremsscheibe mit den Dimensionen und
Lochanordnungen gemäß Beispiel 1 wird mit einem Bunsenbrenner auf eine Temperatur von !80 C
vorgewärmt. Dann wird die Scheibe, wie unter Beispiel 1 beschrieben, beschichtet und geschliffen.
Claims (12)
1. Verschleißfeste Beschichtung der Arbeilsoberfläche
von scheibenförmigen Maschinenteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. dadurch
gekennzeichnet, daß diese aus thermisch aufgetragenen Cermetbeschichtungen mit aluminiumhaltigcr
Metallkomponentc besteht.
2. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Komponente
aus Metalloxiden besteht.
3. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Komponente
aus einem Material der Gruppe, gebildet aus AI2O), AI2O) + TiO2, AI2Oj + ZrO2, Cr2O1 und
AI2O3 + Cr2O^ besteht.
4. Verschleißfeste Beschichtung nach einem dcr
Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die
aluminiumhailige Komponcnie Rcinaluniinium, eine
sili/iumhallige- oder eine magnesiumhaliige Aluminiumlegierung
ist.
5. Verschleißfeste Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gewichts-Verhältnis der Komponenten Keramik zu Metall /wischen 90 : 10 und 60 : 40 liegt.
b. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Gcwichts-Verhällnis
Keramik zu Metall zwischen 85 : 15 und 75 :25
liegt.
7. Verschleißfeste Beschichtung nach einem tier
Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mittels Plasmasprii/verfahren aufgetragen ist.
8. Verschleißfeste Beschichtung nach den Ansprüchen 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß sich
zwischen Grundmaterial und Ccrmelbeschichtung eine Haftschicht aus Aluminium befindet.
9. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht aus
Aluminium 10— 100 μηι dick ist.
10. Verschleißfeste Beschichtung nach den Ansprüchen I —9, dadurch gekennzeichnet, daß sie von
die Festigkeit der scheibenförmigen Maschinenteile nicht nachteilig beeinflussenden Löchern durchsetzt
ist. welche einen Zwischenraum von mindestens b mm und Verbindungsgeraden mit einem Winkel
von mindestens 30" zu einer durch ein Loch gehende Radiallinie der Scheibe aufweisen.
11. Verschleißfeste Beschichtung nach den Ansprüchen
1 —9, dadurch gekennzeichnet, daß sie von die festigkeit der scheibenförmigen Maschinenteile
nicht nachteilig beeinflussenden Schlii/.en durchsetzt
ist. wobei die Achsen der Schlitze mil einer einen Schlitz der Scheibe 'ichneidenden Radiallinie einen
Winkel von 30—60 aufweisen.
12. Verwendung der verschleißfesten Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 —Il bei
Bremsscheiben, insbesondere für Motorräder, oder Kupplungsscheiben, insbesondere für Automobile.
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