WO2024132883A2 - Verfahren zur herstellung eines bremskörpers und bremskörper - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bremskörpers und bremskörper Download PDF

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WO2024132883A2
WO2024132883A2 PCT/EP2023/085971 EP2023085971W WO2024132883A2 WO 2024132883 A2 WO2024132883 A2 WO 2024132883A2 EP 2023085971 W EP2023085971 W EP 2023085971W WO 2024132883 A2 WO2024132883 A2 WO 2024132883A2
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corrosion protection
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protection layer
cast
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Tilo STEINMEIER
Rene BISCHOFF
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C4 Laser Technology GmbH
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    • F16D2250/0046—Coating

Definitions

  • the present invention relates to the field of vehicle technology and industrial plant technology and relates to a method for producing a brake body, which can be designed, for example, in the form of a brake disc or brake drum, and a brake body produced according to this method.
  • the brake body produced according to the invention can be used, for example, in motor vehicles or as a brake system for industrial brakes or in wind turbines.
  • brake bodies can be designed with special cooling structures to dissipate the frictional heat generated during the braking process.
  • Conventional brake discs are designed as solid non-ventilated or internally ventilated brake discs and can be made of a metallic or ceramic material.
  • Conventional brake drums are of solid construction, sometimes also have cooling structures on the outside of the drum and can be made of a metallic or ceramic material.
  • brake bodies can also be provided with a housing.
  • Brake bodies have several functional areas. In motor vehicles, brake bodies are arranged on the front and rear axles and have a contact surface that is in contact with the rim on the one hand and the wheel hub on the other. The entire brake body is connected via the contact surface using wheel bolts.
  • brake bodies have areas with friction surfaces through which the braking effect is realized in conjunction with rubbing brake pads.
  • Brake bodies are currently either coated with short-term corrosion protection in the area of the friction surfaces or with a Long-term corrosion protection.
  • the short-term corrosion protection only protects the brake disc against corrosion for a short period of time and is worn away after delivery of a vehicle, for example, during the first braking operations.
  • the friction surfaces have a wear-reducing coating, which, in conjunction with the brake pads, achieves the braking effect.
  • DE 10 2009 003 161 A1 discloses a coated light metal disk and in particular a brake disk, which is provided with a support disk, in particular made of a thermally resistant light metal alloy, and a heat-insulating friction layer made of a metal alloy containing nanocrystals.
  • the light metal base body is coated by means of thermal spraying of a mechanically resistant metal alloy with the formation of nanoparticles in the spray layer.
  • a brake disc for a vehicle comprising a base body made of a metallic material, in particular gray cast iron, which has at least one friction surface with a coating made of a hard material, wherein the base body has a removed material thickness under the coating in the direction parallel to the axis of the brake disc, wherein the base body has a material thickness removed in the direction parallel to the axis of the brake disc by approximately the layer thickness of the coating, or up to +/- 20% more or less, preferably +/- 10%, based on the layer thickness of the coating.
  • a brake disc and method for its production are known in which a brake disc body made of a cast iron material is provided with a metallic, non-ceramic coating at least in sections and at least on one of its axial outer surfaces.
  • the existing oxide layer or other contaminants are removed from the contact surface removed and the contact surface is roughened by irradiation with fine particles in order to increase the adhesion of the wear layer.
  • the wear layer is then sprayed onto the contact surface of the base body using a flame, arc or plasma injection molding coating process.
  • a brake disk and a method for producing a brake disk in which a brake disk has a base body with at least one contact surface to which a wear layer is applied, wherein the at least one contact surface of the base body is pretreated to create a bond between the wear layer and the base body.
  • the at least one pretreated contact surface of the base body has a surface topography modified by laser radiation with at least one predetermined parameter in order to improve the positive adhesion between the wear layer and the base body.
  • the known manufacturing processes have the major disadvantage that a large amount of material must be taken into account when casting the brake disc so that after the first mechanical processing of the friction surfaces, which is known to be carried out by turning, a minimum design thickness of the disc-like friction surfaces to be coated, consisting exclusively of the basic structure on the friction band surface, is guaranteed.
  • This machining allowance which is present as chip volume after turning and can be described as the feed of the machining tools, can be up to several millimeters, depending on the shape and position tolerances achieved during the casting process.
  • the known manufacturing processes are costly and complex, as a high proportion of material waste is generated by the mechanical processing of the base body in preparation for coating with a wear and/or corrosion protection layer.
  • the object of the present invention is to provide a manufacturing method for a brake body that is cost-effective, saves material and is simple.
  • the object of the invention is to provide a brake body that is weight-optimized and has improved wear and corrosion protection.
  • a brake body which consists of a metallic base body made of a cast material which has at least one disc-like or ring-like friction surface, wherein the cast metallic base body has a basic structure, an intermediate structure with defects and a cast skin layer forming the cast surface, wherein in the metallic body at least in the area of the intended friction surface the cast skin layer is at least partially removed with a first machining step, then a wear and/or corrosion protection layer is arranged at least on the intermediate structure with defects, wherein subsequently at least the surface of the wear and/or corrosion protection layer can be modified with a second mechanical machining step.
  • the cast skin layer is completely removed.
  • the first machining step produces a graded thickness of the friction surfaces. It is also advantageous if at least the surface of the intermediate structure containing defects is processed by means of laser radiation before coating.
  • the wear and/or corrosion protection layer is arranged in one or more layers.
  • a graded layer thickness and/or material composition of the wear and/or corrosion protection layer is arranged.
  • the wear and/or corrosion protection layer is produced by means of direct metal deposition (DMD), direct energy deposition (DED), thermal spraying, plasma nitriding, plasma nitrocarburizing, thermochemical processes and/or with the possible use of technical gases.
  • DMD direct metal deposition
  • DED direct energy deposition
  • thermal spraying plasma nitriding
  • plasma nitrocarburizing thermochemical processes and/or with the possible use of technical gases.
  • the wear and/or corrosion protection layer is coated with at least one hard metal, metal alloy, metal matrix with embedded carbides and/or oxide ceramics or a combination material of carbides and/or oxide ceramics.
  • a metallic buffer layer is arranged before coating the wear and/or corrosion protection layer.
  • the brake body produced according to the method according to the invention has at least one metallic base body made of a cast material with at least one disc-like or ring-shaped friction surface, wherein the cast metallic base body has at least one basic structure, an intermediate structure with defects and a cast skin layer, wherein a wear and/or corrosion protection layer is arranged at least on the surface of the intermediate structure with defects, and wherein at least the friction surface has a joining zone which is formed at least from the wear and/or corrosion protection layer and the intermediate structure with defects.
  • the wear and/or corrosion protection layer is arranged on the flawed intermediate structure and the cast skin layer, wherein the surface portion of the cast skin layer present on the friction surface amounts to up to 90%.
  • the wear and/or corrosion protection layer is applied in a material-locking manner by means of a thermal coating process.
  • the layer thickness of the wear and/or corrosion protection layer as well as at least the intermediate structure containing defects is graded.
  • the wear and/or corrosion protection layer is formed in one layer or in multiple layers.
  • the layer thickness of the wear and/or corrosion protection layer is 50 pm to 200 pm for a single-layer coating or 125 pm to 250 pm for a two-layer coating.
  • At least the cooling structures are coated with an Al-based corrosion protection layer.
  • a graduated thickness of the friction surfaces and/or a graduated material composition of the wear and/or corrosion protection layer is present.
  • the solution according to the invention provides a method for producing a brake body that is cost-effective, saves material and is simple.
  • a brake body is provided that is weight-optimized and has improved wear and corrosion protection.
  • a metallic base body is created which, in the case of metallic cast blanks made of steel or gray cast iron, essentially has three different areas.
  • a first area is the casting skin edge zone.
  • a casting skin edge zone is understood to be a limited area on the surface of the casting which, depending on the material, can have different defects and deviations from the basic structure inside the casting.
  • this casting skin edge zone of the casting there is a casting skin layer which forms when the melt solidifies due to direct contact with the casting mold and the associated increased cooling rate and which is present as a fine crystalline structure.
  • a cast structure which, according to the invention, is to be understood as an intermediate structure with defects.
  • This intermediate structure contains undesirable defects within the structure.
  • These can be non-metallic inclusions, gases or transformations in microscopic or macroscopic dimensions.
  • Non-metallic inclusions are also to be understood as graphite inclusions in degenerate forms in gray cast iron materials.
  • the ordered forms of graphite include, for example, lamellar graphite or spheroidal graphite, which, according to the invention, are explicitly not to be understood as degenerate forms of graphite.
  • the basic structure Inside the metallic base body, a basic structure is formed that has the properties of the desired base material.
  • the main characteristics of the basic structure are that, in contrast to the intermediate structure, there are essentially no defects and the structure is essentially homogeneous.
  • the basic structure can have an ordered graphite arrangement in the form of lamellar graphite or spheroidal graphite, which enables particularly cost-effective use of materials and economical processing of the metallic base body.
  • the metal base body particularly in the area of the disc-shaped friction surface in brake discs or the ring-shaped friction surface in brake drums, has a layer of cast skin with a thickness of 0.05 mm to 0.2 mm. It is also known that the cast skin layer and the intermediate structure with defects must be completely removed from the cast blank in order to prepare the area of the base structure for the subsequent coating with a wear and/or corrosion protection layer or to supply it to the market as a conventional uncoated brake disc.
  • the method according to the invention provides a metallic base body made of a cast material in which a smaller amount of steel or iron cast material is used, since according to the invention, after the metallic base body has been cast, the cast skin edge zone is machined in a first machining step and only the cast skin layer is at least partially removed in order to arrange a wear and/or corrosion protection layer at least on the intermediate structure with defects.
  • At least partial removal of the cast skin layer is to be understood as meaning that in any case areas of the intermediate structure with defects are freed from the cast skin layer, whereby after the mechanical processing of the friction surfaces the surface proportion of the cast skin layer can be up to 90%.
  • the first machining process can advantageously be carried out by grinding, laser radiation, abrasive processes and/or chemical processes.
  • grinding the metal base body enables a homogeneous surface with higher dimensional accuracy and improved axial runout of the brake body, so that the desired target geometry of the surface to be coated is achieved with the first machining operation.
  • the precise grinding of the friction band surfaces of the base body also results in an increased uniform layer thickness of the wear and/or corrosion protection layer and a reduction in the chip volume during finishing.
  • a further advantage is that grinding partially down to the intermediate structure with defects results in significantly lower tool wear, as this avoids unwanted vibrations and tool impact during machining in the area of the intermediate structure with defects compared to the familiar multi-stage turning of the surface.
  • the advantageous effects of grinding are also supplemented by the fact that the material is only machined down to the intermediate structure with defects, which means that the tool is subjected to less stress than when turning due to the irregular material properties and existing defects in the structure.
  • the high accuracy of mechanical machining by grinding reduces the infeed dimensions of the finishing process, as any shape deviations that occur need to be infed to a lesser extent. This reduces the cycle time, reduces the chip volume and increases the process capability of the mechanical finishing process.
  • the cast base body can be manufactured with such a high manufacturing accuracy that the first step of mechanical machining of the friction surfaces and/or contact surfaces can be greatly simplified or eliminated entirely.
  • At least the surface of the friction surface which is essentially present as an intermediate structure with defects, is coated with a wear and/or corrosion protection layer using a coating process.
  • a coating process By coating the surface of the intermediate structure with defects with the wear and/or corrosion protection layer, at least the area of the friction surface has a joining zone that is formed at least from the wear and/or corrosion protection layer and the intermediate structure with defects.
  • cooling structures are dimensioned with an oxidation allowance in the form of a material addition, since oxidation reactions reduce the strength of the material during daily use of the brake body. This applies both to the ventilation bars between the friction surfaces of an internally ventilated brake disc and to the cooling structures of a brake drum.
  • At least the cooling structures are coated with a permanently acting and materially bonded corrosion protection layer.
  • the coating of at least the cooling structures can be particularly advantageously carried out with an Al-based corrosion protection layer and the corrosion protection layer can be arranged by a final heat treatment at least in the material of the ventilation webs through diffusion processes.
  • a particularly good material bond between the material of the metallic base body and the material of the wear and/or corrosion protection layer can be achieved if the wear and/or corrosion protection layer is produced by means of a thermal coating process, particularly advantageously by means of direct metal deposition (DMD), direct energy deposition (DED), thermal spraying, plasma nitriding, plasma nitrocarburizing and/or a thermochemical process and with the possible use of technical gases.
  • DMD direct metal deposition
  • DED direct energy deposition
  • thermal spraying plasma nitriding
  • plasma nitrocarburizing plasma nitrocarburizing
  • a graded geometry in order to improve the thermal balance in the brake body, can be created with the first mechanical processing of the friction surface, by means of which a graded layer thickness is later achieved during the coating. This ensures that improved heat conduction and thus a more even heat distribution within the brake body is made possible in order to compensate for different heat developments in the respective circumference of the friction surface. As a result, a homogenization of the heat flow within the metallic base body over the entire friction surface is achieved.
  • a graded layer thickness and/or material composition of the friction surface is provided.
  • At least the surface of the intermediate structure with defects is at least partially improved by means of laser irradiation.
  • Laser irradiation of the friction surface has the significant advantage that defects and contamination on the surface, for example due to existing graphite nests or grinding residues, are reduced. Furthermore, the reduction of carbon close to the surface increases the available iron content in the bonding zone of the coating and reduces the uneven alloying of carbon. The improvement of the surface makes it possible to achieve a high layer and bonding quality with a single layer coating using a coating process in terms of the increased material-bondable metal portion on the prepared friction belt surface.
  • a particularly thin wear and/or corrosion protection layer can be provided, which in particular leads to a significant reduction in the material of the brake disc during the casting process of the metallic base body.
  • the wear and/or corrosion protection layer of the friction surface can advantageously have a layer thickness of 50 pm to 200 pm with a single-layer coating and 125 pm to 250 pm with a two-layer coating.
  • the surface of the friction surface can be coated with the wear and/or corrosion protection layer using at least one hard metal, a metal alloy, a metal matrix with embedded carbides and/or oxide ceramics or a combination material of carbide and oxide ceramics.
  • carbide materials in particular, materials adapted to the load spectrum that acts within the wear and/or corrosion protection coating can be used. It is conceivable that mixed carbides and cermets could be used, for example, which have advantages in terms of their thermal expansion in the metal matrix composite and the associated reduction of crack structures and residual stresses, their good thermal oxidation resistance, advantageous wettability compared to the matrix material and their improved processing with the thermal coating processes.
  • a metallic buffer layer is arranged before the wear and/or corrosion protection layer is coated.
  • the technical advantages of the manufacturing process according to the invention and the brake body produced thereby are that - the simple machining and removal of the cast skin layer enables a direct coating on the friction belt surface of the defective intermediate structure and/or partial cast skin layer, thereby reducing the chip volume,
  • thermocyclic load collective the thermal resistance between the metallic base body and the wear and/or corrosion protection layer is adapted to the thermocyclic load collective
  • the thermal coating process enables an improved material bonding of the wear and/or corrosion protection layer
  • the second mechanical processing for surface modification improves the friction belt surface and can be implemented more efficiently.
  • An internally ventilated brake disc for a mid-range passenger car, manufactured using a casting process, is provided with a hardness of 190 - 230 HV [3] in the area of the lamellar basic structure.
  • the brake disc consists of a metallic base body made of gray cast iron and has two friction surfaces arranged opposite one another as well as a contact surface for fastening the brake disc to a rotating axle. The two friction surfaces are connected by ventilation webs. After the metal base body has been removed from the casting mold, it is clamped centrally via the ventilation channels formed using workpiece clamping devices and the intended contact surface is machined.
  • the existing cast skin layer is essentially completely removed by grinding on both sides of the friction belt, down to the intermediate structure with defects, which is a cast structure with a disordered graphite arrangement.
  • the surface partially freed of the cast skin layer which shows a cast structure with a disordered graphite arrangement and areas with a remaining cast skin layer, is irradiated with a CO2 laser for surface standardization and the surface is almost completely cleaned of grinding process and graphite residues.
  • the brake disc is then fed into a thermal coating system, preheated inductively to 185 +/- 5°C, measured on the surface to be coated, and a first corrosion protection layer made of a 316L stainless steel alloy is coated on the surface area intended as the friction surface using laser deposition welding under a locally generated argon protective gas atmosphere and a material-locking connection is created between the surface area of the cast structure with a disordered graphite arrangement, individual surface areas with a cast skin layer and the stainless steel alloy.
  • a second layer consisting of a stainless steel alloy 430L with TiC hard material particles embedded in the metal matrix is applied to the first layer by means of laser cladding.
  • the wear and corrosion protection layer produced is then processed and modified in a second mechanical processing process by grinding. No mechanical processing of the surfaces takes place in the area of the ventilation channels.
  • the structures of the ventilation channels are coated with an AISi-12 alloy using LBD spraying and then heat treated.
  • the friction surfaces have a composite hardness of 500-750 HV [10] and long-term wear and corrosion protection.
  • the cast material to be used is reduced by 2.9 kg and the weight of the brake disc is reduced by 1.1 kg based on a brake disc with a total friction band area of approx. 1000cm 2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers und einen Bremskörper. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für einen Bremskörper, das kostengünstig, materialsparend und einfach ist. Zudem besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Bremskörpers, der gewichtsoptimiert ist und einen verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutz aufweist. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers, der aus einem metallischen Grundkörper aus einem Gusswerkstoff besteht, der mindestens eine scheibenartig oder ringartig ausgebildete Reibfläche aufweist, wobei der gegossene metallische Grundkörper ein Grundgefüge, ein fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge und eine die Gussoberfläche bildende Gusshautschicht aufweist, wobei bei dem metallischen Körper mindestens im Bereich der vorgesehenen Reibfläche mit einer ersten Bearbeitung die Gusshautschicht mindestens teilweise entfernt wird, anschließend mindestens auf dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet wird, wobei nachfolgend mindestens die Oberfläche der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mit einer zweiten mechanischen Bearbeitung modifiziert werden kann.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers und Bremskörper
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugtechnik und der Industrieanlagentechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers, der beispielsweise in Form einer Bremsscheibe oder Bremstrommel ausgebildet sein kann, und einem nach diesem Verfahren hergestellter Bremskörper. Der erfindungsgemäß hergestellte Bremskörper kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder als Bremssystem für Industriebremsen oder in Windkraftanlagen eingesetzt werden.
Bremskörper können zusätzlich zum Grundkörper mit speziellen Kühlstrukturen für die Abführung der beim Bremsvorgang erzeugten Reibwärme ausgeführt werden.
Herkömmliche Bremsscheiben sind in massiver Bauweise als unbelüftete oder als innenbelüftete Bremsscheiben ausgebildet und können aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff hergestellt sein.
Herkömmliche Bremstrommeln sind in massiver Bauweise ausgebildet, teils auch mit Kühlstrukturen auf der Trommelaußenseite versehen und können aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff hergestellt sein.
Zur Reduzierung von Feinstaubemissionen können Bremskörper zusätzlich mit einer Umhausung versehen werden.
Bremskörper weisen mehrere funktionelle Bereiche auf. So werden Bremskörper bei Kraftfahrzeugen an Vorder- und Hinterachsen angeordnet und weisen hierfür eine Anlagefläche auf, die im Kontakt mit der Felge einerseits und der Radnabe andererseits steht. Der gesamte Bremskörper wird über die Anlagefläche mittels Radbolzen verbunden.
Zudem weisen Bremskörper Bereiche mit Reibflächen auf, über die die Bremswirkung im Zusammenwirken mit reibenden Bremsbelägen realisiert wird.
Bremskörper werden bisher entweder im Bereich der Reibflächen mit einem Kurzzeitkorrosionsschutz oder im Bereich der Kühlstrukturen mit einem Langzeitkorrosionsschutz versehen. Der Kurzzeitkorrosionsschutz schützt die Bremsscheibe nur für einen kurzen Zeitraum gegenüber Korrosion und wird nach der Auslieferung beispielsweise eines Fahrzeuges bereits bei ersten Bremsvorgängen abgetragen. Zudem weisen die Reibflächen eine verschleißreduzierende Beschichtung auf, über die im Zusammenwirken mit den Bremsbelägen die Bremswirkung erreicht wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um Bremsscheiben herzustellen und vor Korrosion und Verschleiß zu schützen.
Aus der DE 10 2009 003 161 A1 ist eine beschichtete Leichtmetallscheibe und insbesondere Bremsscheibe bekannt, die mit einer Tragscheibe, insbesondere aus einer thermisch beständigen Leichtmetall-Legierung, und einer wärmedämmenden Reibschicht, die aus einer Nanokristalle aufweisenden Metall-Legierung gebildet ist. Der Leichtmetall-Grundkörper wird dabei mittels thermischen Spritzens einer mechanisch widerstandsfähigen Metall-Legierung unter Bildung von Nanopartikeln in der Spritzschicht beschichtet.
Aus der DE 102 03 507 A1 ist eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug bekannt, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material aufweist, wobei der Grundkörper unter der Beschichtung eine abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist, wobei der Grundkörper eine etwa um die Schichtdicke der Beschichtung, beziehungsweise bis zu +/- 20% mehr oder weniger, vorzugsweise +/- 10%, bezogen auf die Schichtdicke der Beschichtung abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist.
Aus der DE 100 56 161 A1 ist eine Bremsscheibe und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, bei dem ein Bremsscheibenkörper aus einem Eisenguss-Werkstoff zumindest abschnittsweise und wenigstens an eines seiner axialen Außenflächen mit einer metallischen, nichtkeramischen Beschichtung versehen wird.
Zur Vorbereitung der zu beschichtenden Kontaktfläche des Grundkörpers wird die vorhandene Oxidschicht oder auch andere Verunreinigungen von der Kontaktfläche entfernt und die Kontaktfläche mittels Bestrahlung durch Feinpartikel aufgeraut, um die Haftung der Verschleißschicht zu erhöhen. Die Verschleißschicht wird anschließend mittels Flamm-, Lichtbogen- oder Plasmaspritzgussbeschichtungsverfahren auf die Kontaktfläche des Grundkörpers aufgespritzt.
Auch bekannt ist aus der WO 2012 156 114 A1 eine Bremsscheibe und ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe, bei dem eine Bremsscheibe einen Grundkörper mit mindestens einer Kontaktfläche aufweist, auf welche eine Verschleißschicht aufgebracht ist, wobei zur Realisierung des Verbundes der Verschleißschicht und dem Grundkörper die mindestens eine Kontaktfläche des Grundkörpers vorbehandelt ist. Die mindestens vorbehandelte eine Kontaktfläche des Grundkörpers weist eine durch Laserstrahlung modifizierte Oberflächentopographie mit mindestens einem vorgegebenen Parameter auf, um die formschlüssige Haftung zwischen Verschleißschicht und Grundkörper zu verbessern.
Die bekannten Herstellungsverfahren haben den wesentlichen Nachteil, dass bereits beim Gießen der Bremsscheibe eine hohe Materialzugabe berücksichtigt werden muss, damit nach der ersten mechanischen Bearbeitung der Reibflächen, die bekanntermaßen mittels Drehen erfolgt, eine auslegungstechnische Mindestdicke der zu beschichtenden scheibenartigen Reibflächen, ausschließlich bestehend aus dem Grundgefüge auf der Reibbandoberfläche, gewährleistet wird. Diese Bearbeitungszugabe, welche nach Drehen als Spanvolumen vorliegt und als Zustellung der Bearbeitungswerkzeuge beschrieben werden kann, kann, abhängig von den erzielten Form und Lagetoleranzen beim Gießprozess, bis zu mehreren Millimetern betragen. Insofern sind die bekannten Herstellungsverfahren kostenintensiv sowie aufwendig, da ein hoher Anteil an Materialabfall entsteht, der durch das mechanische Bearbeiten des Grundkörpers zur Vorbereitung der Beschichtung mit einer Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht entsteht.
Nachteilig ist auch, dass bekannte Bremskörper ein hohes Gewicht aufweisen, wodurch beispielsweise eine erhöhte Umweltbelastung durch erhöhte Verbrauchswerte der Fahrzeuge erfolgt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für einen Bremskörper, das kostengünstig, materialsparend und einfach ist. Zudem besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Bremskörpers, der gewichtsoptimiert ist und einen verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutz aufweist.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers, der aus einem metallischen Grundkörper aus einem Gusswerkstoff besteht, der mindestens eine scheibenartig oder ringartig ausgebildete Reibfläche aufweist, wobei der gegossene metallische Grundkörper ein Grundgefüge, ein fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge und eine die Gussoberfläche bildende Gusshautschicht aufweist, wobei bei dem metallischen Körper mindestens im Bereich der vorgesehenen Reibfläche mit einer ersten Bearbeitung die Gusshautschicht mindestens teilweise entfernt wird, anschließend mindestens auf dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet wird, wobei nachfolgend mindestens die Oberfläche der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mit einer zweiten mechanischen Bearbeitung modifiziert werden kann.
Von Vorteil ist es, wenn mindestens Teile der Gusshautschicht mittels Schleifen, Laserstrahlung, abrasiver Verfahren und/oder chemischer Verfahren entfernt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Gusshautschicht vollständig entfernt.
Auch ist es von Vorteil, wenn mit der ersten Bearbeitung eine gradiert ausgebildete Dicke der Reibflächen hergestellt wird. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens die Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges vor dem Beschichten mittels Laserstrahlung bearbeitet wird.
Zudem ist vorteilhaft, wenn die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht einlagig oder mehrlagig angeordnet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine gradierte Schichtdicke und/oder Matenalzusammensetzung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet.
Auch kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mittels Direct Metal Deposition (DMD), Direct Energy Deposition (DED), thermisches Spritzen, Plasmanitrierung, Plasmanitrocarburierung, thermochemischer Verfahren und/oder unter einem möglichen Einsatz technischer Gase erzeugt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mit mindestens einem Hartmetall, Metalllegierung, Metallmatrix mit eingelagerten Karbiden und/oder Oxidkeramiken oder einem Kombinationswerkstoff aus Karbiden und/oder Oxidkeramiken erfolgt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn vor dem Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht eine metallische Pufferlage angeordnet wird.
Und außerdem ist vorteilhaft, wenn mindestens die lasttragenden Kühlstrukturen des Bremskörpers mit einer Al-basierten Korrosionsschutzschicht beschichtet und nachfolgend wärmebehandelt werden.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bremskörper weist mindestens einen metallischen Grundkörper aus einem Gusswerkstoff mit mindestens einer scheibenartig oder ringförmig ausgebildeten Reibfläche auf, wobei der gegossene metallische Grundkörper mindestens ein Grundgefüge, ein fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge und eine Gusshautschicht aufweist, wobei mindestens auf der Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet ist, und wobei mindestens die Reibfläche eine Fügezone aufweist, die mindestens aus der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht und dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge gebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bremskörpers ist die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht auf dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge und der Gusshautschicht angeordnet, wobei der auf der Reibfläche vorhandene Oberflächenanteil der Gusshautschicht bis zu 90% beträgt.
Auch vorteilhafterweise ist die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens stoffschlüssig angeordnet.
Vorteilhafterweise ist die Schichtdicke der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht sowie mindestens das fehlstellenbehaftete Zwischengefüge gradiert ausgebildet.
Zudem kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht einlagig oder mehrlagig ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bremskörpers beträgt die Schichtdicke der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht bei einer einlagigen Beschichtung 50 pm bis 200 pm oder bei einer zweilagigen Beschichtung 125 pm bis 250 pm.
Auch vorteilhafterweise sind mindestens die Kühlstrukturen mit einer Al-basierten Korrosionsschutzschicht beschichtet.
Und zudem kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass eine gradiert ausgebildete Dicke der Reibflächen und/oder gradiert ausgebildete Materialzusammensetzung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht vorhanden ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers bereitgestellt, das kostengünstig, materialsparend und einfach ist. Zudem wird ein Bremskörper bereitgestellt, der gewichtsoptimiert ist und einen verbesserten Verschleiß- und Korrosionsschutz aufweist.
Durch die gießtechnische Herstellung sowie das Abkühlverhalten des Gussrohlings eines Bremskörpers liegt ein metallischer Grundkörper vor, der bei metallischen Gussrohlingen aus Stahl- oder Grauguss im Wesentlichen drei unterschiedliche Bereiche aufweist.
Ein erster Bereich ist die Gusshautrandzone. Unter einer Gusshautrandzone wird erfindungsgemäß ein begrenzter Bereich an der Gussteiloberfläche verstanden, der je nach Werkstoff unterschiedliche Fehlstellen und Abweichungen vom Grundgefüge im Inneren des Gussteils aufweisen kann. In dieser Gusshautrandzone des Gussstückes, liegt eine Gusshautschicht vor, die sich beim Erstarren der Schmelze durch den direkten Kontakt mit der Gießform und der damit verbundenen erhöhten Abkühlgeschwindigkeit bildet und als feinkristal line Struktur vorliegt.
Unterhalb der Gusshautschicht, jedoch innerhalb der Gusshautrandzone, liegt eine Gussstruktur vor, die erfindungsgemäß als fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge verstanden werden soll. Bei diesem Zwischengefüge sind unerwünschte Fehlstellen innerhalb des Gefüges vorhanden. Hierbei kann es sich um nichtmetallische Einschlüsse, Gase oder Umbildungen in mikroskopischen oder makroskopischen Dimensionen handeln. Unter nichtmetallischen Einschlüssen sollen auch Graphiteinschlüsse in entarteten Formen bei Graugusswerkstoffen verstanden werden. Zu den geordneten Formen des Graphits sollen beispielsweise Lamellengraphit oder Kugelgraphit subsumiert werden, die erfindungsgemäß explizit nicht als entartete Formen des Graphits verstanden werden sollen.
Im Inneren des metallischen Grundkörpers ist ein Grundgefüge ausgebildet, dass die Eigenschaften des gewünschten Grundwerkstoffes aufweist. Die wesentlichen Merkmale des Grundgefüges sind, dass im Gegensatz zum Zwischengefüge im Wesentlichen Fehlstellen nicht vorhanden sind und eine im Wesentlichen homogene Gefügestruktur vorliegt. In einer vorteilhaften Ausbildung des Bremskörpers kann das Grundgefüge mit einer geordneten Graphitanordnung in Form von Lamellengraphit oder Kugelgraphit vorliegen, die einen besonders kostengünstigen Matenaleinsatz und eine wirtschaftliche Bearbeitung des metallischen Grundkörpers ermöglicht.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass nach dem Gießprozess beim metallischen Grundkörper, insbesondere im Bereich der bei Bremsscheiben scheibenartig ausgebildeten Reibfläche bzw. bei Bremstrommeln ringförmigen Reibfläche, die vorhandene Gusshautschicht mit einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 0,2 mm vorliegt. Zudem ist bekannt, dass die Gusshautschicht sowie das fehlstellenbehaftete Zwischengefüge zwingend vollständig vom Gussrohling entfernt werden müssen, um den Bereich des Grundgefüges für die nachfolgende Beschichtung mit einer Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht bereitzustellen oder als konventionelle unbeschichtete Bremsscheibe dem Markt zuzuführen
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein metallischer Grundkörper aus einem Gusswerkstoff bereitgestellt, bei dem eine geringere Menge an Stahl- oder Eisengusswerkstoff eingesetzt wird, da erfindungsgemäß nach dem Gießen des metallischen Grundkörpers mit einem ersten Bearbeitungsgang die Gusshautrandzone bearbeitet und nur die Gusshautschicht mindestens teilweise entfernt wird, um mindestens auf das fehlstellenbehaftete Zwischengefüge eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht anzuordnen.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einem mindestens teilweisen Entfernen der Gusshautschicht verstanden werden, dass auf jeden Fall Bereiche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges von der Gusshautschicht befreit werden, wobei nach der mechanischen Bearbeitung der Reibflächen der Oberflächenanteil der Gusshautschicht bis zu 90% betragen kann.
Der erste Bearbeitungsvorgang kann vorteilhafterweise durch Schleifen, Laserstrahlung, abrasiver Verfahren und/oder chemischer Verfahren erfolgen. Insbesondere das Schleifen des metallischen Grundkörpers ermöglicht, entgegen dem bekannten Abtragen der Gusshautschicht durch Drehen mit Schneidwerkzeug, eine homogene Oberfläche mit höherer Formgenauigkeit und verbesserten Planlauf des Bremskörpers, sodass bereits mit der ersten Bearbeitung die gewünschte Zielgeometrie der zu beschichtenden Oberfläche erreicht wird. Durch das formgenaue Schleifen der Reibbandflächen des Grundkörpers wird zudem eine erhöhte Gleichschichtdicke der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht sowie eine Reduzierung des Spanvolumens beim Fertigbearbeiten erzielt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das Schleifen bis teilweise zum fehlstellenbehafteten Zwischengefüge ein wesentlich geringerer Werkzeugverschleiß erreicht wird, da gegenüber dem bekannten mehrstufigen Drehen der Oberfläche unerwünschte Vibrationen und ein Schlagen des Werkzeuges während der Bearbeitung im Bereich des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges vermieden werden. Ergänzt werden die vorteilhaften Wirkungen des Schleifens zudem dadurch, dass die Materialbearbeitung nur bis zum fehlstellenbehafteten Zwischengefüge vorgenommen wird, wodurch das Werkzeug gegenüber dem Drehen aufgrund der unregelmäßigen Matenaleigenschaften und vorhandenen Fehlstellen im Gefüge geringer beansprucht wird. Weiterhin werden durch die hohe Genauigkeit der mechanischen Bearbeitung mittels Schleifen die Zustellmaße der Fertigbearbeitung reduziert, da auftretende Formabweichungen in geringerem Maße zugestellt werden müssen. Somit wird die Taktzeit reduziert, das Spanvolumen verringert sowie die Prozessfähigkeit der mechanischen Fertigbearbeitung gesteigert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Guss- Grundkörper mit einer so hohen Fertigungsgenauigkeit hergestellt werden, dass der erste Schritt der mechanischen Bearbeitung der Reibflächen und/oder Anlageflächen stark vereinfacht werden oder ganz entfallen kann.
Nach dem ersten Bearbeitungsgang wird mindestens die Oberfläche der Reibfläche, die im Wesentlichen als fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge vorliegt, mittels eines Beschichtungsverfahrens mit einer Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht beschichtet. Durch das Beschichten der Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges mit der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht weist mindestens der Bereich der Reibfläche eine Fügezone auf, die mindestens aus der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht und dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge gebildet ist. Kühlstrukturen sind nach dem Stand der Technik mit einem Oxidationszuschlag in Form einer Materialzugabe dimensioniert, da durch Oxidationsreaktionen die Stärke des Materials im täglichen Einsatz des Bremskörpers abnimmt. Dies gilt sowohl für die Belüftungsstege zwischen den Reibflächen einer innenbelüfteten Bremsscheibe als auch für die Kühlstrukturen einer Bremstrommel.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens und des Bremskörpers kann vorgesehen sein, dass zumindest die Kühlstrukturen mit einer dauerhaft wirkenden und stoffschlüssig angebundenen Korrosionsschutzschicht beschichtet werden. Die Beschichtung zumindest der Kühlstrukturen kann besonders vorteilhaft mit einer Al- basierten Korrosionsschutzschicht erfolgen und die Korrosionsschutzschicht durch eine abschließende Wärmebehandlung mindestens in das Material der Belüftungsstege durch Diffusionsprozesse angeordnet sein.
Durch eine Beschichtung der Kühlstrukturen sowie der nachgelagerten Wärmebehandlung ist es möglich, die die Kühlstrukturen bildenden Materialstrukturen langlebig gegen Korrosion zu schützen, wodurch Oxidationszuschläge bei der Ausgestaltung der Kühlstrukturen entfallen und dadurch Ausgangsmaterial eingespart werden kann.
Eine besonders gute stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Material des metallischen Grundkörpers und dem Material der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht kann dann erreicht werden, wenn die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, Besonders vorteilhaft mittels Direct Metal Deposition (DMD), Direct Energy Deposition (DED), thermisches Spritzen, Plasmanitrierung, Plasmanitrocarburierung und/oder einem thermochemischen Verfahren sowie unter einem möglichen Einsatz technischer Gase erzeugt wird.
Aufgrund der bestehenden Unterschiede bezüglich der Wärmeerzeugung in unterschiedlichen Zonen der Reibfläche und bezüglich der Wärmeableitung durch unterschiedliche Zonen der Kühlstrukturen und Anlageflächen resultieren unterschiedliche thermozyklische Belastungen und Verformungen im Bereich der Reibflächen. Bei einer scheibenförmigen Geometrie der Reibfläche bei Bremsscheiben ist dies zusätzlich getrieben durch die resultierenden unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten zwischen Belag und Reibband mit unterschiedlichem Abstand zur Drehachse.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zur Verbesserung des thermischen Haushaltes im Bremskörper vorgesehen sein, dass mit der ersten mechanischen Bearbeitung der Reibfläche eine gradiert ausgebildeten Geometrie erzeugt wird, mittels welcher später bei der Beschichtung eine gradiert ausgebildete Schichtdicke realisiert wird. Damit wird erreicht, dass zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeentwicklungen im jeweiligen Umfang der Reibfläche eine verbesserte Wärmeleitung und damit eine gleichmäßigere Wärmeverteilung innerhalb des Bremskörpers ermöglicht wird. Im Ergebnis wird eine Homogenisierung des Wärmeflusses innerhalb des metallischen Grundkörpers über die gesamte Reibfläche erreicht.
Zum Einstellen eines optimierten Wärmehaushaltes innerhalb der Reibfläche kann auch vorgesehen sein, dass eine gradierte Schichtdicke und/oder Materialzusammensetzung der Reibfläche vorgesehen wird.
Zum Erreichen einer normierten und verbesserten Oberflächenqualität kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass nach der ersten Bearbeitung und vor dem Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mindestens die Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges mindestens teilweise mittels Laserbestrahlung verbessert wird.
Die Laserbestrahlung der Reibflächenoberfläche hat den wesentlichen Vorteil, dass Fehlstellen und Verunreinigungen auf der Oberfläche, beispielsweise durch vorhandene Graphitnester oder Schleifrückstände, reduziert werden. Weiterhin wird durch die Reduktion von oberflächennahem Kohlenstoff der verfügbare Eisenanteil in der Anbindungszone der Beschichtung erhöht und das ungleichmäßige Hinzu- Legieren von Kohlenstoff vermindert. Die Verbesserung der Oberfläche ermöglicht es, bereits mit einer einlagigen Beschichtung mittels eines Beschichtungsverfahrens eine hohe Schicht- und Anbindungsqualität hinsichtlich des vergrößerten stoffschlussfähigen Metallanteils auf der vorbereiteten Reibbandoberfläche zu erreichen.
Bei einer thermischen Beschichtung direkt auf der Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges kann eine besonders dünne Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht vorgesehen werden, was insbesondere zu einer signifikanten Materialreduzierung der Bremsscheibe bereits beim Gießprozess des metallischen Grundkörpers führt. So kann die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht der Reibfläche vorteilhafterweise bei einer einlagigen Beschichtung eine Schichtdicke von 50 pm bis 200 pm, und bei einer zweilagigen Beschichtung 125 pm bis 250 pm aufweisen.
Die Beschichtung der Oberfläche der Reibfläche mit der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht kann mit mindestens einem Hartmetall, einer Metalllegierung, einer Metallmatrix mit eingelagerten Karbiden und/oder Oxidkeramiken oder einem Kombinationswerkstoff aus Karbid und Oxidkeramik erfolgen. Insbesondere bei Karbidwerkstoffen können dem Lastkollektiv, welches innerhalb der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzbeschichtung wirkt, angepasste Werkstoffe verwendet werden. So ist vorstellbar, dass beispielsweise Mischkarbide und Cermets zum Einsatz kommen, die beispielsweise hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnung im Metallmatrixverbund und der damit verbundenen Reduzierung von Rissstrukturen und Eigenspannungen, ihrer guten thermischen Oxidationsbeständigkeit, vorteilhaften Benetzungsfähigkeit gegenüber dem Matrixwerkstoff und ihrer verbesserten Verarbeitung mit den thermischen Beschichtungsverfahren Vorteile aufweisen.
Zur Verbesserung der stoffschlüssigen Anbindung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht kann vorgesehen sein, dass vor dem Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht eine metallische Pufferlage angeordnet wird.
Die technischen Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und des damit hergestellten Bremskörpers bestehen zusammenfassend darin, dass - durch die einfache Bearbeitung und der Beseitigung der Gusshautschicht eine direkte Beschichtung auf der Reibbandoberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges und/oder teilweiser Gusshautschicht ermöglicht wird, wodurch eine Reduzierung des Spanvolumens realisiert wird,
- eine Reduzierung von Werkstoffeinsatz ermöglicht wird,
- der thermische Widerstand zwischen metallischem Grundkörper und Verschleiß und/oder Korrosionsschutzschicht dem thermozyklischen Lastkollektiv angepasst wird,
- die erforderliche Materialzugabe für Oxidation und/oder Verschleiß reduziert oder vollständig eingespart werden kann,
- die Leistungsfähigkeit des Bremskörpers gesteigert und dessen Komfortverhalten verbessert wird,
- bereits bei der gießtechnischen Herstellung des metallischen Grundkörpers ein geringeres Aufmaß berücksichtigt werden kann, wodurch Kosten durch einen geringeren Materialeinsatz gespart werden,
- durch das thermische Beschichtungsverfahren eine verbesserte stoffschlüssige Anbindung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht ermöglicht wird, und
- durch die zweite mechanische Bearbeitung zur Oberflächenmodifizierung die Reibbandoberfläche verbessert wird und effizienter realisierbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ausführungsbeispiel
Eine innenbelüftete und mittels Gießverfahren hergestellte Bremsscheibe für einen Personenwagen der Mittelklasse wird mit einer Härte von 190 - 230 HV [3] im Bereich des lamellaren Grundgefüges bereitgestellt. Die Bremsscheibe besteht aus einem metallischen Grundkörper aus Grauguss und weist zwei gegenüberliegend angeordnete Reibflächen sowie eine Anlagefläche für die Befestigung der Bremsscheibe an einer rotierenden Achse auf. Die beiden Reibflächen sind durch Belüftungsstege verbunden. Nach dem Entformen des metallischen Grundkörpers aus der Gussform wird dieser über die ausgebildeten Belüftungskanäle mittels Werkstückspannmittel zentriert eingespannt und die vorgesehene Anlagefläche mechanisch bearbeitet.
Nachfolgend wird mittels Schleifen auf beiden Seiten des Reibbandes die vorhandene Gusshautschicht im Wesentlichen vollständig bis zum fehlstellenbehafteten Zwischengefüge, dass eine Gussstruktur mit ungeordneter Graphitanordnung ist, entfernt. Die von der Gusshautschicht teilweise befreite Oberfläche, die eine Gussstruktur mit ungeordneter Graphitanordnung und Bereiche mit verbliebener Gusshautschicht zeigt, wird zur Oberflächennormierung mit einem CO2-Laser bestrahlt und die Oberfläche von Schleifprozess- und Graphitrückständen nahezu vollständig gereinigt. Im Anschluss wird die Bremsscheibe einer thermischen Beschichtungsanlage zugeführt, geregelt induktiv auf 185 +/- 5°C, gemessen auf der zu beschichtenden Oberfläche, vorgewärmt und unter örtlich erzeugter Argon- Schutzgasatmosphäre mittels Laser-Auftragsschweißen eine erste Korrosionsschutzschicht aus einer Edelstahllegierung 316L auf dem als Reibfläche vorgesehenen Oberflächenbereich beschichtet und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Oberflächenbereich der Gussstruktur mit ungeordneter Graphitanordnung, einzelnen Oberflächenbereichen mit Gusshautschicht und der Edelstahllegierung hergestellt.
Mit einem zweiten Beschichtungsvorgang wird mittels Laserauftragsschweißen eine zweite Schichtlage, bestehend aus einer Edelstahllegierung 430L, mit in der Metallmatrix eingelagerten TiC-Hartstoffpartikeln, auf der ersten Schichtlage angeordnet.
Zur Herstellung einer verbesserten Oberflächentopographie wird anschließend die hergestellte Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht in einem zweiten mechanischen Bearbeitungsvorgang mittels Schleifen bearbeitet und modifiziert. Im Bereich der Belüftungskanäle erfolgt keine mechanische Bearbeitung der Oberflächen. Die Strukturen der Belüftungskanäle werden mittels LBD-Spritzen mit einer AISi-12 Legierung beschichtet und nachfolgend wärmebehandelt.
Die Reibflächen weisen eine Verbundhärte von 500-750 HV [10] und einen Langzeit- Verschleiß- und Korrosionsschutz auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird gegenüber bekannten konventionellen innenbelüfteten Bremsscheiben das einzusetzende Gussmaterial um 2,9 kg und das Gewicht der Bremsscheibe um 1 ,1 kg bezogen auf eine Bremsscheibe mit einer Gesamtreibbandfläche von ca. 1000cm2 reduziert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bremskörpers, der aus einem metallischen Grundkörper aus einem Gusswerkstoff besteht, der mindestens eine scheibenartig oder ringartig ausgebildete Reibfläche aufweist, wobei der gegossene metallische Grundkörper ein Grundgefüge, ein fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge und eine die Gussoberfläche bildende Gusshautschicht aufweist, wobei bei dem metallischen Körper mindestens im Bereich der vorgesehenen Reibfläche mit einer ersten Bearbeitung die Gusshautschicht mindestens teilweise entfernt wird, anschließend mindestens auf dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet wird, wobei nachfolgend mindestens die Oberfläche der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mit einer zweiten mechanischen Bearbeitung modifiziert werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mindestens Teile der Gusshautschicht mittels Schleifen, Laserstrahlung, abrasiver Verfahren und/oder chemischer Verfahren entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gusshautschicht vollständig entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mit der ersten Bearbeitung eine gradiert ausgebildete Dicke der Reibflächen hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , beim dem mindestens die Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges vor dem Beschichten mittels
Laserstrahlung bearbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht einlagig oder mehrlagig angeordnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, bei dem eine gradierte Schichtdicke und/oder Materialzusammensetzung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mittels Direct Metal Deposition (DMD), Direct Energy Deposition (DED), thermisches Spritzen, Plasmanitrierung, Plasmanitrocarburierung, thermochemischer Verfahren und/oder unter einem möglichen Einsatz technischer Gase erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mit mindestens einem Hartmetall, Metalllegierung, Metallmatrix mit eingelagerten Karbiden und/oder Oxidkeramiken oder einem Kombinationswerkstoff aus Karbiden und/oder Oxidkeramiken erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem vor dem Beschichten der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht eine metallische Pufferlage angeordnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mindestens die lasttragenden Kühlstrukturen des Bremskörpers mit einer Al-basierten Korrosionsschutzschicht beschichtet und nachfolgend wärmebehandelt werden.
12. Bremskörper, hergestellt nach mindestens einem der vorhergehende Ansprüche 1 bis 11 , der mindestens einen metallischen Grundkörper aus einem Gusswerkstoff mit mindestens einer scheibenartig oder ringförmig ausgebildeten Reibfläche aufweist, wobei der gegossene metallische Grundkörper mindestens ein Grundgefüge, ein fehlstellenbehaftetes Zwischengefüge und eine Gusshautschicht aufweist, wobei mindestens auf der Oberfläche des fehlstellenbehafteten Zwischengefüges eine Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht angeordnet ist, und wobei mindestens die Reibfläche eine Fügezone aufweist, die mindestens aus der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht und dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge gebildet ist.
13. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht auf dem fehlstellenbehafteten Zwischengefüge und der Gusshautschicht angeordnet ist, wobei der auf der Reibfläche vorhandene Oberflächenanteil der Gusshautschicht bis zu 90% beträgt.
14. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens stoffschlüssig angeordnet ist.
15. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem die Schichtdicke der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht sowie mindestens das fehlstellenbehaftete Zwischengefüge gradiert ausgebildet ist.
16. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem die Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht einlagig oder mehrlagig ausgebildet ist.
17. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem die Schichtdicke der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht bei einer einlagigen Beschichtung 50 pm bis 200 pm oder bei einer zweilagigen Beschichtung 125 pm bis 250 pm beträgt.
18. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem mindestens die Kühlstrukturen mit einer Al-basierten Korrosionsschutzschicht beschichtet sind.
19. Bremskörper nach Anspruch 12, bei dem eine gradiert ausgebildete Dicke der Reibflächen und/oder gradiert ausgebildete Matenalzusammensetzung der Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschicht vorhanden ist.
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