DE102006035948A1

DE102006035948A1 - Bremsscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006035948A1
Application number: DE200610035948
Authority: DE
Inventors: Thomas Soentgen; Sigrid Thanner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe (1), die einen Grundkörper (2) aufweist, der mit einem verschleißfesten Material (3) beschichtet ist. Um die Lebensdauer der Bremsscheibe zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Material (3) der Beschichtung ein duktiler metallischer Grundwerkstoff (4) ist, in den Hartstoffpartikel (5) eingelagert sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere zur Verwendung zum Abbremsen von Wellen oder Rädern, die bei bestimmungsgemäßer Benutzung einer hohen mechanischen und thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist, die einen Grundkörper aufweist, der mit einem verschleißfesten Material beschichtet ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe.
Bei motorangetriebenen Wellen und Rädern, beispielsweise in Zügen, in Fahrzeugen anderer Art und in Aufzügen, werden Bremsscheiben zum Abbremsen der Drehbewegung der Wellen bzw. Räder eingesetzt. Soll eine solche Welle bzw. ein solches Rad abgebremst oder zum Stillstand gebracht werden, werden Bremsbeläge normal auf die Oberfläche der Bremsscheibe aufgepresst, die drehfest mit der abzubremsenden Welle bzw. mit dem abzubremsenden Rad verbunden ist. Infolge des Reibungskoeffizienten wird so ein Bremsmoment an der Welle bzw. am Rad erzeugt. Dieser Reibungsvorgang hat einen Verschleiß zur Folge, der sich durch Abnutzung nicht nur des Bremsbelags, sondern auch der Bremsscheibe bemerkbar macht.
Ein wesentlicher Faktor für ein effektives Bremsen ist der Reibwert (Reibkoeffizient), der sich aus der Paarung der Bremsbeläge und der Oberflächenbeschaffenheit der Bremsscheibe ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit und somit die Lebensdauer einer Bremsscheibe zu erhöhen, wobei insbesondere ein kostengünstiger Betrieb ermöglicht und gleichzeitig ein möglichst gleichbleibender Reibwert gewährleist werden soll.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung ein duktiler metallischer Grundwerkstoff ist, in den Hartstoffpartikel eingelagert sind.
Bei dem Grundwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um Nickel oder um eine Nickellegierung. Der besondere Vorteil einer Nickelbeschichtung ist die Korrosionsbeständigkeit, die sich insbesondere beim Einsatz in Bremsscheiben positiv bemerkbar macht. Zudem weisen insbesondere Nickellegierungen eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf. Im Falle der Nickellegierung kann als Legierungsbestandteil Kobalt vorgesehen werden. Der Anteil von Kobalt in der Legierung liegt bevorzugt bei bis zu 20 Vol.-%. Besonders bevorzugt ist ein Kobalt-Anteil zwischen 2 Vol.-% und 6 Vol.-% vorgesehen.
Der Grundwerkstoff kann nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auch Bronze sein. Aufgrund seiner hohen Zähigkeit und seiner Korrosionsbeständigkeit ist Bronze besonders gut als Grundwerkstoff geeignet.
Als Grundwerkstoff kann des weiteren Kobalt zum Einsatz kommen. Auch dieser Werkstoff zeichnet sich durch seine hohe Zähigkeit aus, was ihn für die Anwendung bei der vorliegenden Erfindung empfiehlt.
Der Anteil an in den Grundwerkstoff eingelagerten Hartstoffpartikeln beträgt mit Vorteil bis zu 50 Vol.-%, wobei ein bevorzugter Wertebereich zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% vorgesehen ist. Der genannte Wertebereich für die Hartstoffpartikel sorgt für eine ausreichende Härte der Beschichtung, so dass diese die Erfordernisse bezüglich der Verschleißbeständigkeit erfüllt.
Für die Hartstoffpartikel können verschiedene Materialien vorgesehen sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hartstoffpartikel aus einem Karbid bestehen. Dabei handelt es sich bevorzugt um Borcarbid, Wolframcarbid und/oder Siliziumcarbid. Eine Alternative sieht vor, dass die Hartstoffpartikel aus Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung bestehen. In diesem Falle kommen insbesondere Kohlenstoffpartikel und/oder Diamant zum Einsatz. Generell kann also gesagt werden, dass unter dem Einsatz von Kohlenstoff insbesondere Diamant oder eine feste Graphit-Modifikation zu verstehen ist. Mit Borcarbid und Wolframcarbid werden keramische Partikel vorgesehen, deren Härte in den Bereich von Diamant vordringt. Vorgesehen kann auch werden, dass als Hartstoffpartikel sowohl Karbide als auch Kohlenstoff bzw. eine Kohlenstoffverbindung eingesetzt werden.
Die Hartstoffpartikel haben vorzugsweise eine Größe zwischen 10 nm und 50 μm. Dabei ist besonders bevorzugt ein Größenbereich zwischen 200 nm und 20 μm vorgesehen. Partikel mit dieser Größe, also nanoskalige und mikroskalige Partikel, lassen sich besonders gut in den Grundwerkstoff einbetten.
Die Beschichtung wird vorzugsweise elektrolytisch aufgebracht. Dies stellt eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haftende Beschichtung sicher.
Dabei wird vorzugsweise eine Dicke der Beschichtung im Bereich zwischen etwa 0,1 mm und 6 mm vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung mit einer derartigen Schichtdicke den hohen Anforderungen besonders genügt.
Die vorgeschlagene Bremsscheibe dient insbesondere zum Abbremsen von Wellen oder Rädern. Eine solche Bremsscheibe ist bekanntermaßen in besonderer Weise einer hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt, weshalb hier die Erfindung in besonders guter Weise genutzt werden kann. Die Bremsscheibe besteht vorzugsweise aus Gussmetall oder aus Stahl.
Unter einem duktilen metallischen Grundwerkstoff im Sinne der Erfindung wird ein relativ weiches Metall verstanden, der eine Vickers-Härte von maximal etwa 180 bis 230 HV₀₁ aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, beispielsweise eine um mehr als den Faktor 2 bis 10 größere Härte als diejenige des Grundwerkstoffs.
Durch die Kombination eines duktilen Werkstoffs mit den darin eingelagerten Hartstoffpartikeln ergibt sich ein Bauteil mit einer Beschichtung, die den extremen Belastungen standhält, wie sie beim starken Bremsen in der Bremsscheibe auftreten können. Durch die Duktilität besteht im Vergleich mit einer durchgehend harten und spröden Beschichtung eine deutlich geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt wird und Risse, insbesondere Mikrorisse, auftreten, was im Falle einer starken korrosiven Umgebung schnell zu einer sehr negativen starken Korrosion führen würde. Auch ist die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung bei mechanischer Belastung aufgrund der hohen Duktilität deutlich geringer als bei einer spröden Beschichtung. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erreicht, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer der Bremsscheibe erreicht wird. Gleichzeitig wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel in der Matrix ein durchgängiger und annähernd gleich bleibender Reibwert erzielt. Die Oberflächenrauhigkeit und damit der Reibwert können über die Größe der Hartstoffpartikel bestimmt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 die Seitenansicht einer Bremsscheibe, die mit einer Beschichtung versehen ist,
2 die Einzelheit "X" gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,
3 die lichtmikroskopische Aufnahme eines Schliffs durch die Beschichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung und
4 die lichtmikroskopische Aufnahme eines Schliffs durch die Beschichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
In den 1 und 2 ist schematisch eine Bremsscheibe 1 dargestellt, die mittels geeigneter Befestigungsbohrungen 6 an einem (nicht dargestellten) angrenzenden Bauteil festgelegt werden kann, um eine drehfeste Verbindung herzustellen. Die Bremsscheibe 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der beispielsweise aus Stahl besteht. Auf den Grundkörper 2 ist eine Beschichtung 3 aufgebracht, die in 2 in vergrößerter Darstellung schematisch zu sehen ist.
Die Beschichtung 3 umfasst einen duktilen metallischen Grundwerkstoff 4, wie z. B. reines Nickel, eine Nickellegierung, insbesondere mit Kobalt als Legierungsbestandteil. Ferner eignet sich besonders gut Bronze oder reines Kobalt als Material für den Grundwerkstoff 4.
Im Grundwerkstoff 4 sind Hartstoffpartikel 5 eingelagert, deren Anteil etwa zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt. Die Hartstoffpartikel weisen eine extrem hohe Härte auf und bestehen beispielsweise aus Borcarbid, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Diamant oder Graphit. Die Hartstoffpartikel weisen eine Größe im Nanometerbereich auf, vorliegend zwischen 500 und 1.500 nm. Der Durchmesser bzw. die Erstreckung der Hartstoffpartikel 5 ist mit t angegeben, worunter die mittlere Größe zu verstehen ist.
Die Beschichtung 3 beträgt abhängig vom Anwendungsfall eine Dicke d, die meist zwischen 0,1 mm und 6 mm liegt.
Alternativ kann eine Beschichtung auf Basis einer Nickel-Kobalt-Legierung vorgesehen werden, beispielsweise eine Zusammensetzung von etwa 70 Vol.-% Nickel, 5 Vol.-% Kobalt und 25 Vol.-% Borcarbidpartikeln. Die Dicke der Beschichtung wird auch hier wieder bis zu etwa 6 mm betragen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann Bronze als Grundwerkstoff 4 eingesetzt werden, wobei in diesen etwa 25 Vol.-% Hartstoffpartikel 5 eingelagert sind. Bei den Hartstoffpartikeln kann es sich wieder um Borcarbid, Siliziumcarbid oder Diamant handeln. Hier hat sich eine Beschichtung im Bereich von ca. 4 mm Dicke bewährt.
In 3 ist eine Lichtmikroskopie eines Schliffs einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu sehen. Hierbei handelt es sich um die Verwendung von Nickel als Grundwerkstoff. In diesen ist Borcarbid mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 1.500 nm eingebracht.
In 4 ist eine analoge Darstellung zu 3 zu sehen, nämlich eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Schliffs einer Beschichtung, die wieder Nickel als Grundmaterial aufweist. Hier sind als Hartstoffpartikel Diamanten mit einer mittleren Teilchengröße von 500 nm eingebracht.
Zur Ausbildung bzw. Aufbringung der Beschichtung wird das zu beschichtende Bauteil, hier der Bremsscheiben-Grundkörper 2, in ein Galvanikbad oder mehrere Galvanikbäder eingetaucht, das bzw. die eine Elektrolytlösung enthalten. Eine Anode und eine Kathode liegen an einer Spannungsquelle an. Als Anode wird eine Elektrode bestehend aus dem Grundwerkstoff und als Kathode der zu beschichtende Grundkörper 2 verwendet.
Beim Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung zwischen der Kathode und der Anode erfolgt eine Oxidation an der Anode, bei der sich positiv geladene Metallionen des Grundwerkstoffs 4 auflösen und zur negativ geladenen Kathode wandern.
Die Hartstoffpartikel werden dem Galvanikbad zugegeben, so dass sie mit den Metallionen der Anode zu dem zu beschichtenden Bauteil wandern und sich dort gemeinsam mit den Metallionen anlagern. Somit wachst allmählich die Dicke der Beschichtung, bis diese den gewünschten Wert aufweist.

1: Bremsscheibe
2: Grundkörper
3: Beschichtung aus verschleißfestem Material
4: Grundwerkstoff
5: Hartstoffpartikel
6: Befestigungsbohrung
t: Durchmesser/Erstreckung
d: Dicke

Claims

Bremsscheibe (1), die einen Grundkörper (2) aufweist, der mit einem verschleißfesten Material (3) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3) der Beschichtung ein duktiler metallischer Grundwerkstoff (4) ist, in den Hartstoffpartikel (5) eingelagert sind.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff Nickel ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff eine Nickellegierung ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Legierungsbestandteil Kobalt ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Kobalt in der Legierung bis zu 20 Vol.-% beträgt.
Bremsscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kobalt in der Legierung zwischen 2 Vol.-% und 6 Vol.-% beträgt.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff Bronze ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff Kobalt ist.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an in den Grundwerkstoff eingelagerten Hartstoffpartikeln (5) bis zu 50 Vol.-% beträgt.
Bremsscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Hartstoffpartikeln (5) zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-% beträgt.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (5) aus einem Karbid bestehen.
Bremsscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Karbid Borcarbid und/oder Wolframcarbid und/oder Siliziumcarbid ist.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (5) aus Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung bestehen.
Bremsscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (5) aus Kohlenstoffpartikeln und/oder aus Diamant bestehen.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffpartikel (5) sowohl Karbide als auch Kohlenstoff bzw. eine Kohlenstoffverbindung eingesetzt werden.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (5) eine Größe (t) zwischen 10 nm und 100 μm aufweisen.
Bremsscheibe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (5) eine Größe (t) zwischen 500 und 5.000 nm aufweisen.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der Beschichtung zwischen 0,1 mm und 6 mm beträgt.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) elektrolytisch aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) elektrolytisch auf den Grundkörper (2) der Bremsscheibe (1) aufgebracht wird.