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DE102007020891A1 - Lined brake disc for rail- or commercial road vehicles, is formed as spray-compacted metal coating containing embedded ceramic particles - Google Patents

Lined brake disc for rail- or commercial road vehicles, is formed as spray-compacted metal coating containing embedded ceramic particles Download PDF

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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Abstract

The friction coating of the brake disc (7) is formed as a spray-compacted coating on the supporting body. It is a set molten metal containing embedded ceramic particles. The body is cast iron, cast steel, forged steel, cast iron containing spheroidal graphite, aluminum or aluminum alloy. The friction coating contains metals with higher thermal conductivity than that of the body. It contains copper and/or metals with a lower coefficient of thermal expansion than that of the body. The particles are SiC, Al2O3 or other ceramics. To make the brake disc, the supporting body is cast or forged, and prepared. Any oxide layer is removed from the surface to be compacted. The body is then preheated. The friction coating is sprayed-on. Disk and coating are cooled. The brake disc is finished by machining. During spraying, the molten metal is atomized using a gas, at a first nozzle (3) and sprayed onto the body. Simultaneously, hard particles (6) are blown into the spray jet of molten metal (4), by a second nozzle (5). The spray and particles impinge on the body at increased velocity. They bond with the surface of the body. Spraying is carried out in a protective atmosphere. The friction coating thickness achieved in this way, is up to about 10 mm. The coating is designed with gradient properties, i.e. the friction layer composition varies over its thickness. An independent claim IS INCLUDED FOR the method of making the brake disc.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The The present invention relates to a brake disk according to the The preamble of claim 1 and a method for the production a brake disc according to the preamble of the claim 8th.

Reibringe von Schienenfahrzeugen bestehen im Allgemeinen aus einem homogenen Werkstoff, z. B. aus Schmiedestahl, Stahlguß, Kugelgraphitguß, Grauguß oder Aluminium. Aluminium-Reibringe werden heute aus einer Keramikpartikel verstärkten Aluminiumlegierung mittels Gießverfahren hergestellt.friction rings rail vehicles generally consist of a homogeneous one Material, eg. B. from forged steel, cast steel, nodular cast iron, Gray cast iron or aluminum. Aluminum friction rings become today Made of a ceramic particle reinforced aluminum alloy produced by casting.

Um die Lebensdauer einer Bremsscheibe zu erhöhen, wäre es wünschenswert, die Verschleißschicht aus einem Werkstoff darzustellen, der verschleißfester als der kostengünstige Tragkörperwerkstoff ist.Around to increase the life of a brake disc would be it is desirable to remove the wear layer from one Represent material, the more wear-resistant than the cost-effective Supporting material is.

Folgende Verfahren sind hierzu bekannt:

  • – Plasmaspritzen im Vakuum
  • – 3-Schichtgießen
  • – Heißisostatisches Pressen einer aufgebrachten Pulverschicht (HIP-Verfahren).
The following methods are known:
  • - Plasma spraying in vacuum
  • - 3-layer casting
  • - Hot isostatic pressing an applied powder layer (HIP method).

Zur Kostenreduzierung wurden bisher zwei Alternativlösungen untersucht bzw. entwickelt.to Cost reduction has so far been two alternative solutions examined or developed.

Die erste Lösung besteht in einem Mehrschichtgießverfahren, wie es im Patent EP 0 846 884 B1 beschrieben ist. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe für Schienenfahrzeuge beschrieben, bei dem die Bremsscheibe durch zeitversetztes Aufeinandergießen von Schmelze des Tragkörpermaterials und Schmelze des Schichtmaterials hergestellt wird, wobei sich im Übergangsbereich der beiden Materialien ein Gradientengefüge bildet, die zuerst gegossene Schmelze auf eine Temperatur zwischen Gießtemperatur und eutektischer Temperatur abgekühlt wird, die Schmelze im Sandgieß-, Niederdruck-, Gegendruck- oder Vakuumverfahren oder einer Kombination dieser Gießverfahren vergossen und die gegossene Bremsscheibe anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird.The first solution consists of a multi-layer casting process as described in the patent EP 0 846 884 B1 is described. There, a method for producing a brake disc for rail vehicles is described, in which the brake disc is produced by time-delayed juxtaposition of melt of the support material and melt of the layer material, forming in the transition region of the two materials, a gradient structure, the first cast melt to a temperature between casting temperature and eutectic temperature is cooled, the melt in the Sandgieß-, low-pressure, counter-pressure or vacuum process or a combination of these casting shed and the cast brake disc is then subjected to a heat treatment.

Die zweite Alternativlösung ist das heißisostatische Pressen (HIP), bei dem unter Anwendung hoher Temperaturen, die kleiner als die Materialschmelztemperatur ist, und einer isostatischen Druckbeaufschlagung von mehreren Hundert MPa pulverförmige oder poröse Werkstoffe gleichmäßig verdichtet werden.The second alternative solution is the hot isostatic Pressing (HIP), in which under application of high temperatures, the smaller is the material melt temperature, and isostatic pressurization of several hundred MPa powdery or porous Materials are compressed evenly.

Das Plasmaspritzverfahren ist unwirtschaftlich und erlaubt nur das Aufbringen dünner Schichten. Dieses Verfahren wird deshalb nicht auf die Herstellung von Bremsscheiben verwendet.The Plasma spraying is uneconomical and allows only the application thin layers. This method is therefore not on used the manufacture of brake discs.

Die beiden anderen Verfahren ergeben unter Laborbedingungen gute Ergebnisse. Sie werden aber nicht in der Produktion eingesetzt, da sie nicht ausreichend prozeßsicher sind oder der Aufwand für die Qualitätssicherung unwirtschaftlich hoch ist.The both other methods give good results under laboratory conditions. They are not used in production because they are not sufficient are process-safe or the effort for quality assurance uneconomically high.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremsscheibe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe der gattungsgemäßen Art zu entwickeln, die die oben genannten Nachteile beseitigt und eine kostengünstige und prozeßsichere Herstellung von Bremsscheiben gewährleistet.Of the Invention is based on the object, a brake disc and a Method for producing a brake disk of the generic type To develop kind, which eliminates the above-mentioned disadvantages and a cost-effective and reliable production guaranteed by brake discs.

Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst.These Task is characterized by a brake disc with the characteristics of the characterizing Part of claim 1 and a method for producing a Brake disc having the features of the characterizing part of the claim 7 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.advantageous Embodiments are mentioned in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere im Vergleich zum HIP-Verfahren eine sehr kostengünstige Beschichtungsart. Auch die Prozeßsicherheit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, verglichen mit dem HIP- oder Schichtgießverfahren, erhöht.The inventive method is particularly in Compared to the HIP process, a very inexpensive type of coating. The process reliability is achieved by the invention Method, compared to the HIP or layer casting method, elevated.

Insbesondere ist das Verfahren auf alle Reibringgrundwerkstoffe anwendbar, so z. B. auf Grauguß, Stahlguß, Schmiedestahl, Kugelgraphitguß oder Aluminium.Especially if the method is applicable to all friction ring base materials, then z. B. on gray cast iron, cast steel, forged steel, nodular cast iron or Aluminum.

Außerdem kann unter verschiedenen verschleißreduzierenden Materialien wie beispielsweise SiC, Al2O3 oder Hartmetallpulver ausgewählt werden.In addition, among various wear-reducing materials such as SiC, Al 2 O 3 or hard metal powder can be selected.

Auch sind Kombinationen von Metallen möglich, die sich nicht durch Schmelzen mischen lassen.Also Combinations of metals are possible that are not mix by melting.

Als Verstärkungskomponenten sind möglich:
Oxide, Karbide, Nitride, Boride und Reinelemente wie C und Si.
As reinforcing components are possible:
Oxides, carbides, nitrides, borides and pure elements such as C and Si.

Verfahrensbedingt sind überdies beliebige Verschleißschichtdicken erzeugbar.Due process are also any wear layer thicknesses produced.

Desweiteren ist eine geringere Nachbearbeitung notwendig, da nur geringe Bearbeitungsaufmaße erforderlich sind.Furthermore a lower level of post-processing is necessary as only small machining allowances required are.

Als Reibbeschichtung auf Stahl- oder Graugußreibringen können Metalle mit sehr hoher Wärmeleitungsfähigkeit (z. B. Kupfer) oder geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, wodurch die Rißgefahr merklich reduziert werden kann, oder es können Metall- oder Keramikpartikel mit geringerem spezifischen Verschleiß als dem des Grundwerkstoffes aufgetragen werden.As a friction coating on steel or gray cast iron friction rings metals with very high thermal conductivity (eg copper) or low coefficients of thermal expansion can be used, whereby the risk of cracking can be significantly reduced, or it can metal or ceramic particles be applied with less specific wear than that of the base material.

Das Verfahren ist insbesondere für Bremsscheiben für Schienenfahrzeuge geeignet. Es ist aber auch für Nutzfahrzeugbremsscheiben anwendbar, da es, bedingt durch die großen Stückzahlen, auch in diesem Bereich sehr kostengünstig ist.The Method is especially for brake discs for Rail vehicles suitable. But it is also for commercial vehicle brake discs applicable, because it, due to the large quantities, too very cost effective in this area.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:One Embodiment will be described below with reference to the attached Drawings described. Show it:

1 ein Schaubild einer prinzipielle Anordnung zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens, 1 a diagram of a basic arrangement for the production of a brake disc by means of Sprühkompaktierverfahrens,

2 eine Schnittansicht einer Bremsscheibe mit sprühkompaktierter Reibbeschichtung. 2 a sectional view of a brake disc with spray-compacted friction coating.

Die prinzipielle Anordnung zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens ist in 1 dargestellt.The basic arrangement for producing a brake disk by means of the spray-compacting method is in 1 shown.

Als Sprühkompaktieren bezeichnet man ein Verfahren, das aus der Verdüsung einer metallischen Schmelze und der Abscheidung der erstarrenden Tröpfchen auf einem Substrat besteht.When Spray compacting is the name given to a process that consists of the atomization of a metallic melt and the deposition the solidifying droplets on a substrate.

Zur Herstellung einer Bremsscheibe mit diesem Verfahren wird zuerst ein Bremsscheibentragkörper gegossen und vorbearbeitet.to Making a brake disc with this procedure will be first a brake disk carrying body is poured and preprocessed.

Dieser Tragkörper kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aus Grauguß, Stahlguß, Schmiedestahl oder Kugelgraphitguß bestehen.This Supporting body may be made of aluminum or an aluminum alloy, cast iron, cast steel, forged steel or nodular cast iron.

Bei der Vorbearbeitung wird die während des Gießvorgangs entstandene Oxidschicht auf der zu kontaktierenden Tragkörperoberfläche mechanisch oder mit einem sonstigen Verfahren entfernt. Danach wird der Tragkörper vorgewärmt, um die Haftung der darauf aufzubringenden Reibbeschichtung zu erhöhen und um Eigenspannungen nach dem Abkühlen zu minimieren.at The pre-processing is done during the casting process resulting oxide layer on the contact surface to be contacted removed mechanically or by another method. After that will the support body preheated to the adhesion of it To increase applied friction coating and to residual stresses to minimize after cooling.

Fertigungsablauf (prinzipiell):Production process (in principle):

Das Depostimaterial (z. B. Aluminiumlegierung) für die Reibbeschichtung wird in einem Tiegel 1 geschmolzen und anschließend in einen trichterförmigen Verteiler 2 gekippt. Unter diesem Verteiler ist eine Zerstäubergasdüse 3 angeordnet, mit Hilfe derer die Metallschmelze zerstäubt und auf den Träger aufgesprüht wird. Das Treibgas erzeugt außerdem eine Schutzgasatmosphäre auf der zu kontaktierenden Tragkörperoberfläche.The Depostimaterial (eg aluminum alloy) for the friction coating is in a crucible 1 melted and then into a funnel-shaped distributor 2 tilted. Below this distributor is a nebulizer gas nozzle 3 arranged, with the aid of which the molten metal is atomized and sprayed onto the carrier. The propellant also generates a protective gas atmosphere on the contact surface to be contacted.

Gleichzeitig werden von einer zweiten Düse Hartpartikel (z. B. Keramikpulver) in den Metallschmelzensprühstrahl geblasen.simultaneously are hard particles (eg ceramic powder) from a second nozzle blown into the molten metal spray.

Die beiden Komponenten treffen unter hohen Geschwindigkeiten auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers auf und verbinden sich mit dieser. Das Aufsprühen der beiden Komponenten auf den Tragkörper wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Reibbelagdicke erreicht ist.The both components meet at high speeds on the to be coated surface of the brake disk carrying body up and connect with this. Spraying the two components on the support body is carried out so long until the desired friction lining thickness is reached.

2 zeigt einen Querschnitt durch eine solche in dieser Weise hergestellte Bremsscheibe. 2 shows a cross section through such a brake disc prepared in this way.

Abhängig von den Prozeßparametern läßt sich so eine dichte Schicht aus Komponenten herstellen, die sich nicht legieren lassen, aber als Reibbeschichtung die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Wärmeleitvermögen oder Rißfestigkeit aufweisen.Dependent of the process parameters can be so make a dense layer of non-alloy components let, but as a friction coating the desired properties in terms of wear resistance, thermal conductivity or Have crack resistance.

Die Reibbeschichtung besteht damit aus einer Mischung aus metallischem Werkstoff und Keramikpartikeln. Die verschleißreduzierenden Partikel bestehen bevorzugt aus SiC, können aber auch aus Al2O3 oder anderen keramischen oder metallischen Hartwerkstoffen bestehen.The friction coating thus consists of a mixture of metallic material and ceramic particles. The wear-reducing particles are preferably made of SiC, but may also consist of Al 2 O 3 or other ceramic or metallic hard materials.

In die Verschleißschicht bzw. Reibbschichtung 8 können außerdem auch Metalle mit einer erhöhten Wärmeleitung (z. B. Kupfer) oder einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten eingebracht werden, wodurch zusätzlich die Rißgefahr der Verschleißschicht reduziert wird.In the wear layer or Reibbschichtung 8th In addition, it is also possible to introduce metals with increased heat conduction (eg copper) or a low coefficient of thermal expansion, which additionally reduces the risk of cracking of the wearing layer.

Die Verschleißschicht bzw. Reibbeschichtung ist vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm dick (je nach Einsatzfall).The Wear layer or friction coating is preferably between 2 and 5 mm thick (depending on the application).

Die bevorzugte Keramik-Partikelgröße beträgt 10 bis 40 mm.The preferred ceramic particle size is 10 to 40 mm.

Die Reibbeschichtung 8 kann auch Gradienteneigenschaften aufweisen, d. h. die Zusammensetzung ändert sich über die Verschleißdicke (senkrecht zur Reiboberfläche).The friction coating 8th may also have gradient properties, ie the composition changes over the wear thickness (perpendicular to the friction surface).

Zu diesem Zweck werden die Massenströme aus den Sprühdüsen entsprechend seitlich verändert. Beispielsweise kann dadurch die Hartpartikelkonzentration an der Reiboberfläche höher sein als in der Nähe des Tragkörpers.To For this purpose, the mass flows from the spray nozzles changed accordingly laterally. For example, it can the hard particle concentration at the friction surface higher be as near the supporting body.

Allmähliche Änderungen der Werkstoffeigenschaften, vor allem im Bereich des Überganges zum Grundkörper wirken sich meist günstig in bezug auf Wärmespannungen aus, vor allem dann, wenn Reibbeschichtung und Tragwerkstoff unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.Gradual changes the material properties, especially in the area of the transition to the main body usually have a favorable effect in terms to thermal stresses, especially if friction coating and bearing material different thermal expansion coefficients exhibit.

11
Tiegelcrucible
22
Verteilerdistributor
33
Zerstäubergasdüseatomizing gas nozzle
44
MetallschmelzensprühstrahlMetallschmelzensprühstrahl
55
KeramikpartikeldüseKeramikpartikeldüse
66
KeramikpartikelsprühstrahlKeramikpartikelsprühstrahl
77
Bremsscheibebrake disc
88th
Verschleißschicht/ReibbschichtungWear layer / Reibbschichtung
99
Tragkörpersupporting body

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0846884 B [0006] - EP 0846884 B [0006]

Claims (13)

Bremsscheibe mit Reibflächen, vorzugsweise für Fahrzeuge, wobei die Bremsscheibe (7) einen Tragkörper (9) aufweist, der zumindest an einer seiner Reibflächen zum Zusammenwirken mit einem Bremsbelag ganz oder abschnittsweise mit einer Reibbeschichtung (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) als Sprühkompaktierungsbeschichtung auf dem Tragkörper (9) ausgebildet ist.Brake disc with friction surfaces, preferably for vehicles, wherein the brake disc ( 7 ) a supporting body ( 9 ), which at least on one of its friction surfaces for cooperation with a brake pad completely or partially with a friction coating ( 8th ), characterized in that the friction coating ( 8th ) as Sprühkompaktierungsbeschichtung on the support body ( 9 ) is trained. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) aus einer erstarrten metallischen Schmelze und darin eingelagerten Keramikpartikeln besteht.Brake disc according to claim 1, characterized in that the friction coating ( 8th ) consists of a solidified metallic melt and embedded therein ceramic particles. Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (9) aus Grauguss, Stahlguss, Schmiedestahl, Kugelgraphitguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.Brake disc according to claim 1 or 2, characterized in that the supporting body ( 9 ) consists of gray cast iron, cast steel, forged steel, nodular cast iron, aluminum or an aluminum alloy. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metalle mit einer Wärmeleitfähigkeit enthält, die größer ist als die des Tragkörpers.Brake disc according to one of the preceding claims, characterized in that the friction coating ( 8th ) Contains metals with a thermal conductivity which is greater than that of the support body. Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Kupfer enthält.Brake disc according to claim 4, characterized in that the friction coating ( 8th ) Contains copper. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metalle mit geringerer Wärmeausdehnung als die des Tragkörpers enthält.Brake disc according to one of the preceding claims, characterized in that the friction coating ( 8th ) Contains metals with lower thermal expansion than that of the support body. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) Metall- oder Keramikpartikel mit geringerem spezifischen Abrasivverschleiß als dem des Tragkörpers (9) enthält.Brake disc according to one of the preceding claims, characterized in that the friction coating ( 8th ) Metal or ceramic particles with a lower specific abrasion wear than that of the support body ( 9 ) contains. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) als Keramikpartikel SiC, Al2O3 oder andere Keramiken enthält.Brake disc according to one of the preceding claims, characterized in that the friction coating ( 8th ) as ceramic particles SiC, Al 2 O 3 or other ceramics. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a. Gießen oder Schmieden und Vorbearbeiten des Tragkörpers (9); b. gegebenenfalls Entfernen der Oxidschicht auf der zu kompaktierenden Oberfläche; c. Vorwärmen des Tragkörpers (9); d. Aufsprühen der Reibbeschichtung (8); e. Abkühlen der Reibbeschichtung (8) und des Tragkörpers (9); f. Fertigbearbeiten der Bremsscheibe (7).Method for producing a brake disk according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises the following method steps: a. Casting or forging and pre-processing of the supporting body ( 9 ); b. optionally removing the oxide layer on the surface to be compacted; c. Preheating the support body ( 9 ); d. Spraying the friction coating ( 8th ); e. Cooling the friction coating ( 8th ) and the supporting body ( 9 ); f. Finishing the brake disc ( 7 ). Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen der Reibbeschichtung derart erfolgt, dass die Metallschmelze von einer Zerstäubergasdüse (3) zerstäubt und auf den Träger aufgesprüht wird und gleichzeitig Hartpartikel von einer zweiten Düse (5) in den Metallschmelzensprühstrahl (4) geblasen werden, wobei die beiden Komponenten Metallschmelze und Hartpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers auftreffen und sich mit der Oberfläche des Bremsscheibentragkörpers verbinden.Method for producing a brake disk according to claim 9, characterized in that the spraying of the friction coating takes place in such a way that the molten metal is conveyed from a nebulizer gas nozzle ( 3 ) and sprayed onto the carrier and at the same time hard particles from a second nozzle ( 5 ) into the molten metal spray ( 4 ) are blown, wherein the two components molten metal and hard particles impinge on the surface to be coated of the brake disk carrier body at high speed and connect to the surface of the brake disk carrier body. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen der Reibbeschichtung (8) unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.Method for producing a brake disk according to one of claims 9 or 10, characterized in that the spraying of the friction coating ( 8th ) takes place under a protective gas atmosphere. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung dieser Verfahrens Reibbeschichtungsdicken bis etwa 10 mm realisiert werden.Method for producing a brake disc according to one of claims 9 to 11, characterized in that using this method friction coating thicknesses to about 10 mm can be realized. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbeschichtung (8) der art ausgelegt wird, dass sie Gradientencharakter aufweist, d. h. die Reibschichtzusammensetzung ändert sich über ihre Dicke.Method for producing a brake disk according to one of the preceding claims, characterized in that the friction coating ( 8th ) is designed such that it has a gradient character, ie the friction layer composition changes over its thickness.
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