DE102009003161A1

DE102009003161A1 - Beschichtete Leichtmetallscheibe und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009003161A1
Application number: DE102009003161A
Authority: DE
Inventors: Clemens Maria Verpoort; Maik Broda
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine beschichtete Leichtmetallscheibe, insbesondere eine Bremsscheibe, mit einer Tragscheibe (10), insbesondere aus einer thermisch beständigen Leichtmetall-Legierung, und einer wärmedämmenden Reibschicht (30), die aus einer Nanokristalle aufweisenden Metall-Legierung gebildet ist. Die Reibschicht (3) kann ohne zusätzliche isolierende Zwischenschicht direkt auf die Tragscheibe (10) aufgebracht werden, durch ihre wärmeisolierende Wirkung erfolgt nur ein gemäßigter Wärmeeintrag in die Tragscheibe (10) selber.

Description

Die Erfindung betrifft beschichtete Leichtmetallscheiben, insbesondere Bremsscheiben, und Verfahren zu ihrer Herstellung.
Häufig sind reibbelastbare Scheiben Bremsscheiben oder Kupplungsscheiben, wie sie bei Fahrzeugen, eingeschlossen Schienenfahrzeugen, aber auch Seilbahnen u. dgl. eingesetzt werden. Bremsscheiben dienen dazu, Bewegungsenergie in Reibungswärme umzuwandeln. Aufgrund der dabei schnell anfallenden großen Wärmemengen ist es notwendig, wärmeableitende Maßnahmen zu treffen und Materialien einzusetzen, die thermisch beständig sind.
Es ist Stand der Technik, in der Automobiltechnik dafür Eisenlegierungs-Tragscheiben – bspw. aus Eisen-Grauguß – mit darauf aufgebrachten Verschleißschichten zu verwenden. Derartige Bremsscheiben auf Eisenlegierungsbasis haben unter anderem den Nachteil hohen Gewichts. In Anbetracht des ständig zunehmenden Bedürfnisses nach Gewichtseinsparung wird einerseits versucht, dieses schwere Tragscheiben-Material durch leichtere Materialien zu ersetzen – andererseits wächst der Bedarf an Hochleistungsbremsen, welche ausgezeichnete Bremseigenschaften, hohen Bremskomfort und gleichzeitig möglichst lange Lebensdauer haben. Leichtmetall hat den Nachteil, daß es andere Beschichtungen benötigt und hinsichtlich der thermischen Beständigkeit andere Eigenschaften aufweist.
Auch in anderen Bereichen sind leichtgewichtige, aber verschleißfeste Scheiben gefragt – so bei Schienenfahrzeugen, um dem Leichtbauerfordernis, Energieersparnis- und Standzeitanforderungen genügen zu können. Bei Kupplungsscheiben ist es erwünscht, leichte Scheiben wegen schnellerer möglicher Drehbeschleunigung und einer Gewichtsersparnis insgesamt zu haben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Automobil-Bremsscheiben erläutert, sie ist jedoch keinesfalls auf diese beschränkt.
Der übliche Verschleiß von Bremsscheiben kommt durch die Belastung der Bremsflächen zu Stande. Daher ist es sehr wichtig, daß diese Bremsflächen abriebresistent und gegenüber thermischen Belastungen stabil an die Tragscheibe haften. Ein weiterer Verschleiß bei Bremsscheiben kann ein sog. ”Streichelverschleiß” sein, der durch Formfehler und Materialschlußfehler an der Trägerscheibe selbst entsteht, die ungleichen Abrieb begünstigen. Verzug der Scheibe beim Bremsen aufgrund von Maßungenauigkeiten und Materialproblemen führt ebenfalls zu ungleichmässiger Abnutzung. Schließlich sind Korrosionsschäden an den Bremsscheiben, wie sie bei längerem Stand des Fahrzeugs auftreten, ebenfalls lebensdauerverkürzend für dieselben.
Derartige Bremsscheiben sind bspw. aus der DE 10 2004 052 673 A1 ; der DE 103 42 743 A1 oder der EP 1013956 B2 bekannt.
In der EP674115 wird nun vorgeschlagen, als Bremsscheiben Cermet-Materialien auf Leichtmetalltragscheiben einzusetzen. Auf eine Aluminiumlegierungs-Tragscheibe wird Keramikmaterial im wesentlichen aus Aluminium- und Titanoxid aufgebracht. Wegen Haftungsproblemen zwischen dem Aluminium mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Keramikschicht mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die Tragscheibe zunächst mechanisch aufgerauht – bspw. durch Sandstrahlen oder andere mechanische Verfahren, die eine unebene große Oberflächenstruktur liefern, aber auch durch Anätzen, Elektroerosion, Laser etc. Ferner können thermisch isolierende Haftvermittlerschichten verwendet werden, wie eine NiCrAlY Schicht, die hindern, daß die kurzzeitig auftretenden Wärme an den Aluminiumträger übertragen wird und somit eine Ausdehnung des Aluminiumträgers durch Erwärmung begrenzen.
Wenn die Aluminium-Tragscheibe weniger hohen Temperaturen ausgesetzt wird, ist die Differenz der Ausdehnung zwischen Tragscheibe und Beschichtung geringer und die Beschichtung hat bessere Haftung an der Tragscheibe als die eigentliche Reibschicht alleine. Als Verschleißschichten werden bei diesem Dokument z. B. Ni-Cr/CrCarbid-Schichten gebildet.
Dazu wird ein Aluminium-Tragscheibe zunächst mit einer NiCrAlY Bindungsschicht plasmagespritzt, anschließend die Verschleißschicht pulvergespritzt. Die Bindungsschicht kann auch durch eine rein mechanische Bindung zwischen Aluminiumlegierungs-Tragscheibe und einer pulvermetallurgisch hergestellten Cermet-Verschleißschicht ersetzt werden.
Generell ist aber festzustellen, dass die in der EP 674115 verwendeten Legierungen und Verfahren auch aufgrund der hohen Anforderungen an die Bremsen – es handelt sich dabei um Bremsen für Schienenfahrzeuge, insbesondere solchen für hohe Geschwindigkeiten, die extreme Belastungen ausgesetzt sind – sehr aufwendig und für die Massenfertigung ungeeignet sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Scheiben mit Leichtmetallgrundkörpern, insbesondere für die Massenfertigung, weniger aufwendig bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Scheibe, insbesondere Bremsscheibe mit einer Leichtmetalltragscheibe aus thermisch beständiger Leichtmetall-Legierung und einer wärmedämmenden Reibschicht aus Nanokristalle aufweisender Metall-Legierung.
Dadurch, dass nun für die Tragscheibe und die Reibschicht Metallschichten eingesetzt werden, können ähnliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Schichten erzielt werden. Dadurch treten weniger Verbindungsprobleme zwischen Trägerscheibe und Reibschicht auf und aufwendiges Befestigen kann vermieden werden, da die Verbindung zwischen beiden Metallen bei der Bremstemperaturerhöhung aufgrund geringerer Ausdehnungsdifferenz weniger belastet wird.
Überraschenderweise ist festgestellt werden, dass nanokristalline Metallschichten einen erheblich geringere Wärmeleitfähigkeit als Metallschichten der gleichen Zusammensetzung mit gröberem Korn aufweisen. Dies liegt daran, daß sich die physikalischen Eigenschaften von Materialien drastisch ändern, sobald sie nicht mehr homogen sind. Normalerweise beherrscht das Korninnere das Verhalten des Materials. Dann, wenn die Kristallitgröße aus dem mm-Bereich in den Nanometerbereich wechselt, liegt ein anderes Verhältnis: Korngrenzenoberfläche und Korninneres vor. Der Korngrenzenbereich und dessen Eigenschaften bestimmen in zunehmendem Maß die Eigenschaften und führen zu ”gestörten Bereichen” im Kristallgitter. Diese gestörten Bereiche sind als amorph anzusehen. Derartige gestörte Bereiche haben Durchmesse in der Größenordnung von 1–3 nm. Bspw. hat Kupfer bei einer Korngrösse im mm-Bereich gute elektrische Leitfähigkeit, wie bspw. aus die Herstellung von aus Kupferpulver stranggepreßten Drähten bekannt ist. Falls jedoch Kupfer mit Korngrößen in Nanometerbereich verwendet wird, ist Kupfer ein schlechter thermischer und elektrischer Leiter, weil das Material dann zu einem hohen Volumenanteil ”gestörte Bezirke” aufweist. ”Gestörte Bezirke” sind solche, in denen unterschiedliche Kristallstrukturen und amorphe Bereiche auftreten. Für die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist aber eine regelmäßige Anordnung des Kristallgitters notwendig, damit sich Leitungsbänder für Elektronen bilden können.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass über thermische Spritzverfahren Nano-Schichten aufgebracht werden können. So ist es möglich, auf Metallgrundkörpern Metall-Isolationsschichten aufzubringen ohne die Vorteile der Metall/Metall-Haftung zu verlieren. Da Metallschichten aneinanderstoßen, können ggf. an den Grenzen beider Materialien die Haftung fördernde Diffusionsvorgänge stattfinden und aufgrund ähnlicher Ausdehnungskoeffizienten ist die Verbindung weniger stark bei thermischer Beanspruchung belastet.
Anstelle der in den bekannten Bremsscheiben eingesetzten thermisch isolierenden Keramikschichten können erfindungsgemäß nun auch preiswertere und mit dem metallischen Träger kompatible metallische Materialien, die aufgrund der Nano-Struktur thermisch isolierend sind, eingesetzt werden, ohne ihre sonstigen vorteilhaften Eigenschaften, wie gute Haftung an anderen Metallschichten, Duktilität und ähnliches zu verlieren.
Zur Verbesserung der Haftung können zusätzlich haftvermittelnde Schichten aufgebracht oder aber Flußmittel beim thermischen Spritzen eingesetzt werden, um etwaige Oxide auf der Leichtmetallschicht, welche das Anhaften einer neuen Metallschicht hindern, zu entfernen/zu reduzieren.
Es ist vorteilhaft, die nanokristalline Metallschicht durch thermisches Spritzen herzustellen. Derartige thermische Spritzverfahren sind Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Kaltgasspritzen, Laserspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen. Für die Herstellung von Nano-Strukturen sind alle Verfahren günstig, die zu einer sehr starken Zerstäubung der Schmelzetröpfchen führen – wie hohe Gasgeschwindigkeiten am Düsenaustritt und ggf. auch hohe Temperaturen der Schmelze, die dann leichter zerstäubt.
Günstig für das thermische Spritzverfahren ist insbesondere für in Drahtform vorlegbare Spritzmaterialien das Plasma-Spritzen, und dort insbesondere das plasma transferred wire arc (PTWA) Spritzen. Dieses ist bspw. in der SAE 08M-271 für die Beschichtung von Motorblöcken beschrieben, wobei auf die Offenbarung dieser Druckschrift in vollem Umfang Bezug genommen wird. Es kann aber auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eingesetzt werden, welches den Vorteil hoher Gasbeschleunigung im Spritznebel hat.
Beim Auftreffen sehr kleiner, geschmolzener Metalltröpfchen werden wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit derselben Nano-Strukturen beim Abkühlen gebildet, die zu den erwünschten Eigenschaften der wärmedämmenden Schicht führen. Das Verfahren ist unproblematisch an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und kann bspw. durch die Wahl des Transportgases in der so gebildeten wärmedämmenden Schicht Oxidation verhindern oder aber durch Zufügen von entsprechenden Gasen, wie Stickstoff oder kohlenstoffhaltiger Gase das Entstehen von harten Nitriden und Carbiden fördern.
Wird Kaltgasspritzen verwendet, muß das Spritzpulver schon vorher nano-kristallin sein, da die Partikel im Spritzpulver beim Spritzen nicht flüssig werden. Die nur ca. 200°C warmen Partikel werden kalt mit so hoher Geschwindigkeit aufgeschleudert, dass die kinetische Energie der Partikel in Wärme und plastische Verformung umgewandelt. Damit erfolgt eine sehr gute Verklammerung der Partikel untereinander und mit dem Grundmaterial.
Aus Gewichtsersparnisgründen und auch aufgrund der mechanischen Eigenschaften einer leichtgewichtigen Bremsscheibe wird ein Tragscheibe aus Leichtmetall-Legierung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium-Legierungen, Magnesium-Legierungen, Titan-Legierungen, alle vorstehenden auch als Hartstoff- und/oder faserverstärkte Legierungen, eingesetzt. Besonders faserverstärkte Legierungen haben den Vorteil geringeren Verzugs bei thermischer Belastung und damit höherer Standfestigkeit.
Nachfolgend wird unter Legierung sowohl das Metall selbst, seine Legierungen als auch deren mit Hartstoffen oder Fasern verstärkte Formen verstanden.
Dabei eignen sich in vorteilhafter Weise für die wärmedämmende Schichten solche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus nanokristallinen Eisenlegierungen, nanokristallinen Aluminiumlegierungen.
Von den Eisenlegierungen sind in einigen Fällen besonders nanokristalline Stahllegierungen aufgrund ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit sowie ihrer ohnehin schlechten Wärmeleitfähigkeit geeignet.
Die Leichtmetalltragscheiben können aus Leichtmetall-Strangpreßprofilen in preisgünstiger Weise hergestellt werden. Verfahren zum Strangpressen von Leichtmetall sind bekannt und umfassen sowohl das Strangpressen von Leichtmetallpulver als auch das Strangpressen von Vollmaterial, wobei Aluminium-Materialien mit hoher Warmfestigkeit, die anhand der bekannten Tabellen, wie den einschlägigen Nachschlagewerken für Legierungen (z. B. Aluminiumschlüssel, Dr. John Datta, Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation, Düsseldorf), ermittelbar sind, bevorzugt sind.
Das Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Tragscheibe gemäß der Erfindung weist folgende Schritte auf: Vorlegen eines Leichtmetallgrundkörpers – die Tragscheibe – und thermisches Aufspritzen einer mechanisch widerstandsfähigen Metall-Legierung unter die Bildung von Nanopartikeln in der Spritzschicht fördernden Bedingungen auf. Besonders für leicht in Drahtform erhältliches Spritzmaterial bietet sich PTWA als Auftragungsverfahren an. Dadurch kann, wenn das Material im PTWA-Brenner verarbeitet wird, in der Plasmaflamme für sehr kurze Zeit ein Schmelztropfen entstehen, der dann durch das Sekundärgas, das die Zerstäubung des Tröpfchen bewirkt, als sehr kleine Tröpfchen auf die Oberfläche des Zielmaterials – hier also der Tragscheibe selbst oder aber auf eine darauf befindliche Schicht, wie eine Haftvermittlerschicht, in Form von Splats – bspw. mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 30–60 Micrometer und einer Dicke von nur 10–15 Micrometer, abgeschieden. Diesen kleinen Splats mit sehr geringer Wärmekapazität wird nun beim Auftreffen auf den Untergrund sogleich Wärme entzogen mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 × 10⁶°C/sec. Dadurch erstarrt die Schmelze glasartig, da die Abkühlgeschwindigkeit für Kristallbildung zu hoch ist, und die Splats bleiben amorph. Bei Aufprall der nächsten Splats mit hoher Temperatur findet dann durch den Temperaturanstieg in der Splat-Schicht das Ausscheiden von Nano-Kristalliten statt. Dies konnte durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Untersuchung der so gebildeten Schichten bestätigt werden, wobei sich für die ausgeschiedenen Kristallite bei Verwendung von PTWA und Chromstahl-Legierung als Spritzdraht Kristallgrößen von etwa unter 100 Nanometer, bspw. 60 Nanometer ergaben.
Falls die Anhaftung der gespritzten wärmedämmende Schicht verbessert werden soll, kann ggf. die Oberfläche des Leichtmetallgrundkörpers vor dem thermischen Spritzen durch chemische und/oder mechanische Bearbeitung vorbereitet werden. Als mechanisches Verfahren bietet sich das Aufrauhen durch Rillen, Sand- oder Kugelstrahlen, Anschleifen, Prägen an. Es können aber auch Laserbehandlungen eingesetzt werden. Leichtmetallgrundkörper können aber auch chemisch vorbereitet werden, durch Anätzen, Entfetten und andere Verfahren, wie sie dem Fachmann geläufig sind.
Ggf. kann es günstig sein, wenn die chemische Adhäsion zwischen wärmedämmende Schicht und Tragscheibe unzureichend erscheint, dass vor der wärmedämmende Schicht ein Haftvermittler auf die Oberfläche des Leichtmetallgrundkörpers aufgebracht wird. Eine typische Haftvermittlerschicht für eine Aluminiumbasis und Stahl-Reibschicht ist ein Nickel/Aluminium-Haftgrund.
Das Anhaften aber auch mechanisch durch Formschluß zwischen den Schichten verbessert werden, z. B. durch Nuten mit Hinterschnitten, insbesondere durch eine Schwalbenschwanzgeometrie.
Wenn hier die Rede von Tragscheiben ist, so soll dies nur examplarisch die Anwendung für Reibscheiben wie Bremsscheiben oder Kupplungsscheiben verdeutlichen. Dieses Verfahren zur Beschichtung kann bei allen reibbelasteten mechanischen Komponenten Verwendung finden, die einen Leichtmetallgrundkörper und eine Reibschicht aufweisen, also auch Bremstrommeln, Reibtrommeln, Konuskupplungen, Synchronringe etc.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie der Zeichnung, auf welche sie keineswegs eingeschränkt ist, näher erläutert. Darin zeigt:
1 schematisch eine beschichtete Tragscheibe im Querschnitt;
2 schematisch ein Detail einer beschichteten Tragscheibe, bei der eine Schwalbenschwanz-Verzahnung zwischen den Schichten ausgebildet ist;
3 schematisch eine PTWA-Anlage beim Aufspritzen der wärmedämmende Schicht auf eine Tragscheibe; und
4 schematisch in zeitlicher Abfolge den Ablauf der Strukturumwandlung von durch das PTWA gebildeten Glas-Splats mit nachfolgender Kristallitbildung in denselben.
In 1 ist schematisch eine Bremsscheibe für Landfahrzeuge dargestellt. Diese weist eine Tragscheibe 10 mit einer Befestigungsöffnung 20 und eine darauf aufgebrachte Reibschicht 30 auf. Die Größenverhältnisse sind dabei nicht maßstäblich.
In 2 ist der vergrößterte Ausschnitt A aus 1 dargestellt. Auf der Tragscheibe 10 sind schwalbenschwanzförmige Nuten 11 eingebracht, wodurch die die aufgespritzte Reibschicht 30 mechanisch mit der Tragscheibe 10 verklammert ist und damit eine sehr gute Haftung der Reibschicht 30 auf der Tragscheibe 10 erzielt wird.
In 3 ist schematisch ein Auftragungsanlage für das PTWA-Spritzverfahren gezeigt. Ein PTWA-Spritzkopf schmilzt mittels Plasma einen Metalldraht 14, verdüst über das Transportgas, ggf. unter Einsatz von Sekundärgas, im Plasma geschmolzenes Metalldrahtmaterial 14 und transportiert es mit hoher Geschwindigkeit auf die Tragscheibe 10. Dort bildet sich, wie in 4 gezeigt, zunächst ein amorphes glasartiges Splat 32, in welchem danach beim Erwärmen durch die nächsten auftreffenden Splats – wie aus der darunter liegenden Darstellung ersichtlich, teilweise Kristallite 34 in den Splats geringer Abmessungen gebildet werden. Eine einheitliche Kristallstruktur wird aufgrund der schnellen Abkühlung des Gefüges nicht gebildet, sondern es verbleiben amorphe und ungeordnete Bereiche 36. Beim Auftreffen neuer Splats auf die bereits abgeschiedenen Splats finden ferner sinterartige Diffusionsvorgänge an den Splatgrenzen unter Herstellung der Reibschicht 30 statt. Eine derartig hergestellte Spritzschicht weist eine sehr große Härte auf, eine gute Abriebsfestigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und ein relative gutes thermisches Isolationsvermögen. Die so hergestellte Spritzschicht eignet sich somit besonders für die Verwendung der Reibschicht 30 bei Bremsscheiben und anderen reibbelasteten mechanischen Bauteilen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für Bremsscheiben für Landfahrzeuge aufgeführt:
Beispiel 1
Bremsscheibe für Kraftfahrzeuge mit mechanisch befestigter Verschleißschicht:
Ein pulvermetallurgisch hergestellte Tragscheibe 10 aus der thermisch standfesten Aluminiumlegierung AlSi20Fe5Ni2, verstärkt mit 10%SiC, wird mit einem Schwalbenschwanzprofil 11 versehen.
Auf dieser mit Schwalbenschwanz-Geometrie 11 versehenen Tragscheibe 10 wird mittels PTWA mit einem Stahl-Spritzdraht eine FeCrBSiC Spritzschicht aufgebracht Der Stahl-Spritzdraht weist folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten auf: Eisen (Fe); Chrom (Cr) 20–40%, bevorzugt 25–35%; Bor (B) 3,5–4,4%, bevorzugt 3,7–4%; sowie geringe Mengen C und Si.
Die derart hergestellte Bremsscheibe zeigte bei einer Gewichtsersparnis gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bremsscheiben von etwa 30% ein ähnliche Standfestigkeit und Korrosionsfestigkeit.
Beispiel 2
Bremsscheibe für Kraftfahrzeuge mit metallurgisch/chemisch befestigter Verschleißschicht:
Eine im Kokillenguß gefertigte Tragscheibe 10 aus der Aluminiumlegierung AlSi20Fe5Ni2 wird gesandstrahlt. Kurz nach dem Sandstrahlen wird, um die Oxidation der freigelegten Oberfläche zu verhindern, eine Ni-Al-Legierung, bevorzugt 95/5, oder eine Ni-Cr-Legierung, bevorzugt 80/20, als Haftvermittler 24 auf die Tragscheibe 10 aufgebracht.
Auf die Haftvermittlerschicht wird mittels PTWA mit einem Stahl-Spritzdraht mit einem Kern aus Kaliumaluminiumfluorid als Flußmittel eine FeCrBSiC Spritzschicht aufgebracht. Der Stahl-Spritzdraht weist folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten auf: Eisen (Fe); Chrom (Cr) 20–40%, bevorzugt 25–35%; Bor (B) 3,5–4,4%, bevorzugt 3,7–4%; sowie geringe Mengen C und Si.
Die derart hergestellte Bremsscheibe weist gegenüber herkömmlichen Bremsscheiben mit einem Eisengußtragkörper eine Gewichtsersparnis von 30% auf bei gleichem oder besserem Verhalten hinsichtlich Standfestigkeit und Korrosionsfestigkeit.
Der Spritzdraht mit Flußmittelkern hat den Vorteil, daß Oberflächenverunreinigungen, wie Oxide, auf dem Untergrund durch das Flußmittel angeätzt oder zerstört werden, was das Anhaften der Spritzschicht verbessert. Der flußmittelgefüllte Spritzdraht ist bspw. herstellbar durch Aufbringen von Flußmittelpulver auf Metallblech, Rollen des Blechs zu einem Rohr und anschließendes Ziehen der Rolle auf einen gewünschten Drahtdurchmesser. In der so aufgebrachten Chromstahlschicht konnten Nano-Strukturen in den damit über PTWA hergestellten Schichten mittels Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen werden. Diese TEM-Aufnahmen zeigten einen mittleren Teilchendurchmesser der Splats von 60 μm und teilkristalline Strukturen mit Kristallgrößen von um 50 nm.
Beispiel 3
Bremsscheibe für Kraftfahrzeuge mit metallurgisch/chemisch befestigter Verschleißschicht:
Ein Tragscheibe aus der stranggepreßten thermisch standfesten Aluminiumlegierung AlSi20Fe5Ni2 wird durch ein geeignetes Aufraufverfahren mechanisch aufgerauht. Danach wird eine Ni-Al-Legierung, bevorzugt 95/5, oder eine Ni-Cr-Legierung, bevorzugt 80/20, als Haftvermittler 24 auf die Tragscheibe 10 aufgebracht.
Auf die Haftvermittlerschicht wird der durch Flammspritzen mit einer Brenngas-Sauerstoffflamme pulverförmige Stahllegierung als Beschichtungswerkstoff erhitzt und unter Zuführung zusätzlicher Druckluft mit hoher Geschwindigkeit auf die Aluminiumträgerscheibe gespritzt. Die pulverförmige Stahllegierung weist folgende Zusammensetzung auf, wobei die Angaben in Gewichtsprozenten sind: Eisen (Fe); Chrom (Cr) 22–28%; Bor (B) 1,5–4,5%; Molybdän (Mo) 3–4,5%; Wolfram (W) 1–6,8%; Niob (Nb) 3–4%; Silizium (Si) 0,2–1,2%; Kohlenstoff (C) 0,1–1%; Mangan (Mn) 0,5–0,9%; Nickel (Ni) 0,2–0,5%.
Das Verfahren arbeitet mit einer Flamme aus Brenngas-Sauerstoffgemisch, welche die geschmolzenen Werkstoffe mitreißt und erhitzt. Als Spritzschicht wird ein Pulver der folgenden Zusammensetzung aufgebracht:

Die derart hergestellte Bremsscheibe zeigte bei einer Gewichtsersparnis gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bremsscheiben von 30% und mehr ein vergleichbares Verhalten hinsichtlich Standfestigkeit und Korrosionsfestigkeit.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben wurden, sind Fachleuten, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, auf den sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert sind, offensichtlich.

10: Tragscheibe
11: Schwalbenschanznuten
12: PTWA-Spritzdüse
14: Metalldraht
30: Reibschicht
32: glasartiges Splat
34: Kristallite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004052673 A1 [0007]
- DE 10342743 A1 [0007]
- EP 1013956 B2 [0007]
- EP 674115 [0008, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- SAE 08M-271 [0020]
- Dr. John Datta, Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation, Düsseldorf [0027]

Claims

Beschichtete Leichtmetallscheibe, insbesondere Bremsscheibe, mit einer Tragscheibe (10), insbesondere aus einer thermisch beständigen Leichtmetall-Legierung, und einer wärmedämmenden Reibschicht (30), die aus einer Nanokristalle aufweisenden Metall-Legierung gebildet ist.
Scheibe nach Anspruch 1, wobei zwischen der wärmedämmenden Reibschicht (30) und der Tragscheibe (10) mindestens eine Haftvermittlerschicht liegt.
Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nanokristalline wärmedämmende Reibschicht (30) hergestellt ist durch thermisches Spritzen.
Scheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Flammspritzen, Draht-Plasmaspritzen.
Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Legierung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium-Legierungen, Magnesium-Legierungen, Titan-Legierungen.
Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Legierung der wärmedämmenden Reibschicht (30) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenlegierungen, Aluminiumlegierungen.
Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmedämmende Reibschicht (30) eine Stahllegierung ist.
Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragscheibe (10) hergestellt ist aus Aluminiumlegierungs-Strangpreßprofil.
Verfahren zum Herstellen einer mechanisch widerstandsfähigen beschichteten Leichtmetallscheibe, insbesondere einer Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch: – Vorlegen eines Leichtmetallgrundkörpers und – thermisches Spritzen einer mechanisch widerstandsfähigen Metallegierung unter die Bildung von Nanopartikeln in der Spritzschicht fördernden Bedingungen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Leichtmetallgrundkörpers vor dem thermischen Spritzen durch chemische und/oder mechanische Bearbeitung vorbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9–10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der wärmedämmenden Reibschicht ein Haftvermittler auf die Oberfläche des Leichtmetallgrundkörpers aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Kaltgasspritzen, Laserspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzverfahren Draht-Plasmaspritzen (PTWA) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzverfahren Flammspritzen ist.