Titel

Verfahren zum Herstellen eines Reibbremskörpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Reibbremskörpers, insbesondere Bremsscheibe, der einen Basiskörper mit einem Reibkontaktbereich aufweist, wobei auf dem Reibkontaktbereich eine Verschleißschutzschicht durch Laserauftragsschweißen mittels eines auf den Reibkontaktbereich gerichteten Laserstrahls hergestellt wird, wobei die Verschleißschutzschicht beim Laserauftragsschweißen mit zumindest einem pulverförmigen Zusatzstoff erzeugt wird.

Stand der Technik

Verfahren zur Herstellung von Reibbremskörpern der oben genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Zur Reduzierung des durch die Reibung im Betrieb auftretenden Verschleiß ist es bekannt, den Reibbremskörper mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen, die verschleißbeständig ist und dem Reibbremskörper eine hohe Lebensdauer gewährleistet. Zum Herstellen der Verschleißschutzschicht hat sich bereits das Laserauftragsschweißen als vorteilhaft erwiesen. Dabei wird die zu beschichtende Oberfläche des Basiskörpers mittels eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen und ein pulverförmiger Zusatzstoff hinzugefügt. Der Zusatzstoff wird vor Erreichen der schmelzflüssigen Oberfläche vom Laserstrahl zumindest teilverflüssigt oder vollständig aufgeschmolzen, sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der aufgeschmolzenen Oberfläche und dem Zusatzstoff entsteht. Im Vergleich zu thermisch gespritzten Schichten verfügen durch Laserauftragsschweißen aufgebrachte Schichten durch die stoffschlüssige Verbindung normalerweise eine höhere Schichthaftung und bessere Delaminationsbeständigkeit. Aus der Offenlegungsschrift EP 3 034902 Al ist beispielsweise ein entsprechendes Herstellungsverfahren, das ein Laserauftragsschweißen vorsieht, bereits bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei der Kombination von zumindest zwei unterschiedlichen pulverförmigen Zusatzstoffen diese nicht als Gemisch, sondern separat dem Laserauftragsschweißprozess zugeführt werden und individuell durch den Laserstrahl aufgeschmolzen werden, um eine optimale Fügung in der Verschleißschutzschicht zu gewährleisten. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zumindest zwei pulverförmige Zusatzstoffe gleichzeitig derartig hinzugefügt werden, dass ihre Verweildauer in dem Laserstrahl unterschiedlich lang ist. Dadurch wird erreicht, dass die unterschiedlichen Zusatzstoffe durch den Laserstrahl unterschiedlich beeinflusst werden, um beispielsweise zu gewährleisten, dass beide Zusatzstoffe vollständig durch den Laserstrahl aufgeschmolzen oder gezielt unterschiedlich stark geschmolzen werden.

Vorzugsweise wird jeder der Zusatzstoffe durch jeweils zumindest eine Düse auf den Basiskörper derart geblasen, dass er vor Erreichen des Basiskörpers in den Laserstrahl gelangt. Dadurch, dass die Zusatzstoffe durch jeweils eine Düse auf den Basiskörper geblasen werden, ist eine gezielte Ausrichtung eines Zusatzstoff- Strahls möglich, der das gezielte Erreichen und Nutzen des Laserstrahls auf kostengünstige Art und Weise ermöglicht.

Besonders bevorzugt werden die zumindest zwei Zusatzstoffe in unterschiedlichen Winkeln bezogen auf den Laserstrahl in den Laserstrahl eingeblasen. Durch die unterschiedlichen Einblaswinkel wird erreicht, dass die Zusatzstoffe unterschiedlich lange in dem Laserstrahl verweilen, bis sie den Basiskörper erreichen. Ist der Winkel zum Laserstrahl beispielsweise größer gewählt, so ist die Verweildauer kürzer im Vergleich zu einem kleinen Winkel. Dadurch ist in Abhängigkeit von dem eingestellten Winkel auf einfache Art und Weise die Verweildauer in dem Laserstrahl an den jeweiligen Zusatzstoff optimal anpassbar. Vorzugsweise werden die zumindest zwei Zusatzstoffe in gleichen oder unterschiedlichen radialem Abstand zu dem Laserstrahl auf gleicher oder unterschiedlicher axialer Höhe bezogen auf den Laserstrahl eingeblasen. Auch durch den radialen beziehungsweise seitlichen Abstand der Düsen zu dem Laserstrahl sowie dem axialen Abstand zu dem Basiskörper (der der axialen Höhe beziehungsweise einem Abstand in Ausrichtung des Laserstrahls entspricht), ist die Verweildauer des jeweiligen Zusatzstoffs in dem Laserstrahl in vorteilhafter Weise anpassbar.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Winkel derart gewählt werden, dass der jeweilige Zusatzstoff durch den Laserstrahl aufgeschmolzen, insbesondere möglichst vollständig oder möglichst unvollständig aufgeschmolzen wird. Durch die vollständige Aufschmelzung ist insbesondere die vorteilhafte stoffschlüssige Verbindung des jeweiligen Zusatzstoffs mit dem aufgeschmolzenen Bereich des Basiskörpers, insbesondere mit einer aufgeschmolzenen Eisenbasislegierung auf dem Basiskörper, gewährleistet. Durch die unvollständige Aufschmelzung kann unerwünschter zu hoher Aufschmelzgrad beziehungsweise Dissoziation des jeweiligen Zusatzstoffs vermieden werden.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der jeweilige Zusatzstoff aus zumindest zwei Düsen in zwei Stoffstrahlen in den Laserstrahl eingeblasen wird, sodass sich die Stoffstrahlen des jeweiligen Zusatzstoffs in dem Laserstrahl treffen. Durch das Einblasen von zwei Seiten wird erreicht, dass sich die Stoffstrahlen, die sich in dem Laserstrahl treffen, vorteilhaft miteinander vermengen und/oder gleichmäßig in der aufgeschmolzenen Oberfläche des Basiskörpers verteilen. Es entsteht somit durch das seitliche Einstrahlen eines Zusatzstoffs von zwei Seiten ein Treffpunkt, insbesondere innerhalb des Laserstrahls, an welchem sich die beiden Stoffstrahlen treffen und miteinander vermengen. Der Einblaswinkel der beiden Stoffstrahlen ist dann vorzugsweise gleich gewählt, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Falls sich die Stoffstrahlen aufgrund unterschiedlicher Materialdichten und/oder Volumenströme unterscheiden, können von einander abweichende Einblaswinkel vorteilhaft sein. Bevorzugt werden die Stoffstrahlen des jeweiligen Zusatzstoffs aus den zumindest zwei Düsen bezogen auf den Laserstrahl diametral gegenüberliegend oder gleichmäßig über den Umfang des Laserstrahls verteilt, eingeblasen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Stoffstrahlen der zumindest zwei Zusatzstoffe in einem Treffpunkt in dem Laserstrahl treffen. Somit treffen sich alle Stoffstrahlen, die bei dem vorliegenden Laserauftragsschweißen eingesetzt werden, in einer Stelle in dem Laserstrahl und werden vorteilhaft miteinander vermengt. Aufgrund des unterschiedlichen Einstrahlwinkels beziehungsweise des unterschiedlichen radialen Abstands zum Laserstrahl verweilen die Stoffstrahlen dabei vor Erreichen des Treffpunkts bereits unterschiedlich lange in dem Laserstrahl und werden dadurch unterschiedlich lange durch den Laserstrahl behandelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung treffen sich die Stoffstrahlen eines ersten Zusatzstoffs in einem ersten Treffpunkt im Laserstrahl und die Stoffstrahlen eines zweiten Zusatzstoffs in einem zweiten Treffpunkt im Verlauf des Laserstrahls, wobei die beiden Treffpunkte in Strahlrichtung des Laserstrahls beabstandet zueinander liegen. Auch hierdurch wird die Verweildauer der Zusatzstoffe im Laserstrahl weiter beeinflusst. Der zweite Treffpunkt liegt insbesondere in dem Laserstrahl vor Erreichen des Basiskörpers oder alternativ in dem Basiskörper, sodass der zweite Treffpunkt ein nur gedachter Treffpunkt ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden als Zusatzstoffe zwei Gruppen, nämlich Legierungen, insbesondere Eisen-Basislegierungen, und Hartstoffe, bei denen es sich um weitestgehend sortenreine Verbindungen wie Karbide, Nitride oder Boride handeln kann, hinzugefügt. Hierdurch ergeben sich vorteilhafte Eigenschaften der Verschleißschutzschicht in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 weist zumindest zwei Düsen zum Einblasen von Stoffströmen mit unterschiedlichen Zusatzstoffen in den Laserstrahl einer Laserstrahlquelle auf, wobei die Düsen derart ausgerichtet sind, dass die Stoffströme in unterschiedlichen Winkeln in den Laserstrahl einblasbar sind. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1 einen vorteilhaften Reibbremskörper in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung und

Figuren 2 und 3 vorteilhafte Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Herstellen des Reibbremskörpers.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachen perspektivischen Darstellung einen als Bremsscheibe 1 ausgebildeten Reibbremskörper einer hier nicht näher dargestellten Reibbremse 2 eines Kraftfahrzeugs. Die Bremsscheibe 1 ist kreisringförmig ausgebildet und dient dazu, mit einem verlagerbaren Bremsklotz der Reibbremse 2, der gegen zumindest einer der Stirnseiten der Bremsscheibe 1 pressbar ist, zusammenzuwirken. Ein optional vorhandener Bremsscheibentopf ist in Figur 1 nicht dargestellt.

Die Bremsscheibe 1 weist einen Basiskörper 3 auf, der kreisringförmig ausgebildet ist und auf seinen Stirnseiten jeweils eine Reibkontaktoberfläche 4 aufweist, die zum Zusammenwirken mit dem Bremsklotz der Reibbremse 2 dient. Der Basiskörper 3 ist vorzugsweise aus Grauguss gefertigt. Die Reibkontaktoberflächen 4 werden bevorzugt durch eine auf dem Basiskörper 3 ausgebildete Verschleißschutzschicht 5 gebildet.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Verschleißschutzschicht 5 durch Laserauftragsschweißen hergestellt. Figur 2 zeigt dazu in einer vereinfachten Darstellung eine vorteilhafte Vorrichtung 6 zur Durchführung des Laserauftragsschweißverfahrens. Die Vorrichtung 6 weist einen Arbeitskopf 7 auf, der eine Laserstrahlquelle 8 zur Erzeugung eines Laserstrahls 9 trägt, sowie eine Einrichtung 10 zum Ausblasen unterschiedlicher pulverförmiger Zusatzstoffe. Die Einrichtung 10 weist beispielhaft mehrere Düsen 11, 12, 13 und 14 auf, die an dem Arbeitskopf 7 gehalten sind. Dabei sind die Düsenpaare 13 und 14 beziehungsweise 11 und 12 rotationssymmetrisch um den Laserstrahl angeordnet und sind nur der Abbildbarkeit wegen als Paar dargestellt. Insbesondere sind je Rotationssymmetrie mindestens drei Düsen vorteilhaft. Bei der Verwendung von drei Düsen sind diese in einem Winkel von 120° versetzt angeordnet, bei Verwendung von vier Düsen ist ein Winkelversatz von 90° bevorzugt.

Bei der Aufteilung der Düsen 11 bis 14 ist die Rotationssymmetrie entlang des Laserstrahls 9 zu maximieren. Bei Verwendung von 2 x 3 Düsen sind die Düsen alternierend um je 60° zu versetzen.

Alternativ zu diskreten Düsen (Injektoren) können Ringspaltdüsen verwendet werden, die eine kontinuierliche Förderung (analog zur Mantelfläche einer auf der Spitze stehenden Pyramide mit runder Grundfläche) ermöglichen. Die Düsen 11 bis 14 sind dabei in einem bestimmten Winkel zu dem Laserstrahl 9 ausgerichtet, sodass ein die jeweilige Düse 11 bis 14 verlassender Stoffstrahl Sil bis S14 in einem vorbestimmten Winkel all, al2 beziehungsweise al3 und al4 zu dem Laserstrahl 9 beziehungsweise dessen Mittellängsachse 9‘ ausgerichtet ist.

Die Düsen 11, 12 dienen dabei dazu, einen ersten Zusatzstoff auszublasen. Die Düsen 13 und 14 dienen dazu, einen zweiten Zusatzstoff auszublasen. Wie in Figur 2 gezeigt, werden die Zusatzstoffe in den vorgegebenen Winkeln all bis al4 in den Laserstrahl 9 eingeblasen. Dabei entsprechen die Einblaswinkel der Düsen 11 und 12 einander und unterscheiden sich von den Einblaswinkeln al3 und al4 der Düsen 13 und 14, die ebenfalls gleich sind (all= a12 * a13= al4). Die Düsen 11 und 12 sind dabei auf unterschiedlichen Seiten beziehungsweise diametral einander gegenüberliegend an dem Arbeitskopf 7 angeordnet, ebenso wie die Düsen 13 und 14 zueinander. Dadurch treffen sich die Stoffstrahlen Sil, S12, S13, S14 der Düsen 11, 12, 13, 14 in dem Laserstrahl 9 in einem Treffpunkt TP1. Dabei sind die Düsen 11, 12 radial weiter von dem Laserstrahl beziehungsweise der Laserstrahlquelle 8 beabstandet an dem Arbeitskopf 7 angeordnet, als die Düsen 13, 14. Aufgrund der unterschiedlichen Einblaswinkel all, al2 einerseits und al3, al4 andererseits, wird gewährleistet, dass sich die Stoffstrahlen Sil bis S14 dennoch an dem Treffpunkt TP1 innerhalb des Laserstrahls 9 axial beabstandet zu dem Basiskörper 3 treffen.

Aufgrund der vorteilhaften Anordnung und Ausrichtung der Düsen 11 bis 14 wird erreicht, dass die beiden Zusatzstoffe unterschiedlich lang in dem Laserstrahl 9 verweilen. Aufgrund der kleineren Winkel a13, al4 sowie aufgrund der seitlichen Beabstandung zu der Laserstrahlquelle 8 wird erreicht, dass der durch die Düsen 13, 14 ausgeblasene zweite Zusatzstoff länger an dem Laserstrahl 9 verweilt, als der durch die Düsen 11, 12 ausgeblasene erste Zusatzstoff. Der Treffpunkt TP1 ist dabei derart gewählt, dass die Stoffstrahlen Sil bis S14 innerhalb des Laserstrahls 9 auf den Basisköper 3 treffen, sodass die Zusatzstoffe aufgeschmolzen werden und eine vorteilhafte stoffschlüssige Verbindung der eingeblasenen Zusatzstoffe mit dem aufgeschmolzenen Bereich des Basiskörpers 3 gewährleistet ist. Als erster Zusatzstoff wird vorliegend somit ein Zusatzstoff eingesetzt, der eine geringere Verweildauer im Laserstrahl benötigt, um aufgeschmolzen zu werden, im Vergleich zu dem zweiten Zusatzstoff. Umgekehrt kann das Prinzip auch verwendet werden, wenn beispielsweise ein Zusatzstoff nicht aufschmelzen soll. Beim Verarbeiten einer Eisenbasislegierung mit Chromcarbid beispielsweise soll die Eisenbasislegierung vollständig aufschmelzen, während es sich für Chromcarbid als vorteilhaft zeigt, wenn der Aufschmelzgrad möglichst gering ist. Für diesen Fall wird Chromcarbid bevorzugt derart eingedüst, dass die Interaktionszeit (Verweildauer) mit dem Laserstrahl 9 möglichst kurz ist.

Für den Fall, dass besonders hohe thermo-physikalische Unterschiede der Zusatzwerkstoffe bestehen, so wird für die beiden Zusatzstoffe jeweils ein eigener Treffpunkt durch den Einblaswinkel und die Einblasposition der Düsen 11 bis 14 eingestellt. Figur 3 zeigt hierzu in einer vereinfachten Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.

Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel treffen sich die Stoffstrahlen S13 und S14 in dem zuvor genannten Treffpunkt TP1 beabstandet zu dem Basiskörper 3. Die Stoffstrahlen Sil und S12 treffen sich hingegen in einem zweiten Treffpunkt TP2, der axial beziehungsweise in Strahlrichtung des Laserstrahls 9 beabstandet zu dem Treffpunkt TP1 liegt. Vorliegend liegt der Treffpunkt TP2 zwar in Strahlrichtung des Laserstrahls 9, jedoch innerhalb des Basiskörpers 3. Hierzu sind die Einblaswinkel all und al2 kleiner gewählt als im vorhergehenden Ausführungsbeispiel Hierdurch wird erreicht, dass der zweite Zusatzstoff über eine deutlich längere Verweildauer in dem Laserstrahl 9 verfügt als der erste Zusatzstoff, der durch die Düsen 11 und 12 ausgeblasen wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Verschleißschutzschicht Niobcarbid (NbC) und Edelstahl (beispielsweise einen Cr- oder CrNi-Stahl) auf. Aufgrund der höheren thermischen Stabilität von NbC verglichen mit Edelstahl, ist für NbC eine längere Interaktionszeit mit dem Laser anzustreben. Durch die Anpassung der Verweilzeit von Niobcarbid und Edelstahl über dem Basiskörper 3 in dem Laserstrahl 9, wird eine effektive Aufschmelzung der beiden Zusatzstoffe bis hin zur vollständigen Aufschmelzung gewährleistet. Der aufgeschmolzene Anteil des Niobcarbids scheidet sich während der Erstarrung fein verteilt als NbC in der Edelstahlmatrix aus und wirkt somit eine homogene Härteverteilung innerhalb der Beschichtung. Außerdem ermöglicht die Aufschmelzung der Oberfläche des restlichen Anteils der Karbide eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Matrix und Hartstoffen, wodurch verhindert wird, dass die Hartstoffe oder Karbide bei einer thermomechanischen Beanspruchung des Reibbremskörpers herausgelöst werden können. Somit ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass als zweiter Zusatzstoff Niobcarbid verwendet wird und einer längeren Verweildauer an dem Laserstrahl 9 bis zur vollständigen Aufschmelzung ausgesetzt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Verschleißschutzschicht aus Siliziumcarbid und Edelstahl gebildet. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Siliziumcarbids wird eine vorteilhafte Wärmeleitung von der Verschleißschutzschicht in den Basiskörper gewährleistet, wodurch die thermische Beanspruchbarkeit des Reibbremskörpers erhöht wird. Durch die Anpassung des Treffpunkts TP2 für das als ersten Zusatzstoff verwendete Siliziumcarbid gemäß Figur 3 reduziert sich die in das Siliziumcarbid zugeführte thermische Energie beim Laserauftragsschweißen, wodurch Dissoziation von SiC reduziert und eine Bildung von unerwünschten Fe-Si-Verbindungen in der Verschleißschutzschicht 5 weitestgehend verhindert werden, sodass insbesondere eine Versprödung der Verschleißschutzschicht 5 unterbunden wird.