BREMSELEMENT-TRÄGERKÖRPER; BREMSSCHEIBE ODER BREMSTROMMEL; VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BREMSELEMENT-TRÄGER-KÖRPERS

Die Erfindung betrifft einen Bremselement-Trägerkörper; eine Bremsscheibe oder Bremstrommel, eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh, ein Verfahren zur Herstellung eines Bremselement-Trägerkörpers, ein Verfahren zur Herstellung ei- ner Bremsscheibe oder Bremstrommel, ein Verfahren zur Herstellung einer Brems- belag-Rückenplatte oder Bremsschuh, eine Bremsscheibe oder Bremstrommel, eine Bremsbelag-Rückplatte oder einen Bremsschuh, sowie ein Bremssystem.

Schon seit einigen Jahrzehnten steht die Reduzierung der Feinstaub-Belastung so- -ie die Erhöhung der Lebensdauer zur Reduzierung von Abfall in der Industrie hoch im Kurs. In der Automobilindustrie wird dabei nicht mehr nur die Reduzierung der Abgasbelastung bei Verbrennungskraftmaschinen betrachtet. Auch der Abrieb von Reifen und Bremsen gewinnt immer mehr an Bedeutung, um die Feinstaub-Grenz- werte weiterhin einhalten zu können.

Hierzu können bei Kraftfahrzeugen sowohl mit einem Elektromotor als auch mit ei- nem Verbrennungsmotor verschleißresistentere Reibelemente für Bremsen beitra- gen.

Bremsscheiben für Fahrzeuge, Rad laufend oder Schienen geführt, oder für Indust- rieanlagen werden aus metallischen oder keramischen Werkstoffen gefertigt und weisen mehrere definierte Bereiche auf, die eine Funktion erfüllen. Einer dieser Be- reiche sind die Reibflächen von Bremsscheiben. Um die angestrebte Bremswirkung zu erreichen, wirken die Bremsbeläge mit einer definierten Normalkraft auf die Reib- flächen. Die auf die Reibflächen aufgebrachte kinetische Energie wird durch die Gleitreibung in thermische Energie, also Wärme, umgewandelt.

Bei herkömmlichen Bremsscheiben werden die Reibflächen der Bremsscheiben durch eine Lackierung oder einem oberflächlichen Besprühen der Reibflächen mit einem Korrosionsschutz versehen. Die hierfür verwendeten Materialien weisen meist geringe tribologische Qualität, also eine geringen Reibwert und einen hohen Verschleißabtrag, auf. Dieser ist nur kurzzeitig wirksam, da er aufgrund der Reibung beim Bremsvorgang schnell abgetragen wird.

Durch den Abtrag der Korrosionsschicht wird der Grundwerkstoff, zumeist Stahl oder Grauguss, voll freigelegt und die Korrosion kann ungehindert einsetzen. Fahr- zeuge, bei denen die klassische Bremsung mittels Bremsscheibe selten angefordert wird, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, setzt sich die Korrosion nach dem Abtrag der Deckschicht schnell fort. Dies führt zunächst zu einem stark erhöhten Verschleiß der Reibflächen der Bremsscheibe. Ferner kann in diesem Zustand eine Vollbremsung im Gefahrenfall infolge einer gewachsenen Rostschicht nicht im erforderlichen Maß ausgeführt werden und führt im schlimms- ten Fall zu einem Unfall oder anderen negativen Konsequenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik eine Verbesse- rung oder eine Alternative zur Verfügung zu stellen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Bremselement-Trä- gerkörper mit einem metallischen Grundkörper, wobei eine Oberfläche des Grund- körpers zumindest teilweise mit einer Legierung beschichtet ist, und wobei in einer Diffusionszone die Legierung in den Grundkörper diffundiert ist.

In bevorzugter Ausgestaltung wird der Grundkörper vollständig mit der Legierung beschichtet.

Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegen- den Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „min- destens ein...“, „mindestens zwei ..." usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein „genau zwei ..." usw. gemeint sein kön- nen.

Unter Diffusion wird im Allgemeinen ein Ausgleich eines Konzentrationsunterschie- des von mehreren Stoffen bis zum Erlangen eines Equilibriums verstanden. Die Dif- fusion kann dabei einen thermisch aktivierter Ausgleichsprozess eines Konzentrationsunterschiedes in einem Festkörper, in Flüssigkeiten oder Gasen ohne äußere Einwirkung sein. In einem perfekten Kristallgitter schwingt jedes Git- terteilchen um seinen festen Gitterplatz und kann diesen nicht verlassen. Für die Diffusion in einem kristallinen Festkörper ist daher das Vorliegen von Gitterfehlstel- len eine notwendige Voraussetzung. Denn nur wenn diese Gitterfehlstellen vorlie- gen können Atome oder Ionen ihren Platz wechseln und somit ein Stofftransport stattfinden. Hierbei sind im Allgemeinen verschiedene Mechanismen denkbar:

- Teilchen springen in Leerstellen des Gitters, so dass sich Leerstellen durch das Gitter bewegen und so eine Nettofluss von Teilchen erzeugen,

- Kleinere Teilchen können sich durch die Gitterzwischenräume bewegen, dies erzeugt einen hohen Diffusionskoeffizienten,

- zwei Teilchen tauschen die Plätze oder es findet ein Ringtausch zwischen mehreren Teilchen statt.

An den Diffusionsprozess der Legierung in den metallischen Grundkörper sind zwin- gend chemische Syntheseprozesse gekoppelt. Hierdurch werden die für die Ver- besserung der Verschleißfestigkeit verantwortlichen intermetallischen Verbindungen in der Diffusionszone gebildet. Die intermetallischen Verbindungen sind dabei in eine zähere und duktilere Mischkristall Matrix aus den Edukten der Diffusionspartner eingebettet, wobei diese heterogene Festkörper-Kombination un- terschiedlich charakterisierter Bestandteile die zentrale Voraussetzung für die an- gestrebte Funktionsoptimierung der Bremsscheiben ist.

Das Erscheinungsbild und das Eigenschaftsprofil der Mischkristall-Matrix weichen stark von dem von Metallen, aus denen sie hervorgingen, ab. Die intermetallischen Phasen sind dabei matt, intensiv gefärbt (hellgrau bis schwarzgrau) und hinterlas- sen bei ihrer mechanischen Bearbeitung eine glatte Oberfläche. Ferner sind sie durch ihre höhere Gitterenergie stabilisiert und weisen somit eine höhere Schmelz- temperatur auf als ihre Edukte. Zusätzlich ist Leitfähigkeit für Wärme und elektri- schen Strom reduziert und sie sind gegenüber chemischen Reaktionspartnern, das heißt gegenüber Oxydatoren wie Luft, Wasser, Elektrolyten und brönsted-aciden Medien, wesentlich reaktionsträger und somit korrosionsresistent und oxydations- stabil. Die Diffusionszone zeichnet sich zusätzlich durch eine höhere mechanische Festigkeit und erhöhte Härte aus.

Die Legierung wird dabei bevorzugt vollständig in den Grundkörper eindiffundiert. Anderenfalls werden noch auf der Oberfläche des Grundkörpers befindliche Legie- rungsreste von der Oberfläche entfernt.

Aufgrund der Diffusionszone des Bremselement-Trägerkörpers verbessern sich die tribologischen Eigenschaften des Materials und die Korrosionsbeständigkeit wird erhöht.

Sowohl der Schutz vor Korrosion als auch die Verschleißbeständigkeit können wei- terhin erhöht werden, wenn die Legierung auf Aluminium und Silicium basiert. Die- ser Vorteil sticht noch mehr hervor, wenn Silicium zu 5 bis 50 Masse-%, bevorzugt 10 bis 40 Masse-%, weiter bevorzugt 15 bis 30 Masse-%, aufweist. Auch in einem Bereich von 5 bis 10 Masse-% oder 7 bis 15 Masse-% lässt sich der Effekt, den das Silicium der Legierung auf die tribologischen Eigenschaften hat, die geringe Wär- medehnung und erhöhte Festigkeit und Verschleißfestigkeit, erkennen.

Grundsätzlich weist die Legierung zusätzlich zu Aluminium und Silicium weitere Le- gierungselemente auf. Dabei handelt es sich um primäre und sekundäre Legie- rungselemente. Bei den primären Legierungselementen werden vornehmlich Elemente aus der zweiten und/oder dritten und/oder vierten Hauptgruppe und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder vierten und/oder siebten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente gewählt. Bei den sekundärem Legierungselemen- ten wählt man vornehmlich Elemente aus der dritten und/oder vierten Hauptgruppe und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente. Bei einer Aluminium-basierten Legierung mit einem Silicium-Gehalt von 5 bis 50 Masse-%, bevorzugt 10 bis 40 Masse-%, weiter bevorzugt 15 bis 30 Masse-%, wird mindestens ein primäres Legierungselement gewählt. Bei den primären Legierungselementen handelt es sich um eines oder mehrere der fol- genden Elemente: Magnesium, Bor, Titan, Mangan, Kupfer oder Zink. Diese können in den folgenden Bereichen in der Legierung vorhanden sein:

Magnesium: 0,1 bis 2, und/oder

Bor: 0,1 bis 10, und/oder

Titan: 0,1 bis 5, und/oder

Mangan: 0,5 bis 5, und/oder

Kupfer: 0,1 bis 5, und/oder

Zink: 0,1 bis 5.

Hierbei beeinflussen beispielsweise die Elemente Magnesium, Kupfer und Zink die Härte und führen zu einer Steigerung dieser. Wohingegen die Elemente Mangan und Titan die Warmfestigkeit und Korrosionsresistenz positiv beeinflussen. Zusätzlich zu den primären Legierungselementen können auch sekundäre Legie- rungselemente in der Legierung vorhanden sein. Bei den sekundären Legierungs- elementen handelt es sich um eines oder mehrere der folgenden Elemente: Gallium, Indium, Germanium, Zinn, Zirconium, Vanadium, Chrom, Eisen, Kobalt oder Nickel. Diese können in den folgenden Bereichen in der Legierung vorhanden sein:

Gallium: 0,1 bis 1 , und/oder

Indium: 0,1 bis 1 , und/oder

Germanium: 0,1 bis 1 , und/oder

Zinn: 0,1 bis 1 , und/oder

Zirconium: 0,1 bis 1 , und/oder

Vanadium: 0,1 bis 1 , und/oder

Chrom: 0,1 bis 1 , und/oder

Eisen: 0,1 bis 1 , und/oder

Kobalt: 0,1 bis 1 , und/oder

Nickel 0,1 bis 1 . Bei dieser Legierung besteht der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren, herstel- lungsbedingten Verunreinigungen. Bei den Legierungen haben sich vor allem ternäre und quaternäre Legierungen als vorteilhaft erwiesen. Dabei handelt es sich um Legierungen deren charakteristische Legierungselemente entweder drei (ternär) oder vier (quaternär) Stoffen umfassen. Dabei werden jeweils nur die Komponenten gezählt, die die charakteristischen Ei- genschaften bestimmen. Auch bei den folgenden ternären und quaternären Legie- rungen können einige der bereits aufgezählten primäre oder sekundäre Legierungselemente enthalten sein.

Bei den vorteilhaften ternären Legierungen handelt es sich um:

AI88 Si10 Mg2, AI88 Si10 B2, AI88 Si10 Ti2, AI88 Si10 Mn2, AI88 Si10 Cu2, AI88 Si10 Zn2, AI83 Si15 Mg2, AI83 Si15 B2, AI83 Si15 Ti2, AI83 Si15 Mn2, AI83 Si15 Cu2, AI83 Si15 Zn2, AI78 Si20 Mg2, AI78 Si20 B2, AI78 Si20 Ti2, AI78 Si20 Mn2, AI78 Si20 Cu2, AI78 Si20 Zn2.

Bei den vorteilhaften quaternären Legierungen handelt es sich um:

AI86 Si10 Mn2 Mg2, AI86 Si10 Mn2 B2, AI86 Si10 Mn2 Ti2, AI86 Si10 Mn2 Cu2, AI86 Si10 Mn2 Zn2, AI81 Si15 Mn2 Mg2, AI81 Si15 Mn2 B2, AI81 Si15 Mn2 Ti2, AI81 Si15 Mn2 Cu2, AI81 Si15 Mn2 Zn2, AI76 Si20 Mn2 Mg2, AI76 Si20 Mn2 B2, AI76 Si20 Mn2 Ti2, AI76 Si20 Mn2 Cu2, AI76 Si20 Mn2 Zn2.

Eine weitere vorteilhafte Legierung besteht aus 76,7 bis 83,4 Masse-% Aluminium und 8,3 bis 12,3 Masse-% Silicium und einem oder mehreren Elementen ausge- wählt aus der Liste bestehend aus: Mg, B, Ti, Mn, Cu, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Zr, V, Cr, Co, Ni und unvermeidbare, herstellungsbedingte Verunreinigungen. Dabei muss die Summe aller Bestandteile der Zusammensetzung jeweils 100 Gew.-% betragen.

Eine besonders vorteilhafte Aliminium-basierte Legierung ist AISiW mit einem Sili- cium-Gehalt von 10 Masse-%, wobei die Anteile der primären Legierungselemente in den folgenden Masse-%-Bereichen liegen:

Magnesium < 0,5%, und

Titan < 0,05%, und

Mangan < 0,1 %, und Kupfer < 0,005%, und

Zink < 0,005%.

Die Anteile der sekundären Legierungselemente liegen bei dieser bevorzugten Ali- minium-basierten AISi10 Legierung in den folgenden Masse-%-Bereichen:

Eisen < 0,2%.

Der Masse-%-Anteil des Aliminiums ist dann neben unvermeidbaren, herstellungs- bedingten Verunreinigungen der Rest, also bei etwa 90 Masse-%. Die Summe aller Bestandteile der Zusammensetzung liegt jeweils bei 100 Masse-%.

Eine weitere besonders vorteilhafte Aliminium-basierte Legierung weist einen Sili- cium-Gehalt von 10,04 Masse-% auf, wobei die Anteile der primären Legierungs- elemente in den folgenden Masse-%-Bereichen liegen:

Magnesium 0,31 %, und

Titan 0,02 %, und

Mangan 0,01 %, und

Kupfer 0,001 %, und

Zink 0,003 %.

Die Anteile der sekundären Legierungselemente liegen bei dieser bevorzugten Ali- minium-basierten AISi10 Legierung in den folgenden Masse-%-Bereichen:

Eisen 0,16 %.

Der Masse-%-Anteil des Aliminiums ist dann neben unvermeidbaren, herstellungs- bedingten Verunreinigungen der Rest, also bei etwa 89,456 Masse-%. Die Summe aller Bestandteile der Zusammensetzung liegt jeweils bei 100 Masse-%.

Ein erfolgreich getesteter Prototyp ist so zusammengesetzt, dass die Legierung aus (in Masse-%): AI: 76,7 bis 83,4;

Si: 8,3 bis 12,3 und einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus der Liste bestehend aus: Mg, B, Ti, Mn, Cu, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Zr, V, Cr, Co, Ni, Fe und Verunreini- gungen besteht, wobei die Summe aller Bestandteile der Zusammensetzung jeweils 100 Gew.-% betragen muss.

Im Detail war bei dem Prototypen vorgesehen, dass die Legierung aufweist (jew. In Masse-%):

- Si: 10 % plus/minus 2 %, bevorzugt plus/minus 1 %; und/oder

- Fe: < 0,2 %, bevorzugt < 0,18 %, bevorzugt 0,17 % plus/minus 0,02 oder 0,16 % plus/minus 0,01 %, insbesondere 0,16 %; und/oder

- Cu < 0,005 %, bevorzugt < 0,003 %, bevorzugt 0,0015 % plus/minus 0,001 %, insbesondere 0,001 %; und/oder

- Mg < 0,5 %, bevorzugt < 0,4 %, bevorzugt 0,35 % plus/minus 0,05 %, bevorzugt 0,31 % plus/minus 0,03 % insbesondere 0,31 %; und/oder

- Mn < 0,1 % bevorzugt < 0,5 % bevorzugt 0,01 % plus/minus 0,005 % insbesondere 0,01 %; und/oder

- Ti < 0,05 % bevorzugt < 0,035 %, bevorzugt 0,025 % plus/minus 0,01 %, insbesondere 0,02 %; und/oder

- Zn < 0,005 % bevorzugt < 0,004 %, bevorzugt 0,0035 % plus/minus 0,001 %, insbesondere 0,003 %; wobei bevorzugt mindestens 2, bevorzugt mindestens 3, bevorzugt mindes- tens 4, bevorzugt mindestens 5, bevorzugt mindestens 6, jeweils in jeglich möglicher Kombination, besonders bevorzugt alle sieben der vorstehenden Elemente, vorhanden sind, wobei zusätzlich insbesondere B, Ga, Ge, Sn, Sb, Zr, V, Cr, Co, Ni und/oder aufgewiesen sein können, bevorzugt aber die Legierung frei von diesen Ele- menten ist, wobei die Summe aller Bestandteile der Zusammensetzung jeweils 100 Masse-% betragen muss.

Jede der oben genannten Legierungen trägt einzeln zum Korrosionsschutz und Er- höhung der Verschleißbeständigkeit bei. Sie zeichnen sich alle durch eine hohe me- chanische Festigkeit aus, das heißt, sie weisen alle eine hohe Belastbarkeit, Druckstabilität und Formstabilität auf.

Um die gewünschten Effekte, Erhöhung des Korrosionsschutzes und Verbesserun- gen der Verschleißbeständigkeit, zu erreichen, kann die Legierung in vorteilhafter- weise Dotanden aufweisen. Dieser Dotanden sind dabei Fremdatome, die bei einer ausreichend hohen Temperatur in einen anderen Festkörper eindringen können und sich dort bewegen und einlagern. Hierbei können folgende Mechanismen greifen:

- Leerstellendiffusion, das heißt durch leere Stellen im Kristallgitter,

- Zwischengitterdiffusion, das heißt zwischen den Atomen im Kristallgitter,

- Platzwechsel, das heißt Austausch der Gitterplätze benachbarter Atome.

Die Diffusion mit oder ohne Dotierstoff erfolgt mittels des Fick'schen Gesetzes. Die- ses hängt von verschiedenen Faktoren ab, zum Beispiel dem Material des Fremd- stoffes und des Zielstoffs sowie deren Eigenschaften (Kristallorientierung), den Konzentrationsunterschied, der Temperatur sowie der Konzentration anderer Do- tierstoffe im Kristallgitter. Der Einfachheit halber, wird in dieser Patentanmeldung teilweise bezogen auf das Kristallgitter auch nur der Begriff Kristall verwendet. Wie schnell die Diffusion stattfindet, ist dabei abhängig von der Größe des Atoms und der durch Diffusionsart im Substrat. Dabei führen kleine Diffusionskoeffizienten meist zu einer hohen Prozesszeit. Wie bereits beschrieben, ist ein wichtiger Aspekt für die Diffusion und dem daraus resultierenden Dotierungsprofil der Konzentrati- onsunterschied. Das Dotierungsprofil resultiert zumeist aus der Charakteristik der Dotierstoffquelle. Die Dotierstoffquelle kann dabei eine unerschöpfliche Quelle oder eine erschöpfliche Quelle sein. Bei einer unerschöpflichen Dotierstoffquelle wird eine konstante Dotierstoffkonzentration an der Oberfläche des Kristalls angenom- men, welche so dass in die Tiefe diffundierte Fremdatome direkt aus der Dotierstoff- quelle ersetzt werden. Daraus ergibt sich, dass mit zunehmender Diffusionszeit und -temperatur der Dotierstoff tiefer in den Kristall eindiffundiert und die Menge zu- nimmt. Die Konzentration an der Oberfläche bleibt dabei konstant. Im Unterschied dazu, ist bei einer Diffusion aus einer erschöpflichen Dotierstoffquelle die Dotier- stoffmenge konstant. Hier nimmt mit zunehmender Diffusionszeit und -temperatur die Eindringtiefe des Dotierstoff zu, gleichzeitig nimmt aber die Konzentration an der Oberfläche ab.

Die Dotanden für die Legierung werden aus der dritten Hauptgruppe und/oder ers- ten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten und/oder achten Neben-gruppe und/oder der Lanthanoiden-Gruppe des Pe- riodensystems der Elemente gewählt.

Dabei ist es denkbar, dass die Legierungen einen oder zwei Dotanden aufweist. In speziellen Fällen sind auch drei oder vier oder mehrere Dotanden bzw. Dotierstoffe möglich.

Bevorzugt werden die folgenden Elemente (in Masse-%) als Dotanden eingesetzt:

Antimon: 0,1 bis 1 , und/oder

Wismut: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Scandium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Yttrium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Lanthan: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Cer: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Hafnium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Niob: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Tantal: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Molybdän: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Wolfram: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Rhenium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Ruthenium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Osmium: 0,01 bis 0,1 , und/oder Rhodium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Indium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Palladium: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Platin: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Silber: 0,01 bis 0,1 , und/oder

Gold: 0,01 bis 0,1.

Diese führen zu einer oben genannten Legierung zugesetzt zu einer selektiven Bil- dung gewünschter intermetallischer Phasen, da sie als Katalysator oder Inhibitor fungieren. Die Diffusion der Legierung und die Einlagerung der Dotierstoffe führen zu einer Gefügeänderung. Vorschlagsgemäß weist die Diffusionszone verglichen mit dem Trägerkörper ein anderes Gefüge auf. Dadurch erhöht sich die Härte und somit auch die Verschleißbeständigkeit des Bremsscheiben-Trägerkörpers.

Für den Grundkörper des Bremselement-Trägerkörpers eignen sich Stahl, Stahl- guss, Schleuderguss, Grauguss oder Kugel-Graphit-Guss. Ferner ist auch ein Grundkörper aus Aluminium denkbar.

Diese Metalle eignen sich hervorragend für das Eindiffundieren der genannten Le- gierungen mit oder ohne Dotanden. Die bei der Diffusion der Legierung in den Grundkörper entstehende Diffusionszone weist im Vergleich zu Material des Grund- körpers eine höhere Härte (in Vickers) aus. Dies bildet die Basis für eine verbesser- tes Verschleißverhalten.

Um eine Diffusionszone mit einer ausreichenden Härte zu erzeugen ist es vorteil- haft, wenn die Legierungsschicht eine Dicke von 0,1 bis 0,4 mm aufweist. Als be- sonders vorteilhaft hat sich eine Legierungsschichtdicke von 0,2 bis 0,3 mm erwiesen.

Eine besonders gute Verschleißbeständigkeit, also Härte, und damit einhergehen- der guter Korrosionsschutz wird erreicht, wenn die Diffusionszone eine Dicke von 0,05 bis 0,6 mm aufweist. In einem Bereich von 0,2 bis 0,3 mm Dicke der Diffusi- onszone sind gewünschten Eigenschaften besonders ausgeprägt.

Die erhöhte Härte ergibt sich aufgrund der Diffusion in die Diffusionszone des Brem- selement-Trägerkörper. Diese weist eine mittlere Härte auf. Dabei weist die mittlere Härte der Diffusionszone eine im Vergleich zur mittleren Härte des Trägerkörpers um einen Faktor 1 ,0 bis 8, bevorzugt 1 ,5 bis 5, erhöhte Härte auf.

Die Verbesserung also Erhöhung der Härte im Vergleich zum Grundkörper ist ab- hängig vom Grundmaterial. Demnach weist die mittlere Härte der Diffusionszone bei dem Trägermaterial Grauguss oder Schleuderguss oder Stahl oder Stahlguss des Trägerkörpers eine im Vergleich zur mittleren Härte des Trägerkörpers eine um einen Faktor von 2,5 bis 8, insbesondere von 2 bis 5, erhöhte Härte auf. Bei dem Trägermaterial Aluminium des Trägerkörpers weist die mittlere Härte der Diffusions- zone eine im Vergleich zur mittleren Härte des Trägerkörpers eine um einen Faktor von 1 ,5 bis 4, insbesondere von 1 ,5 bis 3, erhöhte Härte in HV auf.

Dabei kann die Härteverteilung entlang der Längsachse, Querachse und Verti- kalachse bzw. entlang des Radius und der Winkelkoordinate der Diffusionszone eine maximale Abweichung von 10 bis 15% von der mittleren Härte (Härte in HV) der Diffusionszone aufweisen.

Das im Vergleich zum Grundkörper andere Gefüge der Diffusionszone weist eine Mischkristall-Matrix auf. Die Mischkristall-Matrix ist aus binären oder ternären oder höheren intermetallischen Phasen gebildet.

Als Mischkristall (Mk) wird ein Kristall oder Kristallit bezeichnet, der aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen besteht, wobei die Fremd-Atome oder -Ionen statistisch verteilt sind. Diese können entweder in die Zwischengitterplätze eingelagert sein (Einlagerungsmischkristall oder interstitielle Lösung) oder ein Atom des anderen Elements durch Substitution ersetzen (Substitutionsmischkristall). Mischkristalle sind somit feste Lösungen, die, wenn sie metallische Eigenschaften besitzen, auch Legierungen genannt werden (Wikipedia).

Eine intermetallische Verbindung (auch intermetallische Phase oder intermediäre Phase) ist eine homogene chemische Verbindung aus zwei oder mehr Metallen. Sie zeigen im Unterschied zu Legierungen Gitterstrukturen, die sich von denen der kon- stituierenden Metalle unterscheiden.

Hierbei liegt die Mischkristall-Matrix der Diffusionszone ohne Ausscheidung reiner Metalle vor. Mittels der bereits erwähnten Diffusion einer Legierung, insbesondere einer Legie- rung mit Dotanden, in den Grundkörper des Bremselement-Trägerkörpers kann die vorschlagsgemäße Diffusionszone im Sinne einer Funktionsschicht zielgerichtet und zweckorientiert realisiert werden. Dadurch wird ein gradiertes Schichtsystem mit annähernd parallel ausgebildeten Grenzen zwischen den entstandenen diver- sen Phasen innerhalb dieser Schicht erzeugt.

Dabei weisen die intermetallischen Phasen des vorschlagsgemäßen Bremsele- ment-Trägerelements mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche des Grund- körpers eine stufig zunehmende Konzentration an Eisen oder Kohlenstoff und stufig abnehmende Konzentration an Aluminium und/oder Silicium und/oder der Dotanden auf.

Anders gesagt, weist die Diffusionszone eine gradierte Struktur aus binären, ternä- ren oder höheren intermetallischen Phasen von diskreter, exakt definierter daltoni- der chemischer Zusammensetzung mit verschiedenen Anteilen der originären Grundkörper Elemente Eisen und Kohlenstoff sowie mit verschiedenen Anteilen der durch Diffusion in den Grundkörper eingebrachten Schicht-Elemente Aluminium, Si- licium, diversen Legierungselementen und Dotanden auf.

Die Mischkristall-Matrix zeichnet sich im Vergleich zu den in der Mischkristall-Matrix eingebetteten intermetallischen Phasen eine erhöhte Zähigkeit und Duktilität auf- weist.

Die eindiffundierte Legierung mit und ohne Dotanden bewirken, dass die Diffusions- zone einen höheren Schmelzpunkt und/oder schlechtere niedrigere Wärmeleitfähig- keit und/oder schlechtere, niedrigere Strom leitfähigkeit und/oder höhere mechanische Festigkeit und/oder höhere Härte und/oder geringere Reaktionsfähig- keit gegenüber chemischen Reaktionspartnern aufweist als das Metall des Grund- körpers.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich gesagt werden, dass die ge- wünschten Effekte, das heißt, die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit sowie des Korrosionsschutzes, aufgrund der sich bei der Diffusion der Legierung, insbe- sondere einer Legierung mit Dotanden, bildenden intermetallischen Phasen als in- tegrativer Bestandteil des Gesamtgefüges der Diffusionszone des Grundkörpers einstellen. Auch wenn diese intermetallischen Phasen aus Metallen hervorgehen, zeigen sie selbst keramische Eigenschaften. Diese sind auf die veränderten Bin- dungsverhältnissen im Elektronenfeld des Kristallgitters zurückzuführen, wobei die intermetallischen Verbindungen definierte Valenzen aus lokalisierten Elektronen- paaren aufweisen. Dies erschwert den Angriff brönsted-acider Medien, und führt zu der gewünschten hohen Korrosionsresistenz.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommeln mit einem Bremselement-Trägerkörper, mit einem als Reibflä- che ausgebildeten Bereich und mit einem als Anlagefläche ausgebildeten Bereich, in einer weiteren Ausführungsform kann dabei das hier verwendete Bremselement Trägerkörper so ausgestaltet sein wie oberhalb bereits beschrieben. Dabei ist eine Bremsscheibe mit zwei sich gegenüberliegenden Reibflächen besonders vorteilhaft.

Eine derartige Bremsscheibe oder Bremstrommel weist einen langfristig wirksame- ren Korrosionsschutz sowie eine erhöhte Verschleißfestigkeit auf.

Sowohl die Reibfläche als auch die Anlagefläche bilden Funktionsbereiche der Bremsscheibe bzw. der Bremstrommel. Dabei ist die Reibfläche die Fläche, auf die die Bremsbeläge mit einer definierten Normalkraft einwirken, wobei durch die glei- tende Reibung zwischen beiden die angestrebte Bremswirkung erreicht wird. Die Anlagefläche ist die Fläche, die sich zumindest teilweise in radialer Richtung er- streckt. Sie ist in Umfangsrichtung der Bremsscheibe orientiert, wobei auch hier ein Normalenvektor in Umfangsrichtung wirkt. Dies ermöglicht eine gute Bremsmomen- tenübertragung. Die Anlagenfläche findet sich beispielsweise am Bremstopf einer Bremsscheibe.

Vorschlagsgemäß weist die Legierungsschichtdicke auf der Bremsscheibe oder Bremstrommel eine Dicke von 0,1 bis 0,4 mm auf. Ein besonders gutes Ergebnis der Diffusion zeigt sich, wenn die Legierungsschicht 0,2 bis 0,3 mm dick ist. Besonders harte und verschleißresistente Bremsscheibe oder Bremstrommel wei- sen vorschlagsgemäß eine Diffusionszone mit einer Dicke von 0,05 bis 0,6, vor- zugsweise 0,3 bis 0,6 mm, auf.

Beim Bremsvorgang werden vor allem die Reibflächen in Mitleidenschaft gezogen. Aus diesem Grund ist es möglich, dass sowohl die aufgetragene Legierungsschicht- dicke als auch die entstehende Diffusionszone bei der Reibfläche und der Anlagen- fläche unterschiedliche Dicken aufweisen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Diffusionszone der Reibfläche eine Dicke von 0,3 bis 0,6 mm aufweist.

Für einen wunschgemäßen Bremsvorgang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Reibfläche und die Anlagefläche kreisringförmig sind. Hier ist allerdings auch denk- bar, dass lediglich eine der beiden Flächen kreisringförmig ist.

Aufgrund der Reibung während des Bremsprozesses kann Wärme erzeugt werden. Werden die dabei erzeugten Temperaturen zu hoch, kann dies negative Folgen für die Lebensdauer der Bremsschiebe oder Bremstrommel haben, allerdings auch auf den Bremsvorgang selbst. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, dass Belüftungs- kanäle vorgesehen sind, um beispielsweise einen innenbelüftete Bremsscheibe zu erhalten. Diese können vorschlagsgemäß auf und in, aber auch auf oder in, dem Grundkörper vorgesehen sein.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe eine Bremsbelag-Rücken- platte oder einem Bremsschuh umfassend ein Bremselement-Trägerplatte. Auch hier kann in einem speziellen Fall ein Bremselement-Trägerplatte gemäß obiger Be- schreibung vorgesehen werden.

Um ein optimales Ergebnis bei der Diffusion zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Legierungsschicht bei der Bremsbelag-Rückenplatte oder dem Bremsschuh eine Dicke von 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 mm, aufweist.

Eine erhöhte Härte und Verschleißbeständigkeit wird erreicht, wenn die Dicke der Diffusionszone bei der Bremsbelag-Rückenplatte oder dem Bremsschuh eine Dicke von 0,05 bis 0,3mm aufweist. Dabei hat sich ein Bereich der Dicke der Diffusions- zone zwischen 0,05 bis 0,15 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Um in Einsatz einen Bremsvorgang durchführen zu können, wird vorgeschlagen, dass auf die Außenfläche der Legierung ein Bremsbelag aufgebracht ist.

Nach einem vierten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Verfahren zur Her- stellung eines Bremselement-Trägerkörpers, aufweisend die folgenden Schritte:

1 . Bereitstellen eines Grundkörpers,

2. Durchführen eines Strahlvorgangs mit keramischen Hartstoffen zur Entfer- nung der Oxidschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers,

3. Aufträgen einer auf Aluminium-basierenden Legierung auf den Trägerkörper,

4. Temperieren des Trägerkörpers mit der aufgetragenen Legierung.

Mit diesem Verfahren kann insbesondere das oben beschriebene Bremselement- Trägerkörper hergestellt werden.

Der bereitgestellte Trägerkörper für den Bremselement-Trägerkörper kann gegos- sen oder ausgetanzt sein.

Dabei ist der Strahlvorgang besonders wichtig. Dieser befreit die zu beschichtende Oberfläche der Bremsscheibe von Eisenoxiden. Werden diese nicht entfernt, kön- nen sie als eine Barriere gegenüber der Eindiffusion der Elemente der aufgetrage- nen Legierung in das Gefüge des metallischen Grundkörpers wirken.

Besonders gute Ergebnisse der Diffusion in Bezug auf deren Herstellungszeit, also schnelles Eindiffundieren, und Qualität bzw. Tiefe der Diffusion ergeben sich, wenn der Grundkörper vor dem Strahlvorgang erwärmt wird.

Für den Strahlvorgang eignen sich vor allem Werkstoffen mit einer geringen Affinität zum Einbetten in den Werkstoff des Grundkörpers. Dabei werden keramische Hart- stoffe eingesetzt. Als besonders geeignet haben sich Korund, Quarz, Borcarbid, Ti- tancarbid, Siliziumcarbid und Chromcarbid herausgestellt. Diese können jeweils einzeln, aber auch in Kombination für den Strahlvorgang eingesetzt werden.

Der Strahlvorgang hat nicht nur die Aufgabe ungewollte Elemente von der Oberflä- che des Grundkörpers zu entfernen, sondern bereitet ihn gleichzeitig auch auf den nachfolgenden Auftrag der Legierung vor. Diese soll schnell und einfach in das Ge- füge des metallischen Grundkörpers eindiffundieren. Dies gelingt in vorteilhafter- weise, wenn der Strahlvorgang auf einer Oberfläche des Grundkörpers eine Rauig- keit Rz von 5 pm bis 10 pm erzeugt. Die Rauigkeit bewirkt eine intensive mikro- formschlüssige Verklammerung zwischen der aufgetragenen Legierungsschicht und dem Grundwerkstoff.

Für den Strahlvorgang mit keramischen Hartstoffe hat sich eine Korngröße von 0,5 mm bis 1 ,5 mm, insbesondere 0,8 mm bis 1 ,2 mm, als besonders effektiv zum Er- zeugen einer Rauigkeit erwiesen.

Dabei hat es sich als sehr effektiv und effizient herausgestellt, wenn der Strahlvor- gang in einem Winkel zur Oberfläche des Bremselement-Trägerkörpers durchge- führt wird, wobei der Winkel 45° ± 10° beträgt.

In Schritt 3 des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine auf Aluminium-basierende Legierung auf den Trägerkörper aufgetragen. Die Legierung basiert auf Aluminium und Silizium und kann, muss allerdings nicht, Dotanden aufweisen. Sowohl die Le- gierung als auch die Dotanden wurden in ihrer Vielfältigkeit bereits weiter oben aus- führlich beschrieben. Es wird an dieser Stelle nach oben verwiesen.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Legieren mittels eines Hochge- schwindigkeitsflammspritz-Verfahrens, oder einem Lichtbogendrahtspritzen oder ei- nem Pulverbeschichtungsverfahren erfolgt.

Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) erfolgt eine kontinuierliche Gasverbrennung unter hohem Druck innerhalb einer Brennkammer, in deren zent- raler Achse der pulverförmige Spritzzusatz zugeführt wird. Bei HVOF ist es vorteil- haft eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrahl zu haben, dies wird durch den in der Brennkammer erzeugten hohen Druck des Brenngas-Sauerstoff-Gemi- sches und der meist nachgeordneten Expansionsdüse erzeugt. Dadurch werden die Spritzpartikel auf die hohen Partikelgeschwindigkeiten beschleunigt, die zu enorm dichten Spritzschichten mit ausgezeichneten Hafteigenschaften führen. Als Brenn- gase können Propan, Propen, Ethylen, Acetylen und Wasserstoff verwendet wer- den. Beim Lichtbogendrahtspritzen werden zwei drahtförmige Spritzzusätze aus glei- chen oder unterschiedlichen Materialien in einem Lichtbogen abgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases, z.B. Druckluft, auf die vorbereitete Werkstückober- fläche geschleudert.

Beim Pulverbeschichten wird ein Pulver auf einen in der Regel elektrisch leitfähigen Werkstoff aufgesprüht und anschließend getempert. Das Pulver schmilzt auf der Metalloberfläche und bildet eine gleichmäßige Schicht, die beispielsweise gegen Korrosion schützt.

Hier ist besonders zweckmäßig, das Aufträgen der Legierung auf den Grundkörper direkt nach dem Strahlen durchzuführen, denn dies verringert die Gefahr das sich erneut Eisenoxide bilden bzw. auf der Oberfläche des Trägerkörpers ablagern kön- nen.

Schritt 4 sieht das Temperieren des Trägerkörpers mit der aufgetragenen Legierung vor. Dies beschleunigt den Diffusionsvorgang und lässt es zu der Einlagerung der Dotanden in die Gitterstruktur zu steuern.

Die thermische Behandlung, auch Tempervorgang genannt, der beschichteten Bremsscheibe bewirkt die Eindiffusion der Legierungselemente der auf der Oberflä- che des Grundkörpers aufgespritzten Schicht. Bei einem Tempervorgang wird ein Produkt über einen Zeitraum t bestimmten Temperaturen T ausgesetzt, um be- stimmte Prozesse, bspw. chemische Prozesse, zu erzeugen oder zu beschleunigen oder zu erleichtern. Bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der jeweiligen aufgespritzten Schicht erfolgt diese Eindiffusion nur sehr langsam, oberhalb des Schmelzpunkts viel schneller. Als funktionell und wirtschaftlich geeignetes Intervall für die maximale Haltetemperatur hat sich der Bereich von +590°C bis +750°C er- wiesen. Der beschriebene Tempervorgang bzw. das Temperieren des Grundkör- pers mit aufgetragener Legierung kann entlang einer Temperaturverlaufskurve von 600°C bis 750°C erfolgen. Diese Temperaturverlaufskurve kann dabei linear oder exponentiell oder zyklisch verlaufen. Es ist auch denkbar, dass die Temperaturver- laufskurve eine Aufheizphase, eine Haltephase und eine Abkühlphase aufweist. Am Anfang des Tempervorgangs liegt noch der maximale Konzentrations-Gradient zwischen den Stoffsystemen als treibendes Gefälle der Diffusion vor. Für eine zu Beginn schnelle Diffusion genügt daher eine Temperatur der aufgeschmolzenen Schicht, die nur knapp über ihrem Schmelzpunkt liegt. Im Zuge der fortschreitenden Diffusion flacht der treibende Konzentrations-Gradient ab, so dass für die Einhaltung einer weiterhin schnellen Diffusion das Niveau der Haltetemperatur stetig oder stufig angehoben wird, um den sinkenden Einfluss des Gradienten mittels einer höheren thermischen Kinetik zu kompensieren. Es ist also denkbar die Temperaturver- laufskurve an einen Konzentrationsgradienten der Diffusion der Legierung in das Metall des Grundkörpers anzupassen.

Der Grund für die angepasste Haltetemperatur besteht in der Minimierung eines thermischen Einwirkungskollektivs auf das Gefüge des metallischen Grundkörpers und dessen Schonung im Zuge seiner thermischen Behandlung. Im Zuge der Auf- schmelzung der aufgespritzten Schicht zum Zwecke ihrer schnellen Eindiffusion in den Grundkörper bildet die Schmelze eine wirksame Barriere gegenüber dem Sau- erstoff der Luft, wobei dieser an der luftzugewandten Oberfläche der Schmelze ab- gefangen und dort als Aluminiumoxid chemisch gebunden wird. Die gebildete Oxidschicht verhindert den Eintritt von weiterem Sauerstoff in die Schmelze. In die Diffusionsschicht kann daher im Zuge der Temperierung kein Sauerstoff aus der Luft eingelagert werden. Gemäß der hohen Elektropositivität des Aluminiums und seiner Position innerhalb der chemischen Spannungsreihe bindet es den Sauerstoff gegenüber dem Silicium deutlich bevorzugt.

Für ein verbessertes Ergebnis, also einer Harten und verschleißresistenten Diffusi- onszone, d.h. eine vollständig, zumindest im wesentlich vollständig, in den Grund- körper eindiffundierte Legierung, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Temperieren für 180 bis 360 Minute, bevorzugt 210 bis 300 Minuten, durchgeführt wird.

Nach einem fünften Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Verfahren zur Her- stellung einer Bremsscheibe oder Bremstrommel aufweisend die folgenden Schritte:

1. Bereitstellen eines Bremselement-Trägerkörpers 2. Abtragen der Legierung, bis Diffusionszone erreicht ist, um eine Reibfläche zur erzeugen.

Das Verfahren kann angewendet werden, um die oben beschriebene Bremsscheibe oder Bremstrommel herzustellen. Das in Schritt 1 bereitgestellte Bremselement- Trägerkörper kann dabei das oben beschriebene Bremselement-Trägerkörpers oder das nach dem obigen Verfahren hergestellte Bremselement-Trägerkörper sein. Es wird daher an dieser Stelle nach oben verwiesen.

Um eine saubere und bremsbereite Reibfläche zu erzeugen, muss die überschüs- sige Legierung abgetragen werden, bis die Diffusionszone erreicht ist. Vorschlag- gemäß kann das Abtragen mechanisch durchgeführt werden. Hier bietet es sich an, dass die Legierung abgeschliffen oder abgedreht wird. Durch das Abtragen der überschüssigen Legierungen wird die Reibfläche bzw. die Reibflächen der Brems- scheibe gebildet. Die Reibfläche weist die Eigenschaften der Mischkristall-Matrix der Diffusionszone auf, d.h. , dass sie sehr hart und verschleißresistent ist.

Das Abtragen ist abhängig von den Materialien und der Legierungsschichtdicke. Allerdings hat sich ein Abtragen der Legierung bis zu max. 0,05 mm oder bis zu max. 1 mm oder bis zu max. 1 ,5 mm, als vorteilhaft erwiesen. Das Abtragen kann dabei in einem Schritt oder in mehreren Schritten durchgeführt werden, um zwi- schendurch die Oberfläche begutachten zu können.

Weiterhin kann die Bremsscheibe oder die Bremstrommel, einen metallischen Grundkörper mit einer aus den Matrixwerkstoffen Eisen und Kohlenstoff sowie den zuvor aufgespritzten primären Schichtwerkstoffen Aluminium, Silicium, Magnesium und Mangan bestehende Diffusionszone, welche als Ergebnis einer thermischen Behandlung und Eindiffusion der Schichtwerkstoffe entstanden ist, aufweisen, wo- bei die eine Schichtdicke der Diffusionszone eine Dicke von 0,05 bis 0,6, vorzugs- weise 0,3 bis 0,6 mm, aufweist.

Bei der die Diffusionszone die Elemente Eisen, Kohlenstoff Aluminium, Silicium, Magnesium und Mangan enthält, wobei die Elemente Eisen, Aluminium, Silicium und Mangan in Form vieler autark und separat gewachsener Kristalle neue binäre, ternäre und quaternäre intermetallische Phasen bilden, welche in einer ebenfalls neuen parallel koexistierenden Misch-kristall-Matrix, bestehend aus den sechs oben genannten Elementen, eingebettet sind.

Des Weiteren kann die entstandene Diffusionsschicht derart ausgebildet sein, dass in der neu gebildeten Mischkristall-Matrix die Elemente des Grundkörpers Eisen und Kohlenstoff kontinuierlich mit steigender Tiefe zunehmen, während die Elemente der aufgespritzten Schicht Aluminium, Silicium, Magnesium und Mangan kontinu- ierlich mit steigender Tiefe abnehmen. In den Kristallen der neu gebildeten interme- tallischen Phasen erfahren die genannten Elemente ebenfalls mit steigender Tiefe Änderungen in ihren Konzentrationen, die qualitativ derselben Tendenz folgen, dies aber nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Sprüngen entsprechend der Zusam- mensetzungsformel der jeweils dominierenden Intermetallphasen.

Nach einem sechsten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Verfahren zur Her- stellung einer Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh aufweisend die folgen- den Schritte:

1. Bereitstellen eines Bremselement-Trägerkörpers

2. Aufbringen eines Bremsbelags auf die legierte Oberfläche, um eine Reibflä- che oder Anlagefläche zu erzeugen.

Das Verfahren kann angewendet werden, um die oben beschriebene Bremsbelag- Rückenplatte oder den Bremsschuh herzustellen. Das in Schritt 1 bereitgestellte Bremselement-Trägerkörper kann dabei das oben beschriebene Bremselement- Trägerkörpers oder das nach dem obigen Verfahren hergestellte Bremselement- Trägerkörper sein. Es wird daher an dieser Stelle nach oben verwiesen.

Der in Schritt 2 aufgebrachte Bremsbelag kann auf die legierte Oberfläche des Bremselement-Trägerkörpers aufgeklebt oder aufgeschweißt werden. Es ist dabei denkbar, dass der Bremsbelag aufgeklebt und aufgeschweißt werden.

Der Bremsbelag kann dabei wie folgt aufgebaut sein:

- 30 bis 65% Metall (Stahl, Eisen, Kupfer oder Messing) gemischt mit Graphit, Füllstoffen und Bindemitteln, oder - 10 bis 30% Metall (Kupfer oder Stahl) Fasern aus Glas, Gummi, Carbon oder Aramiden, wobei sich ein besseres Bremsverhalten bei hohen Geschwindig- keiten erzielen lässt, oder

- Organischen oder mineralischen Fasern und temperaturresistenten Kunst- bzw. Naturharzen, womit sich der Verschleiß der Bremsbeläge verringert und weniger sichtbarer Staub erzeugt wird, oder

- keramischen Fasern, Füllstoffen und Bindemitteln, bspw. Kohlenfaserver- stärktes Siliziumcarbid, womit sich die Lautstärke reduzieren lässt, oder

- gesintertes Metallpulver, womit sich höhere Standzeiten, und eine verbes- serte Hitzebeständigkeit einstellen, die reduziert das Nachlassen der Brems- wirkung bei intensiver Benutzung, oder

- geringen Anteil an Metallen und höheren Anteil an organischen oder minera- lischen Fasern, womit ein geräuscharmer Betrieb erzeugt wird und sie sich weniger abnutzen,

Nach einem siebten Aspekt der Erfindung löst die Aufgabe ein Bremssystem um- fassend eine Bremsscheibe oder Bremstrommel wie oben beschrieben und eine Bremsbelag-Rückenplatte oder einen Bremsschuh wie oben beschrieben.

Dabei gehören eine Bremsscheibe und eine Bremsbelag-Rückenplatte zu einer Scheibenbremse. Eine Bremstrommel und ein Bremsschuh gehören zu benötigten Teilen einer Trommelbremse.

Nach weiteren Aspekten der Erfindung löst die Aufgabe ein Kraftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein stationäres industrielles Bremssystem oder eine Windkraft- anlage umfassend dieses Bremssystem.

Fig. 1 Querschnitt eines Bremselement-Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh während des Strahlvorgangs;

Fig. 2 Querschnitt eines Bremselement-Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh mit aufgetragener Legierung; Fig. 3 Querschnitt eines Bremselement-Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh während des Tempervorgangs;

Fig. 4 Querschnitt eines Bremselement-Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh nach dem Tempervorgang;

Fig. 5 Querschnitt eines Bremselement-Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel während des Entfernens der überschüssigen Legierung;

Fig. 6 Querschnitt einer Bremsscheibe oder Bremstrommel;

Fig. 7 schematisch dargestellte Bremsscheibe mit Bremstopf;

Fig. 8 schematisch dargestellte Bremsbelag-Rückenplatte;

Fig. 9 Ausschnitt aus einem Bremssystem, umfassend eine Bremsscheibe und eine Bremsbelag-Rückenplatte.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Bremselement-Trä- gerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag- Rückenplatte oder Bremsschuh. Dabei werden die beanspruchten Bremselement- Trägerkörpers für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbe- lag-Rückenplatte im Verlauf der folgenden Figurenbeschreibung beschrieben.

Bei der Herstellung des Bremselement-Trägerkörpers 1 für eine Bremsscheibe oder Bremstrommel bzw. für eine Bremsbelag-Rückenplatte oder Bremsschuh wird der Grundkörper 2 bereitgestellt. Dieser besteht aus einem Metall. Vorliegend handelt es sich um einen Grundkörper 2 aus Grauguss. In anderen Ausführungsformen ist der Grundkörper 2 aus Stahl, Stahlguss, Schleuderguss oder Kugel-Graphit-Guss.

Um eine saubere und oxid-freie, vor allem Eisenoxid-freie, Oberfläche zu erhalten, muss eine Strahlvorgang mit keramischen Hartstoffen 4 zur Entfernung dieser Oxid- schichten auf die Oberfläche 3 des Grundkörpers 2 durchgeführt werden (Fig. 1 ). In diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche 3 des Grundkörpers 2 mit Korund mit einer Korngröße von 0,5 bis 1 ,5 mm gestrahlt, wodurch eine gewünschte Rau- igkeit von 5 pm bis 10 pm erzeugt wird. Der Strahlvorgang wurde in einem Winkel von ca. 40° durchgeführt. Für den Strahlvorgang eigenen sich besonders Winkel zwischen 35° bis 55°.

In weiteren Ausführungsbeispielen kommen Quarz, Borcarbid, Titancarbid, Silizi- umcarbid oder Chromcarbid zur Entfernung dieser Oxidschichten zum Einsatz. Auch eine Mischung der keramischen Hartstoffe ist möglich. Hier sollte nur darauf geachtet werden, dass die verwendeten Stoffe keine Affinität dazu haben in den Grundkörper zu diffundieren.

Vor diesem Vorgang kann der Grundkörper erwärmet werden. Dies verbessert die Entfernung der Oxidschichten.

Nach dem Strahlvorgang wird die Aluminium-basierte Legierung 5 auf den Grund- körper aufgetragen. Dabei zeigt Fig. 2 den Zustand, nach dem Auftrag der Legie- rung 5 auf die Oberfläche 3 des Grundkörpers 2. Die Legierung 5 kann dabei als eine Schicht oder mehrere Schichten aufgetragen werden. In dem Ausführungsbei- spiel ist die Legierungsschichtdicke (LSD) mit einer Dicke von 0,25 mm aufgetragen worden. Generell gilt, dass der gewünschte Effekt bei einer Legierungsschichtdicke von 0, 1 bis 0,4 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mm, eintritt.

Für die Aluminium-basierten Legierungen hat sich vor allem die Kombination mit Silizium als vorteilhaft für die Verschleißbeständigkeit herausgestellt. Dabei sollte Silizium zu 5 bis 50 Masse-% vorhanden sein. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei Legierungen mit einem Aluminium-Gehalt zwischen 70 und 90 Masse-% so- wie einem Silizium-Gehalt zwischen 5 und 25 Masse-% herausgestellt. In dem ers- ten Ausführungsbeispiel wurde die Legierung AI88 Si10 Mg2 mit Antimon als Dotand aufgetragen. Diese wurde hier mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritz- Verfahren aufgebracht.

Die folgende Tabelle 1 zeigt weitere bevorzugte Aluminium-Silizium Legierungen und Tabelle 2 zeigt mögliche Dotanden.

Aluminium-Silizium Legierungen Dotanden

In weiteren Ausführungsbeispielen kann jeweils eine der Aluminium-Silizium Legie- rungen Nr.1 bis Nr. 33 mit einem oder mehreren der Dotanden a) bis t) kombiniert werden. Diese erhöhen den Korrosionsschutz sowie die Verschleißbeständigkeit in- dem sich die Dotanden mit der Legierung in das Kristallgitter des Grundkörper 1 einlagern.

Anschließend kann der Vorgang der Diffusion beginnen. Dabei diffundiert die Le- gierung 5 in den Grundkörper 2 ein.

Im Anschluss an das Aufträgen wird der Trägerköper mit der aufgetragenen Legie- rung getempert. Das Tempern wird in einem Temperofen 6 durchgeführt. Dabei herrschen Temperaturen zwischen 590 °C und 750 °C, hier mit einer Temperatur- kurve über einen Zeitraum von 270 min. Dabei weist die Temperaturkurve eine Auf- heizphase, Haltephase und eine Abkühlphase auf. Während der Aufheizphase wird der Trägerkörper mit Legierung in einem Zeitraum von ca. 60 min linear von 590 °C auf 750 °C erwärmt, um in der Haltphase für 150 min auf 750 °C gehalten, um in der Abkühlphase für 60 min von 750 °C auf 590 °C abgekühlt zu werden. Allerdings kann hier auch ein Zyklus abgefahren werden. Auch die Dauer des Tempervor- gangs kann variieren. Die besten Ergebnisse zeigten sich bei allen Ausführungsbei- spielen bei Temperzeiten zwischen 180 min bis 360 min, wobei sich die besten Ergebnisse bei 210 min bis 300 min zeigten. Danach konnte keine Verbesserung durch einen längeren Tempervorgang mehr festgestellt werden.

Das Tempern aktiviert den Ausgleichsprozess der Konzentrationsunterschiede zwi- schen Grundkörper 2 und Legierung 5. Dabei setzen sich die Atome und Ionen der Legierung und Dotanden in die Gitterfehlstellen des Kristallgitters des Grundkörpers und lagern sich dort ein. Dieser Vorgang bildet Diffusionszone 7, welche aus einer Mischkristall-Matrix mit intermetallischen Phasen besteht.

Dabei hat sich im vorliegenden Beispiel eine Diffusionszone mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm eingestellt. Gute Ergebnisse stellen sich bei 0,05 bis 0,6 mm ein. Wäh- rend des Temperprozesses diffundiert die Legierung vollständig bzw. fast vollstän- dig ein. Im Ausführungsbeispiel ist die Legierung nicht vollständig eindiffundiert, das heißt es bleibt ein Rest der Legierung bestehen (Fig. 4).

Dies ist für den Bremselement-Trägerkörper unproblematisch. Für die Lagerung des Bremselement-Trägerkörpers ist dies sogar positiv.

Ausgehend vom Endergebnis der Herstellung des Bremselement-Trägerkörpers 1 , wie in Fig. 4 gezeigt, kann nun eine Bremsbelag-Rückenplatte 12 oder Bremsschuh hergestellt werden. Dies ist vorliegend nicht gezeigt. Dabei wird ein Bremsbelag 13 aus gesintertem Metallpulver aufgebracht, in diesem Fall aufgeklebt. Es ist möglich bei einem Bremselement-Trägerkörper für eine Bremsbelag-Rückenplatte 12 oder einen Bremsschuh eine geringere Legierungsschichtdicke LSD aufzubringen. Für diesen Anwendungsbereich eignen sich Schichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm, wodurch sich eine Diffusionszone 7 mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 0,3 mm, vorzugs- weise 0,05 bis 0,15 mm, einstellt.

Zur Herstellung der Bremsscheibe oder Bremstrommel wird der Bremselement-Trä- gerkörper, wie er gemäß Fig.1 bis Fig. 4 beschrieben und hergestellt wurde, bereit- gestellt. Eine fertige Bremsscheibe 8 oder Bremstrommel benötigt zum Bremsen eine Reibfläche 9 und eine Anlagefläche 10. Um diese zu erzeugen, wird die über- schüssige Legierung 5 (Fig. 4) vom Bremselement-Trägerköper 1 entfernt. Gemäß Fig. 5 wird die überschüssige Legierung 5a mechanisch abgetragen, d.h. abge- schliffen oder abgedreht, um die Diffusionszone 7 freizulegen, so dass eine fertige Bremsscheibe oder Bremstrommel, wie in Fig. 7 dargestellt, erzeugt wird, deren Querschnitt in Fig. 6 dargestellt ist. Dies ist vor allem für die Bremsfunktion notwen- dig, denn sonst werden die angedrückten Bremsbeläge geschädigt, was sich wie- derum negativ auf die Lebensdauer beider Teile des Bremssystems auswirkt.

Die Bremsscheibe 8 (Fig. 7) besteht aus einem Bremselement-Trägerkörper 1 , der gemäß den Fig. 1 bis Fig. 4, hergestellt wurde, und weist eine Reibfläche 9 und eine Anlagefläche 10 auf. Die Reibfläche 9 wurde dabei durch Abtragen der überschüs- sigen Legierung 5a bis zur Diffusionszone 7 gebildet. Zum Übertragen eines Dreh- momentes weist die Bremsscheibe den Bremstopf 11 mit der Anlagefläche 10 auf. Die Bremsbelag-Rückenplatte 12 (Fig. 8) umfasst einem Bremselement-Trägerkör- per 1 , der wie in den Fig. 1 bis Fig. 4, hergestellt wurde und dem Bremsbelag 13, wobei der Bremsbelag 13 in diesem Ausführungsbeispiel aufgeklebt ist. Im hier ge- zeigten Ausführungsbeispiel ist eine Bremsbelag 12 aus gesintertem Metallpulver aufgebracht.

Das Bremssystem 14 (Fig. 9) umfasst eine Bremsscheibe 8 und eine Bremsbelag- Rückenplatte 12. Das Bremssystem zeigt den Bremsvorgang, also wenn der Brems- belag 13 der Bremsbelag-Rückenplatte 12 mit einer Normalkraft auf die Reibflächen 9 der Bremsscheibe gedrückt wird. Das Aufbringen des Drucks erfolgt dabei über hydraulische Kolben.

Das Bremssystem kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Windkraftanlagen oder stationären industriellen Bremssystemen eingesetzt werden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Bremselement-Trägerkörper

2 Grundkörper

3 Oberfläche

4 keramische Hartstoffe

5 Aluminium-basierte Legierung

5a überschüssige Legierung

6 Temperofen

7 Diffusionszone

8 Bremsscheibe

9 Reibfläche

10 Anlagefläche

11 Bremstopf

12 Bremsbelag-Rückenplatte

13 Bremsbelag

14 Bremssystem

LSD Legierungsschichtdicke