制动元件载体主体、制动盘或制动鼓、制造制动元件载体主体的方法与流程
本发明涉及一种制动元件载体主体(carrier body)、制动盘或制动鼓、制动衬块背板或制动蹄，一种制造制动元件载体主体的方法，一种制造制动盘或制动鼓的方法，一种制造制动衬块背板或制动蹄的方法，制动盘或制动鼓，制动衬块背板或制动蹄，制动系统。
背景技术：
1、几十年来，减少颗粒物污染、延长使用寿命以减少浪费一直是工业领域的首要事项。在汽车工业中，重点不再仅仅是减少内燃机的废气排放；为了继续满足颗粒物限值，轮胎和制动器的磨损也变得越来越重要。
2、在同时具有电动机和燃烧发动机的机动车中，用于制动器的更耐磨的摩擦元件可以对此有所贡献。
3、用于车辆、转轮或轨道引导或工业系统的制动盘由金属或陶瓷材料制成，并具有多个实现功能的特定区域。这些区域之一是制动盘的摩擦表面。为了达到所需的制动效果，制动衬块以规定的法向力作用在摩擦表面上。施加到摩擦表面上的动能通过滑动摩擦转化为热能，即热量。
4、在传统制动盘中，制动盘的摩擦表面通过对其进行涂装或表面喷涂而被提供腐蚀防护。为此使用的材料通常具有低摩擦学质量(即低摩擦系数和高磨损)。这只能在短时间内起作用，因为制动过程期间的摩擦很快就消失。
5、当腐蚀层被去除时，基体材料(通常是钢或灰铸铁)完全暴露，腐蚀可以不受阻碍地开始。在很少需要使用制动盘的传统制动的车辆(例如电动车或混合动力车)中，在顶层被去除后腐蚀快速继续进行。这首先导致制动盘摩擦表面的磨损大大增加，此外，在这种情况下，由于已经形成锈蚀层，在紧急情况下紧急制动无法达到所需的程度，在最坏的情况下，这种情况会导致事故或其他负面后果。
技术实现思路
1、本发明基于提供现有技术的改进或替代方案的目的。
2、根据本发明的第一方面，该目的通过如下实现：具有金属基体的制动元件载体主体，其中，基体的表面至少部分地涂覆有合金，所述合金在扩散区扩散到基体中。
3、在优选实施方案中，基体全部涂覆有合金。
4、此外，明确指出，在本专利申请的上下文中，不定冠词和数字的指示(例如“一个”、“两个”等)通常应理解为“至少”的规范(即“至少一个......”、“至少两个......”等)，除非从相应上下文中推断或对于合格专家而言显而易见地或技术上必需地只能暗示为“恰好一个......”、“恰好两个......”等。
5、扩散通常被理解为几种物质之间浓度差的均衡直至达到平衡。扩散可以是不受外部影响的固体、液体或气体中热激活的浓度差的均衡过程。在完美的晶格中，每个晶格粒子都围绕其固定的晶格位置振荡，无法离开该位置。因此，对于晶体固体中的扩散，晶格缺陷的存在是必要的先决条件。只有当这些晶格缺陷存在时，原子或离子才能改变位置并导致物质输运的发生。此处通常可以采用各种机制：
6、-粒子跳入晶格间隙，导致间隙穿过晶格，形成净粒子流，
7、-较小的粒子可以在晶格间隙中移动，导致高扩散系数，
8、-两个粒子交换位置或多个粒子之间发生环交换。
9、化学合成过程必然与合金向金属基体的扩散过程相结合，这导致在扩散区形成能够提高耐磨性的金属间化合物。金属间化合物嵌入由扩散伴侣的反应物组成的更坚韧、更易延展的固溶体基质中，而这种不同特征成分的异质固态组合是制动盘所需功能优化的核心先决条件。
10、固溶体基质的外观和性能特征与其来源的金属的外观和性能特征大不相同。金属间相为哑光，颜色鲜明(浅灰色至黑灰色)，机械加工后表面光滑。此外，它们通过其较高的晶格能而稳定，因此具有比它们的反应物更高的熔化温度。此外，热和电流的传导性降低，它们对化学反应伴侣(即对空气、水、电解质和酸性介质等氧化剂)的反应性显著降低，因此具有耐腐蚀性和氧化稳定性。扩散区的特点还在于更高的机械强度和增加的硬度。
11、优选地，合金全部扩散到基体中。否则，仍存在于基体表面上的合金残留物将从表面上去除。
12、由于制动元件载体主体的扩散区，材料的摩擦学性能得到改善，耐腐蚀性得到提高。
13、如果合金以铝和硅为基础，则腐蚀防护和耐磨性均可进一步提高。当硅以5质量％至50质量％、优选10质量％至40质量％、更优选15质量％至30质量％存在时，该优点甚至更加明显。即使硅在5质量％至10质量％或7质量％至15质量％的范围内，也可以看到合金中硅对摩擦学性能、低热膨胀和增加的强度和耐磨性的影响。
14、总体上，该合金还含有除了铝和硅之外的其他合金元素。这些是主要合金元素和次要合金元素。主要合金元素主要是元素周期表第二和/或第三和/或第四主族和/或第一和/或第二和/或第四和/或第七副族的元素。对于次要合金元素，主要选自元素周期表第三和/或第四主族和/或第四和/或第五和/或第六和/或第八副族的元素。
15、在硅含量为5质量％至50质量％、优选10质量％至40质量％、更优选15质量％至30质量％的基于铝的合金中，选择至少一种主要合金元素。主要合金元素为如下元素中的一种以上：镁、硼、钛、锰、铜或锌。这些元素可以以如下范围(area)存在于合金中：
16、
17、例如，镁、铜和锌元素影响硬度并使硬度增加。同时，锰和钛元素对耐热性和耐腐蚀性有积极作用。
18、除了主要合金元素之外，合金中还可以有次要合金元素。次要合金元素为如下元素中的一种以上：镓、铟、锗、锡、锆、钒、铬、铁、钴或镍。这些元素可以以如下范围存在于合金中：
19、
20、在该合金中，余量由铝和制造过程中产生的不可避免的杂质组成。
21、在这些合金中，已证明三元合金和四元合金特别有利。这些是典型合金元素包括三种(三元)或四种(四元)物质的合金。仅计算决定典型性能的成分。以下三元合金和四元合金还可以包含一些已经列出的主要合金元素或次要合金元素。
22、有利的三元合金如下：
23、al88 si10 mg2、al88 si10 b2、al88 si10 ti2、al88 si10 mn2、al88 si10 cu2、al88 si10zn2、al83 si15 mg2、al83 si15 b2、al83 si15 ti2、al83 si15 mn2、al83 si15cu2、al83si15 zn2、al78 si20 mg2、al78 si20 b2、al78 si20 ti2、al78 si20 mn2、al78si20 cu2、al78 si20 zn2。
24、有利的四元合金如下：
25、al86 si10 mn2 mg2、al86 si10 mn2 b2、al86 si10 mn2 ti2、al86 si10 mn2cu2、al86si10 mn2 zn2、al81 si15 mn2 mg2、al81 si15 mn2 b2、al81 si15 mn2 ti2、al81 si15 mn2cu2、al81 si15 mn2 zn2、al76 si20 mn2 mg2、al76 si20 mn2 b2、al76si20 mn2 ti2、al76 si20 mn2 cu2、al76 si20 mn2 zn2。
26、另一种有利的合金由如下组成：76.7质量％至83.4质量％的铝和8.3质量％至12.3质量％的硅和选自mg、b、ti、mn、cu、zn、ga、ge、sn、sb、zr、v、cr、co、ni中的一种以上元素以及制造过程中产生的不可避免杂质。所有组合物成分的总和必须为100质量％。
27、一种特别有利的基于铝的合金为alsi10，alsi10的硅含量为10质量％，主要合金元素的比例的质量百分比范围如下：
28、镁<0.5％，
29、钛<0.05％，
30、锰<0.1％，
31、铜<0.005％，和
32、锌<0.005％。
33、该优选的基于铝的alsi10合金中的次要合金元素的比例的范围(质量％)如下：
34、铁<0.2％。
35、因此，铝的质量比例为除了由制造条件产生的不可避免的杂质之外的余量，即约90质量％。该组合物的所有成分的总和为100质量％。
36、另一种特别有利的基于铝的合金的硅含量为10.04质量％，主要合金元素的比例的质量百分比范围如下：
37、镁0.31％，
38、钛0.02％，
39、锰0.01％，
40、铜0.001％，和
41、锌0.003％。
42、该优选的基于铝的alsi10合金中的次要合金元素的比例的范围(质量％)如下：
43、铁0.16％。
44、因此，铝的质量比例为除了由制造条件产生的不可避免的杂质之外的余量，即约89.456质量％。组合物的所有成分的总和为100质量％。
45、成功测试的样品(prototype)以这样的方式组成，即合金由如下组成(质量％)：
46、al：76.7至83.4；
47、si：8.3至12.3；
48、和
49、选自如下的一种以上元素：mg、b、ti、mn、cu、zn、ga、ge、sn、sb、zr、v、cr、co、ni、fe，以及杂质；
50、其中，组合物的所有成分的总和必须为100质量％。
51、具体地，样品旨在具有如下合金(每个为质量％)：
52、-si：10％±2％，优选±1％；
53、和/或
54、-fe：<0.2％，
55、优选<0.18％，
56、优选0.17％±0.02％或0.16％±0.01％，
57、特别是0.16％；
58、和/或
59、-cu：<0.005％，
60、优选<0.003％，
61、优选0.0015％±0.001％，
62、特别是0.001％；
63、和/或
64、-mg：<0.5％，
65、优选<0.4％，
66、优选0.35％±0.05％，优选0.31％±0.03％，
67、特别是0.31％；
68、和/或
69、-mn：<0.1％，
70、优选<0.5％，
71、优选0.01％±0.005％，
72、特别是0.01％；
73、和/或
74、-ti：<0.05％，
75、优选<0.035％，
76、优选0.025％±0.01％，
77、特别是0.02％；
78、和/或
79、-zn：<0.005％，
80、优选<0.004％，
81、优选0.0035％±0.001％，
82、特别是0.003％；
83、其中，优选上述元素种至少2种、优选至少3种、优选至少4种、优选至少5种、优选至少6种各自以任意组合存在，
84、更优选存在上述所有7种元素，
85、可以另外存在特别是b、ga、ge、sn、sb、zr、v、cr、co、ni和/或，但优选合金不含这些元素，
86、组合物的所有成分的总和必须为100质量％。
87、上述每种合金都单独有助于腐蚀防护和提高耐磨性。它们都具有高机械强度，这意味着它们都具有高承载能力、压力稳定性和尺寸稳定性。
88、为了达到提高腐蚀防护和改善耐磨性的所需效果，合金可以有利地含有掺杂剂。这些掺杂剂是外来原子，它们可以在足够高的温度下渗透到另一固体中，并移动以及嵌入其中。此处可以发挥作用的机制如下：
89、-间隙(gap)扩散，即通过晶格中的空白空间，
90、-填隙(interstitial)扩散，即在晶格中的原子之间，
91、-替位扩散(place change)，即相邻原子的晶格位置交换。
92、无论有无掺杂剂，扩散都遵循菲克定律发生。这取决于各种因素，例如外来物质和目标物质的材料以及它们的特性(晶体取向)、浓度差、温度和晶格中其他掺杂剂的浓度。出于简单的目的，在本专利申请中，仅使用术语“晶体”来指代晶格。扩散发生的速度取决于原子的大小和基底中的扩散类型。扩散系数小通常会导致长的处理时间。如前所述，扩散和由此产生的掺杂分布的一个重要方面是浓度差。掺杂分布主要由掺杂剂源的特性决定。掺杂剂源可以是非可耗尽的源或可耗尽的源。在非可耗尽的掺杂剂源的情况下，假设晶体表面的掺杂剂浓度恒定，因此扩散到深处的外来原子直接从掺杂剂源中被替换。这意味着随着扩散时间和温度的增加，掺杂剂更深地扩散到晶体中，掺杂剂的量增加，表面的浓度保持恒定。相比之下，在自可耗尽的掺杂剂源的扩散中，掺杂剂的量是恒定的。在此处，掺杂剂的渗透深度随着扩散时间和温度的增加而增加，但同时表面的浓度降低。
93、用于合金的掺杂剂选自元素周期表的第三主族和/或第一和/或第三和/或第四和/或第五和/或第六和/或第七和/或第八副族和/或镧系元素。
94、合金可以含有一种或两种掺杂剂。在特别的情况下，可以使用三种、四种或更多种掺杂剂或掺杂物。
95、优选地，使用如下元素(质量％)作为掺杂剂：
96、
97、这些(当被添加到上述合金中时)会导致选择性形成所需的金属间相，因为它们充当催化剂或抑制剂。合金的扩散和掺杂剂的加入导致结构的变化。根据该建议，扩散区具有与载体主体不同的结构。这增加了制动盘载体主体的硬度，从而也增加了制动盘载体主体的耐磨性。
98、钢、铸钢、离心铸件(centrifugal casting)、灰铸铁或球墨铸铁适用于制动元件载体主体的基体。铝基体也可以。
99、这些金属是用于扩散上述合金的理想选择，无论是否有掺杂剂。由合金向基体中的扩散产生的扩散区的硬度(以维氏计)比基体材料更高。这构成了改善的磨损行为的基础。
100、为了产生具有足够硬度的扩散区，如果合金层的厚度为0.1mm至0.4mm，则是有利的。已证明合金层的厚度为0.2mm至0.3mm是特别有利的。
101、当扩散区的厚度为0.05mm至0.6mm时，可实现特别好的耐磨性(即硬度)以及相关的良好腐蚀防护。扩散区的厚度为0.2mm至0.3mm时，所需的性能尤其明显。
102、硬度增加是由于扩散进入制动元件载体主体的扩散区。这具有中等硬度。与载体主体的平均硬度相比，扩散区的平均硬度增加了1.0至8倍，优选1.5至5倍。
103、改进(即与基体相比硬度的增加)取决于基体材料。因此，在载体主体的载体材料为灰铸铁或离心铸件或钢或铸钢的情况下，扩散区的平均硬度与载体主体的平均硬度相比，硬度增加了2.5至8倍，特别是2至5倍。在载体主体的托架材料为铝的情况下，扩散区的平均硬度与载体主体的平均硬度相比，hv硬度增加了1.5至4倍，特别是1.5至3倍。
104、沿扩散区的纵轴、横轴和垂直轴或沿扩散区的半径和角坐标的硬度分布与扩散区的平均硬度(hv硬度)的最大偏差为10％到15％。
105、扩散区的结构与基体的结构不同，扩散区具有固溶体基质。固溶体基质由二元或三元或更高元的金属间相形成。
106、固溶体(mc)是由至少两种不同化学元素组成的晶体或微晶，其中外来原子或离子呈统计分布。这些原子或离子可以嵌入填隙位置(插入固溶体或填隙溶液)，或可以通过置换来替换其他元素的原子(置换固溶体)。如果固溶体具有金属特性，则它们也称为合金(维基百科)。
107、金属间化合物(也称为金属间相或中间相)是两种以上金属的均质化学化合物。与合金相比，它们表现出与组成金属的晶格结构不同的晶格结构。
108、此处，扩散区的固溶体基质没有纯金属析出。
109、通过上述将合金(特别是具有掺杂剂的合金)扩散到制动元件载体主体的基体中，所提出的扩散区可以在功能层的意义上以有针对性和以目的为导向的方式实现。这会产生分级层系统，该层内的各个相之间的边界几乎平行。
110、所提出的制动元件载体元件的金属间相随着与基体表面的距离增加，铁或碳的浓度逐渐增加，铝和/或硅和/或掺杂剂的浓度逐渐减小。
111、换句话说，扩散区具有离散的、精确定义的道尔顿体化学组成的二元、三元或更高元金属间相的分级结构，其具有不同比例的原始基体元素铁和碳以及不同比例的通过扩散引入到基体中的层元素铝、硅、各种合金元素和掺杂剂。
112、与嵌入在固溶体基质中的金属间相相比，固溶体基质的特征在于韧性和延展性增加。
113、具有和不具有掺杂剂的扩散合金使扩散区具有比基体金属更高的熔点和/或更差、更低的热导率和/或更差、更低的电导率和/或更高的机械强度和/或更高的硬度和/或对化学反应物的反应性。
114、应在此再次明确指出的是，由于在合金(特别是具有掺杂剂的合金)扩散过程中形成的金属间相是基体扩散区整体结构的不可或缺的部分，因此实现了所需的效果，即改善耐磨性和腐蚀防护性。即使这些金属间相源自金属，它们本身表现出陶瓷特性。这是由于晶格电子场中键合条件的变化，由此金属间化合物具有由局部电子对定义的价数。这使得酸性介质的侵蚀更加困难，产生所需的高耐腐蚀性。
115、根据本发明的第二方面，该目的通过如下实现：具有制动元件载体主体的制动盘或制动鼓，该制动盘或制动鼓具有设计为摩擦表面的区域和设计为接触表面的区域。在另一个实施方案中，此处使用的制动元件载体主体可以如上所述地进行设计。具有两个相对摩擦表面的制动盘是特别有利的。
116、此类制动盘或制动鼓提供更有效的长期腐蚀防护和提高的耐磨性。
117、摩擦表面和接触表面均形成制动盘或制动鼓的功能区域。摩擦表面是制动衬块以规定的法向力作用于其上的表面，由此通过两者之间的滑动摩擦实现所需的制动效果。接触表面是至少部分地沿径向延伸的表面。它沿制动盘的周向方向定向，由此法向矢量也沿周向方向作用。这允许传递制动力矩。接触表面例如可以位于制动盘的制动室上。
118、建议在制动盘或制动鼓上的合金层厚度为0.1mm至0.4mm。当合金层厚度为0.2mm至0.3mm时，可实现特别好的扩散效果。
119、建议特别坚硬、耐磨的制动盘或制动鼓具有厚度为0.05mm至0.6mm、优选0.3mm至0.6mm的扩散区。
120、在制动过程中，摩擦表面受到特别的影响。因此，所施加的合金层厚度和所得到的扩散区可以在摩擦表面和接触表面处具有不同的厚度。如果摩擦表面的扩散区的厚度为0.3mm至0.6mm，则特别有利。
121、对于所需的制动过程，如果摩擦表面和接触表面为环形，则特别有利。然而，也可以是两个表面中只有一个为环形。
122、在制动过程中，由于摩擦可以产生热量。如果产生的温度过高，不仅会对制动盘或制动鼓的使用寿命产生负面影响，还会对制动过程本身产生负面影响。因此，例如，建议设置通风通道以实现内部通风的制动盘。这些可设置在基体上和基体中，也可设置在基体上或基体中。
123、根据本发明的第三方面，该目的通过如下实现：包括制动元件载体板的制动衬块背板或制动蹄。此处，在特殊情况下，也可以如上所述提供制动元件载体板。
124、为了实现扩散的最佳效果，如果制动衬块背板或制动蹄上的合金层的厚度为0.1mm至0.3mm、优选0.1mm至0.2mm，则是有利的。
125、当制动衬块背板或制动蹄中的扩散区的厚度为0.05mm至0.3mm时，可实现提高的硬度和耐磨性。已证明扩散区厚度为0.05mm至0.15mm是特别有利的。
126、为了能够在使用期间进行制动操作，建议将制动衬块施加到合金的外表面上。
127、根据本发明的第四方面，该目的通过如下实现：一种制造制动元件载体主体的方法，其包括如下步骤：
128、1.提供基体，
129、2.使用硬陶瓷材料进行喷砂处理，去除基体表面上的氧化层，
130、3.将基于铝的合金施加到载体主体上，
131、4.对具有施加的合金的载体主体进行回火。
132、该方法尤其可用于制造上述制动元件载体主体。
133、提供的用于制动元件载体主体的载体主体可以是铸造的或冲压的。
134、喷砂处理尤其重要。这可以从待涂覆的制动盘表面去除氧化铁。如果不去除这些氧化铁，它们可作为阻挡所施加合金的元素向内扩散到金属基体结构的屏障。
135、在喷砂处理之前对基体进行加热的情况下，可在制造时间方面实现特别好的扩散效果(即快速扩散)，并且可实现扩散的质量或深度。
136、具有低基体材料嵌入亲和力的材料尤其适合于喷砂处理。使用硬陶瓷材料。已证明刚玉、石英、碳化硼、碳化钛、碳化硅和碳化铬尤其适合。这些可以单独或组合用于喷砂处理。
137、喷砂处理不仅能够从基体表面去除不需要的元素，而且还为随后施加合金做准备。这应快速容易地扩散到金属基体的结构中。如果喷砂处理在基体表面上产生5μm至10μm的粗糙度rz，则可有利地实现这一点。粗糙度导致在所施加的合金层和基体材料之间形成紧密的微形状锁定(micro-form-locking)结合。
138、对于使用硬陶瓷材料的喷砂处理，已证明0.5mm至1.5mm、尤其是0.8mm至1.2mm的粒径对于产生粗糙度尤其有效。
139、已证明，如果喷砂处理以与制动元件载体主体的表面成45°±10°的角度进行，则非常有效且高效。
140、根据本发明，在方法的步骤3中，将基于铝的合金施加到载体主体上。该合金以铝和硅为基础，可以但不必须包含掺杂剂。合金和掺杂剂的多样性已在上文中详细描述。此处，请参考上文。
141、根据本发明，合金化通过高速火焰喷涂处理、电弧丝喷涂处理或粉末涂覆处理进行。
142、在高速火焰喷涂(hvof)中，气体在高压下在燃烧室内连续燃烧，粉末状喷涂添加剂被送入燃烧室的中心轴。使用hvof时，高流速的气体射流是有利的；这通过燃烧室中产生的燃料气体/氧气混合物的高压和通常布置在下游的膨胀喷嘴实现。这将喷涂颗粒加速到高粒子速度，产生具有优异粘结性能的极其致密的喷涂层。丙烷、丙烯、乙烯、乙炔和氢气可用作燃料气体。
143、在电弧丝喷涂中，由相同或不同材料制成的两种丝状喷涂添加剂在电弧中熔化，使用雾化气体(例如压缩空气)旋转到准备好的工件表面上。
144、在粉末涂覆中，将粉末喷涂到通常导电的材料上，然后进行回火。粉末在金属表面熔化并形成例如防腐蚀的均匀的层。
145、喷砂后直接将合金施加到基体上是特别有用的，因为这降低了氧化铁再次形成或沉积在基体表面的风险。
146、步骤4涉及对具有施加的合金的载体主体进行回火。这加速了扩散过程，并允许控制掺杂剂掺入晶格结构。
147、经涂覆的制动盘的热处理(也称为回火处理)导致喷涂在基体表面上的层的合金元素向内扩散。在回火处理期间，产品在一段时间t内暴露于某温度t下，以产生、加速或促进某些过程(例如化学过程)。在低于相应喷涂层的熔点的温度下，该向内扩散进行得非常慢，但在熔点以上，该向内扩散进行得快得多。已证明，+590℃至+750℃的范围是用于最大保温温度的功能上和经济上适合的区间。所述回火处理或对具有施加的合金的基体的回火可沿着600℃至750℃的温度曲线进行。该温度曲线可以是线性的、指数的或周期性的。温度曲线还可以具有加热阶段、保温阶段和冷却阶段。
148、在回火处理开始时，材料系统之间的最大浓度梯度仍作为扩散的驱动梯度存在。对于开始时的快速扩散，熔融层的温度仅略高于其熔点就足够了。随着扩散的进行，驱动浓度梯度趋于平坦，因此为了保持快速扩散，使保温温度的水平连续或分步升高，以通过更高的热动力学来补偿降低的梯度的影响。因此，可以使温度曲线适应于合金向基体的金属中扩散的浓度梯度。
149、调整保温温度的原因是为了最大限度地减少对金属基体结构的总的(collective)热影响并在热处理期间对其进行保护。在熔化喷涂层以使其快速向内扩散到基体中时，熔体形成有效的阻挡空气中氧气的屏障，空气中的氧气被熔体的面向空气的表面捕获并以氧化铝的形式化学结合在该处。形成的氧化层防止氧气进一步进入熔体。因此，在回火过程中，扩散层中不会存储空气中的氧气。由于铝的高电正性及其在化学序中的位置，它比硅更优先地结合氧气。
150、为了获得改善的结果(即坚硬耐磨的扩散区，即合金全部、至少基本上全部扩散到基体中)，根据本发明，回火进行180至360分钟，优选210至300分钟。
151、根据本发明的第五方面，该目的通过如下实现：一种制造制动盘或制动鼓的方法，其包括如下步骤：
152、1.提供制动元件载体主体；
153、2.去除合金直至达到扩散区，以产生摩擦表面。
154、该方法可用于制造上述制动盘或制动鼓。步骤1中提供的制动元件载体主体可以是上述制动元件载体主体或根据上述方法制造的制动元件载体主体。因此，此处，请参考上文。
155、为了产生整洁、可用于制动的摩擦表面，必须去除多余的合金直到达到扩散区。根据该建议，去除可通过机械方式进行。在这种情况下，建议磨削或车削合金。通过去除多余的合金形成制动盘的一个以上摩擦表面。摩擦表面具有扩散区的固溶体基质的特性，即它非常坚硬且耐磨。
156、去除取决于材料和合金层厚度。然而，已证明去除至多0.05mm或至多1mm或至多1.5mm的合金是有利的。去除可以通过一个以上步骤进行，以便时常评估表面。
157、此外，制动盘或制动鼓可以具有金属基体，该金属基体具有扩散区，该扩散区由基质材料铁和碳以及先前喷涂的主要层材料铝、硅、镁和锰组成，该扩散区由层材料的热处理和向内扩散而产生；其中扩散区的单层厚度为0.05mm至0.6mm，优选0.3mm至0.6mm。
158、在这种情况下，扩散区包含元素铁、碳、铝、硅、镁和锰，其中元素铁、铝、硅和锰以许多自给自足且单独生长的晶体的形式形成新的二元、三元和四元金属间相，该金属间相嵌入由上述六种元素组成的同样的新的平行共存的固溶体基质中。
159、此外，所得扩散层可以以如下方式设计：在新形成的固溶体基质中，基体元素铁和碳随着深度的增加而连续增加，而喷涂层元素铝、硅、镁和锰随着深度的增加而连续减少。在新形成的金属间相的晶体中，上述元素的浓度也随着深度的增加而发生变化，其定性地遵循相同的趋势，但不连续，而是根据各自主要金属间相的组成配方呈离散跳跃的形式。
160、根据本发明的第六方面，该目的通过如下实现：一种制造制动衬块背板或制动鼓的方法，其包括如下步骤：
161、1.提供制动元件载体主体；
162、2.将制动衬块施加到合金表面以产生摩擦表面或接触表面。
163、该方法可用于制造上述制动衬块背板或制动蹄。在步骤1中提供的制动元件载体主体可以是上述制动元件载体主体或根据上述方法制造的制动元件载体主体。因此，此处，请参考上文。
164、步骤2中施加的制动衬块可以粘合或焊接到制动元件载体主体的合金表面上。因此，将制动衬块粘合和焊接上是可行的。
165、制动衬块可以以如下构造：
166、-30质量％至65质量％的金属(钢、铁或黄铜)与石墨、填料和粘合剂混合，或
167、-10质量％至30质量％的金属(铜或钢)，由玻璃、橡胶、碳或芳族聚酰胺制成的纤维，这可以在高速下提供更好的制动性能，或
168、-有机纤维或矿物纤维和耐高温的合成或天然树脂，这可以减少制动衬块磨损并产生更少的可见灰尘，或
169、-陶瓷纤维、填料和粘合剂，例如碳纤维增强碳化硅，这可以减小体积，或
170、-烧结的金属粉末，其具有更长的使用寿命和改善的耐热性，减少高强度使用期间制动效果的损失，或
171、-低比例的金属和高比例的有机纤维或矿物纤维，使得运行更安静，磨损更少。
172、根据本发明的第七方面，该目的通过如下实现：一种制动系统，其包括如上所述的制动盘或制动鼓以及如上所述的制动衬块背板或制动蹄。
173、盘式制动器由制动盘和制动衬块背板组成。鼓式制动器的必要部件包括制动鼓和制动蹄。
174、根据本发明的其他方面，该目的通过如下实现：一种包括该制动系统的机动车、轨道车、固定式工业制动系统或风力涡轮机。
技术特征：
1.制动元件载体主体，
2.根据权利要求1所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金为基于铝和硅的合金。
3.根据权利要求1或2所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金包含5质量％(下限)至50质量％(上限)数值范围的硅，其中，
4.根据权利要求3所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金含有作为下限的9质量％至作为上限的11质量％数值范围的硅。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金是含有主要合金元素的基于铝和硅的合金，其中，主要合金元素选自元素周期表的第二和/或第三和/或第四主族和/或第一和/或第二和/或第四和/或第七副族，
6.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金包含5质量％至50质量％的硅和一种以上主要合金元素，所述主要合金元素选自如下元素(以质量％计)中的一种：
7.根据权利要求6所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金包含一种以上次要合金元素，所述次要合金元素选自如下元素(以质量％计)中的一种：
8.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金为如下三元合金中的一种：
9.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金为如下四元合金中的一种：
10.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金由如下组成(以质量％计)：
11.根据权利要求10所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金由如下组成(以质量％计)：
12.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金含有掺杂剂；优选地，所述掺杂剂选自元素周期表的第三主族和/或第一和/或第三和/或第四和/或第五和/或第六和/或第七和/或第八副族和/或镧系元素。
13.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金含有一种或两种或三种或更多种掺杂剂。
14.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述掺杂剂选自如下元素(以质量％计)中的一种以上：
15.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述基体由钢、铸钢、离心铸件、灰铸铁或球墨铸铁制成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述基体由铝制成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，合金层厚度为0.1mm至0.4mm，优选0.2mm至0.3mm。
18.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述扩散区的厚度为0.05mm至0.6mm，优选0.2mm至0.3mm。
19.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述扩散区具有与载体主体不同的结构。
20.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述扩散区具有由二元或三元或更高元金属间相形成的固溶体基质。
21.根据权利要求20所述的制动元件载体主体，其特征在于，随着与基体表面的距离增加，固溶体基质的铁或碳的浓度连续增加，铝和/或硅和/或掺杂剂的浓度连续减小。
22.根据权利要求17或18所述的制动元件载体主体，其特征在于，随着与基体表面的距离增加，金属间相的铁或碳的浓度逐渐增加，铝和/或硅和/或掺杂剂的浓度逐渐减小。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，与嵌入在固溶体基质中的金属间相相比，固溶体基质具有增加的韧性和延展性。
24.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述扩散区具有比基体金属更高的熔点和/或更低的热导率和/或更低的电导率和/或更高的机械强度和/或更高的硬度和/或更低的对化学反应伴侣的反应性。
25.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，在扩散区中存在固溶体基质，没有纯金属析出。
26.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述扩散区具有中等硬度，其中，扩散区的平均硬度与载体主体的平均硬度相比，硬度增加1.0至8倍，优选1.5至5倍。
27.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，在载体主体的载体材料为灰铸铁或离心铸件或钢或铸钢的情况下，扩散区的平均硬度与载体主体的平均硬度相比增加2.5至8倍，特别是2至5倍。
28.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，在载体主体的载体材料为铝的情况下，扩散区的平均硬度与载体主体的平均硬度相比，hv硬度增加1.5至4倍，特别是1.5至3倍。
29.根据前述权利要求中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，沿纵轴、横轴和垂直轴或沿扩散区的半径和角坐标的硬度分布与扩散区的平均硬度(hv硬度)的最大偏差为10％至15％。
30.具有制动元件载体主体、特别是权利要求1至29中任一项所述的制动元件载体主体的制动盘或制动鼓，其具有设计为摩擦表面的区域和设计为接触表面的区域。
31.根据权利要求30所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，合金层厚度为0.1mm至0.4mm，优选0.2mm至0.3mm。
32.根据权利要求30或31所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，扩散区的厚度为0.05mm至0.6mm，优选0.3mm至0.6mm。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，摩擦表面的扩散区的厚度为0.3mm至0.6mm。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，摩擦表面和/或接触表面为环形。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，通风通道位于基体上和/或基体中。
36.制动盘或制动鼓，其包括金属基体，所述金属基体具有扩散区，所述扩散区由基体材料铁和碳以及先前喷涂的主要层材料铝、硅、镁和锰组成，所述扩散区由层材料的热处理和向内扩散产生，所述扩散区的层厚度为0.05mm至0.6mm，优选为0.3mm至0.6mm。
37.根据权利要求36所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，所述扩散区含有元素铁、碳、铝、硅、镁和锰，其中，元素铁、铝、硅和锰以许多自足且单独生长的晶体的形式形成新的二元、三元和四元金属间相，所述金属间相嵌入由上述六种元素组成的同样的新的平行共存的固溶体基质中。
38.根据权利要求36或37所述的制动盘或制动鼓，其特征在于，所得扩散层以如下方式设计：在新形成的固溶体基质中，基体元素铁和碳随着深度的增加而连续增加，而喷涂层元素铝、硅、镁和锰随着深度的增加而连续减少，在新形成的金属间相的晶体中，上述元素的浓度也随着深度的增加而发生变化，其定性地遵循相同的趋势，但不连续，而是根据各自主要金属间相的组成配方呈离散跳跃的形式。
39.制动衬块背板或制动蹄，其包括制动元件载体板、特别是权利要求1至29中任一项所述的制动元件载体板。
40.根据权利要求39所述的制动衬块背板或制动蹄，其特征在于，合金层厚度为0.1m至0.3mm，优选0.1mm至0.2mm。
41.根据权利要求39或40所述的制动衬块背板或制动蹄，其特征在于，扩散层厚度为0.05mm至0.3mm，优选0.05mm至0.15mm。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的制动衬块背板或制动蹄，其特征在于，制动衬块施加在合金的外表面上。
43.一种制造制动元件载体主体、特别是权利要求1至29所述的制动元件载体主体的方法，其包括如下步骤：
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，在喷砂处理之前加热基体。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其特征在于，所述喷砂处理中的硬陶瓷材料为刚玉和/或石英和/或碳化硼和/或碳化钛和/或碳化硅和/或碳化铬。
46.根据权利要求43至45中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷砂处理在基体的表面上产生5μm至10μm的粗糙度rz。
47.根据权利要求43至46中任一项所述的方法，其特征在于，所述硬陶瓷材料的粒径为0.5mm至1.5mm，特别是0.8mm至1.2mm。
48.根据权利要求43至47中任一项所述的方法，其特征在于，喷砂处理以与制动元件载体主体的表面成角度地进行，所述角度为45°±10°。
49.根据权利要求43至48中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金为基于铝和硅的合金。
50.根据权利要求43至49中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金含有5质量％至50质量％的硅。
51.根据权利要求43至50中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金为具有主要合金元素的基于铝和硅的合金，
52.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，所述合金包含次要合金元素，所述次要合金元素选自元素周期表的第三和/或第四主族和/或第四和/或第五和/或第六和/或第八副族。
53.根据权利要求43至52中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金由一种以上主要合金元素组成，所述主要合金元素选自如下元素(以质量％计)中的一种：
54.根据权利要求43至53中任一项所述的制动元件载体主体，其特征在于，所述合金包含一种以上次要合金元素，所述次要合金元素选自如下元素(以质量％计)中的一种：
55.根据权利要求43至54中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金为如下三元合金中的一种：
56.根据权利要求43至55中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金为如下四元合金中的一种：
57.根据权利要求43至56中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金由如下组成(以质量％计)：
58.根据权利要求43至57中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金含有掺杂剂。
59.根据权利要求43至58中任一项所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂选自元素周期表的第三主族和/或第一和/或第三和/或第四和/或第五和/或第六和/或第七和/或第八副族和/或镧系元素。
60.根据权利要求43至59中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金包含一种或两种或三种或更多种掺杂剂，所述掺杂剂由如下元素(以质量％计)中的一种组成：
61.根据权利要求43至60中任一项所述的方法，其特征在于，合金的掺杂剂作为选择性活性催化剂和/或抑制剂。
62.根据权利要求43至61所述的方法，其特征在于，合金层厚度为0.1mm至0.4mm，优选0.2mm至0.3mm。
63.根据权利要求43至62中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金化通过高速火焰喷涂处理、电弧丝喷涂处理或粉末涂覆处理进行。
64.根据权利要求43至63中任一项所述的方法，其特征在于，所述回火在590℃至750℃之间的温度下进行。
65.根据权利要求43至64中任一项所述的方法，其特征在于，所述回火沿着600℃至750℃的温度曲线进行，所述温度曲线为线性的或指数的或周期性的，或者具有加热阶段、保温阶段和冷却阶段。
66.根据权利要求43至65中任一项所述的方法，其特征在于，温度曲线适应于合金向基体的金属中扩散的浓度梯度。
67.根据权利要求43至66中任一项所述的方法，其特征在于，回火进行180至360分钟，优选210至300分钟。
68.根据权利要求43至67中任一项所述的方法，其特征在于，所述载体主体为铸造的和/或冲压的。
69.一种制造产制动盘或制动鼓、特别是权利要求30至38所述的制动盘或制动鼓的方法，其包括如下步骤：
70.根据权利要求69所述的方法，其特征在于，所述合金以机械方式去除。
71.根据权利要求69或70所述的方法，其特征在于，所述合金被磨削或车削。
72.根据权利要求69至71中任一项所述的方法，其特征在于，所述合金被去除至多0.05mm或至多1mm或至多1.5mm。
73.一种制造制动衬块背板或制动蹄、特别是权利要求30至42所述的制动衬块背板或制动蹄的方法，其包括以下步骤：
74.根据权利要求73所述的方法，其特征在于，制动衬块被粘合和/或焊接上。
75.根据权利要求73或74所述的方法，其特征在于，制动衬块包含如下材料中的一种以上：
76.一种通过权利要求69至72中任一项所述的方法制造的制动盘或制动鼓。
77.一种根据权利要求73至75中任一项制造的制动衬块背板或制动蹄。
78.制动系统，其集合有：
79.一种具有权利要求78所述的制动系统的机动车或飞机。
80.一种具有权利要求78所述的制动系统的轨道车。
81.一种具有权利要求78所述的制动系统的固定式工业制动系统。
82.一种具有权利要求78所述的制动系统的风力涡轮机。
技术总结
要求保护一种具有金属基体(2)的制动元件载体主体，其中，所述基体(2)的表面(3)至少部分地、优选全部地涂覆有合金(5)，所述合金已在扩散区中扩散到基体(2)中。
技术研发人员：J·福尔纳谢尔,T·瓦尔,T·韦伯
受保护的技术使用者：戈特克制动盘涂料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5