本发明涉及一种用于制造混合轻质制动盘的方法以及一种混合轻质制动盘。
背景技术：
传统的制动盘主要由灰铸铁(gg15、gg25)或球墨铸铁(具有球状石墨的铸铁：ggg60、ggg70)制造，并且通过车削在切削过程中加工。用铝代替重灰铸铁材料的建议是现有技术中已知的。由于铝的密度低，制动盘的重量因此可以减小约50％。然而，这种制动盘具有明显的缺点。一方面，与灰铸铁材料相比，铝合金不具有所需的耐磨性，铝铸铁合金的熔点低于650℃。然而，当进行诸如所谓的ams(automotorandsport，汽车和运动)测试的制动测试时，在速度从115km/h到0km/h的反复制动操纵过程中，在灰铸铁制动盘上测得高于750℃的温度。另一方面，与灰铸铁材料相比，铝合金具有高出许多倍的热导率，并且因此可以更快地将所产生的摩擦热量散发到环境空气中。
现有技术中已知的一种可能的解决方案是由于高硅含量(所谓的过共晶铝-硅合金)而使熔点升高的铝合金。同时在这种情况下增加的硅含量导致耐磨性增加。
在现有技术中还描述了使用通过喷射压制熔融金属制造的铝材料，其中在通过挤出的随后制造部件的过程中，保持了改进的机械性能和热性能。(peterkrug：“喷射压制铝合金-要求轻质概念的不寻常的材料”，锻造学报2008年9月第34至36页。)
这些铝材料(例如商业上可获得的
另一种方法——其中通过由硬质金属(例如碳化钨-钴wc-co)组成的涂层保护传统的铝-硅制动盘不受磨损，由于使用策略上重要的碳化钨和后加工所必需的金刚石工具导致了高成本。
在现有技术中还描述了混合制动盘，其中所谓的室由铝锻造合金或铝合金构成，并且制动盘的摩擦负载摩擦表面由铸造灰铸铁材料构成。
cn1039395509a公开了另一种混合制动盘的示例。该专利申请描述了一种用于轨道车辆的由al/sic(铝/碳化硅)和cu/sic(铜/碳化硅)复合材料组成的摩擦副，以及用于al/sic-cu/sic摩擦副的制造方法。由碳化硅-陶瓷结构形成的复合物嵌入摩擦副的摩擦表面中。在摩擦副的另一侧沿圆周方向布置有多个散热肋。在每个散热肋的中间形成有贯穿制动盘的通风通道。碳化硅-陶瓷结构嵌入在cu/sic制动衬片的摩擦表面中。在cu/sic制动片的另一侧上设置有格栅状的散热冷却肋。
用于制造al/sic-cu/sic复合材料摩擦副的方法包括以下步骤：制造由碳化硅-陶瓷结构形成的复合物，碳化硅-陶瓷结构的预处理，制动盘和制动衬片铸造模具的构造和生产，制动盘和制动衬片的低压铸造，对制动盘和制动衬片进行热处理，对制动盘和制动成片进行精密加工并存储成品。在这种情况下，al/sic-cu/sic复合材料摩擦副旨在能够：容易地制造，具有低重量和高且稳定的摩擦系数，具有良好的导热性能和长的使用寿命，并且旨在适用于现有的轨道车辆。
cn104235237a中描述了一种由碳化硅(sic)泡沫-陶瓷和铝合金构建的复合材料制成的道路车辆制动盘及一种用于制造道路车辆制动盘的方法。具有碳化硅泡沫陶瓷结构的增强铝合金制动盘的主体由增强铝合金材料(例如铝合金或纳米陶瓷颗粒或碳纳米管)制成。碳化硅泡沫陶瓷结构被铸造在制动盘的两个对称的摩擦表面上。摩擦表面上可以形成用于散热的凹槽或轴向孔。
在非摩擦表面的圆周方向上铸造多个散热冷却肋。在盘主体上形成紧固孔。该制造方法包括以下步骤：制造碳化硅泡沫陶瓷结构，陶瓷结构的预加工，制动盘的铸造模具的构造和生产，制动盘的低压铸造，制动盘的热处理，制动盘的精加工和成品的储存。
为了制造混合制动盘，也考虑使用例如3d和激光沉积焊接的增材制造方法。
通过3d打印，可以使用塑料、合成树脂、陶瓷和金属作为材料。例如，us9,144,940b2描述了一种使用基于电子照相术的增材制造系统来打印三维部件和支撑结构的方法。该方法包括使用第一电子照相机从包含第一和第二共聚物的可溶性辅助材料形成支撑结构的背衬层，并将形成的背衬层从第一电子照相机转移到转移介质上。
此外，cn104404508a描述了一种用铝合金制造结构部件的基于激光的增材制造方法。基于激光的增材制造方法的特征在于在工作台上放置自主氩气保护装置，在自主氩气保护装置内放置由铝合金构成的基材，预先注入超纯氩气，其中空腔中氧含量低于70μl/l，并且使用定制的粉末进料装置，从而通过使用激光束在熔池中供给按照规定的质量比均匀混合的铝、铁基合金、稀土材料la2o3和其他超细金属粉，以便由此形成与基材进行冶金结合的激光束涂层。数控工作程序然后对所有层一层一层地进行激光束涂覆，直到最终制成三维金属部件。以这种方式，可以制造具有快速凝固结构和复杂几何形状的高性能、完全紧凑的铝合金结构部件。根据说明书，基于激光的增材制造方法具有制造成本低、制造时间短、材料用量高和性能稳定并且能够快速制造复杂的组分、显着提高铝合金结构部件的强度性能、以及减少在合金中的结构缺陷(例如气孔、裂纹、残余应力等)的特点。
韩国专利kr101587411b1描述了用于3d-金属打印机的热处理装置以及与此相关的用于结构的热处理的方法。热处理装置包括3d-金属打印机、用于控制3d-金属打印机的操作的主控制部件和热处理单元，该3d-金属打印机通过利用激光熔化金属粉末来堆叠和处理结构。热处理单元在堆叠期间对各层进行热处理。热处理装置因此通过对平坦的层进行热处理，对结构及其内部进行热处理，这是在用3d-金属印刷机进行结构的堆叠和处理期间所必需的。
在ep0833698b1中描述了一种制造陶瓷-金属结构的方法，其中特别提供了一种用于在不能被材料润湿的固体基质上制造由非润湿的可液化材料(例如液化金属如铝、铜、镁等)构成的结构的解决方案。
在一个实施例中描述了用于制造例如可用于轻质机动车辆制动器的陶瓷-金属带的方法。该方法包括以下步骤：
-在形成的固体模具上沉积一层不可湿润的陶瓷粉末，
-在非湿润的陶瓷粉末层上沉积一层可湿润的粉剂，
-使金属与可湿润的粉末层接触，
-将金属加热到金属在可湿润粉末层的颗粒之间发挥毛细管作用并与不可湿润的陶瓷粉末层接触以形成金属渗透结构的温度；以及
-冷却金属渗透结构以便凝固金属并在实心模具上形成陶瓷金属带。
根据现有技术的特征，混合制动盘领域在温度载荷能力、耐磨性、低制造复杂性和设计自由度方面提供了更多的改进空间。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有足够的温度载荷能力和足够的耐磨性的制动盘及其制造方法，该方法不需要后续的热喷涂层。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的一种用于制造混合轻质制动盘的方法来实现，其中该混合轻质制动盘具有制动室和摩擦环。该目的还通过根据权利要求8的一种具有制动室和具有至少一个环形外摩擦表面的摩擦环的混合轻质制动盘来实现。分别从属的从属权利要求进一步公开了本发明的特别有利的实施例。
参考在下面的说明书中单独引用的特征和措施可以以任何技术上可行的方式相互组合并且展示本发明的进一步的实施例。该说明书特别结合附图来表征和指定本发明。
根据本发明的用于制造混合轻质制动盘的方法包括以下步骤：
-由具有铝锻造合金的材料提供制动室，和
-通过使用诸如激光沉积焊接工艺或3d打印工艺的增材制造，在制动室的边缘区域上由快速凝固的铝合金构建摩擦环。
除了铝之外，铝锻造合金优选包含一定比例的至少一种金属，特别优选一定比例的至少两种选自由镁、硅、铜和锰构成的组中的金属。这些铝锻造合金具有良好的导热性和高延展性。
尤其是具有比典型铸造工艺的冷却速度高几个——优选至少三个，并且特别优选至少五个——数量级(即，因子105)的冷却速度的凝固在本发明的意义上应该通过术语“快速凝固”进行理解。为了制造快速凝固的铝合金，特别可以使用激光束源和电子束枪。
快速凝固的铝合金因此不能通过常规的熔铸和铸造冶金来生产，并且可以具有远优于常规制造的铝合金的性能。
以这种方式，可以提供一种用于制造具有足够的温度载荷能力和足够的耐磨性的轻质设计的混合制动盘的方法，并且该方法在无需后续的热喷涂层的情况下进行管理。
如果通过使用3d打印工艺来构建摩擦环，则可以在构建期间有利地引入摩擦环的识别，例如部件号码。
快速凝固的铝合金与铝锻造合金的组成可以不同。特别地，除了铝之外，快速凝固的铝合金还可以以一定比例的至少一种金属为特征，特别优选至少两种选自由硅、镁、铬、铁、钴、铜、锰、镍和钛构成的组的金属。快速凝固的铝合金也可以以适用于构建摩擦环的应用方法的形式提供。
所提供的制动室可以优选地具有与成品加工状态相比过大的尺寸。结果是，制动室的精确制造几何形状可以用很少的劳动支出来实现。所提供的制动室可以优选地通过金属移除制造过程(例如通过车削)来制造。
在该方法的有利实施例中，构建摩擦环的步骤包括从粉末沉积快速凝固的铝合金。在通过使用激光沉积焊接工艺或3d打印工艺来进行摩擦环的熔融冶金构建期间，粉末状的快速凝固铝合金保持其良好的机械性能。以这种方式，例如可以实现摩擦环的高水平的热稳定性和高水平的耐磨性，使得可以省去摩擦环的后涂层。
如果构建摩擦环的步骤包括快速凝固的铝合金在与制动室的垂直方向形成不同于零的角度的方向上的定向沉积，则在所述构建摩擦环的过程中由于扩大的焊接接头区域可以实现构建位置处的较低的热能密度，并且可以实现具有降低的温度差的熔化区域的热消散。因此，可以避免快速凝固的铝合金的有利机械性能效果的损失，和/或可以在更短的时间内完成构建摩擦环的步骤。
定向沉积的方向优选与制动室的垂直方向形成10°至20°之间的角度，特别优选20°至30°之间的角度。
如果该方法另外包括在摩擦环的构建期间强制冷却制动室的步骤，则由于在摩擦环的构建期间冷却时间过长而导致的快速凝固的铝合金的有利机械性能的损失也可以被抵消。
优选地并且特别有效地，制动室的强制冷却可以在制动室的圆柱形部件上进行。
在优选实施例中，该方法的特征在于，制动室的边缘区域的至少一部分的金刚石滚压的预备步骤，结果是其表面被微观地扩大和可以改善待构建的摩擦环到制动室的边缘区域的机械结合。
在该方法的优选实施例中，快速凝固的铝合金含有碳化硅的添加剂。以这种方式，可以实现摩擦环的特别高水平的耐磨性。
在快速凝固铝合金中添加的碳化硅优选以纳米颗粒的形式存在。
在该方法的优选的实施例中，其中使用3d打印工艺来构建摩擦环，使用包含快速凝固的铝合金的金属基复合材料作为待构建的铝合金。结果是，可以实现3d打印工艺的特别简单的实施。
在另一个优选实施例中，该方法的特征在于，通过机械加工制动室并省略摩擦环的机械加工而对构建的混合轻质制动盘进行后加工的附加步骤。当使用根据本发明的方法时，可以调整摩擦表面的表面粗糙度，该摩擦表面在初始制动过程期间理想地适于从制动衬片剥离材料并且将其传递到摩擦表面用于形成制动传递膜。
在本发明的另一方面中提出了一种混合轻质制动盘，其包括制动室和具有至少一个圆形的外摩擦表面的摩擦环。制动室由包含铝锻造合金的材料制成。特别还包括其中制动室完全(即100％)由铝锻造合金构成的情况。而且，摩擦环固定地连接到制动室的边缘区域，并且主要比例由快速凝固的铝合金构成。
在本发明的意义上，术语“主要比例”理解为特别是大于50％，优选大于70％，特别优选大于90％的比例。特别地，该术语包括摩擦环完全(即100％)由快速凝固铝合金组成的可能性。
在本发明的意义上，术语“固定地连接”理解为特别通过材料结合来连接以及通过例如螺钉紧固的非强制接合来连接。
以这种方式，可以提供具有适当的温度载荷能力和足够的耐磨性的轻质设计的混合制动盘，其制造在无需随后的热喷涂层的情况下进行管理。
通过使用根据本发明所公开的方法可以有利地制造混合轻质制动盘，其结果是摩擦环与制动室的边缘区域的固定连接通过材料结合而产生。或者，摩擦环可以通过使用激光沉积焊接工艺或3d打印工艺来初始制造。摩擦环然后可以固定地连接(例如螺纹连接)到制动室的边缘区域。
在作为具有两个摩擦环的双制动盘的混合轻质制动盘的优选实施例中，在摩擦环内部形成多个冷却通道，这些冷却通道各自具有面向制动室内部的第一开口，和布置在摩擦环的外周线上并且形成环境空气的流动通道的第二开口。因此，在混合轻质制动盘的操作期间可实现有效的空气冷却水平。
在混合轻质制动盘的另一设计的实施例中，在两个相邻的冷却通道之间沿方位方向布置有至少一个空腔，以进一步减轻重量。至少一个空腔借助于至少一个通口可以流体连接到至少一个冷却通道，其结果是可以移除未熔化粉末形式的生产残余物。然而，至少一个空腔也可以被气密保护。
通过使用根据本发明公开的方法，在制造这种混合轻质制动盘期间可以实现特别低的材料成本和关于多个冷却通道的特别高的设计自由度。
摩擦环内的多个冷却通道的冷却通道特别优选流体地互相连通。作为具有大量冷却通道(其可以在沿着冷却通道的一个或多个位置处流体相互连通)的设计的结果，由冷却通道的侧表面形成并用作热交换表面的摩擦环的内表面可以有利地增加，其结果是产生的摩擦热可以迅速地消散到环境空气中。由于冷却通道的流体连接(例如通过通口)，也可以有利地节省用于制造的材料，并且降低了混合轻质制动盘的重量。
在这种情况下，可能的设计方案是从多个彼此流体独立的冷却通道到达全部是流体连通的多个冷却通道，使得在摩擦环内部布置有多个间隔开的肋，通过该多个肋，摩擦环的两个盘部分相互连接，使得摩擦环可以理解为由两个摩擦环部分构成一体。
通过使用3d打印工艺，还可以以简单的方式以不规则的形式构造冷却通道的侧壁，并且例如为其设置突出到冷却通道内的多个突起。以这种方式，可以实现增加的有效热交换表面。此外，以这种方式可以产生流体状态，其至少局部地导致湍流并且允许更有效的运走热量。
在混合轻质制动盘的有利实施例中，至少一个圆形的外摩擦表面装配有多个凹槽。摩擦表面中的凹槽的设置用于从上述摩擦表面移除制动粉尘和/或雨水。
通过使用根据本发明的公开的方法，可以以特别低的材料成本实现用于增加圆形外摩擦表面中的散热的多个凹槽和/或轴向布置的穿孔。
附图说明
在从属权利要求和下面的附图说明中公开了本发明的其他有利实施例。在附图中：
图1以透视平面图示出了根据本发明的混合轻质制动盘和混合轻质制动盘的制动室；
图2以局部截面侧视图示出了根据图1的混合轻质制动盘；
图3示出了根据本发明的用于制造根据图1和2的混合轻质制动盘的方法的流程图；以及
图4示出了在构建摩擦环期间3d打印机中的混合轻质制动盘的布置的示意图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的部件总是被提供相同的附图标记，这就是为什么这些部件通常只描述一次。
图1以透视平面图示出了根据本发明的混合轻质制动盘10和混合轻质制动盘10的制动室14。混合轻质制动盘10作为用于设计为汽车的车辆的双盘式制动器而设置。混合轻质制动盘10的对称轴线12与处于安装状态的车辆的车轴一致。
制动室14基本上具有在附图平面中朝向底部打开的圆柱形形状。在附图的平面中，圆柱形部件22的上部的盖子具有用于居中目的的中心通口24和用于紧固在车辆车轴上的多个(例如五个)紧固通孔26。布置在圆柱形部件22的下端处的边缘区域28包括外围突起30的上侧和下侧。
制动室14由完全由具有示例性材料编号enaw-6061(almg1sicu)的铝锻造合金构成的材料制成。制动室14由铝锻造合金在切削过程中通过车削制造，并且与精加工状态相比具有过大尺寸，例如0.5mm的过大尺寸。
混合轻质制动盘10在不同情况下还包括具有圆形的外摩擦表面18的摩擦环16。在附图的平面中只能看到一个摩擦表面18。摩擦环16固定地连接到制动室14的边缘区域28，并且主要比例由快速凝固的铝合金(例如alsi20fe5ni2)组成，其在组成上对应于示例性材料
在图2中示出了根据本发明的混合轻质制动盘10的局部剖视侧视图。多个径向延伸的冷却通道32形成在摩擦环16的内部。每个径向冷却通道32具有面向制动室14的内部的开口34和布置在摩擦环16的外周线上的开口36。每个径向冷却通道32形成用于环境空气的流动通道，使得在混合轻质制动盘10旋转期间在驱动操作过程中，环境空气(例如从靠近轴的区域)通过径向冷却通道32传导，并且通过摩擦环16的内部通风产生有效的空气冷却水平。
从图2中可以看出，两个相邻的径向冷却通道32借助于在径向方向上均匀间隔开的多个方位布置的通口38流体地相互连接。结果是，可以减少制造摩擦环16所需的材料使用量和混合轻质制动盘10的重量。
如图1中所示，摩擦环16的圆形的相应的外环形外摩擦表面18设置有多个凹槽20。这种凹槽20的设置用于移除来自摩擦表面18的制动粉尘和/或雨水。
以下描述根据本发明的用于制造混合轻质制动盘10的方法的可能实施例。该方法的流程图如图3中所示。
在该方法的第一步骤56中，制动室14在切削过程中通过车削由铝锻造合金enaw-6061构成的坯件而制造，具有所描述的过大尺寸。在随后的步骤58中，制动室14的边缘区域28的外围突起30的上侧和下侧例如通过金刚石滚压而机械地变粗糙，以便改善将要构建的摩擦环16的机械结合。
在下一步骤60中，制动室14被提供用于进一步机械加工。为此，以这样的方式将制动室14放置在3d打印机44的模具48(图4)中，即，使得制动室14的边缘区域28对于摩擦环16的计划的构建是可接近的。模具48中靠近边缘区域28的区域与上述制动室14的边缘区域28在该情况下一起形成使用3d打印工艺所需的平坦支撑表面52。制动室14的圆柱形部件22的盖子被拧到3d打印机44的模具48的良好导热性(例如通过使用铜)基部50上，并且结果是与基部50机械接触，结果是产生良好的热接触。模具48的良好的导热基部50连接到冷却装置(未示出)，并且借助泵输送的冷却介质可以被强制冷却。
在该方法的进一步的步骤62中，启用3d打印机的模具48的强制冷却。
在接下来的步骤64中，通过使用包含激光束源46的3d打印机44的3d打印工艺，摩擦环16构建在制动室14的边缘区域28上。用于构建摩擦环16的材料由快速凝固的铝合金(即具有添加有碳化硅的alsi20feni2)构成，并且在该特定的示例性实施例中存在于粉末54中。在另一个示例性实施例中用作待构建的合金是金属基复合材料，该复合材料包含快速凝固的铝合金以及嵌入基体中的添加的碳化硅。
当摩擦环16完全地构建并且冷却到常温时，在切削过程中对构建的混合轻质制动盘10进行后加工，在另外的方法步骤66中，通过车削机械加工制动室14(图3)并且进入精加工状态。摩擦环16的机械加工不是必需的，并且可以省略。
除了使用3d打印工艺之外，构建摩擦环16的步骤64可以通过使用激光沉积焊接工艺(激光熔覆)来执行。将制动室保持在模具中并且可以类似地为3d打印工艺提供冷却。例如，在传统的激光沉积焊接工艺中，设置在模具中的制动室可以借助于部件操纵器在激光束下来回移动，而利用已知的活塞环间隙粉末喷嘴，以空心锥体形式聚集的由快速凝固的铝合金的粉末颗粒组成的粉末流与激光束同轴地被引导到制动室上或摩擦环的已经完成的部分上。摩擦环的构建通常垂直于基部进行。然而，粉末喷嘴与制动室或者摩擦环的已经完成的部分之间的工作区域也可以在构建期间从垂直方向倾斜高达30°，结果是工作区域被放大。因此，可以实现具有较小温度差的工作区域的热量的消散。另外，可以在边缘区域的周边上对制动室进行斜切，使得从工作区域到冷却的制动室的热传递的横截面面积增加，结果是散热被改进。
附图标记列表：
10混合轻质制动盘
12对称轴
14制动室
16摩擦环
18摩擦表面
20凹槽
22圆柱形部件
24中心通口
26紧固孔
28边缘区域
30突起
32径向冷却通道
34冷却通道的开口
36冷却通道的开口
38通口
40沉积方向
42径向
443d打印机
46激光束源
48模具
50基部
52支撑表面
54由快速凝固的铝合金与sic组成的粉末
方法步骤：
56车削制动腔，制动腔具有过大尺寸
58对突起的上侧和下侧进行粗加工
60提供制动室
62启用强制冷却
64构建摩擦环
66制动室的后加工