Deckblatt Sachsen.indd

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
SACHSEN
Bremsen leicht gemacht langlebige keramikbeschichtete
Carbon-Bremsscheiben
Michael Mommert
Richard Vogelsang
Schule:
Gymnasium Einsiedel
Niederwalder Str. 11
09123 Chemnitz
Jugend forscht 2010
Jugend forscht 2010
Bremsen leicht gemacht - Langlebige
keramikbeschichtete Carbon-Bremsscheiben
Erstellt von:
Richard Vogelsang & Michael Mommert
Tutorenkurs:
12/1
Schule:
Gymnasium Einsiedel
Betreuende Fachlehrerin:
Frau Arnold
Betreuer Technische Universität Chemnitz:
Dr.-Ing. Daniela Nickel
Dipl.-Ing. Thomas Grund
Dipl.-Ing. Thomas Mäder
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
Seite 3
2 Merkmale von Bremsen
Seite 3
3 Metallografie
3.1 Herstellung und Präparation der Proben
Seite 5
3.2 Analyse der Proben
Seite 7
4 Herstellung der Polymer-Matrix-Kompositwerkstoffe
Seite 9
5 Erzeugen der Verschleißschutzschicht (thermisches Spritzen)
Seite 10
6 Verschleißtests am SRV-Prüfstand
Seite 11
7 Fazit und Ausblick
Seite 16
8 Quellenverzeichnis
Seite 18
Seite 2 von 19
1 Einleitung
Das Thema dieser Arbeit entstand durch die Auseinandersetzung mit dem Erwerb des Führerscheins,
sowie der klimatischen Entwicklung weltweit.
In der heutigen Zeit verlangt die Arbeitswelt hohe Mobilität, die erhöhte CO2- Emissionen zur Folge
hat und so die klimatische Entwicklung beeinflusst. Um das stetig größer werdende Problem einer
nachhaltigen Energieversorgung zu lösen, gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze. Zum einen besteht
die Möglichkeit neue Energiequellen, wie die Solarenergie zu erkunden. Andererseits stellt auch die
Senkung des Energiebedarfs einen Lösungsweg des Problems dar. Diese Senkung kann durch den
Leichtbau von bewegten Bauteilen verschiedenster Maschinen erzielt werden.
Deutlich wird dies vor allem in der Fahrzeugindustrie. Sie ist selbst ein sehr energieintensiver
Industriebereich und stellt noch dazu Produkte her, die selbst zur Funktionalität einen recht hohen
Energiebedarf haben. Der Trend der Verbraucher geht immer mehr hin zu Fahrzeugen, die günstige
Verbrauchswerte aufweisen und gleichzeitig umweltverträglich sind. Deshalb sind auch die Hersteller
an einer Senkung des gesamten Energiebedarfs interessiert:
„[Fahrzeuge] sollen […] leichter werden, denn weniger Gewicht senkt den Verbrauch der
Kraftfahrzeuge und damit den CO2- Ausstoß. Trotzdem müssen sie effizient arbeiten, durch Leistung
und komfortable Fahreigenschaften überzeugen.“ [1]
Da Bremsscheiben dauerhaftem Verschleiß ausgesetzt sind, regelmäßiger Erneuerung bedürfen und
zudem eine hohe Masse aufweisen, wurde dieses Beispiel zur Umsetzung der Kriterien ausgewählt.
Außerdem bot sich eine Anwendung im Projekt „Fortis Saxonia“ an, welches die Entwicklung eines
ultraleichten Fahrzeuges verfolgt, wobei durch Gewichtseinsparungen größere Reichweiten erzielt
werden können. Da Prototypen nur die notwendigsten Bauteile zur Funktionstüchtigkeit enthalten,
kann diese Gewichtseinsparung bei den Bremsen schon ausreichen, um das gesamte Fahrzeug zu
verbessern.
2 Merkmale von Bremsen
Die Bremse stellt einen wesentlichen Teil eines Fortbewegungsmittels dar. Außerdem unterscheidet
man zwischen verschiedenen Bauarten von Bremsen, wie zum Beispiel Scheiben- oder
Trommelbremsen, wobei erstere immer mehr an Bedeutung gewinnt. Dabei erzeugen Bremsscheiben
und Bremsbeläge die benötigte Reibung und leiden somit unter hohem Verschleiß.
Seite 3 von 19
[Abb.1] Aufbau einer Scheibenbremsanlage (Faustsattel)
Die Bremsscheibe ist mit der Felge verbunden und somit ein bewegtes Teil. Damit nimmt die
Bremsscheibe beim Anfahren und Beschleunigen nicht nur kinetische Energie, sondern auch
Rotationsenergie auf. Hinzu kommt, dass konventionelle Bremsscheiben aus Stahl bestehen und somit
eine beträchtliche Masse besitzen. Da diese Masse am Fahrzeug ständig transportiert werden muss, ist
sie auch Grund für einen Teil des Energiebedarfs des Fahrzeugs. Deshalb ist es besonders sinnvoll
eine Lösung zu finden, um die Masse der Bremsscheibe zu minimieren.
Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Steifigkeit in Kombination mit einer bei moderaten
Temperaturen extrem hohen spezifischen Festigkeit aus, zudem weisen diese neben ausgezeichneten
mechanischen Eigenschaften auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Bremsscheibe die
beim Bremsvorgang in Form von Wärme aufgenommene Bremsenergie schnell ableiten kann.
Bei einem Bremsvorgang wird die kinetische Energie des Fahrzeugs durch Reibung in Wärme
umgewandelt. Diese Wärme muss vom System „Bremse“ aufgenommen und abgeleitet werden.
Stahlbremsscheiben können so beim Bremsen kurzzeitig Temperaturen von 700°C erreichen. Der
Temperaturanstieg in Kelvin an einer Bremsscheibe lässt sich mit folgender Formel errechnen:
Δ𝑇 =
0,9∙𝑊 𝐵
𝑚 ∙ 𝑐𝑃
[2]
Dabei ist WB die vollbrachte Bremsarbeit einer Scheibe[J], m die Masse der Scheibe[kg] und cP
[J∙(kg∙K)-1] die spezifische Wärmekapazität des Materials, aus dem die Scheibe besteht. Somit ist die
Temperatur der Bremsscheibe indirekt proportional zur Wärmekapazität des Materials. Dieser Wert ist
bei Stahl mit 0,47 J∙(kg∙K)-1 relativ gering. Der Faktor 0,9 kommt zustande, da die Bremsscheibe in
der Regel 90% der Bremsleistung aufnimmt.
Wie folgende Grafik zeigt, verteilt sich die Wärme nie gleichmäßig über eine Bremsscheibe.
Seite 4 von 19
[Abb.2] Hotspotbildung einer Bremsscheibe von einem Nutzfahrzeug
Schon durch minimale bauliche Unregelmäßigkeiten kommt es zur Bildung von Hotspots. Dabei
handelt es sich um Ablagerungen von Belagresten am Bremsscheibenrand, die durch den Verschleiß
entstehen und sich nach geraumer Zeit durch die Bremswirkung abgetragen werden. Um einer
Überhitzung vorzubeugen gibt es verschiedene Techniken. Zum einen kann man durch Bohrungen
größere Oberfläche zum Abkühlen freilegen. Denselben Effekt besitzen auch innenbelüftete
Bremsscheiben. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, eine Zufuhr von Kaltluft einzurichten. Eine
Kühlung ist bei Verwendung von Faserverbundwerkstoffen sehr entscheidend, da diese Werkstoffe
durch die verwendeten Harze sehr temperaturempfindlich sind.
Zusätzlich sind Bremsscheiben mechanischen Anforderungen ausgesetzt: Die Gleitreibungszahl µ
einer gebräuchlichen Bremsscheibe mit dem entsprechendem Belag beträgt 0,35 bis 0,5 (zum
Vergleich: Stahl auf Stahl – trocken: 0,06). Dies gilt bei einer Flächenpressung (Druck) pMittel von bis
zu 600 N/mm2. Dadurch wird offensichtlich, dass der verwendete Werkstoff eine gewisse Festigkeit
mit sich bringen muss. Faserverbundbauweisen erfüllen diese Eigenschaft hervorragend.
Eine genaue Analyse der Eigenschaften von Bremsscheiben ermöglichen es Schwachstellen zu
erkennen und diese durch neue Materialien zu minimieren oder gar zu beseitigen.
[3][4]
3 Metallografie
3.1 Herstellung und Präparation der Proben
In den zur Verfügung stehenden Untersuchungsgeräten können die Bremsscheiben nur in bestimmten
Formaten verwendet werden. Deshalb wurden zunächst kleine Stücke aus der gebrauchten und
ungebrauchten Bremsscheibe für die Tests herausgeschnitten.
Seite 5 von 19
[Abb.3|4] Heraustrennen der Proben
Durch das beim Nasstrennschleifen verwendete Kühlmittel wird eine Überhitzung und somit
Beschädigung der Proben verhindert. Dies ist notwendig, um die eigentlichen Eigenschaften nicht zu
verfälschen. Nach jedem Trennvorgang wurden die Stücke mit Wasser und Ethanol abgespült und mit
einem Föhn getrocknet, um Korrosion zu verhindern.
[Abb.5] Einbetten der Proben („CitoPress-20“ von Struers)
Für das Einbetten wird die Probe zuerst auf einen Druckstempel gelegt und das Einbettmittel
„Polyfast“ hinzugefügt. Darauf erhitzt das Gerät das Einbettmittel auf 180°C und verdichtet es mit
250 bar. Nach diesem vierminütigen Vorgang sind noch 2 Minuten zum Abkühlen nötig, um das
vollständige Aushärten des Einbettmittels zu gewährleisten.
Durch das Einbetten sind die Proben kompatibel zu den Geräten der Folgebehandlung, um ein ideales
Bild durch das Mikroskop zu erhalten. Dazu müssen die eingebetteten Proben plangeschliffen und
nachträglich poliert werden. Dabei benutzt man Diamantschleifscheiben mit zunehmender Körnung
(120; 220; 600; 1200) und somit abnehmender Korngröße (vom dreistelligem zum einstelligen
Mikrometerbereich) zum Schleifen. Bei allen Körnungen wird Wasser zugeführt um den Abrieb
abzuspülen und um zu kühlen.
Seite 6 von 19
[Abb.6 | 7] Schleifen und Polieren mit Struers TegraPol-25
Allerdings entstehen bei diesem Prozess auch neue Kratzer. Weiterhin wird der weichere Grafit stärker
aus dem Grauguss gelöst als die metallischen Bestandteile, sodass auf einem Bild an den Stellen des
Grafits durch die diffuse Reflektion an den Einkerbungen schwarze Flächen entstehen würden.
Um diesen beiden Effekten vorzubeugen wird die Probe zusätzlich poliert. Dies erfolgt in drei
ähnlichen Schritten. Zu jeden Schritt ist eine Scheibe nötig die eine bestimmte Korngröße zulässt.
Diese wird dann neben dem Gleitmittel mit dem jeweiligen Abrasivstoff derselben Korngröße
besprüht. Um die verwendete Diamantsuspension dabei nicht abzuspülen wird kein Wasser eingesetzt.
In Folge dessen muss die Probe nach jedem Vorgang gereinigt und getrocknet werden. In der
nachfolgenden Tabelle werden die Parameter der Schritte dargestellt:
Schritt
Scheibe
Abrasivstoff
Aufdruckkraft
1
9 µm Wabenscheibe
9 µm DP-Suspension
20 N
2
3 µm Vliesscheibe
3 µm DP-Suspension
20 N
3
1 µm „MD Nap“-
1 µm DP-Suspension
15 N
Tuch
[Tabelle 1: Arbeitsschritte zur Propenpräparation]
Es ist möglich, dass ein Schritt nicht das gewünschte Ergebnis bei einer Kontrollbetrachtung unter
dem Mikroskop erbringt. In diesem Fall wird der jeweilige Schritt wiederholt. [5][6]
Seite 7 von 19
3.3 Analyse der Proben
Bei der Auflichtmikroskopie beruht die Bildentstehung auf dem unterschiedlichen
Reflexionsvermögen verschiedener Stoffe und auf der unterschiedlichen Reflektion durch das Relief
der Probe.
Folgende Bilder verdeutlichen die Strukturen der Bremsscheiben:
Neue Scheibe
Gebrauchte Scheibe
ungeätzt
geätzt
Es sind deutliche Graphiteinschlüsse zu erkennen, was auf einen Grauguss hinweist. Neben einen
sichtbar höheren Graphitanteil weist die gebrauchte Bremsscheibe auch deutliche Verschleißspuren
auf. Diese sind bereits an der ungeätzten Probe an der Unebenheit des oberen Randes zu erkennen.
Durch Ätzung mit Salpetersäure wird die Probe äußerlich schlagartig matt und lässt Rückschlüsse auf
das Gefüge des Stoffes zu. Auf den Bildern der geätzen Proben sind Lamellen zu erkennen, die auf
Perlitstahl hinweisen. Das ist folgendermaßen zu erklären: Perlitstahl besteht aus α-Eisen (auch Ferrit)
und Eisenkarbid (Fe3C, auch Zementit). Zementit ist allerdings nicht so säurebeständig wie das Ferrit,
wodurch sich beim ätzen des Perlits an den Stellen des Zementits die oben erwähnten Lamellen bilden.
Die unteren beiden Bilder verdeutlichen den räumlichen Aufbau des Graugusses, der darin besteht,
dass neue Lamellen durch den Abrieb frei werden und neue Anordnungen der Einschlüsse entstehen.
Seite 8 von 19
4 Herstellung der Polymer-Matrix-Kompositwerkstoffe
Bei Polymer- Matrix- Kompositwerkstoffen (PMCs) handelt es sich um Faserverbundbauweisen.
Diese bestehen stets aus den Fasern, der Matrix und optional Füllstoffen. Dabei muss die Matrix den
hohen thermischen Belastungen standhalten, deshalb sind dafür besondere Epoxidharzsysteme oder
Hochtemperaturharze geeignet. Außerdem sorgen Füllstoffe wie Nickel- oder Keramikpartikel für eine
bessere Bindung zu den später aufgetragenen Schichten. Als Fasern werden Kohlefasern verwendet,
da diese eine geringere Dichte als Glasfasern besitzen.
Am Beginn des Fertigungsprozesses steht das Zuschneiden der Gelege- und Gewebematten.
Der erste Schritt der Präparation bestand darin, die Platte der Presse mit Folie ( als Trennmittel) zu
versehen und diese dann mit einer Anfangsschicht Harzsystem (Harz und Härter in Verbindung) zu
bestreichen. Darauf wurden die zugeschnittenen Matten und ihre Zusätze immer abwechselnd mit
einem Harzsystem aufgetragen, bis schließlich die benötigte Anzahl erreicht war. Dabei war zu
beachten, dass der Aufbau symmetrisch ist und keine Einschlüsse von Luft vorhanden sind. Dies
erfordert die Ausrichtung der Fasern, die bei Unregelmäßigkeiten höheres Potential für die Erzeugung
von Schadstellen aufweisen.
[Abb.8] Laminat-Presse
Während des Aushärtevorgangs kann die Presse eine Kraft von 1000 kN auf die Laminate ausüben
und bis 300°C temperieren. Damit wird erreicht, dass der Faserverbund in seine Form gebracht wird
und diesen Zustand beibehält. [7]
Auf diese Weise entstanden 9 verschiedene CFK-Platten. Davon sind die weiterverwendeten in der
nachfolgenden Tabelle zusammengefasst:
Probennr.
Harzsystem
Harzzusatz (Partikel)
Faserzusatz
1
L-Harz (Epoxid)
-
-
5
Hochtemperatur-Harz
50% (d. Masse) Nickel
Äußerste Schicht: Gewebe
8
Hochtemperatur-Harz
-
Nickelbeschichtete
Langfaser
10
Hochtemperatur-Harz
35% Nickel
Kupfergewebe
[Tabelle 2: Übersicht zur Zusammensetzung der weiterverwendeten Substrate]
Seite 9 von 19
Die fertig gepressten Platten wurden durch Wasserstrahlschneiden in eine kompatible Größe
(40∙40 mm) für die Verschleißtests gebracht.
5 Erzeugen der Verschleißschutzschicht (thermisches Spritzen)
Der erste Schritt für alle Proben war das Anrauen und Abtragen des Harzes der Oberfläche durch
mechanisches Strahlen mit 0,5 – 1 bar und danach folgende Reinigung mit Ethanol. Um das
Spritzergebnis zu optimieren, führten wir drei Probenreihen mit verschiedenen Eigenschaften ein. Die
verwendeten Parameter sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Probennummer
Sandstrahlintensität
Beschichtungsart
*.1
Harz leicht angeraut
Zink / Lichtbogenspritzen
*.2
Harz entfernt und Substrat
Zink / Lichtbogenspritzen
angeraut
*.3
Harz entfernt und Substrat
Aluminium-Silizium-
angeraut
Legierung /
Pulverflammspritzen
[Tabelle 3: Verschiede Zwischenschichten] (* steht für die Verwendung einer beliebigen Vorgängerprobe.)
Dabei stellte sich lediglich das zweite Verfahren als den Anforderungen entsprechend heraus, da sich
beim ersten Verfahren die Schichten wegen mangelnder Haftung im weiteren Bearbeitungs- und
Untersuchungsverlauf ablösten und das dritte Verfahren keine flächendeckende Schicht erzeugte.
Die vorhandene Zinkschicht dient als Übergansschicht und sollte daher eine möglichst geringe Stärke
von 50µm aufweisen.
Auf diese Schicht wurden verschiedene Verschleißschutzschichten aufgetragen, dafür stellten sich
zwei Pulver zur Verfügung. Zum einen Aluminiumoxid (Al2O3/TiO2 | 97/3 | *.2.2n-1) und zum
anderen Wolframkarbid (WC/Co/Cr | 86/10/4 | *.2.2n). Zunächst wurden Proben erstellt, die durch
Pulverflammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF/K2) erstellt wurden.
Die Spritzleistung beim Pulverflammspritzen (*.2.1/*.2.2) war zu gering um eine ausreichende
Mächtigkeit auf Dauer per Hand zu erzielen. Es entstanden jedoch für Tests geeignete Proben mit
einer Wolframkarbidschicht.
Das roboterunterstützte K2-Spritzen (*.2.5/*.2.6) stellte wiederum eine zu große thermische Belastung
für die Proben dar, sodass die Schichten der Proben häufig sprangen und sich ablösten.
Außerdem wurden Beschichtungen durch Plasmaspritzen (*.2.3/*.2.4) aufgetragen. Auch bei diesem
Verfahren waren in der Wolframkarbidbeschichtung zu große Spannungen vorhanden. Dadurch kam
Seite 10 von 19
es vor allem an den Rändern zum Ablösen der Schichten. Jedoch trat dieser Effekt bei einer
Aluminiumoxidbeschichtung nur äußerst selten auf. So konnte dieses Pulver auf geeignete Weise
aufgebracht werden.
6 Verschleißtests am SRV-Prüfstand
Mit dem SRV-Tester (Schwingungs-Reibverschleiß) der Firma Optimol lassen sich Werkstoffe mit
dünnen Beschichtungen auf Verschleiß testen. Der Verschleiß lässt sich gravimetrisch mit Feinwagen
bestimmen.
[Abb.9] SRV-Prüfstand
Das Gerät kann eine Reibung zwischen einem Werkstoff und einen Gegenkörper mittels Oszillation
(Translation) und Rotation simulieren. Dabei werden Daten wie Reibkraft oder Temperatur
ausgegeben.
Hier wurde der Rotationsmodus verwendet, da dieser der realen Bewegung am nächsten kommt.
[8]
[Abb.10] Funktionsprinzip des Rotationsmodus‘
Seite 11 von 19
Dazu wurden mit einem Wasserstrahlschneider Scheiben mit 40 mm Durchmesser aus der neuen
Bremsscheibe und Stifte mit ca. 10 mm Durchmesser aus dem Bremsklotz von Ate geschnitten und für
die Tests am Prüfstand präpariert.
Weiterhin wurden die von uns beschichteten Proben mit Hilfe von Diamantschleifscheiben plan
geschliffen, um die Rauheit der Oberfläche zu vermindern, damit die Tests dem Prüfstand
entsprechend durchgeführt werden können. Um möglichst aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten,
haben wir jeweils drei Versuche an den Graugussscheiben, sowie an den bespritzen Proben mit
WC/Co beziehungsweise Al2O3 durchgeführt.
Allerdings liegt auf Grund von Messtechnikfehlern zur Aluminiumoxidschicht nur eine vollständige
Messreihe (1 Stunde) vor; die unvollständigen Reihen bestätigen diese aber.
Die wichtigsten spezifischen Eigenschaften der verschiedenen Probentypen sind in der folgenden
Tabelle zusammengefasst:
Testparameter: Rotation, mittlerer Radius r=10,5 mm, 120 U/min, Normalkraft: 600N (bzw.
Al2O3 800N), Dauer 1h(+30s Vordruck 50N)
Typ
Grauguss
WC/Co
Al2O3
Reibwert
µ=0,32
µ=0,23
µ=0,37
5130 Nm∙mg-1
2251 Nm∙mg-1
6998 Nm∙mg-1
Durchschnittlich gebildet aus
Quotient von Bremskraft und
Normalkraft
Verschleißfestigkeit
Durchschnitt für die jeweiligen
Quotienten aus im
Versuchszeitraum geleisteter
Reibarbeit und Masseverlust an der
Probe
[Tabelle 3: Verschleiß- und Funktionswerte verschiedener Probentypen]
Sowohl der Reibungskoeffizient als auch der Wert für die Verschleißfestigkeit von Wolframkarbid
liegen unter der Referenz von Grauguss. Im Kontrast dazu sind die Werte für Funktion und
gravimetrischen Verschleißschutz bei Aluminiumoxid höher als bei Grauguss. Verrechnet man den
gravimetrischen Verschleißwert mit der Dichte, kommt man zu dem Ergebnis, dass alle drei
Probentypen einen ähnlichen volumetrischen Verschleiß besitzen. Dennoch ist der Reibwert des
Wolframkarbids für einen Einsatz als Bremse zu gering. Die nachfolgenden Abschnitte beleuchten die
einzelnen Testreihen genauer:
Seite 12 von 19
Grauguss:
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
FB in N | θ in °C
FN in N | U/min
Bremsscheibe 17.08.09-1
60
t in min
Normalkraft in N
U/min
Bremskraft in N
Temperatur in °C
Typisch für Graugussscheiben ist, dass der Reibwert beim Betrieb der Bremsen erst langsam
aufgebaut wird, was an dem blauen Graphen der Bremskraft zu erkennen ist. Der Grund dafür ist, dass
die Verschleißspuren des Bremsklotzes auf der Scheibe den Reibungswiderstand erhöhen. Eine solch
hohe Bremskraft wie im vorliegenden Beispieltest mit knapp 300N wurde nicht immer erreicht. Der
Temperaturanstieg bis ca. 75°C, welcher durch den violetten Graphen verdeutlicht wird, zeigt, dass
wirklich kinetische Energie durch das Bremsen in Wärme umgewandelt wird. Aus der Massedifferenz
der Probe vor dem Test und nach dem Test konnte bei diesem Test ein Verschleiß von 23 mg ermittelt
werden. Weiterhin fielen die Graugusstests dadurch auf, dass ein Teil des Masseverlusts an der Probe
als Massezunahme am Bremsklotz auftrat. Dies weist auf eine durchdachte Werkstoffkombination hin.
Graugussscheiben sind die heutigen Standards bei Bremsen und gelten daher für die weiteren Tests als
Referenz.
Wie bei den übrigen Tests, symbolisieren die rote und die grüne Kurve hier die Konstanz der
Normalkraft und der Drehzahl, mit der der jeweilige Test durchgeführt wurde.
Seite 13 von 19
Wolframkarbid:
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
FB in N | θ in °C
FN in N | U/min
WC/Co 10.2.2.I
60
t in min
Normalkraft in N
U/min
Bremskraft in N
Temperatur in °C
Bei der Wolframkarbidschicht stellt sich schnell ein Reibwert ein, dieser liegt aber im Durchschnitt
deutlich niedriger als bei der Graugussscheibe, was am flach verlaufenden blauen Graphen zu
erkennen ist. So wird bei 600N Normalkraft lediglich eine Bremskraft von maximal 150N verursacht.
Dies deutet darauf hin, dass der Abrieb des Bremsklotzes, welcher den Reibwert erhöht, nicht auf der
Wolframkarbidschicht haftet. Durch die geringe Bremskraft wird wenig Bremsarbeit geleistet,
wodurch sich auch der Temperaturanstieg in diesen Probenreihen in Maßen hielt. Auch der
Verschleißwert fällt mit 2251 Nm∙mg-1 ernüchternd gering für einen Werkstoff aus, der auch unter
dem Markennamen WIDIA für besonders gute Verschleißeigenschaften steht. Dieser geringe Wert
entsteht auch durch den hohen Masseverschleiß von 39 mg an der Beispielprobe. Dies ist durch die
hohe Dichte des Wolframcarbids (15,63 g∙cm-3) gegenüber Grauguss (7,2 g∙cm-3) zu begründen.
Aus den dargestellten Ergebnissen folgt, dass die Wolframkarbidschicht die Tests zwar von der
Funktion her besteht, aber der Reibwert nicht ausreichend für einen Einsatz als Bremsscheibe ist.
Dennoch zeichnet sich die Wolframkarbidbeschichtung durch einen sehr konstanten Reibwert aus.
Seite 14 von 19
Aluminiumoxid:
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
FB in N | θ in °C
FN in N | U/min
Al2O3 10.2.3.I
60
t in min
Normalkraft in N
U/min
Bremskraft in N
Temperatur in °C
Die Aluminiumoxidprobe wurde mit 800N Normalkraft getestet, die entscheidenden Werte sind
allerdings mit Tests mit 600N Normalkraft vergleichbar, da vereinfacht gilt FN~FB. Der erfolgreiche
Test mit 800N bestätigt auch die Haftfestigkeit der Schicht, welche durch mehrere Defekte in Frage
gestellt wurde.
[Abb.11] Defekt einer Probe mit Al2O3-Schicht
Diese Defekte sind jedoch auf die 8.*.*-Probenreihe mit nickelbeschichteten Langfasern im Laminat
einzugrenzen. Die dort bereits unzureichende Haftung der Zinkschicht auf dem Substrat ist bei Proben
mit einlaminiertem Metallsieb (10.*.*) kein Problem.
Auch die mit Grauguss vergleichbaren Reib- und Verschleißparameter sprechen für eine
Verwendbarkeit der keramischen Aluminiumoxidschicht auf Bremsscheiben. So wird bereits nach 10
Minuten ein Reibwert von ca. 0,33 erreicht, welcher sich später auch stabilisiert. Grauguss erreicht
diesen Reibwert erst nach ca. 30 Minuten. Berücksichtigt man, dass ein Bremsprozess meist in einer
kurzen Zeit abläuft, ergeben sich daraus weitere Vorteile hinsichtlich der Verzögerungswerte für die
Aluminiumoxidbeschichtung. Die entsprechend große Bremsarbeit wird auch im relativ starken
Temperaturanstieg deutlich, dennoch erreicht die Temperatur mit rund 75°C keine kritischen Werte.
Seite 15 von 19
7 Fazit und Ausblick
Die Tests haben gezeigt, dass Bremsscheiben aus beschichteten CFK für einen Einsatz tauglich sind.
Allerdings konnte die Funktion bisher nur für eine Belastung bis 800N sichergestellt werden. Es hat
sich dabei die Materialkombination von CFK mit einem Hochtemperaturharzsystem (und
einlaminierten Metallsieb) mit dünner Zwischenschicht aus lichtbogengespritztem Zink und einer
Verschleißschutzschicht von plasmagespritztem Aluminiumoxid als besonders geeignet
herausgestellt. Sie vereint die gewünschte Massereduzierung mit den geforderten Eigenschaften wie
zum Beispiel die Haftfestigkeit der Funktionsschicht und das Erreichen einer guten Bremsleistung.
[Abb.12|13] getestete Proben
(Grauguss | Aluminiumoxidschicht)
Dabei darf die Massereduzierung auf etwa ein Fünftel des Gewichts einer Graugussscheibe nicht
vergessen werden. Diese ist über den Vergleich der Dichten bestimmbar. (Die Masse der
Spritzschichten ist bei dickeren Bremsscheiben zu vernachlässigen.) Folglich wird die aufzubringende
Arbeit bei einer Beschleunigung nach den Definitionen von kinetischer Energie, Rotationsenergie und
Trägheitsmoment auf denselben Anteil reduziert.
Außerdem war es erstaunlich, dass weder die verwendeten Harzsysteme noch die zusätzlichen Partikel
im Laminat einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg des thermischen Spritzens brachten. Viel
entscheidender war es die Proben vor den Spritzen ausreichend anzurauen und spannungsfrei zu
befestigen.
Mit Hilfe des CAD-Programms CATIA v5 wurde das Modell einer Bremsscheibe des SAX-Prototyps
erstellt. Dieses Modell dient zur Veranschaulichung der Funktion einer laminierten Bremsscheibe.
Seite 16 von 19
[Abb.14] Modellierung mit
CATIA v5
Daraus lässt sich ein Schnittmuster für die zu erstellenden Laminate gewinnen. Diese können neben
dem in der Arbeit beschriebenen Verfahren auch durch Unterdruck in einem Vakuumsack hergestellt
werden.
Weiterhin dient dieses Modell der Verdeutlichung von Verwendungsmöglichkeiten der Sensortechnik
zur Überwachung der Verschleißschutzschicht: Bringt man an den lediglich mit Zink beschichteten
Speichen einen elektrischen Kontakt an, so kann eine Abnutzung der isolierenden
Verschleißschutzschicht durch einen Stromfluss detektiert werden, wenn ein Gegenkontakt am
zugehörigen Bremsklotz angebracht wurde.
Mit Hilfe von Versuchsproben in Bremsscheibenform könnte außerdem, wenn dies notwendig ist, die
Anpassung einer Kühlung vollzogen werden.
Überdies existieren weitere Anwendungsgebiete für diese Materialkombination, wie zum Beispiel bei
Druckwalzen im Verlagswesen. So wird rund 35% der Energie einer Druckmaschine für den Antrieb
der Walzen und den Papiertransport benötigt. Durch eine Gewichtsreduzierung könnte dabei Energie
gespart werden. [9]
Allgemein lässt sich diese Werkstoffkombination vorteilhaft auf alle bewegten Bauteile anwenden,
deren Oberfläche eine bestimmte Funktion erfüllen muss.
Seite 17 von 19
8 Quellen
[1] Bröcker, Jürgen; Scheiben und Wellen; 12. November 2009;
http://www.welt.de/die-welt/vermischtes/article5180986/Scheiben-und-Wellen.html
am 30.11.2009
[2] Trzesniowski, Michael; Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten,
Systeme; Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2008; S.408
[3] Trzesniowski, Michael; Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten,
Systeme; Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2008; S.389,393,401,402,422-431
[4] Becker, Frank-Michael; Formeln und Tabellen für die Sekundarstufen I und II; Paetec
Ges. für Bildung u. Technik, Berlin, 2004; S.6-9,12
[5] Struers; Struers - KNOW HOW - Metalog Guide - Prozess der mech. Präparation Prozess der mechanischen Präparation;
http://www.struers.de/default.asp?top_id=5&main_id=19&sub_id=27&doc_id=105 am
14.03.09
[6] True Grits; http://www.geocities.com/opaaw/grits.html am 21.10.08
[7] KVB; Ausstattung; 29.05.2009; http://www.kvb-chemnitz.de/german/ausstatt.shtml am
30.11.2009
[8] IWW, TU Chemnitz; Schwingungs-Reibverschleiß Prüfgerät (SRV); 2008
[9] ewz, Gloor Engineering; Druckmaschine (Offset); 2007;
http://www.energie.ch/daten/prozesse/drucken.htm am 30.11.2009
Weitere Quellen zum Thema der Arbeit:
- Hornbogen, Erhard; Warlimont, Hans; Metalle; Struktur und Eigenschaften der Metalle und
Legierungen; Springer-11777 /Dig. Serial], Berlin, Heidelberg, 2006; S.188, 190-193, 202
- Universität Bayreuth; Einführung in die Materialwissenschaft Metallografie; 23.11.2005;
http://www.metalle.unibayreuth.de/de/download/teaching_downloads/Prakt_G3_Metallographie.pdf am 11.04.2009
- Prohl, Hansjörg; RFA - so funktioniert's!; http://www.immr.tuclausthal.de/geoch/labs/XRF/RFA/Einleit.html am 11.04.2009
- MPA Stuttgart; Metallografie; http://mitglied.lycos.de/fpgc/downs/09_Metallographie.pdf
am 05.09.2009
Seite 18 von 19
- Lober, Dietmar; Materialfehler und Anomalien im Stahl und an fertigen Bauteilen;
Informationen über Stahl für Metallografen; http://www.metallograf.de/start.htm am
11.04.2009
- Schürmann, Helmut; Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden; Springer, Berlin, 2007;
S.1-12, 21-27, 83-85, 87
- Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V.; Was Ist Thermisches Spritzen – Grundlagen;
2009; http://www.gts-ev.com/ts-info.htm am 21.05.2009
- Rießner-Gase GmbH & Co. KG; Thermisches Spritzen; 2006;
http://www.riessner.cz/files/beratung/THERMISCHES%20SPRITZEN.pdf am 21.05.2009
- zum Gahr, Karl Heinz; Tribologie: Reibung - Verschleiß – Schmierung;
Naturwissenschaften; Jahrgang 72, Heftnummer 5; 1985; S.260-268
- Dubbel, Heinrich; Grote, Karl-Heinrich; Feldhusen, Jörg; Dubbel; Taschenbuch für den
Maschinenbau; Springer-11774 /Dig. Serial], Berlin, Heidelberg, 2005; S. E90-E98
- Weißbach, Wolfgang; Werkstoffkunde; Strukturen, Eigenschaften, Prüfung; Springer-11774
/Dig. Serial], Wiesbaden, 2007; S.347-356, 360-365
- Gesellschaft für Tribologie; Tribologie; 10.03.2009; http://www.gft-ev.de/tribologie.htm am
16.08.2009
Bilder
[Abb. 1] Trzesniowski, Michael; Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion,
Komponenten, Systeme; Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2008; S.402
[Abb. 2] Breuer, Bert; Bill, Karlheinz H.; Bremsenhandbuch; Grundlagen, Komponenten,
Systeme, Fahrdynamik; Vieweg, Wiebaden, 2006, S. 166
[Abb. 8] KVB; Ausstattung; 29.05.2009; http://www.kvb-chemnitz.de/german/ausstatt.shtml
am 30.11.2009
[Abb.9] IWW, TU Chemnitz; Schwingungs-Reibverschleiß Prüfgerät (SRV); 2008
Bei den restlichen Abbildungen handelt es sich um Eigenaufnahmen.
Seite 19 von 19