Laserbeschichtung von Bremsscheiben - ein Überblick zum Stand der Technik Laserline GmbH Fraunhofer Straße 5 56218 Mülheim-Kärlich Tel: +492630 964 4000 Whitepaper
Im Kontext intensivierter Klima- und Umweltschutzbemühungen spielt neben der Reduktion von CO2-Emissionen auch die Senkung der Feinstaubbelastung eine wichtige Rolle. Ein relevanter Anteil dieser Belastung geht auf den Abrieb von Bremsen zurück. Die Reibung zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag erzeugt nicht nur Wärme, sondern auch unzählige Feinstaubpartikel, die sich auf Fahrzeugfelgen undStraßen absetzen. Durch die permanenteAufwirbelung der Partikel im Straßenverkehr verteilt sich am Ende ein Großteil in der Luft. Hauptverursacher dieser Feinstaubentwicklung sind die marktüblichen Grauguss-Bremsscheiben und deren Reibpartner, die Bremsbeläge. Bremsscheiben unterliegen unverändert einem erheblichen Abrieb und müssen deshalb innerhalb des Nutzungszeitraums eines Fahrzeuges mehrmals ersetzt werden. Neue Beschichtungstechnologien unter Einsatz von Diodenlasern ermöglichen mittlerweile die Herstellung verschleißarmer Grauguss-Bremsscheiben – und damit auch eine deutliche Verringerung der Feinstaubemissionen. Gesundheitsschädliche Feinstäube mit einer Partikelgröße von maximal 10 µm (PM10) bzw. 2,5 µm (PM2,5) lassen sich dadurch um bis zu 90 Prozent reduzieren. Umsetzung der Beschichtungen und Vergleich mit konkurrierenden Verfahren Die Laserbeschichtung von Grauguss-Bremsscheiben erfordert weder Änderungen am Grundwerkstoff noch an den Prozessen zu seiner Herstellung. Die insgesamt nur limitiert widerstandsfähigen Grauguss-Bauteile werden jedoch durch eine Hartstoff-Beschichtung aufgewertet. Diese Beschichtung kombiniert dabei einen langfristigen Korrosions- mit einem ebenso langfristigen Abrasionsschutz. Mit konkurrierenden Verfahren lässt sich das so nicht erreichen. Thermisches Spritzen beispielsweise garantiert zwar hohen Verschleißschutz, aber nur eingeschränkten Korrosionsschutz: - 1 -
Thermische Spritzschichten besitzen einen hohen Carbidanteil und sind deshalb rissanfällig, was das Eindringen von Feuchtigkeit begünstigt. Nitrieren wiederum realisiert zwar durchaus einen kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz, beides aber nur für begrenzte Zeit. Bei Laserbeschichtungen werden Korrosions- und Verschleißschutz durch einen zweilagigen Schichtaufbau kombiniert. Im ersten Schritt wird eine Pufferlage (meist aus Edelstählen) aufgetragen. Auf dieser Pufferlage wird dann eine zweite Schicht mit einem individuell zu bestimmenden Carbidanteil aufgebaut, der für einen hohen Verschleißschutz sorgt (vgl. Bild 1). Die konkrete Materialzusammensetzung lässt sich dabei je nach Kundenwunsch variieren. Hohe oder niedrige Carbidanteile sind ebenso möglich wie unterschiedliche Werkstoffe. Häufig eingesetzt werden heute Wolframcarbid und Titancarbid. Durch neuere Entwicklungen lässt sich die Kombination von Korrosions- und Verschleißschutz zum Teil auch schon über einlagige Beschichtungen erreichen. Überdies ist es möglich, carbidbildende Werkstoffe einzusetzen, die das Carbid erst beim Aufschmelzen des Pulvers auf die Bremsscheibe aufbauen. Hochgeschwindigkeitsverfahren für besonders wirtschaftliche Prozesse Um besonders wirtschaftliche Beschichtungsprozesse zu erreichen, kommen bei der Laserbeschichtung von Bremsscheiben zumeist Hochgeschwindigkeitsverfahren zum Einsatz. Bei diesen Verfahren wird wie bei jeder herkömmlichen Laserbeschichtung eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen dem Beschichtungspulver und dem Grundwerkstoff erzeugt, der Grundwerkstoff aber nur in sehr geringem Umfang thermisch belastet. Tatsächlich können aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit hohe Laserleistungen eingebracht werden, ohne einen nennenswerten Bauteilverzug zu verursachen. Durch diese Vorgehensweise lassen sich letztendlich sehr dünne Schichten ab etwa 50 µm erzeugen. Herkömmliche Laserbeschichtungen weisen demgegenüber meist Schichtdicken zwischen 500 und 1000 µm auf. Bild 1: Querschnitt einer GraugussBremsscheibe mit korrosionschützender Pufferlage und carbidhaltiger Decklage. - 2 -
Maschinenkonzepte und Pulververarbeitung Die hohen Verfahrensgeschwindigkeiten ermöglichen aber nicht nur die Realisierung sehr dünner Schichten – sie schaffen zugleich die Voraussetzung für eine industrielle Massenfertigung, die mit Taktzeiten von unter 20 Sekunden pro Schicht auskommt. Um die Produktivität zukünftig noch weiter zu steigern, können unterschiedliche Maschinenkonzepte erprobt werden. Die klassische Lösung ist heute eine einseitige Beschichtung mit einer leicht geneigten Scheibe (vgl. Bild 2, rechts). Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Reflexion des Prozesses gezielt an Beschichtungsdüsen und Optiken vorbeigelenkt und so die Belastung der Komponenten auf ein Minimum reduziert wird. Es kann aber auch eine simultane Beschichtung beider Seiten realisiert werden (vgl. Bild 2, Mitte). Die Schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Schicht und Grundwerkstoff ist deshalb von Bedeutung, weil nur durch dieses Schmelzbad eine geschlossene Korrosionsschutzschicht erzeugt wird, bei der keine Feuchtigkeit in die Zwischenschicht wandern kann. Gleichzeitig fordert jedoch der Grauguss einen möglichst geringen Wärmeeintrag in das Material. Ziel des HochgeschwindigkeitsAuftragschweißens ist es deshalb immer, einen möglichst hohen Anteil der Pulverpartikel bereits im Flug aufzuschmelzen. Hierdurch wird die meiste Energie in die Pulverpartikel deponiert, in den Grundwerkstoff hingegen nur so viel Energie wie unbedingt nötig. Durch einen exakt abgestimmten und ausgerichteten Pulverstrom und die überaus homogene Intensitätsverteilung des Diodenlaserstrahls (vgl. Bild 3) ist dann letztlich der geringe Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff realisierbar. Bild 2: Beschichtungsansätze bei der Laserbeschichtung von Bremsscheiben. - 3 -
Grundlegende Vorteile des Diodenlasers als Beschichtungswerkzeug Durch den Einsatz von Mehrstrahldüsen kann die Pulverflugbahn sehr exakt ausgerichtet werden, sodass die Pulverpartikel ausreichend viel Energie erhalten und gleichzeitig nicht überhitzen. Dabei sind sowohl der richtige Flugwinkel (vorgegeben durch die Düsengeometrie) als auch die richtige Fluggeschwindigkeit wichtig. Zudem entscheiden Korngröße und Trägergasmenge darüber, ob am Ende eine ausreichende Verweilzeit des Pulvers im Laserstrahl erreicht wird. Auch die Intensität auf dem Werkstück spielt eine wichtige Rolle. Mit dem Diodenlaser fällt es dabei besonders leicht, einen homogenen Strahl mit Spotgrößen in einem Bereich von 3 bis 8 mm zu erzeugen. Ziel ist eine Intensität zwischen 1 und 2 kW/mm². Sind alle Voraussetzungen erfüllt, werden Überhitzungen des Pulvers im Zentrum des Laserstrahls konsequent vermieden, und es kommt nur zu einer sehr geringen Aufmischung von Grund- und Beschichtungswerkstoff. Prozessüberwachung in der Massenfertigung In der industriellen Massenfertigung laserbeschichteter Bremsscheiben sind aber letztlich nicht nur die Beschichtungsverfahren bedeutsam, sondern auch die Prozess- und Komponentenüberwachung. Während konventionelle Cladding-Prozesse heute oft ohne Überwachung auskommen, fordern Automobilhersteller ein lückenloses Monitoring. Auch hierfür gibt es indessen längst zuverlässige Lösungen. So können etwa in die Hochleistungsoptiken der Diodenlaser Kamerasysteme zur Überwachung des Schmelzbades integriert werden. Das Monitoring der Optiken selbst lässt sich über eine Sensorik für Schutzgläser und eine Temperaturüberwachung umsetzen. Außerdem können über die OPC UA-Schnittstelle des Diodenlasers zu jedem Beschichtungsvorgang umfassende Daten gesammelt werden. Bild 3: Der Diodenlaserstrahl weist eine überaus homogene Intensitätsverteilung auf. Bild 4: Ziel beim HochgeschwindigkeitsAuftragschweißen ist, einen möglichst hohen Anteil der Pulverpartikel bereits im Flug aufzuschmelzen. - 4 -
Massenmarktorientierte Materialkostensteuerung Durch die Auswahl passender Werkstoffe und die Entwicklung eines Prozesses mit hohem Pulverwirkungsgrad von bis zu 90% lassen sich die Kosten einer Bremsscheibenbeschichtung ganz gezielt an die unterschiedlichen Marktsegmente anpassen. Für kostensensible Fahrzeuge etwa können sehr günstige Beschichtungen mit geringeren Schichtdicken oder verringertem Carbidanteil realisiert werden. Für Fahrzeuge im anspruchsvolleren Premiumsegment sind demgegenüber Beschichtungen mit höheren Standzeiten und kostenintensiveren Werkstoffen möglich. Fazit Laserbeschichtete Bremsscheiben leisten durch längere Standzeiten und verringerte Bremsstaubentwicklung einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz und zur Nachhaltigkeit. Ihre korrosions- und abrasionsbeständigen Oberflächen reduzieren die Feinstaubbelastung und sorgen vor allem im urbanen Raum für eine Erhöhung der Lebensqualität. Durch schnelle und effektive Beschichtungsverfahren sowie die Möglichkeit zur bedarfsorientierten Materialkostensteuerung sind die laserbeschichteten Bremsscheiben auch für den Massenmarkt interessant und in allen Preissegmenten eine sinnvolle Option. Dies gilt selbstverständlich nicht nur für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor – denn auch in Elektrofahrzeugen werden unverändert Bremsscheiben eingesetzt und der Korrosionsschutz ist umso wichtiger. Erfahren Sie mehr über Anwendungen im Bereich Auftragschweißen oder wenden Sie sich gerne mit einer Anfrage direkt an uns. Kontaktperson: Dr.-Ing. Thomas Molitor Senior Technical Sales thomas.molitor@laserline.com Laserline GmbH Fraunhofer Straße 5 56218 Mülheim-Kärlich Germany Tel: +492630 964 4000 www.laserline.com - 5 -
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