Neuartige Hartstoffe für die Entwicklung verschleißresistenter Bremsscheiben

Die neuen Mobilitätskonzepte des 21. Jahr­hunderts verlangen eine technische Anpassung aller Komponenten. Vor allem Bremsen als zentrales Sicherheitssystem eines jeden Fahr­zeugs genügen in der heute noch üblichen konventionellen Art nicht mehr den techni­schen, ökologischen und insbesondere auch gesetzlichen Vorgaben. Am Fraunhofer IKTS wird daher an innovativen Werkstofflösungen für laser- und oberflächentechnische Konzepte neuer Bremsscheibengenerationen gearbeitet. Diese sollen gleichermaßen das erforderliche Bremsvermögen, die aktive und passive Sicher­heit von Fahrzeugen, Insassen und Verkehrs­teilnehmern sowie eine drastische Verringe­rung der Feinstaubemission bei Millionenstückzahlen dieser Bauteile wirtschaftlich gewährleisten.

Im Rahmen des SAB-Projekts BremsCLAD ent­wickelt das IKTS funktionsoptimierte, in einer Metallmatrix eingebettete, carbidische Werk­stoffe. Diese werden von den Projektpartnern C4 Laser Technology GmbH und Fraunhofer IWS mittels Hochleistungs-Laser-Auftrag­schweißens auf Bremsscheiben-Grundkörper aus Gusseisen aufgetragen. Dabei wird über ein maßgeschneidertes Pulverdüsensystem das Carbid- und Metallpulver gemischt und mit einem Laser auf die rotierende Bremsscheibe aufgebracht.

Die neuen am Fraunhofer IKTS entwickelten Carbidwerkstoffe werden mit industriellen Verfahren wie »Sintern und Brechen« (s&c) sowie »Agglomerieren und Sintern« (a&s) her­gestellt. Letzteres eignet sich zudem zur Her­stellung von vorverdichteten Carbid-Metall-Pulvern. Die Entwicklungscarbide (Ti,X)C zei­gen eine vergleichbare oder bessere Härte von bis zu 2530 HV0.1 im Vergleich zum Referenz­material TiC mit 2420 HV0.1. Ebenfalls ermöglicht eine erhöhte Dichte im Bereich von 6 g/cm³ (TiC: 4,9 g/cm³) eine bes­sere Rieselfähigkeit und Verminderung der Partikelgröße, die folglich eine Reduzierung der Schichtdicke erlaubt.

Für eine defektarme Beschichtung aus Carbidwerkstoff und Metallmatrix wurde der Carbid­werkstoff hinsichtlich des Benetzungsverhaltens der Metallmatrix optimiert. Benetzungswinkelmessungen zeigen, dass abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Benetzungswinkel im Vergleich zu TiC halbiert werden kann (Bild 2). Dies führt zu einer homogenen und dichten Beschichtung selbst bei geringerer Laserleistung und dadurch geringerem Energie­bedarf. Alternativ wurde die Herstellung von binderhaltigem Carbidpulver (Carbid-Metall­pulver) untersucht, um bei der Laserverar­beitung eine verbesserte Benetzung mit der Metallmatrix zu erzielen. Mit optimierten Ent­wicklungscarbiden ist eine materialeffiziente und kostengünstige Beschichtung mit gerin­gerer Schichtdicke bei reduziertem Hartstoff­anteil realisierbar. Gleichzeitig reduziert der schnellere Wärmeübertrag auf den Gusseisen­grundkörper die thermische Last der Schicht im Einsatz. Aktuell werden die mit den Ent­wicklungscarbiden beschichteten Bremsschei­ben beim Projektpartner C4 Laser Technology GmbH getestet.

Das SAB-Projekt BremsCLAD (FKZ: 100552819) wird von der EU und dem Freistaat Sachsen aus Mitteln des Europäischen Fonds für regio­nale Entwicklung (EFRE) finanziell gefördert.