制动盘和用于生产制动盘的方法
阅读：1007发布：2020-07-20
专利汇可以提供制动盘和用于生产制动盘的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于陆地车辆的 车轮 制动 器的 制动盘 (1)，该制动盘(1)具有由灰 铸 铁 制成的主体(2)，该主体(2)具有至少一个轴向摩擦侧(3)，应用到轴向摩擦侧(3)的至少一个抗 腐蚀 层(4)和应用到抗腐蚀层(4)的至少一个抗磨损层(5)。为了为制动盘(1)提供低成本涂层，该涂层允许具有由 灰 铸铁 制成的主体(2)的制动盘(1)的摩擦表面的改进的 耐腐蚀性 和 耐磨性 ，该抗腐蚀层(4)由双相 钢 制造。，下面是制动盘和用于生产制动盘的方法专利的具体信息内容。
1.一种用于陆地车辆的车轮制动器的制动盘(1)，所述制动盘(1)具有由灰铸铁制成的主体(2)，所述主体(2)具有至少一个轴向摩擦侧(3)、应用到所述轴向摩擦侧(3)的至少一个抗腐蚀层(4)和应用到所述抗腐蚀层(4)的至少一个抗磨损层(5)，
其特征在于，
所述抗腐蚀层(4)由双相钢制造。
2.根据权利要求1所述的制动盘(1)，
其特征在于，
基于铁的所述抗腐蚀层(4)具有按重量计18％至按重量计30％之间的铬含量、按重量计1％至按重量计8％之间的镍含量、按重量计至多4.5％的钼含量、按重量计至多3％的铜含量和按重量计至多0.03％的碳含量。
3.根据权利要求1或2所述的制动盘(1)，
其特征在于，
所述抗磨损层(4)具有碳化物增强材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制动盘(1)，
其特征在于，
所述抗磨损层(5)由包含至少一种氧化物或金属粘合剂的SiC材料制造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制动盘(1)，
其特征在于，
所述抗磨损层(5)由铁基合金制造，所述铁基合金具有碳化钨增强材料或碳化铌增强材料或碳化硼增强材料或碳化铬增强材料。
6.一种用于生产陆地车辆的车轮制动器的制动盘(1)的方法，其中主体(2)由灰铸铁制成，所述主体具有至少一个轴向摩擦侧(3)，至少一个抗腐蚀层(4)被应用到所述轴向摩擦侧(3)，并且至少一个抗磨损层(5)被应用到所述抗腐蚀层(4)，
其特征在于，
所述抗腐蚀层(4)使用激光沉积方法来制造，其中双相钢以大于10m/min的表面速度被应用到所述轴向摩擦侧(3)。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
所述轴向摩擦侧(3)在应用所述抗腐蚀层(4)之前经受涉及车削的机械加工操作。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，
在应用所述抗磨损层(5)之前，使所述抗腐蚀层(4)背离所述主体(2)的表面光滑。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
使所述抗磨损层(5)背离所述抗腐蚀层(4)的表面光滑。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述抗磨损层(5)使用激光沉积方法或高速火焰喷涂方法被应用到所述抗腐蚀层(4)。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
在所述激光沉积方法中，双相钢粉末和碳化物粉末同时连续地引入到激光束中。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述激光沉积方法中使用准同轴多喷口粉末喷嘴，所述准同轴多喷口粉末喷嘴优选具有六个粉末喷口、大设计工作间隙、含有光滑和硬内表面的粉末喷射器插入件和围绕所述粉末喷口的保护气体流，所述工作间隙优选25mm，所述粉末喷射器插入件特别优选玻璃粉末喷射器插入件。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的方法，
其特征在于，
在抗磨损层的所述高速火焰喷涂中使用HVOF燃烧器，所述HVOF燃烧器具有四个粉末喷射器，所述HVOF燃烧器以液体燃料操作。
制动盘和用于生产制动盘的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于陆地车辆的车轮制动器的制动盘，该制动盘具有由灰铸铁制成的主体，该主体具有至少一个轴向摩擦侧、应用到轴向摩擦侧的至少一个抗腐蚀层和应用到抗腐蚀层的至少一个抗磨损层。本发明还涉及一种用于生产陆地车辆的车轮制动器的制动盘的方法，其中主体由灰铸铁制成，该主体具有至少一个轴向摩擦侧，至少一个抗腐蚀层被应用到轴向摩擦侧，并且至少一个抗磨损层被应用到抗腐蚀层。
背景技术
[0003] 由于铸造结构中的石墨薄片具有良好的导热性，灰铸铁材料适用于制动盘的生产，但灰铸铁材料的低硬度(约200HV至约230HV)意味着它仅具有有限的耐磨性，特别是与欧洲市场上使用的制动衬片配合。制动衬片的摩擦材料包含磨料物质，该磨料物质确保在很宽的温度范围内稳定的摩擦系数。缺点是增加的制动盘磨损。
[0004] 在欧洲以外的市场中，马达制造商使用NAO摩擦材料(非石棉有机摩擦材料)，该材料会使制动盘上的磨损明显减少，尽管摩擦系数仅在高达约400℃保持稳定。因此，磨损颗粒和细粉尘在制动过程中形成。公众对道路交通引起的市中心空气的细粉尘污染的认识日益提高。此外，许多车主抱怨昂贵的铝制轮辋通过来自盘式制动器的结壳磨损产品严重污染。
[0005] 此外，灰铸铁材料具有非常差的耐腐蚀性。在仅仅一天的雨天天气之后，如果车辆没有被移动，则制动盘通常是锈红色的。只有当生锈的表面受到应力并通过制动衬片的磨损作用移除时，才能获得金属清洁、视觉上吸引人的表面。然而，在混合动力车辆的情况下，这种具有粗锈红色表面的制动盘仅在相对较重的制动(>0.3·g(g：由于重力引起的加速度)情况下受到足够的机械应力。在这种情况下，可能存在制动颤动和/或制动衬片的损坏和/或令人不愉快的噪音产生。
[0006] 因此，已经提出了非常多的用于制动盘的涂层解决方案，以便减少所述的缺点。铁素体低温汽车-碳氮共渗(FNC)方法提供临时腐蚀和磨损保护。然而，一旦厚度仅为10μm的薄氮化区由磨损而已经磨损，这种保护效果在仅约10,000km后就消失。特别是在具有高磨损作用的衬片的情况下，如ECE标准所规定的，涂层很快被移除。然而，当使用NAO衬片时，以价格适中的这种临时保护在欧洲以外可能是有意义的。如果，即在雨天天气将新的车辆停放在经销商外几天，短期的防腐蚀将使客户对具有昂贵铝制轮辋的车辆产生更好的视觉印象，即使该效果随后在几周/几个月之后消失。
[0007] 此外，具有化学镍腐蚀屏障和使用高速火焰喷涂方法(HVOF方法)形成的WC-Cr3C2-Ni顶层的PSCB(＝保时捷表面涂层制动器)制动盘(其应该导致细粉尘排放减少90％)已进入市场。然而，这种非常昂贵的硬金属涂层不能应用于全世界的所有制动盘，因为战略上重要的WC材料数量不足。
[0008] DE 10 2014 006 064 A1公开了一种灰铸铁制动盘，在该灰铸铁制动盘上各种层系统用来防止腐蚀和磨损。在该过程中，首先将具有底切的细槽引入到摩擦环中以便获得随后应用的热喷涂层的良好键合。首先，然后应用软NiCr等离子喷涂，这旨在阻止硬顶层中可能的裂缝。然而，为了确保还提供必要的防腐蚀并且能够避免磨损涂层的表面下腐蚀，灰铸铁盘在引入键槽之后经受一次或两次氮化和氧化边界层处理。随后，通过热喷涂应用粘附和抗磨损层。
[0009] 此外，抗腐蚀层已经通过等离子体粉末沉积焊接方法或激光沉积焊接方法应用。然而，在这种情况下，已经发现制动盘的灰铸铁材料中的石墨薄片在密集附接区的生产中具有破坏性影响。在DE 10 2010 048 075 B4中，允许不含石墨薄片的灰铸铁制动盘的表面的各种方法被提出，这些方法涉及通过避免腐蚀性介质进入石墨薄片来优化粘附并减少具有热喷涂抗磨损层的灰铸铁制动盘上的表面下腐蚀。
[0010] DE 10 2010 052 735 A1涉及一种具有制动盘主体的制动盘，该制动盘主体具有至少一个涂覆有热喷涂层的摩擦环表面。在摩擦环表面上延伸的是至少一个凹陷线，该凹陷线至少在相对于其底部垂直的壁上具有底切，其中底切凹陷线为热喷涂层提供粘附基底。
[0011] DE 10 2012 022 775 A1涉及一种防腐蚀复合制动盘，该复合制动盘具有通过齿部连接的制动盘锅和摩擦环。摩擦环的齿部涂覆有锌粉涂层，并且制动盘锅的齿部涂覆有锌-镍涂层。
发明内容
[0014] 本发明的基本目的是提供一种用于制动盘的低成本涂层，该涂层允许具有由灰铸铁制成的主体的制动盘的摩擦表面的改进的耐腐蚀性和耐磨性。
[0017] 根据本发明，抗腐蚀层由双相钢制成。在本发明的上下文中，双相钢特别旨在是具有特殊Cr和Ni含量的RAH钢(耐锈-酸-热)，其结构由奥氏体和铁素体的混合物构成。这种双相钢允许制造无缺陷的抗腐蚀层，即便在由具有主体的表面或轴向摩擦侧上的石墨薄片的灰铸铁制成的主体上，特别是即使使用具有表面速度大于10m/min的激光沉积焊接方法(高速激光沉积焊接)时。相比之下，当应用由奥氏体CrNi RAH钢组成的传统抗腐蚀层时，灰铸铁部件的表面上的石墨薄片被证明是重大缺陷，这可能导致抗腐蚀层中的缺陷。通过高速激光沉积焊接，可以生产薄的、柔软的、冶金结合的抗腐蚀层。在高速激光沉积焊接过程中，可以产生具有高度重叠(>50％，优选>75％)和层厚度的可忽略起伏和小波动的层。通过高速激光沉积焊接，可以用单涂层或者供选择地多涂层生产厚度为100μm至300μm的层，并且此外甚至可以实现小于20μm的标准偏差。
[0018] 准同轴多喷口粉末喷嘴(特别是具有6个粉末喷口的粉末喷嘴)的使用已经证明特别有利于通过具有高表面速率的高速激光沉积焊接来生产抗腐蚀层。与使用环形间隙喷嘴相比，粉末喷嘴体到喷嘴的尖端的有效水冷却是可能的，使得甚至在很长的处理时间内(例如，在三班制操作中)使用特别高的激光功率(即大于2kW，优选大于4kW，特别优选大于6kW)成为可能，因为喷嘴可以有效地排出激光辐射的反射分量。使用具有6个粉末喷口的粉末喷嘴消除了激光沉积过程在粉末喷嘴的孔在圆周方向上相对于粉末喷嘴穿过待涂覆的盘的移动路径定位的方面的灵敏度。粉末喷嘴(其允许特别大的工作间隙，即优选大于20mm的工作间隙，特别优选25mm的工作间隙)的使用证明是有利的，因为激光辐射的反射分量的影响随着工作间隙的增加而下降。此外，使用具有包含玻璃管的插入件的准同轴多喷口粉末喷嘴产生特别高的长期过程稳定性，因为玻璃管的光滑内表面能够在出口下游的长距离上有效地捆扎粉末喷口，并且由于玻璃的硬度高于由铜或铜基合金制成的粉末喷嘴或粉末喷口插入件的情况，表面状态保持显著更长。最后，具有用于供应围绕粉末喷射器的孔的圆同轴布置的保护气体的孔的准同轴多喷口粉末喷嘴证明是有利的，因为这种流动有助于组合粉末喷口的捆扎，并有助于改善形成熔池的工艺区域的惰性化、固化和冷却。
[0019] 盘式制动器的主体可以是环形设计。主体可以使用砂铸法生产。石墨薄片可以布置在主体的轴向摩擦侧上。抗腐蚀层可以在某个区域或某些区域中或完全地应用到轴向摩擦侧。抗腐蚀层可以在某个区域或某些区域中或完全地应用到抗腐蚀层上。主体还可以具有两个轴向摩擦侧，这两个轴向摩擦侧彼此轴向相对地设置并且相应地被涂覆。
[0021] 原则上，例如，低成本的硬铁基合金可以作为抗磨损层应用到抗腐蚀层。然而，当在高速激光沉积方法中或者在这种方法的典型表面速度大于10m/min下使用时，这种铁基合金倾向于在应用层中形成裂缝。相比之下，通过传统的(相对慢的)激光沉积焊接工艺应用层通常导致不经济的长涂覆时间和制动盘的严重变形，这导致通过磨削进行再加工的极高成本。
[0022] 由通过激光沉积焊接应用的双相钢组成的柔软抗腐蚀层冶金地粘合，并且因此以最佳方式粘合到灰铸铁主体的表面或盘表面，这是应用耐磨顶层或抗磨损层的最佳基础，其可以通过激光沉积焊接或通过热喷涂方法应用。抗腐蚀层的柔软性具有阻止在制动期间在抗磨损层中的极端交替热应力过程中可能出现的裂缝的效果，从而保证在连续使用制动盘过程中避免由于开裂引起的表面下腐蚀。
[0023] 根据有利的实施例，基于铁的抗腐蚀层具有按重量计18％至按重量计30％之间的铬含量、按重量计1％至按重量计8％之间的镍含量、按重量计至多4.5％的钼含量、按重量计至多3％的铜含量、按重量计至多0.03％的碳含量。这种抗腐蚀层组合物的优点之一在于，如果确实发生了抗腐蚀层的磨损，则具有特别高健康危害潜力的元素的含量(例如，镍、钴、铜和钨)至多可以忽略不计。在优选的应用中，可以使用双相钢或超级双相钢。为此目的，优选具有材料编号为1.4462的材料。
[0024] 另一个有利的实施例设想抗腐蚀层具有碳化物增强材料。抗腐蚀层优选具有由碳化物组成的碳化物增强材料，该碳化物具有允许从铁基熔体中完全析出的强大碳化物形成元素。例如，碳化物增强材料可以通过添加碳化铌或碳化钒来实现。为此目的使用的碳化物增强材料或碳化物可以通过第二粉末管路送入激光沉积焊接工艺，使得通过由第一粉末管路控制双相钢粉和由第二粉末管路控制碳化物粉末的进料速率来建立分级层成为可能。因此可以使用碳化铌或碳化钒作为(梯度)复合层中的增强材料，其中双相钢作为金属基体。
[0025] 根据另一个有利的实施例，抗磨损层由含有至少一种氧化物或金属粘合剂的SiC材料制成。SiC材料可以使用热喷涂方法(例如，优选高速火焰喷涂(HVOF)，特别优选具有液体燃料的HVOF)应用到主体的轴向摩擦侧。然而，纯SiC涂层粉末在热涂覆过程中会分解，因此可以用氧化物或金属的壳体包围大小约1μm的碳化硅。例如，该壳体材料吸收来自HVOF火焰的热量并且软化，结果是，当其撞击表面时，其导致具有氧化物或金属的壳体的SiC颗粒的密集涂层。SiC因其非常高的耐磨损性而闻名。此外，SiC具有高导热性，这使其有资格用作制动盘上的抗磨损层。在磨损试验中，已经发现以这种方式涂覆的制动盘不会出现任何盘磨损。由此产生的磨损更令人惊讶，因为硬度测量仅显示平均值刚好超过600HV0.3的中等硬度值。据推测，在硬度测试期间实际上未检测到尺寸仅为1μm的SiC颗粒，并且因此在此测量的是更大的壳体硬度(在这种情况下是氧化物)。SiC本身具有在2200HV0.3以上范围的硬度。
[0026] 根据另一个有利的实施例，抗磨损层由具有碳化钒增强材料或碳化铌增强材料或碳化硼增强材料或碳化铬增强材料的铁基合金制成。在这种情况下，抗磨损层可以由具有碳化钒的硬铁基合金制成，该碳化钒作为通过与铬合金化而耐腐蚀制造的大体上铁素体基体中的增强组分。喷雾添加剂的钒含量可以大于按重量计6％，优选按重量计17％。这种硬铁基合金不是通过硬基体而是通过极硬的钒碳化物作为增强组分而获得高硬度(在按重量计17％的钒-FeCrV17的情况下约850HV0.3)。由于基体由柔性混合铁晶体构成，因此所涉及的复合材料具有非常高的抗冲击应力和边缘稳定性，并且在许多情况下用于形成切割和刀口。从根本上说，作为硬铁基合金中的合金元素的铌在碳化物的析出行为方面具有与钒相当的效果。作为含有高比例钒的硬铁基合金的替代物，提出了铌含量高于按重量计8％(优选大于按重量计15％)的那些。具有按重量计至少17％的铬含量和按重量计至少2％的硼含量(优选按重量计25％的铬和按重量计5％的硼)的FeCrBC硬合金获得约900HV0.3的硬度。该系列合金的硬度基于复杂硼化物的形成和极细的微观结构(通常甚至是X射线的无定形)。极其精细的晶体结构也是突出的抗冲击应力的基础。按重量计至少17％(按重量计高达35％)的铬含量会产生高耐腐蚀性。供选择地，包含具有按重量计至少12％(优选按重量计20％至按重量计30％)的铬含量的基于铁的金属基体(以便确保良好的耐腐蚀性)和比例为按重量计至少50％(优选按重量计75％至按重量计80％)的碳化铬(优选Cr3C2)的FeCrC金属-陶瓷复合材料被提出以便获得高层硬度(约900HV0.3至1000HV0.3)和耐磨性。在这种情况下，可以使用通过凝聚(喷雾干燥)和烧结制备的复合粉末，以便一方面，在层中具有特别硬的碳化铬Cr3C2-而不是由熔融相形成的富铬混合碳化物，其在通过涉及熔化的冶金方法生产的常规硬铁基合金中具有脆化效果-并且以便避免通过富集碳来使金属基体脆化，这会降低耐腐蚀性和抗冲击应力。原则上，也可以使用其他硬铁基合金。然而，上述抗磨损材料具有的优点是，从抗腐蚀层磨损的任何材料都不包含任何特别具有高健康危害潜力的元素，例如，镍、钴、铜和钨。因此，上述抗磨损层由低成本材料构成。所涉及的抗磨损层通过热喷涂方法(优选高速火焰喷涂(HVOF)，特别优选具有液体燃料的HVOF)来生产。例如，与仅具有2个喷射器的燃烧器相比，使用以液体燃料操作并具有4个喷射器的HVOF燃烧器允许显著更高的粉末输送速率和相应更高的沉积速率。这导致最短的处理时间，并且因此最小化的燃料和氧气的消耗以及最大的生产率。
[0027] 在磨损试验中，已经发现由FeCrV17材料构成的HVOF涂层导致与传统制动衬片配对的优异磨损。因此，与未涂覆的制动盘的测试相比，制动盘上没有磨损并且制动衬片材料的磨损没有增加。在完全加工的条件下，200μm的层厚度已被证明是足够的。
[0028] 上述目的通过具有权利要求6的特征的方法来进一步实现，其中抗腐蚀层使用激光沉积方法来生产，其中双相钢以大于10m/min的表面速度的方式应用到轴向摩擦侧。
[0029] 针对制动盘上面提到的优点相应地与该方法相关联。特别地，根据上述实施例中的一个或这些实施例中的至少两个的组合的制动盘使用根据本发明的方法来生产。
[0030] 主体可以使用砂铸法生产。可以使用激光沉积方法或热涂覆方法将抗磨损层应用到抗腐蚀层。
[0031] 根据有利的实施例，轴向摩擦侧在应用抗腐蚀层之前经受涉及车削的机械加工操作。特别地，轴向摩擦侧可以使用涉及车削的干式机械加工工艺来机械加工并且从而可以变光滑。
[0032] 另一个有利的实施例设想，在应用抗磨损层之前，使抗腐蚀层背离主体的表面弄光滑。例如，可以通过在涉及车削的工艺中进行机械加工或通过激光抛光来使抗腐蚀层的表面光滑，以获得抗腐蚀层的特别光滑的表面。
[0033] 根据另一个有利的实施例，使抗磨损层背离抗腐蚀层的表面光滑。例如，可以通过磨削来使抗磨损层的表面光滑。
[0034] 根据另一个有利的实施例，使用激光沉积方法或高速火焰喷涂方法来将抗磨损层应用到抗腐蚀层。
[0035] 另一个有利的实施例设想在激光沉积方法中将双相钢粉末和碳化物粉末同时连续地引入到激光束中。
附图说明
[0038] 图1示出了根据本发明的制动盘的说明性实施例的示意性轴向剖视图；
[0039] 图2示出了根据本发明的方法的说明性实施例的流程图。
具体实施方式
[0040] 图1示出了根据本发明的用于陆地车辆(未示出)的车轮制动器(未示出)的制动盘1的说明性实施例的示意性轴向剖视图。
[0041] 具有环形设计的制动盘1具有环形设计的主体2，该主体2由灰铸铁制成，该主体2具有轴向摩擦侧3、应用到轴向摩擦侧3的环形设计的抗腐蚀层4、应用到抗腐蚀层4的环形设计的双相钢抗磨损层5。
[0042] 基于铁的抗腐蚀层4具有按重量计18％至按重量计30％之间的铬含量、按重量计1％至按重量计8％之间的镍含量、按重量计至多4.5％的钼含量、按重量计至多3％的铜含量和按重量计至多0.03％的碳含量。此外，抗腐蚀层4具有碳化物增强材料(未示出)。
[0043] 抗磨损层5可以由包含至少一种氧化物或金属粘合剂的SiC材料制成。供选择地，抗磨损层可以由具有碳化钒增强材料或碳化铌增强材料或碳化硼增强材料或碳化铬增强材料的铁基合金制成。
[0044] 图2示出了根据本发明的用于生产陆地车辆的车轮制动器的制动盘的方法的一个说明性实施例的流程图。完成的制动盘可以如图1所示进行构造。
[0045] 在方法步骤10中，制造由灰铸铁构成的主体，该主体具有至少一个轴向摩擦侧。为此目的，可以采用砂铸法。
[0046] 在方法步骤20中，抗腐蚀层被应用到主体的轴向摩擦侧。抗腐蚀层使用激光沉积方法来生产，其中双相钢以大于10m/min的表面速度应用到轴向摩擦侧。轴向摩擦侧可以在应用抗腐蚀层之前经受包含车削的机械加工操作。在激光沉积方法中，双相钢粉末和碳化物粉末可以同时连续地引入到激光束中。
[0047] 在步骤30中，抗磨损层被应用到抗腐蚀层上。在该方法中，抗磨损层可以使用激光沉积方法或高速火焰喷涂方法应用到抗腐蚀层。在应用抗磨损层之前，可以使背离主体的抗腐蚀层的表面光滑。最后，可以使背离抗腐蚀层的抗磨损层的表面光滑。
[0048] 附图标记列表
[0049] 1 制动盘
[0050] 2 主体
[0051] 3 2的摩擦侧
[0052] 4 抗腐蚀层
[0053] 5 抗磨损层
[0054] 10 方法步骤(2的生产)
[0055] 20 方法步骤(4的应用)
[0056] 30 方法步骤(5的应用)
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