CN101943234B - 碳化钛增强铸铁基刹车盘的复合工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化钛增强铸铁基刹车盘的复合工艺，把钛丝编织成钛丝网，并经过单层或多层卷制或叠加成与刹车盘形状相适应的钛丝立体网状骨架，将钛丝立体网状骨架预置在刹车盘铸型中，再将液态铸铁浇入该铸型中，液态铸铁充满网状立体骨架的空隙，冷却后得钛丝-铸铁二元材料预制体，将该预制体置入热处理炉，在碳化物形成温度下保温，获得工作面为碳化钛颗粒增强铸铁复合层的铸铁基刹车盘。该发明具有抗磨硬质相的效果，充分发挥了碳化钛硬质相的高耐磨性能和铸铁的良好强度和韧性，工艺调控方便，质量稳定可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题。
Description
技术领域
本发明涉及交通运输装备零部件制备工艺，特别涉及碳化钛增强铸铁基刹车盘的复合工艺，属于交通运输设备部件设计与制造技术领域。
背景技术
刹车盘是所有车辆制动系统必备的零部件，它固定在车轴上与车轮一起转动，刹车时，制动块在钳夹活塞的推动下挤压到制动盘上，通过制动块与刹车盘间的摩擦力来降低车轮转速，达到车辆减速制动的目的。在这种工况下，刹车盘将承受制动块的压力和摩擦力，在与制动块的相对运动中产生磨损，特别在工作面上有砂子等杂物的时候，磨损更为严重。因此制作杀车盘的材料既要有较高的机械强度，又要有很好的耐磨性。目前常见的刹车盘多为可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁等单一材质，虽然强度上能够满足工况要求，但耐磨性太差，行驶不到十万公里就要更换，有的甚至因为刹车盘长期磨损后厚度不足，导致制动失灵酿成交通事故。
最新研发出来的碳纤陶瓷复合刹车盘散热好，重量超轻，耐磨性卓越，理论上使用寿命可达几十万公里，是铸铁刹车盘平均寿命的几倍，但其制备工艺精细而复杂，价格高不可攀，目前主要应用于航空及航天工程领域。作为汽车这种非常大众化的消耗品来说仍需要开发新的刹车盘用材料及其工艺，既能满足强度、塑韧性和耐磨性的要求，又成本可控，制备工艺简单，适合大规模定型生产。
专利[200610114316.9]公开了一种盘式刹车盘及其表面处理方法，在16Mn钢基体上通过烧结工艺，在刹车盘表面复合一层碳化钨和白锰铜合金材料，该工艺表面增强原料采用粉末，操作复杂可控性差；以白锰铜合金作为碳化钨的粘结材料，其粘结强度低，在频繁刹车时容易使碳化钨脱落；再者，16Mn钢基体与复合层之间并未实现冶金结合，只通过类似于钎焊的方式实现了机械结合，容易使整个复合层脱离基体。
专利[200410051611.5]发明了一种轿车刹车盘及其制造方法，将氮化硅陶瓷粉及安装孔套装入预先作好的刹车盘模具中压制成型，再通过粉末冶金的方式烧结成刹车盘，一方面氮化硅粉末冶金成本较高，另一方面存在加压不均或烧结局部不良构成原始缺陷的工艺问题，再者整体采用氮化硅陶瓷脆性较大容易导致刹车盘断裂。
专利[200710040391.X]公开了一种耐磨刹车盘及其制造方法，选用普通低碳钢或低碳合金钢的钢板作为基体材料，采用手工堆焊的方法，在刹车盘的工作表面堆焊耐磨焊条，这种堆焊耐磨层的耐磨性普遍不高，焊层内容易有夹渣/气孔的原始缺陷，手工堆焊效率极低，堆焊厚度和质量不稳定，难以批量化工业生产。
发明内容
为克服成本高、容易脱离基体、易断裂、耐磨性不高等问题，本发明提供一种碳化钛增强刹车盘的复合工艺，通过下列技术方案实现：一种碳化钛增强铸铁基刹车盘的复合工艺，其特征在于经过下列步骤：
A.将钛丝编织成的钛丝网卷制或叠加成与刹车盘形状相适应的钛丝立体网状骨架；
B.按常规去掉A步骤的钛丝立体网状骨架上的油污杂物；
C.将B步骤的钛丝立体网状骨架放入刹车盘铸型内；
D.按常规将熔炼得到的铸铁液浇入C步骤的刹车盘铸型内，室温下冷却至金属液凝固，得钛丝-铸铁二元材料预制体；
E.清理D步骤所得钛丝-铸铁二元材料预制体，并将清理后的钛丝-铸铁二元材料预制体置入热处理炉中，在碳化物形成温度下保温后，随炉冷却，得工作面为碳化钛增强铸铁复合层的铸铁基刹车盘。
所述A步骤的钛丝网是用直径为0.1～2.5mm的钛丝按常规编制而成。
所述用钛丝网卷制或叠加成的钛丝立体网状骨架为单层或多层，且钛丝间距为0.2～10mm。
所述钛丝立体网状骨架的形状与刹车盘形状相适应，且钛丝立体网状骨架的厚度是刹车盘总厚度的1/3～1/2。
所述铸铁为灰口铸铁或球墨铸铁。
所述碳化物形成温度为1080℃～1350℃，保温时间为30min～120min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、使铸铁基体中形成的大量原位反应生成的碳化钛硬质相在铸铁基体中弥散均匀分布，并与铸铁形成有效的冶金结合体，增强相界面清洁无污染，结合强度高，充分发挥了碳化钛硬质相的高耐磨特性，也保留了基体金属的良好韧性，从而达到最佳的性能匹配。工艺调控方便，质量稳定可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题。
2、通过自由铸渗的原理，把钛丝立体网状骨架固定在铸铁基体中制作成预制体，保证了碳化物形成元素钛在基体中的均匀性。
3、在热处理炉中，通过在1080℃～1350℃温度下进行30min～120min的保温，使钛原子进行中长程的充分扩散而弥散到铸铁基体中，并与铸铁中的碳原子发生原位反应，自然生成碳化钛硬质相颗粒，由于1080℃～1350℃温度区低于铸铁的液化温度，因此钛原子的扩散属于固态扩散，碳化钛也是在固态下原位反应生成的，避免了因碳化钛与基体金属比重差异而造成的漂浮和偏析，解决了硬质相难以弥散且均匀分布的复合材料制备难题，并且可使全部钛参与原位反应而生成碳化钛。
4、由于碳化钛是属于内部原位化学反应生成的硬质相，所以碳化钛颗粒的界面洁净无污染，与铸铁基体形成冶金结合体，具有良好的界面结合效果，避免了外加硬质颗粒等传统复合材料工艺上的增强相界面弱化问题，获得的复合材料既保留了铸铁的良好韧性，又有了碳化钛硬质相的高耐磨性，使含碳化钛的复合层与铸铁层完全构成一整体，不会脱离基体，进一步提升了材料的磨损寿命。
5、根据零件的需要，既可以把钛丝网放置于铸型的局部，浇注铸铁后获得局部耐磨的零件，复合层厚度可根据工况要求，在刹车盘厚度的1/3～1/2范围内任意调整，成本和工艺可控性强，适合大批量工业生产。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
A.用1mm的钛丝编织成钛丝网，将钛丝网卷成与刹车盘形状相适应的多层钛丝立体网状骨架，其中钛丝间距为3mm；
B.去掉A步骤的钛丝立体网状骨架上的油污杂物；
C.将B步骤的钛丝立体网状骨架放入常规刹车盘铸型的型腔内，钛丝立体网状骨架的厚度为刹车盘总厚度的1/3；
D.将常规熔炼得到的液态灰口铸铁，浇入C步骤的刹车盘铸型的型腔内，注满为止，室温下冷却至金属液凝固，得钛丝-铸铁二元材料预制体；
E.对D步骤冷却的钛丝-铸铁二元材料预制体进行清理，把清理后的钛丝-铸铁二元材料预制体置入常规热处理炉中，在1150℃温度下保温90min后，随炉冷却，得工作面1/3厚度为碳化钛增强灰口铸铁复合层的灰口铸铁基刹车盘。
实施例2
A.用0.1mm的钛丝编织成钛丝网，将钛丝网叠加成与刹车盘形状相适应的多层钛丝立体网状骨架，钛丝间距为0.2mm；
B.去掉A步骤的钛丝立体网状骨架上的油污杂物；
C.将B步骤的钛丝立体网状骨架放入常规刹车盘铸型的型腔内，钛丝立体网状骨架的厚度为刹车盘总厚度的1/2；
D.将常规熔炼得到的液态球墨铸铁，浇入C步骤的刹车盘铸型的型腔内，注满为止，室温下冷却至金属液凝固，得到钛丝-铸铁二元材料预制体；
E.对D步骤冷却的钛丝-铸铁二元材料预制体进行清理，把清理后的钛丝-铸铁二元材料预制体置入常规热处理炉中，在1080℃温度下保温120min后，随炉冷却，得工作面1/2厚度为碳化钛增强球墨铸铁复合层的球墨铸铁基刹车盘。
实施例3
A.用2.5mm的钛丝编织成钛丝网，将钛丝网制成与刹车盘形状相适应的单层钛丝立体网状骨架，钛丝间距为10mm；
B.去掉A步骤的钛丝立体网状骨架中的油污杂物；
C.将B步骤的钛丝立体网状骨架放入常规刹车盘铸型的型腔内，钛丝立体网状骨架的厚度为刹车盘总厚度的2/5；
D.将常规熔炼得到的液态球墨铸铁，浇入C步骤的刹车盘铸型的型腔内，注满为止，室温下冷却至金属液凝固，得到钛丝-铸铁二元材料预制体；
E.对D步骤冷却的钛丝-铸铁二元材料预制体进行清理，把清理后的钛丝-铸铁二元材料预制体置入常规热处理炉中，在1350℃温度下保温30min后，随炉冷却，得工作面2/5厚度为碳化钛增强球墨铸铁复合层的球墨铸铁基刹车盘。
Claims (5)
1.一种碳化钛增强铸铁基刹车盘的复合工艺，其特征在于经过下列步骤：
A.将钛丝编织成的钛丝网卷制或叠加成与刹车盘形状相适应的钛丝立体网状骨架；
B.按常规去掉A步骤的钛丝立体网状骨架上的油污杂物；
C.将B步骤的钛丝立体网状骨架放入刹车盘铸型内；
D.按常规将熔炼得到的铸铁液浇入C步骤的刹车盘铸型内，室温下冷却至金属液凝固，得钛丝-铸铁二元材料预制体；
E.清理D步骤所得钛丝-铸铁二元材料预制体，并将清理后的钛丝-铸铁二元材料预制体置入热处理炉中，在碳化物形成温度1080℃～1350℃下，保温30min～120min后，随炉冷却，得工作面为碳化钛增强铸铁复合层的铸铁基刹车盘。
2.根据权利要求1所述的复合工艺，其特征在于：所述A步骤的钛丝网是用直径为0.1～2.5mm的钛丝按常规编制而成。
3.根据权利要求1所述的复合工艺，其特征在于：所述用钛丝网卷制或叠加成的钛丝立体网状骨架为单层或多层，且钛丝间距为0.2～10mm。
4.根据权利要求1所述的复合工艺，其特征在于：所述钛丝立体网状骨架的形状与刹车盘形状相适应，且钛丝立体网状骨架的厚度是刹车盘总厚度的1/3～1/2。
5.根据权利要求1所述的复合工艺，其特征在于：所述铸铁为灰口铸铁或球墨铸铁。
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