CN105972114A - 一种刹车盘及刹车盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刹车盘及刹车盘的制备方法，涉及刹车盘技术领域，所述刹车盘包括：刹车盘本体，所述刹车盘本体表面设有多个凹陷管状体，且所述刹车盘本体表面和所述凹陷管状体的内表面均设有碳化钨增强层，其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢。本发明提高了刹车盘的耐磨性能和耐热性能。

Description

一种刹车盘及刹车盘的制备方法
技术领域
本发明涉及刹车盘技术领域，特别涉及一种刹车盘及刹车盘的制备方法。
背景技术
刹车盘是所有车辆制动系统必备的零部件，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。随着车辆的加速，刹车盘将承受制动块的压力和摩擦力增大，在与制动块的相对运动中产生磨损，特别在工作面上有砂石等杂物时，磨损更为严重，极大地缩短刹车盘的使用寿命。因此制作刹车盘的材料既要有较高的机械强度，又要有很好的耐磨性。
目前常见的刹车盘通常由可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、合金钢等单一材质制成，虽然强度上满足工况要求，但耐磨性太差，一般十万公里左右就要更换，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。最新研制的碳纤维陶瓷复合刹车盘的散热好，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，成本太高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种刹车盘及刹车盘的制备方法，其解决了现有刹车盘耐磨性差、工艺复杂和成本高的问题。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
本发明的一种刹车盘，包括：刹车盘本体，所述刹车盘本体表面设有多个凹陷管状体，且所述刹车盘本体表面和所述凹陷管状体的内表面均设有碳化钨增强层，其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢。
进一步，相邻两个所述凹陷管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述凹陷管状体的管径为10μm～40μm，所述凹陷管状体的深度为小于等于20μm。
进一步，所述碳化钨增强层的厚度为5μm～15μm，所述碳化钨增强层由均匀分布在所述刹车盘本体表面和所述凹陷管状体内表面上的碳化钨颗粒组成，所述碳化钨颗粒的粒径为0.5μm～3.0μm，所述碳化钨颗粒的体积分数为70%～95%。
本发明的一种刹车盘具有以下有益效果：
本发明提供了一种刹车盘，包括：刹车盘本体，刹车盘本体表面设有多个凹陷管状体，且刹车盘本体表面和凹陷管状体的内表面均设有碳化钨增强层，这样，可以通过碳化钨增强层有效增加刹车盘的表面复合厚度，提高了刹车盘的耐磨性能和耐热性能。
本发明的一种刹车盘的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将刹车盘本体的表面进行处理；其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢；步骤2：采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，并对打孔后的刹车盘本体依次进行酸洗、水洗至中性、超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体；步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在预设温度下进行渗碳，并按照预设时间进行保温，得到具有碳化钨层的刹车盘本体；步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体依次进行加热淬火和回火处理，得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
进一步，所述步骤1的将刹车盘本体的表面进行处理具体包括：将所述刹车盘本体的表面采用丙酮清洗。
进一步，所述步骤2中采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔具体包括：在真空条件或惰性气体保护下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔。
进一步，所述步骤2中酸洗采用的液体包括体积浓度为300 ml/L的盐酸，或者，体积浓度为60ml/L的磷酸，或者，体积浓度为120ml/L的双氧水，或者，体积浓度为300ml/L的氢氟酸，或者，体积浓度为200ml/L的硫酸；所述超声波清洗具体包括：采用乙醇或丙酮进行超声波清洗。
进一步，所述步骤3的真空渗碳炉中碳的质量分数为0.9%～1.0%，所述真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，所述预设温度为920℃～940℃，所述预设时间为10min～35min，所述具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%。
进一步，所述步骤4中加热淬火的温度为780℃～820℃，回火的温度为300℃～420℃。
本发明的一种刹车盘的制备方法具有以下有益效果：
本发明提供了一种刹车盘的制备方法，首先，在真空条件或惰性气体保护下，采用激光打孔机在刹车盘本体的表面形成若干个凹陷管状体，且可对凹陷管状体之间的间距、凹陷管状体的深度和管径进行调整；然后，将刹车盘本体在预设温度和预设时间下进行渗碳和保温，使得钨原子和碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并可以根据打好的凹陷管状体限制碳化钨的扩散，实现了刹车盘本体上碳化钨增加层的制备，其可以有效增加刹车盘本体的表面复合厚度，提高了刹车盘的耐磨性能和机械强度；且本发明中的碳化钨颗粒与刹车盘本体间为冶金结合，结合牢固，碳化钨颗粒不易脱落；同时，可通过控制渗碳预设时间和预设温度、激光打孔参数的调节来控制碳化钨增强层的颗粒体积分数、分布和形态，解决了现有刹车盘耐磨性差的问题，提高了刹车盘的整体力学性能和耐热、耐磨性能，且制备方法简单、易于实施、成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的一种具有碳化钨增强层的刹车盘的结构示意图；
图2为本发明的一种刹车盘本体的结构示意图；
图3为本发明的一种具有碳化钨增强层的刹车盘的截面图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1至图3所示：本实施例的一种刹车盘包括：刹车盘本体1，所述刹车盘本体1表面设有多个凹陷管状体4，且所述刹车盘本体1表面和所述凹陷管状体4的内表面均设有碳化钨增强层2，其中，所述刹车盘本体1的材质包括钨系高速钢。
本实施例中，相邻两个所述凹陷管状体4之间的间距为25μm～1000μm，所述凹陷管状体4的管径为10μm～40μm，所述凹陷管状体4的深度为小于等于20μm。
本实施例中，所述碳化钨增强层2的厚度为5μm～15μm，所述碳化钨增强层2由均匀分布在所述刹车盘本体1表面和所述凹陷管状体4内表面上的碳化钨颗粒组成，所述碳化钨颗粒的粒径为0.5μm～3.0μm，所述碳化钨颗粒的体积分数为70%～95%。
本实施例中，所述刹车盘本体1的基体组织为珠光体、索氏体、贝氏体、马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。
本发明提供了一种刹车盘，包括：刹车盘本体，刹车盘本体表面设有多个凹陷管状体，且刹车盘本体表面和凹陷管状体的内表面均设有碳化钨增强层，这样，可以通过碳化钨增强层有效增加刹车盘的表面复合厚度，提高了刹车盘的耐磨性能和耐热性能。
本发明的一种刹车盘的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤1：将刹车盘本体的表面进行处理。
其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢。
具体的，将所述刹车盘本体的表面采用丙酮清洗。
其中，刹车盘本体可以为xW18Cr4V、xW14Cr4VMn、xW9Mo3Cr4V等碳的质量分数小于0.5%、钨含量在6%～18%的钨系耐热合金钢。
步骤2：采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，并对打孔后的刹车盘本体依次进行酸洗、水洗至中性、超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
其中，酸洗采用的液体包括体积浓度为300 ml/L的盐酸，或者，体积浓度为60ml/L的磷酸，或者，体积浓度为120ml/L的双氧水，或者，体积浓度为300ml/L的氢氟酸，或者，体积浓度为200ml/L的硫酸；采用乙醇或丙酮进行超声波清洗。
具体的，在真空条件或惰性气体保护下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，并对打孔后的刹车盘本体依次进行酸洗、水洗至中性、超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在预设温度下进行渗碳，并按照预设时间进行保温，得到具有碳化钨层的刹车盘本体。
其中，所述真空渗碳炉中碳的质量分数为0.9%～1.0%，所述真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，所述预设温度为920℃～940℃，所述预设时间为10min～35min，所述具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%。
需要说明的是，本发明的预设温度选择为920℃～940℃的理由是：若在温度为940℃以上渗碳，一方面，碳在刹车盘本体中的扩散系数会迅速升高，扩散速度过快，扩散深度增加，这样不利于碳化钨增强中碳化钨体积分数的提高；另一方面，会使生成的碳化钨颗粒急速长大，导致力学性能下降；若在温度为920℃以下渗碳，会降低碳的扩散动力，导致刹车盘本体表面碳浓度较低。
需要说明的是，本发明的碳的质量分数选择为0.9%～1.0%的理由是：若碳的质量分数大于1.0%，则碳在刹车盘本体中的扩散速度加快，扩散深度增加，这样不利于碳化钨增强中碳化钨体积分数的提高；若碳的质量分数小于0.9%，会导致刹车盘本体表面碳浓度较低。
需要说明的是，本发明的预设时间选择为10min～35min的理由是：若保温时间大于35min，则碳化钨会集中向刹车盘本体内扩散，这样不利于保持碳化钨增强层中碳化钨的高体积分数；若保温时间小于10 min，则渗碳层中的碳不能完全反应，从而影响碳化钨增强层的增强效果。
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体依次进行加热淬火和回火处理，得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
其中，加热淬火的温度为780℃～820℃，回火的温度为300℃～420℃。
本发明提供了一种刹车盘的制备方法，首先，在真空条件或惰性气体保护下，采用激光打孔机在刹车盘本体的表面形成若干个凹陷管状体，且可对凹陷管状体之间的间距、凹陷管状体的深度和管径进行调整；然后，将刹车盘本体在预设温度和预设时间下进行渗碳和保温，使得钨原子和碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并可以根据打好的凹陷管状体限制碳化钨的扩散，实现了刹车盘本体上碳化钨增加层的制备，其可以有效增加刹车盘本体的表面复合厚度，提高了刹车盘的耐磨性能和机械强度；且本发明中的碳化钨颗粒与刹车盘本体间为冶金结合，结合牢固，碳化钨颗粒不易脱落；同时，可通过控制渗碳预设时间和预设温度、激光打孔参数的调节来控制碳化钨增强层的颗粒体积分数、分布和形态，解决了现有刹车盘耐磨性差的问题，提高了刹车盘的整体力学性能和耐热、耐磨性能，且制备方法简单、易于实施、成本低。
实施例一
步骤1：将刹车盘本体的表面采用丙酮清洗干净。
步骤2：在真空条件下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，得到凹陷管状体，其中凹陷管状体的管径为30μm，凹陷管状体的深度为20μm，相邻两个凹陷管状体之间的间距为1000μm，之后对打孔后的刹车盘本体进行酸洗，酸洗使用的液体是体积浓度为300 ml/L的盐酸，再用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在920℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳的质量分数为0.9%，真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，且保证具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%，最后保温10min，得到具有碳化钨层的刹车盘本体。
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体在780℃的温度下进行加热淬火，并在350℃的温度下进行回火处理，最终得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
本实施一得到的刹车盘，其碳化钨增强层的厚度为5μm左右，基本组织包括粒径为0.5～1.2μm的碳化钨颗粒和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为70%，凹陷管状体的微观硬度为1850HV，刹车盘的冲击韧性aK达到15J/cm2。
实施例二
步骤1：将刹车盘本体的表面采用丙酮清洗干净。
步骤2：在惰性气体氩气保护下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，得到凹陷管状体，其中凹陷管状体的管径为20μm，凹陷管状体的深度为18μm，相邻两个凹陷管状体之间的间距为25μm，之后对打孔后的刹车盘本体进行酸洗，酸洗使用的液体是体积浓度为300 ml/L的氢氟酸，再用水冲洗至中性，最后使用丙酮进行超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在930℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳的质量分数为1.0%，真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，且保证具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%，最后保温20min，得到具有碳化钨层的刹车盘本体。
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体在800℃的温度下进行加热淬火，并在300℃的温度下进行回火处理，最终得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
本实施二得到的刹车盘，其碳化钨增强层的厚度为8μm左右，基本组织包括粒径为1.0～2.1μm的碳化钨颗粒和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为80%，凹陷管状体的微观硬度为1950HV，刹车盘的冲击韧性aK达到14J/cm2。
实施例三
步骤1：将刹车盘本体的表面采用丙酮清洗干净。
步骤2：在惰性气体氩气保护下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，得到凹陷管状体，其中凹陷管状体的管径为10μm，凹陷管状体的深度为17μm，相邻两个凹陷管状体之间的间距为350μm，之后对打孔后的刹车盘本体进行酸洗，酸洗使用的液体是体积浓度为200 ml/L的硫酸，再用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在940℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳的质量分数为0.94%，真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，且保证具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%，最后保温35min，得到具有碳化钨层的刹车盘本体。
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体在820℃的温度下进行加热淬火，并在380℃的温度下进行回火处理，最终得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
本实施三得到的刹车盘，其碳化钨增强层的厚度为15μm左右，基本组织包括粒径为1.6～3.0μm的碳化钨颗粒和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为95%，凹陷管状体的微观硬度为2100HV，刹车盘的冲击韧性aK达到10J/cm2。
实施例四
步骤1：将刹车盘本体的表面采用丙酮清洗干净。
步骤2：在真空条件下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，得到凹陷管状体，其中凹陷管状体的管径为40μm，凹陷管状体的深度为18μm，相邻两个凹陷管状体之间的间距为700μm，之后对打孔后的刹车盘本体进行酸洗，酸洗使用的液体是体积浓度为120 ml/L的双氧水，再用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体。
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在935℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳的质量分数为0.98%，真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，且保证具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%，最后保温30min，得到具有碳化钨层的刹车盘本体。
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体在790℃的温度下进行加热淬火，并在420℃的温度下进行回火处理，最终得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
本实施四得到的刹车盘，其碳化钨增强层的厚度为10μm左右，基本组织包括粒径为1.2～2.6μm的碳化钨颗粒和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为88%，凹陷管状体的微观硬度为2060HV，刹车盘的冲击韧性aK达到12J/cm2。
本发明的一种具有碳化钨增强层的刹车盘，其组织特征为凹陷管状体均匀垂直分布于刹车盘本体表面，凹陷管状体的管径为10～40μm，凹陷管状体的深度小于等于20 μm，相邻两个凹陷管状体之间的间距在25～1000μm范围内可调；碳化钨增强层的厚度为5～15μm，碳化钨增强层包括均匀分布的粒径为0.5～3.0μm的微米级碳化钨颗粒，体积分数为70%～95%，凹陷管状体的微观硬度可达到1850～2100 HV，冲击韧性aK达到10～15 J/cm2。通过在刹车盘本体表面制备碳化钨增强层，可进一步提高刹车盘的耐磨性能和耐高温性能，且成本低，制备工艺简单，适合大规模生产。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种刹车盘，其特征在于：包括：刹车盘本体，所述刹车盘本体表面设有多个凹陷管状体，且所述刹车盘本体表面和所述凹陷管状体的内表面均设有碳化钨增强层，其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢。
2.根据权利要求1所述的一种刹车盘，其特征在于：相邻两个所述凹陷管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述凹陷管状体的管径为10μm～40μm，所述凹陷管状体的深度为小于等于20μm。
3.根据权利要求2所述的一种刹车盘，其特征在于：所述碳化钨增强层的厚度为5μm～15μm，所述碳化钨增强层由均匀分布在所述刹车盘本体表面和所述凹陷管状体内表面上的碳化钨颗粒组成，所述碳化钨颗粒的粒径为0.5μm～3.0μm，所述碳化钨颗粒的体积分数为70%～95%。
4.一种刹车盘的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将刹车盘本体的表面进行处理；其中，所述刹车盘本体的材质包括钨系高速钢；
步骤2：采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔，并对打孔后的刹车盘本体依次进行酸洗、水洗至中性、超声波清洗，得到具有凹陷管状体的刹车盘本体；
步骤3：将具有凹陷管状体的刹车盘本体放置在真空渗碳炉中在预设温度下进行渗碳，并按照预设时间进行保温，得到具有碳化钨层的刹车盘本体；
步骤4：将具有碳化钨层的刹车盘本体依次进行加热淬火和回火处理，得到具有碳化钨增强层的刹车盘。
5.根据权利要求4所述的一种刹车盘的制备方法，其特征在于：所述步骤1的将刹车盘本体的表面进行处理具体包括：
将所述刹车盘本体的表面采用丙酮清洗。
6.根据权利要求4所述的一种刹车盘的制备方法，其特征在于：所述步骤2中采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔具体包括：
在真空条件或惰性气体保护下，采用激光打孔机对表面处理后的刹车盘本体进行打孔。
7.根据权利要求4所述的一种刹车盘的制备方法，其特征在于：所述步骤2中酸洗采用的液体包括体积浓度为300 ml/L的盐酸，或者，体积浓度为60ml/L的磷酸，或者，体积浓度为120ml/L的双氧水，或者，体积浓度为300ml/L的氢氟酸，或者，体积浓度为200ml/L的硫酸；
所述超声波清洗具体包括：
采用乙醇或丙酮进行超声波清洗。
8.根据权利要求4所述的一种刹车盘的制备方法，其特征在于：所述步骤3的真空渗碳炉中碳的质量分数为0.9%～1.0%，所述真空渗碳炉内的真空度小于等于1×104 Pa，所述预设温度为920℃～940℃，所述预设时间为10min～35min，所述具有凹陷管状体的刹车盘本体的单位面积内渗碳的质量分数小于等于0.5%。
9.根据权利要求4所述的一种刹车盘的制备方法，其特征在于：所述步骤4中加热淬火的温度为780℃～820℃，回火的温度为300℃～420℃。
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