CN106838076A - 一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘及制造方法。目前，高速列车主要采用的基本制动方式是盘形制动，制动盘作为盘式制动器核心部件需要具有优异的耐磨性、抗疲劳性和抗龟裂性。本发明通过超音速氧焰喷涂或等离子喷涂等方法，在制动盘本体上喷涂羟基磷灰石，构建具有形态、结构、材料等多因素耦合特点的非光滑羟基磷灰石涂层，在整个制动盘表面呈现有益于制动盘功能实现的多种形态，包括圆环状、同心圆状、辐射状、网状、扇叶状和螺旋状。本发明能够显著提高制动盘的耐磨性、抗疲劳性、抑制裂纹的生长，大幅延长使用寿命。本发明还具有加工简单、成本低、性能优越可靠、性价比高等特点。
Description
技术领域
本发明属于制动装置领域，涉及一种用于制动器上的制动盘及其制造方法，具体涉及一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘及制造方法。
背景技术
随着国民经济的发展，“高速”似乎成为了现代生活的代名词。在中国实现现代化过程中，正在大力发展120km/h的城市快轨列车，160km/h和200km/h以上的动车组列车及高铁列车。实践证明，传统的制动方式已经无法满足我国高速列车的发展。因此现在采用的基本制动方式是盘形制动，这就给作为盘式制动器核心部件的制动盘耐磨性、抗疲劳性、抗龟裂等方面提出了更高的要求。
国内外的科技工作者在设计制动盘时充分考虑到制动盘的抗疲劳性、耐磨性。一方面，为了提升制动盘的抗疲劳性，他们在铸铁中加入一些合金元素如：Ni、Cu、Mo、Cr等，从而提高铸铁的强度和耐热性，避免使用过程中的“热裂”。另一方面，在提高耐磨性能方面，他们发现在制动盘表面加工非光滑单元体的改进方案。这些对制动盘性能的改善，大多集中于改善制动盘摩擦材料方面。因此，国内外一些科技工作者相继研究开发了特殊合金铸钢、低合金铸钢、铸铁—铸钢组合等材料以满足制动盘材料必须同时具有稳定的摩擦性能来提高制动盘的耐磨性和抗疲劳性能。但与此同时带来的高额成本，繁杂的制作工序使得这些方式目前尚未得到广泛普及。
在自然界中，生物体外表面材料在与外界环境接触的过程中，必然发生磨损。生物体在亿万年的演化和进化中，其体表不断进化并优化出了许多能够有效降低摩擦的功能与结构，如河狸的牙齿，穿山甲的鳞片，贝壳以及生活在沙漠地区的沙漠蜥蜴等。博士论文《河狸牙齿的三维建模与力学性能分析》中描述到河狸牙齿由于长期频繁的咀嚼动作，使其牙齿表面覆盖着一层似牙釉质，化学成分为羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)，其牙齿表面具有优异的抗摩擦磨损能力。经相关研究表明，发生在制动盘表面的主要磨损形式为摩擦磨损和固体粒子冲蚀磨损。摩擦磨损又是常见磨损形式之一，每年给工农业生产造成巨大的损失，尤其是高速的摩擦磨损，摩擦力大，温度高且直接作用于受磨损表面，磨损现象十分严重。因此，通过对河狸牙齿的研究，从而找到一种提高制动盘表面耐摩擦磨损性能的方法，对高速列车的发展有着重大意义。
发明内容
本发明基于传统制动盘在使用过程中由于高速磨损与长时间使用而易造成摩擦磨损失效的问题，以博士论文《河狸牙齿的三维建模与力学性能分析》所研究的河狸牙齿能够获得最小的切削阻力及较长的使用寿命且具有优异的抗摩擦磨损能力为依据，提供了一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的耦合仿生制动盘及制造方法，通过超音速氧焰喷涂或等离子喷涂等方法，在制动盘本体上喷涂羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)，构建具有形态、结构、材料等多因素耦合特点的非光滑羟基磷灰石涂层，在整个制动盘表面呈现有益于制动盘功能实现的多种形态，从而使制动盘获得稳定的摩擦系数，提高制动盘的抗磨损和抗疲劳性能，延长使用寿命。
本发明采用的技术方案为：
本发明一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘，在摩擦表面设有涂层，涂层采用如下六种形状中的一种：
第一种形状
所述涂层的形状为圆环状，内径和外径分别等于制动盘的内、外径。
第二种形状
所述涂层的形状为同心圆状，包括两个圆环；内侧圆环的内径与制动盘的内径相等，外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；内、外侧圆环相距40～60mm，两个圆环的内、外径差相等。
第三种形状
所述涂层的形状为辐射状，包括十二个第一凸起组和十二个第二凸起组；所述的第一凸起组和第二凸起组沿周向交替布置；第一凸起组包括沿径向等距布置的三个第一凸起，第二凸起组包括沿径向等距布置的两个第二凸起；沿径向方向，所述的第一凸起和第二凸起交替布置；第一凸起和第二凸起的结构完全一致，均为半球形，且顶面为球面；第二凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周与相邻第一凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周半径差等于第一凸起或第二凸起的直径；最内侧第一凸起与制动盘内壁的距离、最外侧第一凸起与制动盘外壁的距离均等于第一凸起或第二凸起的半径。
第四种形状
所述涂层的形状为网状，包括连接凸起组和三个圆环；最外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；最内侧圆环内径与制动盘内径的间距、中间圆环内径与最内侧圆环外径的间距、中间圆环外径与最外侧圆环内径的间距均为20～30mm；三个圆环的内、外径差相等；三个圆环通过沿周向均布的八个连接凸起组连接；所述的连接凸起组包括沿径向由内之外布置的第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起；所述的第一连接凸起连接最内侧圆环内壁和制动盘内壁，所述的第二连接凸起连接最内侧圆环外壁和中间圆环内壁，所述的第三连接凸起连接中间圆环外壁和最外侧圆环内壁；第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起的宽度均为10～18mm。
第五种形状
所述涂层的形状为扇叶状，包括沿圆周均布的八个扇环；所述扇环的内、外径分别等于制动盘的内、外径；扇环角度为20～30°。
第六种形状
所述涂层的形状为螺旋状，包括沿圆周均布的八个楔形；所述的楔形由制动盘外径所在圆周上的圆弧段和两条直线合围而成；两条直线的内端交点位于制动盘内径所在圆周上；两条直线均与径向成一夹角，且两条直线之间的夹角为30～50°。
所述涂层采用的材料为羟基磷灰石。
所述涂层的喷涂厚度为75微米。
该具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘的制造方法，具体如下：
利用超音速氧焰喷涂方法、等离子喷涂方法或冷喷涂方法在制动盘摩擦表面制备羟基磷灰石涂层；采用等离子喷涂时，通过控制喷涂功率和喷涂厚度，增大涂层与摩擦表面的结合强度。
本发明具有的有益效果：
本发明具有形态、结构、材料等多因素耦合特点，具有优越的耐磨止裂功能，非光滑的羟基磷灰石涂层可以使制动盘获得更加稳定的摩擦系数；羟基磷灰石涂层的尺寸和分布可以根据制动盘的具体尺寸和失效规律作出相应的改变；羟基磷灰石涂层不但不会影响制动盘实现功能，而且还可以显著提高制动盘的耐磨性、抗疲劳性、抑制裂纹的生长，大幅延长使用寿命。本发明还具有加工简单、成本低、性能优越可靠、性价比高等特点。
附图说明
图1是本发明中涂层为圆环状的示意图；
图2是本发明中涂层为同心圆状的示意图；
图3是本发明中涂层为辐射状的示意图；
图4是本发明中涂层为网状的示意图；
图5是本发明中涂层为扇叶状的示意图；
图6是本发明中涂层为螺旋状的示意图；
图7是本发明各涂层形状的制动盘与常规制动盘使用30分钟后磨损量对比柱状图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述。
一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘，模拟自然界生物耦合机制，在摩擦表面设有涂层；涂层采用的材料为羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)，涂层可显著提高制动盘耐摩擦磨损性、抗疲劳性，从而延长使用寿命。涂层可采用多种形状。
实施例1
参照图1，涂层的形状为圆环状，内径和外径分别等于制动盘的内、外径。
实施例2
参照图2，涂层的形状为同心圆状，包括两个圆环；内侧圆环的内径与制动盘的内径相等，外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；内、外侧圆环相距51mm，两个圆环的内、外径差相等。
实施例3
参照图3，涂层的形状为辐射状，包括十二个第一凸起组和十二个第二凸起组；第一凸起组和第二凸起组沿周向交替布置；第一凸起组包括沿径向等距布置的三个第一凸起，第二凸起组包括沿径向等距布置的两个第二凸起；沿径向方向，第一凸起和第二凸起交替布置；第一凸起和第二凸起的结构完全一致，均为半球形，且顶面为球面；第二凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周与相邻第一凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周半径差等于第一凸起或第二凸起的直径；最内侧第一凸起与制动盘内壁的距离、最外侧第一凸起与制动盘外壁的距离均等于第一凸起或第二凸起的半径。
实施例4
参照图4，涂层的形状为网状，网状涂层仿穿山甲鳞片，包括连接凸起组和三个圆环；最外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；最内侧圆环内径与制动盘内径的间距、中间圆环内径与最内侧圆环外径的间距、中间圆环外径与最外侧圆环内径的间距均为25mm；三个圆环的内、外径差相等；三个圆环通过沿周向均布的八个连接凸起组连接；连接凸起组包括沿径向由内之外布置的第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起；第一连接凸起连接最内侧圆环内壁和制动盘内壁，第二连接凸起连接最内侧圆环外壁和中间圆环内壁，第三连接凸起连接中间圆环外壁和最外侧圆环内壁；第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起的宽度均为13mm。
实施例5
参照图5，涂层的形状为扇叶状，包括沿圆周均布的八个扇环；扇环的内、外径分别等于制动盘的内、外径；扇环角度为25°。
实施例6
参照图6，涂层的形状为螺旋状，包括沿圆周均布的八个楔形；楔形由制动盘外径所在圆周上的圆弧段和两条直线合围而成；两条直线的内端交点位于制动盘内径所在圆周上；两条直线均与径向成一夹角，且两条直线之间的夹角为45°。
参照图7，在同等条件下使用30分钟后，实施例1、2、3、4、5和6的磨损量分别为0.015g、0.014g、0.016g、0.015g、0.02g和0.013g；常规制动盘磨损量为0.1g。可见，各实施例的耐磨损性能均明显优于常规制动盘，各实施例中，涂层形状为螺旋状的制动盘耐磨损性能最为优越。
以上各个实施例中的制动盘制造方法，具体为利用超音速氧焰喷涂方法、等离子喷涂方法或冷喷涂方法在制动盘摩擦表面制备羟基磷灰石涂层；采用等离子喷涂时，通过控制喷涂功率和喷涂厚度，最大可能地增大涂层与基体的结合强度。根据制动盘在常规制动和紧急制动工况下的实效规律，由计算机模拟分析出最有效的喷涂厚度为75微米。
Claims (4)
1.一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘，其特征在于：摩擦表面设有涂层，涂层采用如下六种形状中的一种：
第一种形状
所述涂层的形状为圆环状，内径和外径分别等于制动盘的内、外径；
第二种形状
所述涂层的形状为同心圆状，包括两个圆环；内侧圆环的内径与制动盘的内径相等，外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；内、外侧圆环相距40～60mm，两个圆环的内、外径差相等；
第三种形状
所述涂层的形状为辐射状，包括十二个第一凸起组和十二个第二凸起组；所述的第一凸起组和第二凸起组沿周向交替布置；第一凸起组包括沿径向等距布置的三个第一凸起，第二凸起组包括沿径向等距布置的两个第二凸起；沿径向方向，所述的第一凸起和第二凸起交替布置；第一凸起和第二凸起的结构完全一致，均为半球形，且顶面为球面；第二凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周与相邻第一凸起球心所在以制动盘中心为圆心的圆周半径差等于第一凸起或第二凸起的直径；最内侧第一凸起与制动盘内壁的距离、最外侧第一凸起与制动盘外壁的距离均等于第一凸起或第二凸起的半径；
第四种形状
所述涂层的形状为网状，网状涂层仿穿山甲鳞片，包括连接凸起组和三个圆环；最外侧圆环的外径与制动盘的外径相等；最内侧圆环内径与制动盘内径的间距、中间圆环内径与最内侧圆环外径的间距、中间圆环外径与最外侧圆环内径的间距均为20～30mm；三个圆环的内、外径差相等；三个圆环通过沿周向均布的八个连接凸起组连接；所述的连接凸起组包括沿径向由内之外布置的第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起；所述的第一连接凸起连接最内侧圆环内壁和制动盘内壁，所述的第二连接凸起连接最内侧圆环外壁和中间圆环内壁，所述的第三连接凸起连接中间圆环外壁和最外侧圆环内壁；第一连接凸起、第二连接凸起和第三连接凸起的宽度均为10～18mm；
第五种形状
所述涂层的形状为扇叶状，包括沿圆周均布的八个扇环；所述扇环的内、外径分别等于制动盘的内、外径；扇环角度为20～30°；
第六种形状
所述涂层的形状为螺旋状，包括沿圆周均布的八个楔形；所述的楔形由制动盘外径所在圆周上的圆弧段和两条直线合围而成；两条直线的内端交点位于制动盘内径所在圆周上；两条直线均与径向成一夹角，且两条直线之间的夹角为30～50°。
2.根据权利要求1所述的一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘，其特征在于：所述涂层采用的材料为羟基磷灰石。
3.根据权利要求1所述的一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘，其特征在于：所述涂层的喷涂厚度为75微米。
4.如权利要求1所述的一种具有耐磨羟基磷灰石涂层的制动盘的制造方法，其特征在于：利用超音速氧焰喷涂方法、等离子喷涂方法或冷喷涂方法在制动盘摩擦表面制备羟基磷灰石涂层；采用等离子喷涂时，通过控制喷涂功率和喷涂厚度，增大涂层与摩擦表面的结合强度。
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