CN107400886A - 一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备。一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片，其特征在于它以TiC粉、hBN粉、B粉、Ni粉和Al粉为原料依次经熔融、高压水雾化、激光熔融沉积而成。该离合器面片具有良好的物理机械性能，且具有较好的摩擦性能及热稳定性。此外，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于摩擦材料及其制备技术领域，尤其涉及一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片及其制备方法。
背景技术
离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件。作为汽车的关键部件，离合器的主要作用是传递和切断发动机传给传动系统的动力，以保证汽车的平稳起步、换挡平顺和防止传动系统过载，还可以有效地降低传动系中的振动和噪声([1]郭静,李全杰.离合分离系统校核计算[J].城市建设理论研究:电子版,2016(11).)。离合器在接合状态时，其主、从动件作为整体一起旋转，直接传递发动机转矩。此时，离合器的主、从动件没有相对运动，摩擦副表面就没有磨损，也不发热，也没有能量损耗。但在汽车起步过程中，离合器主、从动件的具有相对滑动，才能使汽车平稳起步。也即，在离合器接合过程中，其从动件的转速增长有一过程。因此，离合器接合过程的滑摩性能是离合器的一个重要特性。离合器的滑摩不仅导致面片的磨损，而且会引起压盘等零件温度升高。而摩擦表面温度的过分升高，将加剧面片的磨损，并将严重影响离合器的正常工作和使用寿命。此外，离合器在多次起步、换挡工况下，其摩擦温度更高，将在摩擦材料浅表层积聚更高的热量，进而使得面片的摩擦性能发生变化。
传统的离合器面片大多数以石棉为基础编织而成，然而，这种面片具有一些明显的缺点。首先，石棉纤维被大量吸入肺部将会造成石棉癌、肺癌等疾病。其次，石棉的热稳定性不佳，以石棉为基础编织而成的离合器面片，其性能在250℃开始衰退，在350℃开始失效。烧结金属摩擦材料是用粉末冶金技术制备的，在以金属或合金为基础的材料中添加润滑与摩擦组元后制备的一种复合材料。烧结金属摩擦材料的强度较高，摩擦因数适宜而稳定，耐磨性好，污染少，热稳定性好，是现代摩擦材料家族之中使用量最大、应用面最广的材料([2]贾成厂,杜建华.烧结金属摩擦材料[J].金属世界,2012(5):8‐13.)。
传统的汽车离合器面片多采用铜基或铁基，但随着汽车工业的发展，越来越多的汽车要求离合器在高速、高载等恶劣条件下工作，而铜基、铁基在高温条件下易被氧化，且强度有所降低，进而导致离合器的面片磨损严重。Ni3Al合金作为一种具有潜力的高温结构材料，具有许多优良的性能，例如高熔点，高抗高温氧化，较高的高温强度，优良的高温稳定性及力学性能等。因此，Ni3Al合金被广泛运用在工程和工业领域中([3]江涛,万海荣,王园园,等.Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺和研究发展现状[J].科技创新导报,2014(34):31‐32.)。此外，由于烧结金属摩擦材料在烧结过程中存在渗碳现象，且渗碳的程度不容易控制，使得离合器的面片在实际应用中容易发生断裂。增材制造作为一种新兴的技术，受到人们广泛的关注。由于不需要模具，增材制造不仅可以避免因为渗碳作用而导致的断裂现象，而且对于成本的降低可以起到十分重要的作用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片及其制备方法，所得离合器的面片具有良好的物理机械性能，且具有较好的摩擦性能及热稳定性。此外，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片，其特征在于它以TiC粉、hBN粉、B粉、Ni粉和Al粉为原料依次经熔融、高压水雾化、激光熔融沉积而成。
上述方案中，所述Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1；TiC的添加量为Ni粉和Al粉总质量的8.0-12.0％，hBN的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0-6.0％，B粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的0.6-0.8％。
上述一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，包括如下步骤：
1)以TiC粉、hBN粉、B粉、Ni粉和Al粉为原料，将原料混合均匀，并进行高温熔融得熔融合金液；
2)将所得熔融合金液置于雾化装置中进行高压水雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为60‐100μm的金属粉末(预合金粉末)，即可得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末；
3)将所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末进行激光熔融沉积，即得所述基于激光熔融沉积的汽车离合器面片。
上述方案中，步骤1)中将原料混合均匀是采用振动混料方法。
上述方案中，所述振动混料方法的工艺条件采用的振动频率为35‐45Hz，振动力为9000‐11000N，振荡时间为20‐30min。
上述方案中，步骤1)中所述高温熔融的工艺采用真空度<0.01MPa，保护气体为氦气，含氧量<80ppm，温度为1200‐1400℃，保温时间为20‐30min。
上述方案中，步骤2)中所述高压水雾化为：水雾化喷嘴采用的V型喷嘴，且采用对称结构布置，水压为90‐100bar，熔融合金液流量为2.0‐2.4kg/min。
上述方案中，所述高压水雾化的具体步骤为：采用雾化装置，将其接通高压水源，水流通过对称布置的V型喷嘴进入雾化室，待稳定运行3-5分钟后，打开放液阀，将熔融合金液通过漏嘴流入雾化室，熔融合金液与通入的水流相互作用而被雾化形成流场；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末。
上述方案中，步骤3)中激光熔融沉积为：采用的激光功率为600‐800W，扫描速率为1.0‐1.4m/min，送粉率为20‐40g/min，扫描层厚为0.12‐0.14mm，进行逐层激光熔融加工。
根据上述方案所得汽车离合器面片具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中(平均值为0.386‐0.482，波动幅度较小)，具有较高的磨损率为0.099‐0.150×10‐7cm3·N‐1·m‐1。
本发明按添加比例选取TiC粉，hBN粉和B粉加入到基体粉末Ni粉和Al粉中，通过振动混料、高温熔融、高压水雾化的工艺技术，将TiC粉，hBN粉和B粉原位复合在Ni3Al基体中，制备出一种球形度高、粉末粒度细、纯度高的TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末；同时利用激光熔融沉积的方法，制备出一种具有良好的物理机械性能，且具有较好的摩擦性能及热稳定性。此外，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过将TiC粉、hBN粉和B粉原位复合在Ni3Al基体中，其中TiC作为一种增强相，可以使得制备的离合器面片具有较高的耐磨性；hBN作为一种中高温润滑相，一种可使离合器面片在温度急剧升高时，仍具有稳定的摩擦学性能，微量元素B可以提高离合器面片的晶界结合力，增加晶界抵抗裂纹扩展的能力，使得抗剥落能力增强。
2)本发明通过激光熔融技术的运用，避免了烧结过程中渗碳现象的发生，使得制备的离合器面片在实际运用中突然断裂的可能性大大降低；此外，激光熔融技术属于增材制造范畴，材料的利用率因此有较大的提高，对于资源的节约具有重大意义，有效降低了制造离合器面片的成本。
3)本发明采用激光熔融沉积制备离合器面片，涉及的制备方法简单，工艺参数容易控制且可行性高；且涉及的原材料成本低，来源广泛，所需设备成本较低，节能环保，适合规模化广泛应用。
附图说明
图1是本发明实施例1离合器面片在不同测试温度下的摩擦系数与磨损率图。
图2是本发明实施例2离合器面片在不同测试温度下的摩擦系数与磨损率图。
图3是本发明实施例3离合器面片在不同测试温度下的摩擦系数与磨损率图。
图4是本发明实施例1所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，采用的激光熔融沉积设备为3DTALK‐Fab460型激光熔融加工机。
实施例1
一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备，其制备方法包括如下步骤：
1)以TiC粉10.88g、hBN粉5.44g、B粉0.816g、Ni粉118g和Al粉18g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，TiC粉的添加量为Ni粉和hBN粉总质量的8.0％，hBN粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0％，B粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的0.6％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为35Hz，振动力为9000N，振荡时间为30分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氦气，使环境含氧量<80ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1200℃,保温30min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)接通高压水源，高压水通过对称布置的V型喷嘴流入雾化装置中，待稳定运行3分钟后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环缝型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的水流相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中高压水的进口压力为90bar，熔融合金液流量2.0kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，将球形粉末烘干后，按粒径范围为60‐100μm的要求进行筛分，得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末(形貌图见图4)；
5)将所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，其中：激光功率为600W，扫描速率为1.0m/min，送粉率为20g/min，扫描层厚为0.12mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述离合器面片。
根据汽车的实际工作条件，选取实验条件进行测试：选取0.5MPa为测试载荷点，根据离合器的工作环境温度，选取25℃、100℃、200℃、300℃、400℃等5个温度点，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，共5组实验，每组实验重复测试3次，求平均摩擦系数及磨损率，测试结果如图1所示。根据上述方案所得汽车离合器面片具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中(平均值为0.386‐0.482，波动幅度较小，热稳定性)，具有较高的磨损率为0.102‐0.146×10‐7cm3·N‐1·m‐1。根据国标GB/5764‐2011，其摩擦学性能完全符号标准，此外，随着测试条件的改变，其摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于汽车平稳起步、平顺换挡。
实施例2
一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备，其制备方法包括如下步骤：
1)以TiC粉14.96g、hBN粉6.80g、B粉为0.952g、Ni粉118g和Al粉18g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，TiC粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的11％，hBN粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的5.0％,B粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的0.7％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为40Hz，振动力为10000N，振荡时间为25分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氦气，使环境含氧量<80ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1300℃,保温25min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)接通高压水源，高压水通过对称布置的V型喷嘴流入雾化装置中，待稳定运行4分钟后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环缝型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的水流相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中高压水的进口压力为95bar，熔融合金液流量2.2kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，将球形粉末烘干后，按粒径范围为60‐100μm的要求进行筛分，得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末；
5)将所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，采用的激光熔融沉积加工工艺，其中：激光功率为700W，扫描速率为1.2m/min，送粉率为30g/min，扫描层厚为0.13mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述汽车离合器面片。
根据汽车的实际工作条件，选取实验条件进行测试：选取0.5MPa为测试载荷点，根据离合器的工作环境温度，选取25℃、100℃、200℃、300℃、400℃等5个温度点，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，共5组实验，每组实验重复测试3次，求平均摩擦系数及磨损率，测试结果如图2所示。根据上述方案所得汽车离合器面片具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中(平均值为0.392‐0.472，波动幅度较小)，具有较高的磨损率为0.100‐0.146×10‐ 7cm3·N‐1·m‐1。根据国标GB/5764‐2011，其摩擦学性能完全符号标准，此外，随着测试条件的改变，其摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于汽车平稳起步、平顺换挡。
实施例3
一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备，其制备方法包括如下步骤：
1)以TiC粉16.32g、hBN粉8.16g、B粉1.088g、Ni粉118g和Al粉18g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，TiC粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的12.0％，hBN粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的6.0％，B粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的0.8％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为45Hz，振动力为11000N，振荡时间为20分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氦气，使环境含氧量<80ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1400℃,保温20min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)接通高压水源，高压水通过对称布置的V型喷嘴流入雾化装置中，待稳定运行5分钟后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环缝型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的水流相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中高压水的进口压力为100bar，熔融合金液流量2.4kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，将球形粉末烘干后，按粒径范围为60‐100μm的要求进行筛分，得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末；
5)将所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末加入激光熔融沉积设备中，采用的激光熔融沉积加工工艺，其中：激光功率为800W，扫描速率为1.4m/min，送粉率为40g/min，扫描层厚为0.14mm，进行逐层激光熔融加工，待最后一层熔融液凝固后即得所述汽车离合器面片。
根据汽车的实际工作条件，选取实验条件进行测试：选取0.5MPa为测试载荷点，根据离合器的工作环境温度，选取25℃、100℃、200℃、300℃、400℃等5个温度点，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，共5组实验，每组实验重复测试3次，求平均摩擦系数及磨损率，测试结果如图3所示。根据上述方案所得汽车离合器面片具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中(平均值为0.399‐0.480，波动幅度较小)，具有较高的磨损率为0.099‐0.150×10‐ 7cm3·N‐1·m‐1。根据国标GB/5764‐2011，其摩擦学性能完全符号标准，此外，随着测试条件的改变，其摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于汽车平稳起步、平顺换挡。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片，其特征在于它以TiC粉、hBN粉、B粉、Ni粉和Al粉为原料依次经熔融、高压水雾化、激光熔融沉积而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片，其特征在于，所述Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1；TiC的添加量为Ni粉和Al粉总质量的8.0-12.0％，hBN的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0-6.0％，B粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的0.6-0.8％。
3.如权利要求1所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以TiC粉、hBN粉、B粉、Ni粉和Al粉为原料，将原料混合均匀，并进行高温熔融得熔融合金液；
2)将所得熔融合金液置于雾化装置中进行高压水雾化，待冷凝固化并烘干后得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为60‐100μm的金属粉末，即可得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末；
3)将所得TiC‐hBN‐Ni3Al预合金球形粉末进行激光熔融沉积，即得所述基于激光熔融沉积的汽车离合器面片。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，步骤1)中将原料混合均匀是采用振动混料方法。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，所述振动混料方法的工艺条件采用的振动频率为35‐45Hz，振动力为9000‐11000N，振荡时间为20‐30min。
6.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述高温熔融的工艺采用真空度<0.01MPa，保护气体为氦气，含氧量<80ppm，温度为1200‐1400℃，保温时间为20‐30min。
7.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述高压水雾化为：水雾化喷嘴采用的V型喷嘴，且采用对称结构布置，水压为90‐100bar，熔融合金液流量为2.0‐2.4kg/min。
8.根据权利要求3阿克7所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，所述高压水雾化的具体步骤为：采用雾化装置，将其接通高压水源，水流通过对称布置的V型喷嘴进入雾化室，待稳定运行3-5分钟后，打开放液阀，将熔融合金液通过漏嘴流入雾化室，熔融合金液与通入的水流相互作用而被雾化形成流场；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末。
9.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，步骤3)中激光熔融沉积为：采用的激光功率为600‐800W，扫描速率为1.0‐1.4m/min，送粉率为20‐40g/min，扫描层厚为0.12‐0.14mm，进行逐层激光熔融加工。
10.根据权利要求3所述的一种基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的制备方法，其特征在于，基于激光熔融沉积的汽车离合器面片的摩擦系数平均值为0.386‐0.482，具磨损率为0.099‐0.150×10‐7cm3·N‐1·m‐1。
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