CN108127123A - 一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，由镍铬合金粉末、碳化铬粉末、硅铁、钒铁、铝粉和石墨烯通过高温熔融、水气混合雾化、粘结调糊涂刷、激光熔融而成，原料按质量百分比计包括：镍铬12％～50％，碳化铬15～28％，硅铁6～10％，钒铁5～8％、铝20～40％和石墨烯1～2％。所述复合涂层材料在半金属铁基刹车片表面形成金属合金粉末涂层具有良好的物理机械性能，且在高温条件下具有较好的摩擦性能及热稳定性，并且摩擦后的粉尘便于处理；此外，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。

Description

一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于摩擦材料及其制备技术领域，尤其涉及一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料及其制备方法，属于汽车工业领域。
背景技术
制动系统是汽车的关键组成部分之一，而刹车片的综合性能直接影响到制动系统的稳定性和可靠性。对于刹车片而言，摩擦材料的选择基本决定了刹车片的制动性能。理想的刹车片摩擦材料应具有较好的稳定性、摩擦系数适当且稳定、磨损率小、较高制动可靠性、密度小、较长刹车片使用寿命、噪音小以及材料来源环保、绿色、经济实惠等优点。同时，随着汽车行驶高速化发展，对刹车片摩擦材料以及结构也提出了更加苛刻的要求。因此，研发具有优异高温耐磨性能的刹车片对汽车制动稳定性具有重要的意义。
现在国内应用最广泛是半金属摩擦材料，以铁基复合材料为主的刹车片摩擦材料。这种材料虽然具有导热性、耐磨性和高硬度等优点，但是其中钢纤维易生锈，锈蚀后易粘着对偶并且对其有较大的损伤，而且摩擦系数较低一般摩擦系数为0.38寿命较短。同时，现代汽车的高速行驶过程中，制动零部件的表面温度可高达300～500℃。在高温作用下，刹车片易造成摩擦性能不稳定、磨损加剧，出现高温失效的现象。一般刹车片的寿命为其厚度的1/3，制备刹车片表面复合涂层可以良好减少半金属刹车片损伤大，寿命短等特点。
Popa等人采用不同材料配比制备制动器刹车片复合材料制动工艺，用新材料取代经典材料铸铁的成分，提高盘式刹车片整体性能减少噪声，但是整个过程新材料和制备过程价格过高，刹车片新材料的利用率低。专利CN 10519892 A公布了一种具有砂纹效果应用于刹车片的耐热粉末涂料及其制备方法，通过粉末涂料配方选择制备优异性能的成膜物及添加特殊的耐高温无机颜料方法制备耐热涂料，解决了刹车片易软化脱落等问题，并提高了刹车片的安全性能，但是在制备砂纹效果工艺繁杂，添加耐热粉末均为无机材料容易摩擦系数低，制动效果差。专利CN106591765公布了一种耐冲蚀磨损铁基复合涂层的制备方法，在基材表面制备复合涂层，与基体结合力高、涂层致密性和抗氧化层性能好，但是在制备过程需要经过基材表面处理、网格划分、网状熔覆层、基材表面二次处理、制备复合涂层等工艺较为复杂，在参数不好控制，易产生无效产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种提应用于半金属铁基刹车片的涂层材料，在高温条件下具有较好的摩擦性能及热稳定性。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其原料组成按质量百分比计为：镍铬12％～50％，碳化铬15～28％，硅铁6～10％，钒铁5～8％、铝20～40％和石墨烯1～2％。
按上述方案，所述镍铬中镍与铬质量分数分别为75～80％和20～25％；所述硅铁中硅元素所占质量百分数为40～45％，所述钒铁中钒元素所占质量百分数为45％～53％。
按上述方案，所述原料的性状均优选粉末。
上述应用于半金属铁基刹车片的复合涂层由镍铬合金粉末、碳化铬粉末、硅铁、钒铁、铝粉和石墨烯通过高温熔融、水气混合雾化、粘结调糊涂刷、激光熔融而成。
上述应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，主要包括如下步骤：
1)高温熔融：按照配比称取以镍铬合金粉末、碳化铬粉末、硅铁、钒铁、铝粉和石墨烯为原料，振荡均匀混合后进行高温熔融，得到熔融金属液；
2)水气混合雾化：将步骤1)所得熔融金属液采用水气混合雾化工艺制备球形粉末，所得到的球形粉末直径控制在50～100μm，待冷却凝固后得到符合要求的球形金属粉末；
3)粘结调糊涂刷：将步骤2)所得球形金属粉末与有机粘结剂混合调成糊状，均匀涂刷在半金属铁基刹车片表面，在金属铁基刹车片表面形成球形金属粉末涂层，干燥备用；
4)将步骤3)所得球形金属粉末涂层进行激光熔覆处理，即在金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层，即为应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料。
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。进一步地，振动频率为30～50Hz，振动力为9000～11000N，振荡时间为20～40min。
上述方案中，步骤1)中，高温熔融的工艺参数为：高温真空炉真空度<0.01MPa，保护气氛，温度为1500～1800℃，保温时间为30～40min。
上述方案中，步骤2)水气混合雾化过程中，气压为0.3～0.8MPa，雾化水压为80～120MPa，金属流量5.0～8.0kg/min。
上述方案中，步骤3)中，有机粘结剂按质量百分比计包括：改性铝硅酸钠50～70％、酚醛树脂和橡胶15～20％、填料15～20％，在调制器设置温度90～110℃进行混合调制而成。其中，改性铝硅酸钠作为高温粘结剂，其制备方法为：按配制100％浓度的硅酸钠液体，加入其质量2～8％的分散剂NNO溶液(NNO溶液浓度为45～65wt％)，强力均匀搅拌，雾化，干燥为白色粉末；酚醛树脂和橡胶混合作为辅助低温辅助粘结剂，酚醛树脂和橡胶质量分数分别为60％～70％和30～40％；填料优选按质量百分比计由白蛭石30～40％、橡胶粉35～45％、重晶石30～40％混合而成。
上述方案中，步骤3)中，复合涂层涂刷在半金属铁基刹车片表面的厚度为1.4～1.7mm；干燥流程为：自然风干20～28小时，金属粉末糊状完全凝固在半金属铁基刹车片表面后，通过真空干燥箱100～200℃烘干80～100分钟，使复合涂层完全粘附在半金属铁基刹车片表面。
上述方案中，步骤4)中，激光熔覆处理的工艺为：保护气氩气流量12～14L/min，CO2激光功率为1.5～3kW，扫描速率为5～8mm/s，激光束直径1～3mm；在半金属铁基刹车片表面距熔覆区域30～70cm处引入并压上超声波设备，施加压力0.3～0.7MPa，调节超声波振动功率为500～1000W；熔覆结束后，关闭超声波设备，涂层自然冷却至室温。
上述方案所得表面具有复合涂层的半金属刹车片，具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中，平均值为0.374～0.472，波动幅度较小；且，具有较高的磨损率为0.706～1.643×10-7cm3·N-1·m-1。
与现有刹车片摩擦材料相比，本发明的有益效果为：
1)本发明所述应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，通过水气混合雾化工艺制备的镍铬合金球形粉末和硅铁球形粉末能增加涂层的韧性和硬度，在摩擦片工作时防止裂纹的产生和扩散；微量添加的石墨烯可以在高温条件下摩擦过程中既可以成为强化相增强硬度，也可以成为润滑相优化磨损表面，防止摩擦层脱落，使刹车片制动性能稳定。
2)本发明所述复合涂层材料在半金属铁基刹车片表面形成金属合金粉末涂层，脱落的金属粉末由于摩擦会产生磁性从而吸附在轮毂上面，有效避免了刹车片制动后易产生粉末飘落在空中的问题，对环境保护以及人类健康更加有益。
3)本发明采用激光熔覆技术和超声波振动装置在半金属铁基刹车片制备复合涂层，材料致密度高，涂层不易脱落，明显提高摩擦磨损性能，可以极大程度提高半金属铁基刹车片的使用寿命，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是本发明的制备工艺流程图。
图2是本发明中半金属铁基刹车片的复合涂层材料的激光熔覆处理的工艺过程结构图。
图3是水气混合雾化后所得球形粉末的扫描电镜照片。
图4是本发明实施例1复合涂层在不同测试温度下摩擦系数与磨损率图。
图5是本发明实施例2复合涂层在不同测试温度下摩擦系数与磨损率图。
图6是本发明实施例3复合涂层在不同测试温度下摩擦系数与磨损率图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，原料镍铬粉末中Ni与Cr质量分数比为4:1，硅铁中Si的质量百分数为45％，钒铁中V的质量百分数为52.1％。当然，符合本发明所述条件的原料均能用于本发明。
以下实施例中，球形粉末水气混合雾化法的具体方案为：采用四个V型喷嘴，每两个对称结构布置，上部为环缝式的气雾化喷嘴，下部为V型高压水喷嘴，V型喷嘴的扇形夹角为25°；工艺流程：打开气水混合雾化装置，上部V型喷嘴通入N2，下部V型喷嘴通入高压水，待装置稳定5分钟，打开放液阀，熔融金属液流入通道被环缝式的气雾化喷嘴破碎成金属液滴，V型高压水喷嘴两次高压水流将金属颗粒破碎更小，在下落过程中表面张力的作用下收缩成球形，凝固成为球形金属粉末。当然，本发明并不限定球形金属粉末的制备方法。
以下实施例中，有机粘结剂由改性铝硅酸钠、酚醛树脂和橡胶、填料按质量比：6:2:2在调制器设置温100℃进行混合调制而成。其中，改性铝硅酸钠作为高温粘结剂，其制备方法：按硅钠质量比3:1混合配制100％浓度的硅酸钠液体，加入其质量5％的分散剂NNO溶液(NNO溶液浓度为55％)，强力均匀搅拌，雾化，干燥为白色粉末；酚醛树脂和橡胶配制辅助低温辅助粘结剂选取质量比3:1；填料优选由白蛭石、橡胶粉、重晶石按质量比1:1:1混合而成。当然，符合本发明所述条件的有机粘结剂均能用于本发明。
以下实施例中，采用的激光熔覆设备为N型SLC140W CO2激光器，但不局限于该设备；半金属铁基刹车片购自重庆三木汽车部件有限公司，其他厂家或者自行制备的半金属铁基刹车片也适用于本发明。
实施例1
一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按质量比值为45：18：6：5：25：1称取镍铬粉末、碳化铬金属陶瓷粉末、硅铁粉末、钒铁粉末、铝粉、石墨烯作为原料；
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50Hz，振动力为9000N，振荡时间为30分钟，将原料充分混合均匀，然后进行高温熔融，得到熔融金属液；高温熔融的工艺参数：高温真空炉真空度<0.01MPa，保护气体为氩气，温度为1800℃，保温时间为30min；
3)将步骤2)所得熔融金属液进行水气混合雾化，直径控制在60～80μm(如下图3)，雾化过程中气压为0.5MPa，雾化水压为100MPa，金属流量6.5kg/min，待冷却凝固后得到球形金属粉末；
4)将有机粘结剂与步骤3)所得球形金属粉末混合调成糊状，均匀涂刷在半金属铁基刹车片表面(预制厚度为1.5mm)，放置水平台自然风干22小时，待表面金属粉末糊状完全凝固在表面后，通过真空干燥箱200℃烘干1小时，让金属粉末涂层完全粘附在半金属铁基刹车片表面；
5)将步骤4)所得表面凝固的涂层采用激光熔覆加工处理，选择CO2激光器调节功率为1.8kW，扫描速率为8mm/s，激光束直径2mm，同时采用氩气为保护气体；考虑到熔池比较小的情况，在半金属铁基刹车片表面距熔覆区域45cm处引入并压上超声波设备，施加压力0.4MPa，调节超声波振动功率为500W。熔覆结束后，关闭超声波设备，涂层自然冷却至室温；待熔融涂层完全凝固后，即在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层，即为应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料。
将在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层采用维氏硬度试验机(HVS-1000型)对涂层表面的显微硬度进行测试(表面取6个点，计算平均值)，其硬度为7.82GPa。根据汽车行驶速度实际工况的条件下，研究了复合涂层在高温条件下的耐磨性能，选取实验条件测试选取0.5MPa为测试载荷点，根据刹车片的工作温度和连续制动时长，选取摩擦时间为30分钟条件下，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，分别在不同温度条件下(25、100、200、300、400℃五个测试温度)条件下复合涂层试样的磨损情况，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。
可知：所得刹车片复合涂层具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中，平均值为0.386～0.472，波动幅度较小；具有较高的磨损率为0.842～1.355×10-7cm3·N-1·m-1。根据国标GB/5764-2011，其摩擦学性能完全符合标准。此外，在连续工作时间条件下摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于刹车片在高温下的制动性能。
实施例2
一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按质量比值为40：16：7.5：5：30：1.5称取镍铬粉末、碳化铬金属陶瓷粉末、硅铁粉末、钒铁粉末、铝粉、石墨烯作为原料；
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50Hz，振动力为10000N，振荡时间为30分钟，将原料充分混合均匀，然后进行高温熔融，得到熔融金属液；高温熔融的工艺参数：高温真空炉真空度<0.01MPa，保护气体为氩气，温度为1650℃，保温时间为40min；
3)将步骤2)所得熔融金属液进行水气混合雾化，直径控制在70～90μm(如下图3)，雾化过程中气压为0.5MPa，雾化水压为80MPa，金属流量7.0kg/min，待冷却凝固后得到球形金属粉末；
4)将有机粘结剂与步骤3)所得球形金属粉末混合调成糊状，均匀涂刷在半金属铁基刹车片表面(预制厚度为1.6mm)，放置水平台自然风干24小时，待表面金属粉末糊状凝固在表面后，通过真空干燥箱200℃烘干1小时，让金属粉末涂层完全粘附在半金属铁基刹车片表面；
5)将步骤4)所得表面凝固的涂层采用激光熔覆加工处理，选择CO2激光器调节功率为2.8kW，扫描速率为8mm/s，激光束直径2mm，同时采用氩气为保护气体；考虑到熔池比较小的情况，在半金属铁基刹车片表面距熔覆区域55cm处引入并压上超声波设备，施加压力0.5MPa，调节超声波振动功率为750W。熔覆结束后，关闭超声波设备，涂层自然冷却至室温。待熔融涂层完全凝固后，即在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层，即为应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料。
将在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层采用维氏硬度试验机(HVS-1000型)对涂层表面的显微硬度进行测试(表面取6个点，计算平均值)，其硬度为7.68GPa。根据汽车行驶速度实际工况的条件下，研究了复合涂层在高温条件下的耐磨性能，选取实验条件测试选取0.5MPa为测试载荷点，根据刹车片的工作温度和连续制动时长，选取摩擦时间为30分钟条件下，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，分别在不同温度条件下(25、100、200、300、400℃五个测试温度)条件下复合涂层试样的磨损情况，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。
可知：所得刹车片复合涂层具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中，平均值为0.379～0.458，波动幅度较小；具有较高的磨损率为0.905～1.556×10-7cm3·N-1·m-1。根据国标GB/5764-2011，其摩擦学性能完全符合标准。此外，在连续工作时间条件下摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于刹车片在高温下的制动性能。
实施例3
一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按质量比值为50：15：8：5：20：2称取镍铬粉末、碳化铬金属陶瓷粉末、硅铁粉末、钒铁粉末、铝粉、石墨烯作为原料；
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50Hz，振动力为11000N，振荡时间为30分钟，将原料充分混合均匀，然后进行高温熔融，得到熔融金属液；高温熔融的工艺参数：高温真空炉真空度<0.01MPa，保护气体为氩气，温度为1750℃，保温时间为35min；
3)将步骤2)所得熔融金属液进行水气混合雾化，直径控制在85～100μm(如下图3)，雾化过程中气压为0.4MPa，雾化水压为90MPa，金属流量8.0kg/min，待冷却凝固后得到球形金属粉末；
4)将有机粘结剂与步骤3)所得球形金属粉末混合调成糊状，均匀涂刷在半金属铁基刹车片表面(预制厚度为1.7mm)，放置水平台自然风干24小时，待表面金属粉末糊状凝固在表面后，通过真空干燥箱200℃烘干1小时，让金属粉末涂层完全粘附在半金属铁基刹车片表面；
5)将步骤4)所得表面凝固的涂层采用激光熔覆加工处理，选择CO2激光器调节功率为2.3kW，扫描速率为8mm/s，激光束直径2mm，同时采用氩气为保护气体；考虑到熔池比较小的情况，在半金属铁基刹车片表面距熔覆区域65cm处引入并压上超声波设备，施加压力0.6MPa，调节超声波振动功率为1000W。熔覆结束后，关闭超声波设备，涂层自然冷却至室温；待熔融涂层完全凝固后，即在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层，即为应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料。
将在半金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层采用维氏硬度试验机(HVS-1000型)对涂层表面的显微硬度进行测试(表面取6个点，计算平均值)，其硬度为7.71GPa。根据汽车行驶速度实际工况的条件下，研究了复合涂层在高温条件下的耐磨性能，选取实验条件测试选取0.5MPa为测试载荷点，根据刹车片的工作温度和连续制动时长，选取摩擦时间为30分钟条件下，摩擦线速度选取7.0m/s为测试速度点，分别在不同温度条件下(25、100、200、300、400℃五个测试温度)条件下复合涂层试样的磨损情况，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4所示。
可知：所得刹车片复合涂层具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数适中，平均值为0.394～0.452，波动幅度较小；具有较高的磨损率为0.706～1.643×10-7cm3·N-1·m-1。根据国标GB/5764-2011，其摩擦学性能完全符合标准。此外，在连续工作时间条件下摩擦系数波动较小，在实际应用中有利于刹车片在高温下的制动性能。
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)

1.一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其特征在于它的原料按质量百分比计包括：镍铬12％～50％，碳化铬15～28％，硅铁6～10％，钒铁5～8％、铝20～40％和石墨烯1～2％。
2.根据权利要求1所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其特征在于所述镍铬中镍与铬质量分数分别为75～80％和20～25％；所述硅铁中硅元素所占质量百分数为40～45％，所述钒铁中钒元素所占质量百分数为45％～53％。
3.根据权利要求1所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其特征在于它的摩擦系数平均值为0.374～0.472，磨损率为0.706～1.643×10-7cm3·N-1·m-1。
4.根据权利要求1所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料，其特征在于它由镍铬合金粉末、碳化铬粉末、硅铁、钒铁、铝粉和石墨烯通过高温熔融、水气混合雾化、粘结调糊涂刷成形、激光熔融而成。
5.一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于主要包括如下步骤：
1)高温熔融：按质量百分比计：镍铬12％～50％，碳化铬15～28％，硅铁6～10％，钒铁5～8％、铝20～40％和石墨烯1～2％，称取以镍铬合金粉末、碳化铬粉末、硅铁、钒铁、铝粉和石墨烯为原料，振荡均匀混合后进行高温熔融，得到熔融混合金属液；
2)水气混合雾化：将步骤1)所得熔融金属液采用水气混合雾化工艺球形粉末制备，所得到的球形粉末直径控制在50～100μm，待冷却凝固后得到符合实验要求的球形金属粉末；
3)粘结调糊涂刷成形：将步骤2)所得球形金属粉末与有机粘结剂混合调成糊状，均匀涂刷在半金属铁基刹车片表面，在金属铁基刹车片表面形成球形金属粉末涂层，干燥备用；
4)激光熔覆技术：将步骤3)所得球形金属粉末涂层进行激光熔覆处理，即在金属铁基刹车片表面形成高温耐磨复合涂层，即为应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料。
6.根据权利要求5所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于步骤1)中，采用高温真空炉的熔融工艺参数为：真空度<0.01MPa，温度为1500～1800℃，保温时间为30～40min，保护气氛为氩气。
7.根据权利要求5所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于步骤2)水气混合雾化过程中，气压范围为0.3～0.8MPa，雾化水压为80～120MPa，金属流量5.0～8.0kg/min。
8.根据权利要求5所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于步骤3)中，有机粘结剂按质量百分比计包括：改性铝硅酸钠50～70％、酚醛树脂和橡胶15～20％、填料15～20％，在调制器设置温度90～110℃进行混合调制而成。
9.根据权利要求5所述的的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于步骤3)中，涂刷厚度为1.4～1.7mm；干燥流程为：先自然风干再真空干燥。
10.根据权利要求5所述的一种应用于半金属铁基刹车片的复合涂层材料的制备方法，其特征在于步骤4)中，激光熔覆处理的工艺为：在保护气氩气流量12～14L/min，CO2激光功率为1.5～3kW，扫描速率为5～8mm/s，激光束直径1～3mm；在金属铁基刹车片表面距熔覆区域30～70cm处引入并压上超声波设备，施加压力0.3～0.7MPa，调节超声波振动功率为500～1000W；熔覆结束后，关闭超声波设备，涂层自然冷却至室温。
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