CN108927507B - 制造非均质材料制动盘的方法和使用该方法制造的非均质材料制动盘 - Google Patents

制造非均质材料制动盘的方法和使用该方法制造的非均质材料制动盘 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种制造非均质材料制动盘的方法和使用该方法制造的非均质材料制动盘。具体地，一种制造非均质材料制动盘的方法，所述非均质材料制动盘包括使用不同材料以铸造‑结合的方式形成的盘部和毂部，所述制造非均质材料制动盘的方法包括：进行第一铸造，从而使用灰铸铁材料铸造盘部；进行准备步骤，从而将盘部作为插入物置于铸模中；进行第二铸造，从而通过将熔融铝合金注入铸模中并铸造毂部以铸造‑结合至盘部而制造制动盘铸造产品；以及进行氧氮化处理，从而通过使制动盘铸造产品的表面平滑化并在425至500℃的温度下、在气体气氛中进行热处理而形成氧氮化物层。

Description

制造非均质材料制动盘的方法和使用该方法制造的非均质材 料制动盘
技术领域
本发明涉及一种制造非均质材料制动盘的方法及使用该方法制造的非均质材料制动盘，并且更具体地涉及一种配置为用于通过在非均质材料制动盘的表面上形成氧氮化物层来改进耐久性和耐腐蚀性的制造非均质材料制动盘的方法及使用其制造的非均质材料制动盘，所述非均质材料制动盘包括由铸铁和铝合金材料通过铸造-结合法形成的盘部和毂部。
背景技术
通常，车辆的制动盘包括毂部和盘部，所述毂部连接至驱动轴，所述盘部构造成因与摩擦材料接触而产生摩擦力。
因为盘部通过产生摩擦力将动能转化为热能，所以需要包括优良的耐磨性和优良的耐热性的性能。为了满足这些要求，将具有上述优良性能的铸铁材料主要用于盘部。
然而，近年来，由于石油能源枯竭和气候变化，全球汽车制造商已经努力开发不同的技术来改进车辆的燃料效率。为了改进燃料效率，配置为用于减小车辆重量而不降低其整体性能的技术已经引起关注。
在这些技术中，开发了用于减小制动盘重量而不降低其性能的技术。具体而言，近来聚焦于用于通过制造以下非均质材料制动盘来减小车辆重量的技术，在所述非均质材料制动盘中：通过使用常规方法使直接产生摩擦的盘部由铸铁材料形成，而构造成用于将盘部连接至驱动轴的毂部由铝合金材料形成。
使由单一材料(例如铸铁)形成的常规制动盘经受表面处理，例如在约600℃的高温下在制动盘表面上形成氧氮化物层的氧氮化处理，从而防止由于暴露于大气中的水分和氧气而引起的铸铁耐久性和耐腐蚀性变差。
然而，在将常规的氧氮化处理应用到由非均质材料形成的轻质制动盘的情况中，存在以下问题：毂部在高温下受损，从而使得无法进行表面处理。
此外，在针对盘部进行铸造处理之后进行氧氮化处理的情况中，可以在氧氮化处理前进行额外的热处理过程从而去除来自由铸铁通过铸造工艺形成的盘部的残余应力，从而增加了工序总数和制造成本。
公开于该发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不可被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种制造非均质材料制动盘的方法及使用该方法制造的非均质材料制动盘，所述方法被配置为用于通过在非均质材料制动盘上形成氧氮化物层来减小重量与改进耐久性和耐腐蚀性，所述非均质材料包括铸铁和铝合金材料。
本发明的各个方面旨在提供一种制造非均质材料制动盘的方法及使用其制造的非均质材料制动盘，所述方法被配置为用于在铝合金材料的毂部上形成氧氮化物层并同时防止毂部变形或者受损。
根据本发明的一个方面，上述和其它目的能够通过提供一种制造非均质材料制动盘的方法来实现，所述非均质材料制动盘包括使用不同材料以铸造-结合的方式形成的盘部和毂部，所述方法包括：进行第一铸造，从而使用灰铸铁材料铸造盘部；进行准备步骤，从而将盘部作为插入物置于铸模中；进行第二铸造，从而通过将熔融铝合金注入铸模中并铸造毂部以铸造-结合至盘部而制造制动盘铸造产品；以及进行氧氮化处理，从而通过使制动盘铸造产品的表面平滑化并在425至500℃的温度下、在气体气氛中进行热处理而形成氧氮化物层。
进行氧氮化可以包括通过进行7至15小时时间的热处理而在制动盘铸造产品的表面上形成氧氮化物层。
进行氧氮化可以包括将氧氮化物层形成为1至15μm的厚度。
该方法可以进一步包括在进行准备之前进行预热，从而将盘部预热到445至520℃的温度，其中预热的温度高于在氧氮化处理中热处理的温度。
该方法可以进一步包括在氧氮化处理之后进行结束处理，从而通过加工毂部来补偿盘厚度的变化和潜在的跳动量(run-out)。
进行结束处理可以包括加工毂部，其中盘厚度变化为7μm或更小并且跳动量为30μm或更小。
本发明的各个方面旨在提供一种非均质材料的制动盘，所述制动盘包括：包含灰铸铁材料的盘部；包含铝合金材料的毂部，其与盘部以铸造-结合的方式整体地形成；以及在盘部的表面上形成的氧氮化物层。
氧氮化物层可以在盘部的表面上形成为1至15μm的厚度。
毂部可以具有7μm或更小的盘厚度变化以及30μm或更小的跳动量。
本发明的方法和装置具有其它的特征和优点，这些特征和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行更详细的陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的某些原理。
附图说明
图1是示出根据本发明示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法的流程图；
图2是根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘的立体图；
图3是根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘的截面图；
图4示出根据本发明示例性实施方案在各种氧氮化条件下制造的非均质材料制动盘与根据比较例的非均质材料制动盘之间的比较的图；
图5和图6示出在根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘上进行的耐久性实验的结果的图；以及
图7和图8是示出在不具有氧氮化物层的非均质材料制动盘上进行的耐久性实验的结果的图。
应当了解，附图并不必须是按比例绘制的，其示出了某种程度上简化表示的说明本发明基本原理的各个特征。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、定位和外形，将部分地由特定目的的应用和使用环境所确定。
在这些附图中，在贯穿附图的多幅图形中，附图标记指代本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
现在将具体参考本发明的各个实施方案，在附图中和以下的描述中示出了这些实施方案的示例。虽然本发明与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同形式以及其它实施方案。
图1是示出根据本发明示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法的流程图，图2是根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘的立体图，以及图3是根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘的截面图。
如在图1、图2和图3中所示，根据本发明示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法包括：铸造盘部100的第一铸造步骤，将铸造的盘部100插入模具的准备步骤，通过铸造被铸造-结合至盘部100的毂部200来形成制动盘铸造产品的第二铸造步骤，以及在盘部100的表面上形成氧氮化物层300的氧氮化步骤。
第一铸造步骤包括铸造盘部100，其中使用各种常见的铸造方法来制造盘部100。例如，盘部100可以通过以下方式制得：轻敲熔融的灰铸铁，对其进行球化处理，将其注入具有盘部100的形状的砂模中，然后将其冷却。
因为盘部100为由于与高摩擦材料接触而产生摩擦力的部件，所以盘部100需要包括优良的耐磨性和优良的耐热性的性能。因此，盘部100可以由灰铸铁形成。
如上所述，在准备步骤中将盘部100作为插入物置于铸模中，从而为第二铸造步骤准备盘部100。
根据本发明示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法可以进一步包括在准备步骤之前利用研磨处理(例如，粗研磨)对盘部100的表面进行表面处理的预处理步骤。
当准备步骤完成时，在第二铸造步骤中，将通过加热到650至750℃的温度制得的熔融铝合金注入模具中，以形成使毂部200被铸造-结合至盘部100的制动盘铸造产品。
在根据本发明示例性实施方案的第二铸造步骤中，使用重力铸造或挤压铸造方法形成制动盘铸造产品。对于上述方法的原因在于，与其它铸造方法相比，重力铸造或挤压铸造使得经铸造-结合的部分具有更高的耐久性。
当熔融铝合金的注入完成时，将产品冷却预定的时间，即60至500秒，从而使毂部200凝结。将凝结的毂部200从模具中取出，从而完成制动盘铸造产品的制造。
如上所述，在完整地制成制动盘铸造产品之后，可以进行氧氮化步骤，其中使用精加工方法或研磨方法使制动盘铸造产品经受表面平滑化，然后在盘部100的表面上形成氧氮化物层300。
此时，由于铝合金材料的毂部200具有在其表面上形成的氧化铝膜，因此不在其上形成氧氮化物层。
对氧氮化步骤进行更详细的描述，将经表面处理的制动盘铸造产品置入氮化炉中，将氨气(NH3)注入以形成氨气(NH3)气氛，将温度升高到425至500℃的水平，然后维持本状态7至15小时，从而在盘部100的表面上完整地形成氮化物层。
可以将包含氮以形成氮化物层的不同于氨气(NH3)的各种气体或气体混合物例如氮气(N2)或氧化氮(N2O)用作气氛气体，并且可以将氮化炉的内部压力保持在50至300毫巴的范围内。
图4是示出根据本发明示例性实施方案在各种氧氮化条件下制造的非均质材料制动盘与根据比较例的非均质材料制动盘之间的比较的图。
如在图4中所示，单一材料如铸铁的常规制动盘能够在550至600℃的高温下经受氧氮化处理。但是，当非均质材料例如铸铁和铝合金材料的制动盘在高于500℃的温度下经受氧氮化处理时，则出现由铝合金材料形成的毂部熔融的问题，如在比较例1中所示。
纯铝的熔点为约660℃，但用于毂部200的铝合金的熔点低于660℃，因此在超过500℃的温度下对毂部200造成热损伤。
因此，根据本发明的示例性实施方案，氧氮化处理可以在500℃或更低的低温下进行以形成氮化物层，同时防止铝合金材料的毂部200熔融。
根据本发明示例性实施方案的氧氮化步骤在425℃或更高的温度下进行。对于所提供的温度的原因在于在低于425℃的温度下，氮化物层的形成不能平滑地实现并且需要很长时间，因此生产率降低。因此，优选将温度限制在425℃至500℃的水平。
此时，在氧氮化步骤中，热处理可以优选地进行7至15小时的时间。对于所提供的时间段的原因在于能够使得根据本发明示例性实施方案形成的氮化物层具有1至15μm的厚度。当热处理进行少于7小时时，则氮化物层以不满足参考范围的厚度，即低于1μm的厚度形成。当热处理进行大于15小时时，需要较长的时间段来进行氧氮化步骤，这会降低生产率并增加制造成本。因此，优选将热处理时间限制在上述的范围。
如上所述，当形成氮化层(Fe2-3N)时，从氮化炉中排出内部气体，并且将其上形成有氮化物层的非均质材料制动盘从氮化炉中取出，然后在大气条件下使其冷却。
此时，非均质材料制动盘在大气中与氧接触，从而在氮化物层上形成防止进一步氧化的氧化物层(Fe3O4)。因此，其中在氮化物层上堆叠有氧化物层的氧氮化物层300得以形成，从而改进了制动盘的耐腐蚀性和耐久性。
根据本发明示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法可以进一步包括在准备步骤之前将盘部预热到445至520℃的温度的预热步骤。
上述预热使得熔融铝完全占据经铸造-结合的部分并且还将残余应力从灰铸铁材料的盘部100中去除，其中所述经铸造-结合的部分是因在第二铸造步骤中与盘部100接触引起的熔融铝淬火而产生的。因此，不需要用于从盘部100中去除残余应力的额外热处理过程，从而改进了生产率并降低了制造成本。
此时，在预热步骤中的预热温度可以高于在氧氮化步骤中的热处理温度。
上述温度的原因在于防止由于氧氮化步骤中的热处理温度高于预热温度而引起盘部100的热变形。换言之，由于在比氧氮化步骤中的热处理温度高的温度下预热，使得盘部100热变形，但是通过在低于预热温度的温度下进行氧氮化处理，得以防止在氧氮化处理中的进一步热变形。
此时，在预热步骤中发生的盘部100的热变形在氧氮化步骤中通过精加工或研磨处理来校正。
另外，根据本发明的示例性实施方案制造非均质材料制动盘的方法可以进一步包括在氧氮化步骤之后通过加工毂部200来补偿盘厚度变化(DTV)和跳动量的结束步骤。此时，基于盘部100的制动表面，可以针对毂部200进行修饰加工。
表1示出根据本发明的各种示例性实施方案测量在结束步骤中针对毂部200进行加工之前和之后的盘厚度变化(DTV)和跳动量的结果。
表1
Figure BDA0001493909430000071
从表1可以看出，在氧氮化处理之后的毂部200的盘厚度变化(DTV)和跳动量相对较大，但是在结束步骤中针对毂部200进行修饰加工之后，盘厚度变化(DTV)降低到7μm以下并且跳动量降低到30μm以下，从而满足所需的操作稳定性和噪声/振动特性。
图5和图6示出在根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘上进行的耐久性实验的结果曲线图。图7和图8示出在不具有氧氮化物层的非均质材料制动盘上进行的耐久性实验的结果曲线图。
表2
类别 制动速度(km/h) 减速(g) 制动操作次数
减速 200→70 0.5 9
停止 200→0 1 1
表2示出耐久性实验条件，在本发明的示例性实施方案中，进行耐久性实验并同时重复以上循环四次。
表3
Figure BDA0001493909430000081
表3示出针对根据本发明各种实施方案制造的非均质材料制动盘以及不具有氧氮化物层的常规非均质材料制动盘，在相同的条件下进行耐久性实验之后测量跳动量的变化的实验结果(参考图5、图6、图7和图8)。
从图5、图6、图7和表3可以看出，根据对比示例性实施方案不具有氧氮化物层的常规非均质材料制动盘以及根据本发明示例性实施方案具有氧氮化物层300的非均质材料制动盘，在它们最初制得时具有相似的盘厚度变化和相似的跳动量。
然而，从图6、图8和表3可以看出，在相同条件下进行耐久性实验之后，与比较例的制动盘相比，根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料制动盘具有改进极大的耐久性。在耐久性实验之后，根据本发明示例性实施方案的制动盘的跳动量比比较例的制动盘低至少30％，并且根据本发明示例性实施方案的制动盘的盘厚度变化比比较例的制动盘低至少45％。
在下文中，将参考附图描述根据本发明示例性实施方案制造的非均质材料的制动盘。
如在图2和图3中所示，根据本发明示例性实施方案的非均质材料制动盘包括含灰铸铁材料的盘部100和含铝合金材料的毂部200。盘部100和毂部200以铸造-结合的方式彼此一体地形成。氧氮化物层300形成在盘部100的表面上。
此时，氧氮化物层300优选在盘部100的表面上形成为1至15μm的厚度。本范围是因为当厚度小于1μm时，耐腐蚀性和耐久性的改进最小，而当厚度大于15μm时，制造成本和时间大大增加，从而生产率降低。
另外，本发明的示例性实施方案中的毂部200可形成为具有7μm或更小的盘厚度变化(DTV)和30μm或更小的跳动量，以确保制动盘的稳定旋转，并满足所需的噪音/振动特性和操作稳定性。
从以上描述中显而易见的是，根据本发明的示例性实施方案，能够通过在500℃或更低的温度下形成氧氮化物层来防止熔点较低的含铝合金材料的毂部变形或受损。
另外，通过在非均质材料制动盘的表面上形成氧氮化物层，能够改进耐久性和耐腐蚀性，并降低总重量。
此外，由于不需要用于从含铸铁材料的盘部去除残余应力的额外热处理过程，所以能够在提高生产率的同时降低制造成本和时间。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“内部的”、“外部的”、“在里面”、“在外面”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“前面”、“后面”、“背部”、“向前”和“向后”是用于参考图中显示的这些特征的位置来描述示例性实施方案的特征。
已呈现的前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了例证和说明的目的。这些描述并非旨在穷尽本发明，或者将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多修改和变型。对示例性实施方案进行选择和描述是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案以及它们的各种替换和修改。本发明的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种制造非均质材料制动盘的方法，所述非均质材料制动盘包括使用不同材料以铸造-结合的方式形成的盘部和毂部，所述制造非均质材料制动盘的方法包括：
进行第一铸造，从而使用灰铸铁材料铸造盘部；
进行准备步骤，从而将盘部作为插入物置于铸模中；
进行第二铸造，从而通过将熔融铝合金注入铸模中并铸造毂部以铸造-结合至盘部而制造制动盘铸造产品；以及
进行氧氮化处理，从而通过使制动盘铸造产品的表面平滑化并在425至500℃的温度下、在气体气氛中进行热处理而形成氧氮化物层；
在进行准备步骤之前进行预热处理，进行预热的温度范围为445至520℃，从而在高于进行氧氮化的热处理温度的温度下预热盘部。
2.根据权利要求1所述的制造非均质材料制动盘的方法，其中进行氧氮化处理包括，通过进行7至15小时时间段的热处理而在制动盘铸造产品的表面上形成氧氮化物层。
3.根据权利要求1所述的制造非均质材料制动盘的方法，其中进行氧氮化处理包括，将氧氮化物层形成为1至15μm的厚度。
4.根据权利要求1所述的制造非均质材料制动盘的方法，其进一步包括：
在进行氧氮化处理之后进行结束处理，从而通过加工毂部来补偿盘厚度变化和跳动量。
5.根据权利要求4所述的制造非均质材料制动盘的方法，其中进行结束处理包括加工毂部，其中盘厚度变化为7μm或更小并且跳动量为30μm或更小。
6.一种通过根据权利要求1至5中任一项所述的方法制备的非均质材料制动盘，其包括：包含灰铸铁材料的盘部，以及与盘部以铸造-结合的方式整体地形成的包含铝合金材料的毂部；所述非均质材料制动盘包括：
在盘部的表面上形成的氧氮化物层。
7.根据权利要求6所述的非均质材料制动盘，其中氧氮化物层在盘部的表面上形成为1至15μm的厚度。
8.根据权利要求6所述的非均质材料制动盘，其中毂部具有7μm或更小的盘厚度变化以及30μm或更小的跳动量。
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