CN109973560A - 双金属刹车制动盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双金属刹车制动盘及其制造方法。将灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)两种不同的材料在接触面高温焊接而成，可有效发挥二种材料各自的优点，摩擦制动性能好，耐冲击性能优异，成本低廉。灰口铸铁HT250摩擦层(1)即使在使用中开裂依然与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接在一起，结构保持整体，制动性能不受影响。铸铁摩擦层磨损后，碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可以回收焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)重新利用。

Description

双金属刹车制动盘及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种双金属刹车制动盘及其制造方法，属于新材料技术领域，具有优异的摩擦制动性能，可汽车工程和航空航天工程等需要摩擦制动的技术领域。
背景技术
灰口铸铁HT250材料摩擦制动性能优异，利用灰口铸铁HT250材料制造的刹车制动盘和刹车制动毂被广泛应用在汽车的刹车系统中，但是灰口铸铁HT250材料机械性能较脆，抗拉强度较低，只有250MPa，抗冲击性能差，如果摩擦制动载荷很大，会导致刹车制动盘的温度迅速上升，最高可达700摄氏度，这些恶劣的工作条件会导致灰口铸铁HT250材料制成的制动盘开裂失效；很多多轴的载重卡车运输货物时，载重量可达上百吨，制动载荷非常大，为了降低刹车制动盘的制动温度，通常在刹车盘上浇水冷却，剧烈的冷热应力冲击进一步恶化刹车制动盘的性能，加剧制动盘开裂失效，从而造成交通事故。
发明内容
本发明提出一种双金属刹车制动盘结构及其制造方法，制动盘的结构如图所示：外层摩擦层灰口铸铁HT250摩擦层(1)，内层是碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)，外层摩擦层灰口铸铁HT250摩擦层(1)通过高温焊接工艺与内层碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)在二者的接触面上焊接在一起，焊接界面无气孔和杂质缺陷，抗拉强度大于300MPa。工作时制动卡钳对摩擦片施加压力，使其贴紧制动盘上的灰口铸铁HT250摩擦层(1)上产生摩擦制动作用。
碳素结构钢(A3、45#钢等)或合金结构钢(20Cr、16Mn等)韧性好，抗拉强度高，抗冲击性能优异，可是碳素结构钢或合金结构钢的摩擦制动性能差，耐磨性差，不是制造刹车制动盘的理想材料。如果将灰口铸铁HT250材料和碳素结构钢或合金结构钢焊接在一起形成异种材料复合结构的双金属刹车制动盘，兼具灰口铸铁HT250材料的耐磨性能和碳素结构钢或合金结构钢材料高抗拉强度和高韧性，不仅摩擦制动性能优异，而且结构可靠性好，生产制造过程工艺简单，当双金属制动盘表面的铸铁摩擦层被磨损完毕后，盘芯可以回收使用，既节约了原材料，还大幅降低了产品成本。
铸铁材料制动盘的生产过程首先必须通过铸造工艺获得结构复杂的制动盘，然后后续通过对铸造制动盘胚体进行精密机械加工完成刹车制动盘的加工制造，铸造工艺能耗高，生产环境恶劣工人劳动强度大，效率低，污染环境，随着环保法规越来越严格，铸造工艺的成本会持续升高。而本发明制造的双金属刹车制动盘制造过程可省略铸造工艺过程，刹车盘的铸铁摩擦层可以直接向现代化大型钢厂直接定制管型材，通过后续焊接和精密机械加工方法制造双金属制动盘，焊接工艺在氮气保护或真空下进行，焊接材料采用环保型配方，双金属制动盘生产过程中没有任何污染排放。
将灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接在一起，所使用的焊接材料由以下质量百分比的原料所组成：30％-70％的铜；7％-15％的锰；1％-10％的镍； 0.2％-1％的铝；20％-50％的锌；0.2％-5％的锡。
焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)有两种不同的技术方案，如下所示：
技术方案1：按照上面质量百分比的组份配好原料，在真空度小于6×10-3Pa高真空高温炉中，1200℃的温度电磁搅拌30分钟冶炼后轧制成厚度0.1mm-1.0mm的合金金属片，通过剪板机、线切割、雕刻机或激光切割机等机械加工设备切割加工成为所需要的特定形状。焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接前，首先将合金金属片和灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)放入酒精中超声清洗30分钟，将灰口铸铁HT250摩擦层(1)/合金金属焊接材料片/碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)叠放在一起，加热到1200℃并保温30分钟，实现灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可靠焊接。
技术方案2：按照上面质量百分比的组份配好金属粉末原料，所有的金属粉末过300目筛，金属粉末混合物掺入酒精做分散剂在球磨机中运转24小时以上混合均匀，随后在120℃的温度下将混合均匀的金属粉末烘干，然后加入溶剂粘结剂溶液制成混合金属粉末浆料。
混合金属粉末和溶剂粘结剂溶液的质量百分比为5∶1，溶剂为松油醇或松油醇与乙醇的混合物，粘结剂为甲基纤维素、乙基纤维素或聚乙烯醇缩丁醛，溶剂和粘结剂的质量百分比为20∶1。配制好的混合金属粉末浆料刷涂在灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)需要焊接的部位表面，加热到1200℃并保温30分钟，实现灰口铸铁HT250 摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可靠焊接。
通过技术方案1和技术方案2实现灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可靠焊接，灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接界面的抗拉强度可达300MPa，超出灰口铸铁HT250母材的强度。
实际使用过程中，碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)韧性好强度高，很难破裂失效，灰口铸铁HT250摩擦层(1)因摩擦制动损耗完毕时，碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)依然能保持完好可回收，经检测性能合格后可重新焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)继续投入使用，不仅制造成本低廉，而且可以节约大量原材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
附图1中图标：1-灰口铸铁HT250摩擦层，2-碳素结构钢或合金结构钢盘芯。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
双金属制动盘的结构剖面图如图所示，双金属制动盘由两个部分所组成，图中画网格线阴影部分(1)为灰口铸铁HT250摩擦层，图中画斜线阴影线部分(2)为碳素结构钢或合金结构钢盘芯，其中灰口铸铁摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)在两者界面通过特殊的焊接工艺焊接在一起。
【实施例1】
焊接材料由以下质量百分比的原料所组成：30％-70％的铜；7％-15％的锰；1％-10％的镍； 0.2％-1％的铝；20％-50％的锌；0.2％-5％的锡。
根据上述的配比准备好原料和灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)，在真空度小于6×10-3Pa高真空高温炉中，1200℃的温度电磁搅拌冶炼30分钟，浇铸在石墨模具中成金属块材，然后通过轧机把金属块材轧制成金属片，通过剪板机、线切割和激光切割机等加工设备制成特定形状的金属片。
焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接前，首先将合金金属片和灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)放入酒精中超声清洗30分钟，将灰口铸铁HT250摩擦层(1)/合金金属焊接材料片/碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)叠放在一起，加热到1200℃并保温30分钟，实现灰口铸铁HT250摩擦层(1) 和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可靠焊接，制成双金属刹车制动盘，灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接界面的抗拉强度可达300MPa。
【实施例2】
焊接材料由以下质量百分比的原料所组成：30％-70％的铜；7％-15％的锰；1％-10％的镍； 0.2％-1％的铝；20％-50％的锌；0.2％-5％的锡。
按照上面质量百分比的组份配好金属粉末原料，所有的金属粉末过300目筛，金属粉末混合物掺入酒精做分散剂在球磨机中运转24小时以上混合均匀，随后在120℃的温度下将混合均匀的金属粉末烘干，然后加入溶剂粘结剂溶液制成混合金属粉末浆料。
混合金属粉末和溶剂粘结剂溶液的质量百分比为5∶1，溶剂为松油醇或松油醇与乙醇的混合物，粘结剂为甲基纤维素、乙基纤维素或聚乙烯醇缩丁醛，溶剂和粘结剂的质量百分比为20∶1。配制好的混合金属粉末浆料刷涂在灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)需要焊接的部位表面，加热到1200℃并保温30分钟，实现灰口铸铁HT250 摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可靠焊接，制成双金属刹车制动盘，灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接界面的抗拉强度可达300MPa。

Claims (7)

1.一种双金属刹车制动盘及其制造方法，包括灰口铸铁HT250摩擦层(1)和碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)焊接在碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)上，碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)通过安装孔安装在车轴上起支承结构作用，刹车制动时，刹车摩擦片由刹车卡钳压紧在灰口铸铁HT250摩擦层上起摩擦制动作用。
2.根据权利要求1所述制成的双金属刹车制动盘，其特征在于将灰口铸铁HT250摩擦层(1)与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接在一起的焊接材料的成份为：30％-70％的铜；7％-15％的锰；1％-10％的镍；0.2％-1％的铝；20％-50％的锌；0.2％-5％的锡。
3.根据权利要求1所述制成的双金属刹车制动盘，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)在二者的接触面上完全焊接，灰口铸铁HT250摩擦层(1)与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)之间的焊接界面没有气孔缺陷，当灰口铸铁HT250摩擦层(1)产生裂纹时，依然能够连接在碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)表面上不脱落，摩擦制动性能优良。
4.根据权利要求1所述制成的双金属刹车制动盘，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)之间的焊接界面具有很好的高温强度，在摄氏800度的高温下，焊接界面依然保持高强度，在大扭矩的作用下焊接界面保持完整。
5.根据权利要求1所述的双金属制动盘及其制造方法，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)生产原料的制造不需要污染环境的传统铸造工艺方法，通过大批量订购现代化大型钢厂通过环保工艺制造的灰口铸铁HT250管型材，通过环保的精密机械制造方法加工获得双金属制动盘所需的生产原料。
6.根据权利要求1所述的双金属制动盘及其制造方法，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)与碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)焊接工艺可以在真空气氛下进行，也可以在氮气或氩气等惰性气体保护下进行。
7.根据权利要求1所述制成的双金属刹车制动盘，其特征在于灰口铸铁HT250摩擦层(1)磨损消耗后，碳素结构钢或合金结构钢盘芯(2)可以回收焊接灰口铸铁HT250摩擦层(1)重新利用。
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