CN111304425A - 包括脱碳层和氮化层的制动盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制动盘，该制动盘包括：基材，由灰口铸铁制成；脱碳层，形成在基材上，并通过脱碳处理而形成；以及氮化层，形成在脱碳层上，并通过氮化处理而形成氮化物。本发明还公开一种制动盘的制造方法，该方法包括：制备由灰口铸铁制成的基材；对基材的一个表面进行热处理以形成预脱碳层；以及对预脱碳层的一部分进行氮化处理以在预脱碳层的表面上形成包括氮化物的氮化层。

Description

包括脱碳层和氮化层的制动盘及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种制动盘。
背景技术
车辆的盘制动型制动装置是用于使圆柱型制动盘与车轮一体旋转的装置，并且是用于将制动盘的相对侧推靠在由液压活塞操作的制动衬块上以产生摩擦力并且利用该摩擦力来制动或停止车辆的装置。
作为上述盘制动型制动装置的制动盘的一般材料使用具有优异的铸造性、导热性、减振性能和耐磨性的灰口铸铁。
发明内容
本公开的一方面提供一种制动盘及制动盘的制造方法，该制动盘由于进行短时间的热处理而减少工艺时间，产生厚的氮化层而具有优异的耐腐蚀性，由于热疲劳导致的裂纹产生降低，并且具有优异的耐磨性。另一方面提供一种制动盘，该制动盘包括脱碳层和氮化层并具有低的由于热疲劳导致的裂纹产生、优异的耐腐蚀性和耐磨性。
根据本公开的实施例，一种制动盘包括：基材，由灰口铸铁制成；脱碳层，形成在基材上，并通过脱碳处理而形成；以及氮化层，形成在脱碳层上，并通过氮化处理而形成氮化物。
脱碳层的平均厚度可以是5至10μm。
脱碳层和氮化层的厚度比可以是0.2至1：1。
基材的灰口铸铁可包括石墨组织和珠光体组织。
基材可包括基于基材的总重量的0.05wt％至0.2wt％的钛。
基材和脱碳层可包括析出的碳化物。
包括在脱碳层中的碳化物可等于或小于基于脱碳层的总重量的3％。
包括在脱碳层中的碳化物可包括碳化钛。
根据本公开的另一实施例，一种制动盘的制造方法包括：制备由灰口铸铁制成的基材；对基材的一个表面进行热处理以形成预脱碳层；以及对预脱碳层的一部分进行氮化处理以在预脱碳层的表面上形成包括氮化物的氮化层。
热处理可在680℃至750℃下进行15分钟至60分钟。在制备中制备的基材可包括析出的碳化物，并且在进行热处理之后残留在预脱碳层中的碳化物的含量可等于或小于基于预脱碳层的总重量的3％。
可在包括氨、氮和二氧化碳的反应气体的气氛下对预脱碳层进行氮化处理。
反应气体可包括体积比为5至7：2至4：1的氨、氮和二氧化碳。
氮化处理可在550℃至600℃下进行3小时至8小时。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的制动盘的截面图。
图2A至图2C是示出根据本公开的实施例的制造制动盘的步骤的示图。
图3是示出样本表面的厚度方向上的各深度的硬度测量结果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将通过本公开的实施例详细描述实施例。这不旨在将本公开限制于本公开的实施例，并且可以各种形式改变，只要不改变本公开的本质即可。
将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，说明其他组分的存在。另外，将理解的是，除非上下文另有明确说明，否则说明书中描述的表示组分的量、反应条件等的任何数字和表示由术语“约”限定。
用于制动材料的灰口铸铁的缺点在于，由于耐腐蚀性低，灰口铸铁在暴露于空气中时表面上会生锈，从而降低外观质量。为了补偿灰口铸铁的缺点低耐腐蚀性，可使用对灰口铸铁的表面进行氧氮化处理的方法。
氧氮化处理方法使用气体氮化热处理方法，气体氮化热处理方法是在钢表面上吸附和扩散通过在等于或小于钢的A1转变温度(725℃)的500至550℃下分解氨气而获得的离解氮的方法。如上所述，在气体氮化热处理方法中，扩散到钢的深部的氮与铁元素结合以产生诸如ε(Fe2-3N)或γ'(Fe3N)的氮化层，并且氮化层相对于外力具有优异的抗疲劳性和耐磨性，同时具有高耐腐蚀性。
然而，在作为制动盘的一般材料的灰口铸铁中，与低碳钢的铁素体相比，不容易在构成灰口铸铁的基体组织的珠光体和石墨中扩散氮，因此，所产生的氮化层的深度非常小，并且厚度不均匀，因此需要进行长时间的热处理。另外，如上所述，氧氮化处理的制动盘中，石墨存在于氮化层内或在氮化层正下面，因此，由于石墨和基体组织之间的热膨胀系数不同而导致界面分离，氮化层容易因热疲劳或冲击而剥落，从而引起颤动现象。
制动盘
根据本公开的制动盘可包括由灰口铸铁制成的基材、形成在基材上并包括碳化物的脱碳层、以及形成在脱碳层上并包括氮化物的氮化层。
图1是根据本公开的实施例的制动盘的截面图。参照图1，根据本公开的制动盘可包括由灰口铸铁制成的基材100、形成在基材100上并通过脱碳处理而形成的脱碳层200、以及形成在脱碳层200上并通过氮化处理而形成氮化物的氮化层300。
基材100不受特别限制，只要基材100的材料包括通常用于形成制动盘的灰口铸铁，并且例如，灰口铸铁成分中可进一步包括钛(Ti)。在一个实施例中，基材100可包括基于基材的总重量的0.05wt％至0.2wt％的Ti。在另一个实施例中，基材100可包括基于基材的总重量的0.08wt％至0.15wt％的Ti。当基材包括在上述含量范围内的Ti时，诸如碳化钛(TiC)的碳化物130可析出在基材中，以具有提高制动盘的耐磨性的效果。
基材100的灰口铸铁可包括石墨组织120和珠光体组织110。
脱碳层200可形成在基材100上，并且可存在于基材100和氮化层300之间，以提高制动盘的耐腐蚀性并减少由于热疲劳引起的裂纹。另外，脱碳层200可包括碳化物210。
在实施例中，脱碳层200可指除了通过对基材100的表面进行脱碳处理以形成预脱碳层200a，然后对预脱碳层200a的表面进行氮化处理以将预脱碳层200a转换成包括氮化物的氮化层300而形成的一部分之外的剩余部分。在本公开中，在脱碳处理之后形成氮化层300之前的脱碳处理区域被定义为预脱碳层200a，并且当预脱碳层200a的一部分在氮化处理后被转换成氮化层300时的剩余部分被定义为脱碳层200。
在用于形成预脱碳层的脱碳处理期间，已形成在基材100中的碳化物130的量减少。然而，剩余的碳化物210可防止晶粒的生长并补偿由于脱碳而降低的硬度，因此，优选残留预定量的碳化物210。然而，在实施例中，用于形成碳化物130和210的诸如Ti的元素的含量存在限制，并且当碳化物210的量超过3％时，碳化物210的尺寸可增加到几到几十μm的水平，在这种情况下，由于碳化物210与基材100的界面不匹配，碳化物210可起到疲劳失效的起点的作用。因此，残留在脱碳层200中的碳化物210的量优选被限制为3％或更少。
脱碳层200可通过使基材100的一部分脱碳并形成在基材100上而获得，并且可以是包括在脱碳处理之后残留的碳化物210的铁素体组织。
脱碳层200的平均厚度可以是5μm至10μm。当脱碳层200的平均厚度在上述范围内时，可避免或防止由于热疲劳或外力而使氮化层从基材100剥离的风险，以实现提高制动盘的耐磨性和耐腐蚀性的效果。
氮化层300可提高制动盘的耐磨性和耐腐蚀性，可形成在脱碳层200上，并且可包括氮化物。在实施例中，氮化层300可通过氮化通过对基材100的表面进行脱碳处理而形成的预脱碳层200a的一部分，即预脱碳层200a的表面来形成。在一个实施例中，氮化层300可包括氮化铁。例如，氮化层300可包括Fe2-3N或Fe3N。
脱碳层200和氮化层300的厚度比可以是0.2至1：1。当脱碳层200和氮化层300的厚度比在上述范围内时，可具有提高制动盘的耐磨性以提高其耐久性的效果。
碳化物130和210可增加制动盘的硬度，并且可以是例如钛(Ti)的碳化物。在实施例中，碳化物130和210可以是碳化钛。
制动盘的制造方法
图2A至图2C是示出根据本公开的实施例的制造制动盘的步骤的示图。如图2A至图2C所示，根据本公开的制动盘的制造方法可包括：制备由灰口铸铁制成的基材的制备步骤；对基材的一个表面进行热处理以形成预脱碳层的脱碳处理步骤；以及对预脱碳层的一部分进行氮化处理以在预脱碳层的表面上形成包括氮化物的氮化层的氮化处理步骤。
制备步骤
如图2A所示，在制备步骤中，可制备由灰口铸铁制成的基材。
基材100不受特别限制，只要基材100的材料包括通常用于形成制动盘的灰口铸铁，并且例如，可进一步包括钛(Ti)。当基材包括Ti时，在基材形成期间析出的碳化物130上产生碳化钛以防止晶粒生长，并且与钒(V)和铌(Nb)相比，热处理后析出的碳化物的剩余率较高，从而具有增加脱碳层硬度的效果。
在一个实施例中，基材100可包括基于基材的总重量的0.05wt％至0.2wt％的Ti。在另一个实施例中，基材100可包括基于基材的总重量的0.08wt％至0.15wt％的Ti。当基材100包括在上述含量范围内的Ti时，可具有提高制动盘的耐磨性的效果。
基材100的灰口铸铁可包括石墨组织120和珠光体组织110。
脱碳处理步骤
如图2B所示，在脱碳处理步骤中，可对基材100的一个表面进行热处理，以形成包括析出的碳化物210的预脱碳层200a。根据本公开的制动盘的制造方法可进行上述脱碳处理步骤，因此，在基材100上形成易扩散氮的预脱碳层200a后可进行氮化处理，可防止基材100的石墨组织120和氮化层300的界面由于热疲劳引起裂纹，从而具有在短时间内形成具有目标厚度的氮化层的效果。
在一个实施例中，在脱碳处理步骤中，可对基材100的一个表面进行热处理，以在基材100上形成包括析出的碳化物210的预脱碳层200a。在另一个实施例中，在脱碳处理步骤中，可对基材100的一个表面进行热处理，以在基材100上形成具有包括析出的碳化物210的铁素体组织的预脱碳层200a。
脱碳处理步骤可在680℃至750℃下进行15分钟至60分钟。在实施例中，脱碳处理步骤可在680℃至730℃、690℃至730℃、690℃至720℃或690℃至710℃下进行15分钟至40分钟、20分钟至40分钟或20分钟至35分钟。当在上述范围内的温度下进行在上述范围内的时间的热处理时，可在短时间内形成具有目标厚度的预脱碳层200a。
可在还原气氛下进行脱碳处理步骤。在实施例中，脱碳处理步骤可在包括选自由诸如H2和CO的还原气体和诸如N2和Ar的惰性气体组成的组中的一种或多种的气体气氛下进行。当在还原气氛下进行热处理时，可具有防止对制动盘产生不利影响的铁的氧化物产生的效果。
当在氮化处理步骤中未被氮化处理而残留的脱碳层200具有太小的厚度或被去除时，在基材100和氮化层300之间可形成直接界面，从而由于外部热冲击或机械冲击而在脱碳层200中产生裂纹。此外，裂纹可直接扩散到基材100，或者脱碳层200以脱碳层200和存在于基材100上的石墨组织120接触的点为中心剥离，因此耐腐蚀性可能明显降低。而且，因为脱碳层具有低的机械性能，因此太厚的渗碳层可能不利地影响耐磨性。为了避免或最小化上述潜在风险，在根据实施例的脱碳处理步骤中，预脱碳层200a可具有10μm至60μm的厚度。
在脱碳处理步骤中，形成在基材100中的析出的碳化物130的量减少，并且在这种情况下，残留在预脱碳层200a中的析出的碳化物210的量优选保持在等于或小于3％的水平。
氮化处理步骤
如图2C所示，在氮化处理步骤中，可对预脱碳层200a的一部分，即预脱碳层200a的表面进行氮化处理以形成包括氮化物的氮化层300，同时，预脱碳层200a的未被氮化处理的一部分可被定义为脱碳层200。根据本公开的制动盘可进行上述氮化处理步骤，因此，可提高制动盘的耐腐蚀性，从而具有防止或最小化当制动盘暴露于空气中时制动盘表面上生锈而导致外观质量下降的效果。
氮化处理步骤中可在包括氨、氮和二氧化碳的反应气体的气氛下对预脱碳层200a进行氮化处理。在实施例中，反应气体可包括体积比为5至7：2至4：1、5.5至7：2.5至4：1、5.5至6.5：2.5至3.5：1、或5.8至6.3：2.8至3.2：1。
在实施例中，氮化处理步骤可在550℃至600℃、570℃至600℃或570℃至590℃下进行3小时至8小时、4小时至7小时或4小时至6小时。
限定氮化处理步骤中所提出的反应气体气氛、温度和时间的理由是当满足所提出的条件时，适当地管理作为氮势数的值Kn以容易地形成氮化层。
氮化处理步骤可以被处理为使得氮化层300的厚度是脱碳处理步骤中脱碳层200的总厚度的0.4至0.85倍。在实施例中，氮化处理步骤可以被处理为使得氮化层300的厚度是脱碳处理步骤中脱碳层200的总厚度的0.4倍至0.8倍、0.5倍至0.8倍或0.5倍至0.75倍。当氮化处理步骤被处理为使得脱碳层200的总厚度在上述范围内时，可具有提高制动盘的耐磨性以提高耐久性的效果。
在下文中，将详细描述本公开的示例。然而，它们仅仅是本公开的示例，因此，本公开的范围不旨在受到示例的限制。
示例
示例1.制动盘的制造
在还原气氛下对包括灰口铸铁(包括珠光体组织和石墨组织)的基材的一个表面进行形成预脱碳层的脱碳处理。然后，对预脱碳层的一部分进行氮化处理以形成氮化层。通过改变是否进行脱碳处理操作、是否存在析出的碳化物和氮化处理的水平来形成各样本。
为了进一步说明，通过在基材上仅形成厚度为约5μm的氮化层而不形成预脱碳层来形成样本1，通过在基材上形成厚度为约10μm的预脱碳层，然后对整个预脱碳层进行氮化处理以形成厚度为约10μm的氮化层来形成样本2，通过在基材上形成厚度为约20μm的预脱碳层，然后对预脱碳层的一部分进行氮化处理以形成厚度为约13μm的氮化层和厚度为约7μm的脱碳层来形成样本3，通过在包括0.1wt％的Ti的基材上形成厚度为约20μm的预脱碳层，然后对预脱碳层的一部分进行氮化处理以形成厚度为约13μm的氮化层和厚度为约7μm的脱碳层来形成样本4。
试验例1.物理性质的估计
(1)硬度
对于如上所述制备的样本1至4，使用显微维氏硬度计在每个样本的表面上测量厚度方向上的每个深度的硬度，结果示于下面的表1和图3中。
[表1]
深度(μm) 样本1 样本2 样本3 样本4
3 700 700 700 700
5 650 690 690 690
10 400 630 670 670
15 350 400 250 320
20 300 330 300 320
25 300 300 300 320
30 300 300 300 320
如从上面的表1中可以看出，样本1的硬度在深度为10μm的点处明显降低，样本2至4的硬度在深度为15μm的点处降低。可以推断出，与样本1相比，样本2至4具有增强的表面硬度，因为在基材的表面上形成铁素体基体组织的预脱碳层，然后形成氮扩散到铁素体基体组织内的氮化层。
另外，将样本2与样本3和4进行比较，测量样本2的硬度在深度为15μm的点处相对较高，可以推断出，这是由于脱碳层的形成而导致硬度降低。
另外，比较样本3和4，测量样本4的硬度在深度为15μm的点处相对较高，可以推断出，这是由于通过包括在基材中的Ti而析出TiC以引起析出硬化现象，并且硬度随着晶粒细化而提高。因此，可以推断出，基材中包括Ti以克服由于形成脱碳层而导致的硬度降低。
(2)腐蚀
对于样本1至4，喷洒3％(w/v)的盐水，然后在室温下放在大气环境下，测量生锈时间，结果示于下面的表2中。
(3)颤动耐久性实验
对于样本1至4，进行20000km的颤动耐久性评价，然后测量每个样本的磨损量，结果示于下面的表2中。
[表2]
Figure BDA0002067039440000101
从上面的表2中可以看出，与样本1相比，样本2至4中生锈明显延迟。可以推断出，在样本2至4中，由于形成预脱碳层而稳定形成氮化层，因此耐腐蚀性提高。
可以推断出，与其他样本相比，包括Ti的样本4的磨损量降低是由于TiC析出的效果。
试验例2.摩擦磨损试验
为了根据形成在基材上的脱碳层的厚度来了解磨损性能，由灰口铸铁(包括珠光体组织和石墨组织)制成的基材的一个表面在还原气氛下进行脱碳处理以形成厚度为20μm的预脱碳层。然后，对预脱碳层的表面进行氮化处理以在预脱碳层的整个或部分上形成氮化层。在这种情况下，在氮化处理之后，如下面的表3所示调节样本5至10的脱碳层和氮化层的厚度，并且使用往复式摩擦磨损试验机在150℃下以200N的负载以5Hz的摩擦速度处理制备的样本30分钟。然后，测量粗糙度，结果示于图3中。
[表3]
Figure BDA0002067039440000102
从上面的表3可以看出，即使在摩擦磨损实验之后，样本7至9由于低粗糙度而具有优异的耐久性。
根据本公开的制动盘可包括相对厚的氮化层，因此，可具有优异的耐腐蚀性、低的由于热疲劳导致的裂纹产生以及优异的耐磨性。
根据本公开的制动盘的制造方法可具有由于进行短时间的热处理而减少工艺时间的效果。
尽管已经关于实施例示出并描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员将显而易见的是，在不脱离如权利要求书所限定的本公开的思想和范围的情况下，可对本公开进行各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种制动盘，包括：
基材，由灰口铸铁制成；
脱碳层，形成在所述基材上，并通过脱碳处理而形成；以及
氮化层，形成在所述脱碳层上，并通过氮化处理而形成氮化物。
2.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述脱碳层的平均厚度是5μm至10μm。
3.根据权利要求2所述的制动盘，其中，
所述脱碳层和所述氮化层的厚度比是0.2至1：1。
4.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述灰口铸铁包括石墨组织和珠光体组织。
5.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述基材包括基于所述基材的总重量的0.05wt％至0.2wt％的钛。
6.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述基材和所述脱碳层包括析出的碳化物。
7.根据权利要求6所述的制动盘，其中，
包括在所述脱碳层中的碳化物等于或小于基于所述脱碳层的总重量的3％。
8.根据权利要求6所述的制动盘，其中，
包括在所述脱碳层中的碳化物包括碳化钛。
9.一种制动盘的制造方法，包括：
制备由灰口铸铁制成的基材；
对所述基材的一个表面进行热处理以形成预脱碳层；以及
对所述预脱碳层的一部分进行氮化处理以在所述预脱碳层的表面上形成包括氮化物的氮化层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述热处理在680℃至750℃下进行15分钟至60分钟。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
在所述制备中制备的所述基材包括析出的碳化物；并且
在进行所述热处理之后残留在所述预脱碳层中的碳化物的含量等于或小于基于所述预脱碳层的总重量的3％。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，
在包括氨、氮和二氧化碳的反应气体的气氛下对所述预脱碳层进行所述氮化处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述反应气体包括体积比为5至7：2至4：1的氨、氮和二氧化碳。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述氮化处理在550℃至600℃下进行3小时至8小时。
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