CN111394682B - 制动盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种可以调节包含氮化物的涂层的深度并且可以改善耐腐蚀性和耐磨性的制动盘及其制造方法。根据本公开的一个实施例的制动盘包括：盘母材，由灰铸铁制造；以及涂层，形成在盘母材的表面上，并且包含由于氮扩散到铁素体基体组织中而产生的氮化物。

Description

制动盘及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种制动盘及其制造方法，更具体地，涉及一种可以调节包含氮化物的涂层的深度并且可以改善耐腐蚀性和耐磨性的制动盘及其制造方法。
背景技术
制动装置是用于使行驶车辆减速或停止，或者使停止的车辆保持在停止状态的装置。
该制动装置包括：制动力产生装置，产生制动所需的力；制动装置，使用由制动力产生装置产生的力来使车辆减速或停止；管道，将制动力产生装置的力传递到制动装置；活塞；阀门；以及用于辅助动力的辅助装置。制动装置在结构上分成鼓式制动器或盘式制动器。
尤其，在盘式制动器的情况下，制动盘固定到车辆的各车轮上，并且制动盘的左侧表面和右侧表面设置有能够压靠制动盘的表面或与制动盘的表面分开的一对制动衬块(brake pad)。即，当制动衬块贴紧到与车轮一起旋转的制动盘时，通过摩擦力来制动车辆。
制动盘主要通过铸造灰铸铁来制造。主要使用灰铸铁来制造制动盘的目的是灰铸铁具有诸如铸造性能优异、热传导系数高、减振能力优异、耐磨性优异、成本低等优点。
但是，当灰铸铁未经过单独的防锈处理时，在其表面上容易产生红锈，外观质量降低，并且由于生锈，发生抖动现象的可能性较高。
为了抑制如上所述灰铸铁表面上容易生锈，通常在由灰铸铁制造的制动盘的表面上进行氮化处理。然而，构成灰铸铁基体组织的珠光体(pearlite)和石墨(graphite)抑制氮的扩散，由于这样的问题，通过氮化处理产生的氮化物层的深度浅，并且氮化物层的厚度不均匀，从而对质量的改善是有限的。
图1是示出传统制动盘的照片。如图1所示，当在由灰铸铁形成的母材10的表面上直接形成氮化物层20时，氮化物层20的深度浅，因此形成母材10的石墨(Gr.)暴露在外部。暴露在外部的石墨(Gr.)充当促进腐蚀的点，并且尽管形成氮化物层但仍然容易腐蚀。
提供上述背景技术的描述仅仅是为了理解本公开的背景，不应将其视为对应于本领域技术人员公知的现有技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供一种制动盘及其制造方法，保持灰铸铁的优点的同时，可以调节包含氮化物的涂层的深度，并且可以改善耐腐蚀性和耐磨性。
(二)技术方案
根据本公开的一个实施例的制动盘包括：盘母材，由灰铸铁制造；以及涂层，形成在盘母材的表面上，并且包含由于氮扩散到铁素体基体组织中而产生的氮化物。
涂层通过对喷涂层进行抛光(burnishing)后进行氮化处理(nitriding)而形成，喷涂层通过将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料热喷涂到盘母材的表面而形成。
涂层包括氮通过氮化处理而扩散的氮扩散区域，并且氮扩散区域包括形成ε(epsilon)相和γ'(gamma prime)相中的至少一种氮化物的强化相区域。
优选地，在涂层中形成的强化相区域可以形成在从涂层的表面到至少20μm以上的范围内。
涂层材料还包含1重量％以下的选自Cr、Al、Ti和V中的一种或多种强化元素。
涂层包含由于强化元素与氮彼此结合而形成的强化氮化物。
涂层包括氮通过氮化处理而扩散的氮扩散区域，并且氮扩散区域包括形成ε相和γ'相中的至少一种氮化物的强化相区域并且包含强化氮化物。
另一方面，根据本发明的另一实施例的制动盘的制造方法包括：母材准备步骤，准备由灰铸铁制造的盘母材；热喷涂步骤，将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料热喷涂到盘母材的表面以形成铁素体基体组织的喷涂层；抛光步骤，对喷涂层进行抛光；以及氮化处理步骤，对抛光的喷涂层进行氮化处理以形成涂层，在涂层上产生氮化物。
在氮化处理步骤中，对抛光的喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在氮扩散区域中氮扩散到全部或部分抛光的喷涂层以形成氮化物，并且氮扩散区域包括形成ε相和γ'相中的至少一个的强化相区域。
在氮化处理步骤中，对抛光的喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在氮扩散区域中氮扩散到全部抛光的喷涂层以形成氮化物。
在氮化处理步骤中，强化相区域形成在从涂层的表面到至少20μm以上的范围内。
在热喷涂步骤中，喷涂处理的涂层材料还包含1重量％以下的选自Cr、Al、Ti和V中的一种或多种强化元素，并且在氮化处理步骤中，在涂层中形成由于强化元素与氮彼此结合而形成的强化氮化物。
在氮化处理步骤中，对抛光的喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在氮扩散区域中氮扩散到全部或部分抛光的喷涂层以形成氮化物，并且氮扩散区域包含强化氮化物。
热喷涂步骤在还原性气氛中进行。
(三)有益效果
根据本公开的实施例，在盘母材的表面上形成氮容易扩散的铁素体基体组织的喷涂层，并且对喷涂层进行抛光后进行氮化处理以将涂层形成为所需的厚度，其中在涂层中形成均匀的氮化物。
因此，涂层覆盖由灰铸铁制造的盘母材的表面，从而可以从根本上避免由易腐蚀的灰铸铁中的石墨引起的优先腐蚀现象。另外，氮在涂层中稳定地扩散，均匀地产生包含ε相和γ'相的氮化物，因此可以预期耐腐蚀性和耐磨性的改善。
尤其，通过在形成涂层时在形成涂层材料的纯铁粉末中包含诸如Cr、Al、Ti和V的元素，在氮化处理时产生诸如CrN和AlN的高硬度的氮化物，因此可以预期硬度的进一步提高和耐磨性的改善。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，本公开的上述和其他方面、特征及优点将更加明显，其中：
图1是示出传统制动盘的照片；
图2是根据本公开的实施例的制动盘的截面图；
图3示出根据本公开的实施例的根据制造制动盘的步骤的制动盘的截面图；
图4是比较在根据实施例和比较例的制动盘中形成氮化物的深度的图表；
图5是比较根据实施例和比较例的制动盘的表面硬度的图表；以及
图6是示出根据实施例和比较例的制动盘的盐水喷雾试验结果的图表。
具体实施方式
下面，参照附图对本公开的实施例进行更详细说明。然而，本公开并不限于以下实施例，而可以以各种不同的形式实施。提供实施例仅是为了完整地公开本公开并且向本领域技术人员充分提供本公开的范围。
图2是根据本公开的实施例的制动盘的截面图，图3示出根据本公开的实施例的根据制造制动盘的步骤的制动盘的截面图。
如图所示，根据本公开的实施例的制动盘包括：盘母材100，由灰铸铁制造；以及涂层200，形成在盘母材100的表面上，并且包含由于氮扩散到由纯铁粉末形成的铁素体基体组织中而产生的氮化物。
盘母材100实现制动盘的整体形状，并且通过将灰铸铁铸造加工成一般的制动盘形状来制造。此时，可以使用诸如FC170、FC200和FC250等钢种作为灰铸铁。因此，盘母材100包含珠光体110和石墨120。
涂层200形成在盘母材100的表面上以保护盘母材100。涂层200通过对喷涂层200a进行抛光后进行氮化处理而形成，喷涂层200a通过将由纯铁粉末和其他不可避免的杂质组成的涂层材料热喷涂到盘母材100的表面以形成。
在形成涂层200时，在氮化处理之前进行热喷涂和抛光的原因在于，盘母材100由灰铸铁形成，但是在由珠光体110和石墨120形成基体组织的灰铸铁中氮不能顺利地扩散。因此，在氮化处理之前进行热喷涂和抛光是为了在盘母材100的氮化处理之前将盘母材100的表面改善为氮易于扩散的表面状态。
为此，使用包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料作为形成涂层200的涂层材料，以形成铁素体基体组织。
另一方面，在涂层200中可以分成氮通过氮化处理而扩散的氮扩散区域。此时，根据氮化处理程度，氮扩散区域占据全部涂层200，或者从涂层200的表面形成到预定深度。通过形成该氮扩散区域，可以预期耐腐蚀性和耐磨性的改善。
尤其，根据氮化处理的程度，在氮扩散区域中还可以分成形成ε相(Fe2-3N)和γ'相(Fe3N)中的至少一种的强化相区域。通过形成该强化相区域，预期强化相区域具有比在氮扩散区域中可以预期的耐腐蚀性和耐磨性更好的物理性质。因此，氮扩散区域可以分成强化相区域和非强化相区域，在强化相区域中形成Fe和N以特定比率冶金结合(metallurgically bond)的氮化物，如ε相(Fe2-3N)和γ'相(Fe3N)，在非强化相区域中Fe和N没有冶金结合而仅一部分N扩散到铁素体基体组织中。
另一方面，在涂层200中形成氮化物的强化相区域可以根据涂层的厚度和氮化处理条件而不同。然而，优选地，将强化相区域形成在从涂层200的表面到至少20μm以上的范围内，从而可以预期耐腐蚀性和耐磨性的改善。
因此，涂层200可以从表面向芯部方向分成强化相区域和非强化相区域。当然，根据氮化处理条件，在涂层200的、比涂层200中的非强化相区域更深的区域中，以预定的厚度，抛光的喷涂层200b的状态可以保持原样而不被氮化。
因此，涂层200可以分成例如从表面形成诸如ε相和γ'相的氮化物的区域、氮扩散而没有形成ε相和γ'相的区域、以及氮不扩散且抛光的喷涂层保持原样的区域。
因此，氮扩散区域是指包括强化相区域和非强化相区域的区域，在强化相区域中形成诸如ε相和γ'相的氮化物，在非强化相区域中氮扩散而没有形成ε相和γ'相。另外，涂层是指抛光的喷涂层中包括强化相区域和非强化相区域的区域以及氮不扩散的区域。
然而，在对抛光的喷涂层200b进行氮化处理以形成氮扩散区域的情况下，优选地，充分进行氮化处理，以使全部抛光的喷涂层200b变为氮扩散区域。这是因为由于形成抛光的喷射层200b的纯铁成分的硬度低，当抛光的喷涂层200b没有被氮化处理而保持原样时，相应的部分变成抵抗外力脆弱的部分，因此涂层200可能从盘母材100剥离。另一方面，当涂层200仅由包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料形成时，涂层200的硬度可能低于由灰铸铁制造的盘母材100的硬度。因此，在涂层材料中可以进一步包括诱导形成强化氮化物的强化元素，以改善由纯铁粉末形成的涂层的硬度。
例如，Cr、Al、Ti和V中的一种元素或多种元素可以用作强化元素。因此，在对抛光的喷涂层200b进行氮化处理时，形成由涂层材料中包含的强化元素与氮结合而形成的强化氮化物201。
因此，在进行氮化处理以形成涂层200时，通过与Fe-N结合形成氮化物的同时，产生Cr-N、Al-N、Ti-N和V-N系列的微细的高硬度强化氮化物201，从而可以预期硬度和耐磨性的进一步改善。
然而，优选地，在涂层材料的总重量中包含1重量％以下的强化元素。将强化元素限制在1重量％以下的原因在于，随着强化元素的增加，通过强化元素与氮(N)的结合的微细的高硬度的强化氮化物201的产生量增加，因此虽然可以预期硬度的改善，但是与Fe-N的结合(化合)中消耗的氮(N)被耗尽，从而Fe-N化合物的产生量降低，因此产生氮化物的深度，即强化相区域的深度变浅。
接下来，对如上所述形成的制动盘的制造方法进行说明。
根据本公开的一个实施例的制动盘的制造方法包括：母材准备步骤，准备由灰铸铁制造的盘母材100；热喷涂步骤，将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料热喷涂到盘母材100的表面以形成铁素体基体组织的喷涂层200a；抛光步骤，对喷涂层200a进行抛光；以及氮化处理步骤，对抛光的喷涂层200b进行氮化处理以形成涂层200，在涂层200上产生氮化物。
母材准备步骤是准备实现制动盘整体形状的盘母材100的步骤，其中盘母材100通过将灰铸铁铸造加工成具有预定厚度h1的一般制动盘的形状而制造。此时，可以使用诸如FC170、FC200和FC250等钢种作为灰铸铁。
热喷涂步骤和抛光步骤是氮化处理步骤的预处理步骤，执行热喷涂步骤和抛光步骤以在随后执行的氮化处理步骤中诱导氮顺利扩散到盘母材100的表面以将氮化物形成为所需的水平。
首先，热喷涂步骤是形成氮顺利地扩散的基体组织的步骤，其中将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料喷涂到盘母材100的表面以形成铁素体基体组织的喷涂层200a。此时，优选地，热喷涂在还原性气氛中进行，以抑制氧化铁的产生。此时，优选地，喷涂层200a的厚度h2比最终涂层200的厚度h4厚。
并且，在热喷涂步骤中使用的涂层材料可以进一步包括一种或多种用于诱导形成强化氮化物的元素(强化元素)，例如Cr、Al、Ti和V。
在热喷涂步骤之后进行抛光步骤，以去除喷涂层200a内的气孔210，并且降低粗糙度。
在抛光步骤中，对喷涂层200a的表面进行物理施压以在喷涂层200a内施加压缩应力，从而可以减少在热喷涂步骤中产生的喷涂层200a的粉末间气孔210的同时可以增加喷涂层200a的密度以改善致密性，并且降低粗糙度。另外，通过向喷涂层200a施加压缩应力，可以增加喷涂层200a和盘母材100之间的界面结合力，并且可以提高耐磨性和抗疲劳性。
另外，通过在抛光步骤中控制施加到喷涂层200a的表面的压力以将喷涂层200a的厚度压缩预定厚度h3，可以将抛光的喷涂层200b的厚度h4控制在期望在作为最终产品的制动盘上形成的涂层200的厚度水平。
当完成热喷涂步骤和抛光步骤时，执行对抛光的喷涂层200b进行氮化处理的氮化处理步骤。
氮化处理步骤是根据一般氮化处理条件进行氮化处理的步骤，其中氮扩散到抛光的喷涂层200b中以通过与Fe-N的冶金结合产生氮化物。因此，在全部抛光的喷涂层200b中或者从表面到预定深度形成氮扩散区域。通过形成这样的氮扩散区域，可以预期耐腐蚀性和耐磨性的改善。
在氮化处理步骤中，根据氮化处理的程度在氮扩散区域中形成强化相区域，在强化相区域中形成ε相(Fe2-3N)和γ'相(Fe3N)中的至少一种。通过形成这样的强化相区域，可以预期耐腐蚀性和耐磨性改善更多。
另一方面，优选地，在氮化处理步骤中可以充分进行氮化处理以将强化相区域形成在从表面到至少20μm以上的范围内，从而预期耐腐蚀性和耐磨性的改善。更优选地，在全部抛光的喷涂层中形成强化相区域。这是因为，如果抛光的喷涂层保持原样，由于外力而可能导致剥离。
另外，在氮化处理步骤中，通过在涂层材料中进一步添加诸如Cr、Al、Ti和V的强化元素，可以产生Cr-N、Al-N、Ti-N和V-N系列的微细的高硬度的强化氮化物，从而提高硬度并改善耐磨性。此时，强化氮化物形成在氮扩散区域中，优选地形成在强化相区域中。
接下来，通过比较实施例和比较例来说明本公开。
在实施例中，对通过铸造灰铸铁制造的盘母材依次进行根据本公开的热喷涂步骤、抛光步骤和氮化处理步骤。此时，在实施例1中，在热喷涂步骤中仅使用纯铁粉末作为涂层材料，在实施例2中，在热喷涂步骤中使用在纯铁粉末中包含1重量％的作为强化元素的Cr的涂层材料。
在比较例1中，仅对通过铸造灰铸铁制造的盘母材进行氮化处理步骤而不进行热喷涂步骤和抛光步骤，并且在比较例2和比较例3中，在进行热喷涂步骤和抛光步骤之后进行氮化处理步骤，但是在热喷涂步骤中，使用在纯铁粉末中分别包含1.5重量％和2.0重量％的Cr的涂层材料。
并且，在实施例1、实施例2、比较例2和比较例3中，在抛光步骤中抛光的喷涂层的厚度被控制在25μm。
氮化处理的热处理条件如下。
-氮的活性：0.4
-热处理温度×均匀保持时间：580℃×(1、2、5、10、20、30、40、50和60小时)
对于如上所述准备的实施例和比较例，测量在涂层中形成的氮化物的深度，并将结果示在图4中。
图4是比较在根据实施例和比较例的制动盘中形成氮化物的深度的图表。如图4所示，通过氮化处理步骤，在所有实施例和比较例中，随着氮化处理时间的增加，形成氮化物的氮扩散区域的厚度成比例地增加。
然而，在比较例1的情况下，由于氮的扩散不充分，氮化物不能顺利形成。另外，在比较例2和比较例3中，可以确认由于形成过多的微细的高硬度的氮化物而使扩散到盘母材和涂层中的氮被耗尽，因此减少了Fe-N系列的氮化物的产生，并且形成氮化物的强化相区域的厚度变薄。
相反地，在实施例1和实施例2中，可以确认氮充分扩散到涂层中，因此相比比较例产生更多的氮化物，并且强化相区域的厚度大大增加。
接下来，测量实施例和比较例的表面硬度，并将结果示在图5中。此时，氮化处理的热处理时间保持在60小时。
图5是比较根据实施例和比较例的制动盘的表面硬度的图表。此时，在比较例1中，与在其他比较例和实施例中形成涂层相反，没有形成涂层。因此，从盘母材的表面向芯部方向测量比较例1的硬度。因此在图5中表示从表面开始的深度时，考虑到相对于其他比较例和实施例的位置，比较例1示出了从25μm点开始的硬度。
在实施例1和实施例2中，与比较例1相比，硬度保持在与比较例1相似的水平，或者表现出进一步提高的硬度。尤其，在实施例1和实施例2中，可以确认氮化物均匀地形成在涂层的厚度方向上的大部分区域中，从而确保从涂层的表面到盘母材相对均匀的硬度。
然而，在比较例2和比较例3中，确认涂层表面的硬度显着提高，但是向内部方向氮的扩散不足，从而硬度显着降低。
接下来，对比较例和实施例进行盐水喷雾试验以评价耐腐蚀性，并将结果示在图6中。此时，氮化处理的热处理时间保持在60小时。使用根据MS630-01的评价方法进行盐水喷雾试验。
图6是示出根据实施例和比较例的制动盘的盐水喷雾试验结果的图表。图表示出在比较例和实施例中，当人为地摩擦并磨损制动盘的表面的同时进行盐水喷雾时产生红锈的面积比。横轴表示比较例和实施例中的磨损量。
从图6可以确认，在实施例1和实施例2中产生红锈的时间晚于比较例中产生红锈的时间。从该结果可以推断，氮化物的形成深度越深，产生红锈的时间越延迟。
参照附图和实施例对本公开进行了说明，但是本公开并不限于此，而是由权利要求书限定。因此，本领域技术人员可以在不脱离权利要求书的技术思想和范围的情况下对本公开进行各种修改和改变。

Claims (13)

1.一种制动盘，包括：
盘母材，由灰铸铁制造；以及
涂层，形成在所述盘母材的表面上，并且包含由于氮扩散到铁素体基体组织中而产生的氮化物，
其中，所述涂层通过对喷涂层进行抛光后进行氮化处理而形成，所述喷涂层通过将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料热喷涂到所述盘母材的表面而形成。
2.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述涂层包括氮通过所述氮化处理而扩散的氮扩散区域，并且
所述氮扩散区域包括形成ε相和γ'相中的至少一种氮化物的强化相区域。
3.根据权利要求2所述的制动盘，其中，
在所述涂层中形成的所述强化相区域形成在从所述涂层的表面到至少20μm的范围内。
4.根据权利要求1所述的制动盘，其中，
所述涂层材料还包含1重量％以下的选自Cr、Al、Ti和V中的一种或多种强化元素。
5.根据权利要求4所述的制动盘，其中，
所述涂层包含由于所述强化元素与氮彼此结合而形成的强化氮化物。
6.根据权利要求5所述的制动盘，其中，
所述涂层包括氮通过所述氮化处理而扩散的氮扩散区域，并且
所述氮扩散区域包括形成ε相和γ'相中的至少一种氮化物的强化相区域并且包含所述强化氮化物。
7.一种制动盘的制造方法，包括：
母材准备步骤，准备由灰铸铁制造的盘母材；
热喷涂步骤，将包含纯铁粉末和其他不可避免的杂质的涂层材料热喷涂到所述盘母材的表面以形成铁素体基体组织的喷涂层；
抛光步骤，对所述喷涂层进行抛光；以及
氮化处理步骤，对抛光的所述喷涂层进行氮化处理以形成涂层，在所述涂层上产生氮化物。
8.根据权利要求7所述的制动盘的制造方法，其中，
在所述氮化处理步骤中，对抛光的所述喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在所述氮扩散区域中氮扩散到全部或部分抛光的所述喷涂层以形成氮化物，并且
所述氮扩散区域包括形成ε相和γ'相中的至少一个的强化相区域。
9.根据权利要求8所述的制动盘的制造方法，其中，
在所述氮化处理步骤中，对抛光的所述喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在所述氮扩散区域中氮扩散到全部抛光的所述喷涂层以形成氮化物。
10.根据权利要求8所述的制动盘的制造方法，其中，
在所述氮化处理步骤中，所述强化相区域形成在从所述涂层的表面到至少20μm的范围内。
11.根据权利要求7所述的制动盘的制造方法，其中，
在所述热喷涂步骤中，喷涂的所述涂层材料还包含1重量％以下的选自Cr、Al、Ti和V中的一种或多种强化元素，并且
在所述氮化处理步骤中，在所述涂层中形成由于所述强化元素与氮彼此结合而形成的强化氮化物。
12.根据权利要求11所述的制动盘的制造方法，其中，
在所述氮化处理步骤中，对抛光的所述喷涂层从表面进行氮化处理以形成氮扩散区域，在所述氮扩散区域中氮扩散到全部或部分抛光的所述喷涂层以形成氮化物，并且
所述氮扩散区域包含所述强化氮化物。
13.根据权利要求7所述的制动盘的制造方法，其中，
所述热喷涂步骤在还原性气氛中进行。
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