CN113174594A - 铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法 - Google Patents

铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，所述制备方法包括以下步骤：对铁基制动盘基体待制备涂层的表面进行清洁；在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层。基于本发明的制备方法所制备的合金涂层具有较好散热性能。

Description

铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法
技术领域
本发明涉及一种在铁基制动盘表面制备合金涂层的方法。
背景技术
目前我国汽车制动盘主要以灰铁材料(HT200/HT250)为主进行整体铸造。但灰铁的耐磨性表现较为平庸，其使用寿命约为5-8万公里，在经过长时间磨损后，必然会影响制动稳定性与驾驶安全性。为提高制动盘耐磨性能与使用寿命，降低故障率与维修成本，在一些实现中可以在铁基制动盘表面制备合金涂层。
中国专利文献CN107881504A公开了一种高速列车制动盘的复合制造方法，具体是先利用铁基合金铸造成制动盘基体，然后进行残余应力消除作业，最后利用激光熔覆技术对盘体工作端面进行合金粉末分区、分层沉积，沉积过程中利用水冷系统进行熔覆温度的控制。该种制动盘的复合制造方法在制动盘基体上所制备的合金涂层非常致密，尽管合金涂层以及制动盘本体都具有较好的导热性能，但散热仍然相对较差；同时，由于合金涂层质地非常致密，造成制动盘的整体重量相对较大。
关于散热能力，势必会影响制动盘的制动性能，此为公众所知，即制动盘在持续工作时，制动性能因制动盘发热而下降，由此可能会引发事故。发明人认为，制动盘的有效散热是保证制动盘在较为恶劣的工况中保持可能使用的条件之一，需要对其施以比较高的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较好散热性能的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法。
在本发明的实施例中，提供了一种铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
对铁基制动盘基体待制备涂层的表面进行清洁；
在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层。
可选地，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
将配置完成的合金粉末用硅酸钠溶液润湿并搅拌，形成合金粉糊；
将所述合金粉糊涂抹至所述表面，至预定厚度，形成中间件；
烘干所述中间件，使合金粉糊脱水；
使用激光熔覆工艺对脱水后的合金粉糊在所述表面熔覆，得到制成品。
可选地，烘干所述中间件在恒温干燥箱中完成。
可选地，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
在制备合金粉末时，混入给定比例的松脂粉末，形成混合粉末；
在所述表面上以冷喷涂的方式形成初始涂层；
使用激光熔覆工艺对所述初始涂层进行熔覆，得到制成品。
可选地，合金粉末与松脂粉末的重量比为10:1。
可选地，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
利用同轴送粉工艺在所述表面形成熔覆涂层；
利用激光飞秒工艺在所述熔覆涂层上形成阵列孔。
可选地，激光飞秒工艺的工艺参数为：
光斑直径为1mm，激光器步进步长为10~20mm，激光器功率为600w。
可选地，所述合金粉末由以下质量百分比金属粉末混合而成：
C 1.4
Si 2
B 1.2
W 1.5
Cr 20
Ni 30~33
余量 Fe。
可选地，合金粉末各组分混合完成后进行雾化造粒处理。
可选地，在雾化造粒前，合金粉末需在120℃的恒温箱中静置2h。
在本发明的实施例中，铁基制动盘表面所制备的涂层具有预定的空隙率，一方面，在相同层厚的情况下，其整体重量有所减轻，同时，由于存在空隙，有利于热量的散逸，从而能够有效保证铁基制动盘的使用可靠性。另一方面，空隙率控制适当，对摩擦性能的影响较小，是可以被接受的。
附图说明
图1为一实施例中所制备的具有多孔合金涂层的铁基制动盘的结构示意图。
图2为一实施例中所获得的熔覆层（合金涂层）物相分析图。
图3为一实施例中所获得的熔覆层（合金涂层）硬度参数图。
图4为一实施例中所获得的熔覆层（合金涂层）与实心涂层、制动盘本体的摩擦磨损对比图。
图5为一实施例中所获得的熔覆层（合金涂层）与实心涂层在室温及300℃环境下摩擦系数对比图。
图中：1.制动盘本体，2.合金涂层，3.散热孔。
具体实施方式
需知，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。
在本发明的实施例中，以示例的方式阐述利用激光熔覆技术在铁基制动盘表面制备多孔合金涂层的方法，其中的多孔合金涂层内部具有多且均匀的空洞，在满足耐磨性及强度等常规的由激光熔覆技术制备的合金涂层的基本性质的同时，借由多孔合金涂层，还能够减轻制动盘的总体重量，同时，这种多孔的“蜂巢”结构在制动磨损的过程中能够进行有效的散热，以降低摩擦热对制动性能产生的热影响。
将待熔覆的合金粉末按给定的比例进行配制，可以理解的是，在本发明的实施例中，相对于现有技术加以改进的主要是工艺上的改进，因此，当前可用的用于熔覆以形成铁基制动盘表面耐磨层的合金粉末均可适用于本发明的实施例。
为了检定相应的技术参数，以一个实施例来展示铁基制动盘表面制备多孔合金涂层的制备方法，合金粉末中各组分含量如表1所示。
表1.合金粉末主要化学成分（质量百分比, wt %）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为了确保合金粉末混合的均匀性，利用行星式球磨机对合金粉末进行混合、研磨，同时对球磨罐做真空环境保护处理，保证粉末在罐中不被氧化。所述的真空环境可以使用保护气替代，即边抽气边通入例如氩气，使用氩气替换掉球磨罐内的空气；或者先抽气，再通入氩气，然后再抽气，在通入氩气，以确保替换的相对彻底性。
球磨后的合金粉末先做干燥处理，然后将混合好的合金粉末放在给定的容器中，然后将容器静置于120℃的恒温箱中保持2 h。
在优选的实施例中，采用雾化造粒工艺将从恒温箱中取出的合金粉末进行雾化造粒，以提高合金粉末中粉末的球形度，借以提高激光熔覆在送粉过程中和成型过程中粉末的流动性与均匀性。
关于铁基制动盘上耐磨涂层的制作，主要有两种应用，其一是产业化制作，其二是单件修理，如已经产生磨损的制动盘，可以先利用铣床将制动盘(材质HT200)的制动磨损区域铣掉1.5mm，后用目数从低到高的砂纸进行打磨以去掉其表面氧化皮。关于产业化制作，则是先生产出制动盘本体1，然后再在制动盘本体1上制备出合金涂层2。同样地，制动盘本体1相当于坯件，也需要对需要制备合金涂层2的表面预处理，预处理主要是除锈、除油处理。
在一些实施例中，在热处理炉中对制动盘坯件进行预热处理，以消除内应力。
关于合金涂层2的制备，利用光钎激光成型系统制备涂层，在制备过程中，需全程在一个封闭的氩气环境中进行，已保证合金粉末与铁基制动盘苯妥在制作过程中无氧化还原反应的产生。
制备合金涂层2的工艺参数如表2所示。
表2. 激光熔覆工艺参数
Figure DEST_PATH_IMAGE004
关于合金涂层2的制备方法，主要采用两种制备方法，其一是预制式，另一是同轴送粉方式，这两种制备方法都是比较常见的制备方法，但由于本发明制备合金涂层2与传统的需要制备致密的合金涂层的目的不同，无论是预制式还是同轴送粉式，均在预处理环节有所不同。
首先是预制式：将配置完成的合金粉末用泡花碱溶液润湿并搅拌至糊状粘稠状态，形成糊状物，进而将糊状物均匀的涂抹在制动盘的待熔覆区域。涂抹完毕的制动盘工件放在恒温干燥箱中，使溶液中的水分蒸发，或者说脱水。
泡花碱溶液即常说的水玻璃，泡花碱即硅酸钠，硅酸钠溶液加热失水后会变成白色发泡状固体，从而能够在糊状物脱水过程中使糊状物变得相对蓬松。
同轴送粉式：按10:1的比例在合金粉末中添加松脂粉末。
松脂即松香，主要成分是松香酸，是一种天然树脂。
由于泡花碱溶液自身的性质或松脂在熔覆过程中受热分解蒸发，在保证其两者均匀性的前提下，激光熔覆作为一种快速熔池快速凝固的过程，分解蒸发产生的气泡会随着熔池凝固而沿着重力的方向存留在合金涂层2中，而形成多孔性的合金涂层2。
在一些实施例中，涂层也可用不添加松香的合金粉末制备，利用同轴送粉方式熔覆涂层。而后利用激光在激动盘表面快速、高频的轰击表面每一个点，已达到打孔目的。所使用的是激光飞秒技术，具体的工艺参数如下：光斑直径1 mm、点间距20 mm（飞秒步长）、激光功率600 w。成型之后的原理图如图1所示，在合金涂层2上会形成散热孔3。
由于激光飞秒所形成的散热孔3的孔径较小，且间距较大，同时激光飞秒工艺本身也是激光强化工艺，更能够使孔径周围材料晶粒得到细化，从而巩固强度。
参见说明书附图2，为基于表1所示的合金粉末所制备的合金涂层2的物相分析图。具体是采用Ultima IV-X射线衍射仪(XRD)对熔覆层（合金涂层2）进行物相分析，辐射源Kα，采用Cu靶(λ=0.15418 nm)，管电压为40 kV，管电流为40 mA，衍射范围为20 °-90 °，扫描速度为4° /min，得到图2所示的试验数据，图中X轴坐标为衍射角度，Y坐标为衍射峰值强度，从图2中可以看出，合金涂层2主要由两相组成，且结构分别以体心立方(BCC)和面心立方(FCC)。其中BCC相具有较好的膨胀系数，有利于低膨胀效应的产生。在对于制动盘连续制动产生大量摩擦热的条件下，该相能够降低由于热量对制动性能所造成的影响；另外FCC相的具有较好的稳定性，是支撑涂层硬度与耐磨性的条件之一。
关于合金涂层2的硬度，采用402MVD数字显微硬度计沿根据表1通过表2所获得的具有合金涂层2的铁基制动盘试样截面顶部向下测试，从顶部到底部等距选取10个点，利用四边压痕法对每个点的附近区域多次测量，测试恒定载荷为300 N，保持15 s后卸载。试验结果如下图所示。涂层硬度平均为463 HV0.3，见图3，是制动盘本体1硬度的1.7倍，满足预期硬度要求。一般来讲硬度与材料耐磨性成正比，换言之硬度越高耐磨性相对较好。但是作为一组摩擦副来讲，还要考虑其硬度与耐磨性的匹配性。单方面的大幅度提高其中一种材料的硬度势必会对对磨件产生大量磨损，从而适得其反。故而通过摩擦磨损试验验证了其耐磨性与匹配性，满足预期硬度要求。
关于合金涂层2的摩擦性能，参见说明书附图4，以表1的合金粉末材料通过表2及前述的工艺获得的具有合金涂层2的铁基制动盘试样进行测试，测试对象为具有一定空隙率的合金涂层2、实心涂层，以及制动盘本体1，分别放在摩擦磨损试验机上进行耐磨性测试，此时对磨件材料选自制动片以模拟实际制动时的磨损环境。预设试验加载力为50N，频率为4Hz，分别在室温和300℃的环境温度下进行30 min的试验，试验完成后利用白光干涉仪采集其磨损体积。据分析，合金涂层2与实心涂层在两种环境温度下的磨损量均小于基体材料，且合金涂层2与实心涂层磨损量最大仅相差0.007mm3，故而其具有比制动盘本体1更好的耐磨性且空洞对其耐磨性影响微小。在室温条件下，制动盘本体1的剥落程度比合金涂层2大。在摩擦环境所对应的高温环境（300℃）中，制动盘本体1表面生成了一些氧化碎屑，这种碎屑具有较高的硬度，能够损伤材料表面夹具磨损程度。合金涂层2比实心涂层与基体具有更优异的导热系数。具体的，在300℃时，合金涂层2的导热系数是实心涂层的1.43倍，是制动盘本体1基体材料的1.8倍。
图4中，每组数据（以环境温度分组）自左到右依次是基体（即制动盘本体1）、多孔涂层（即合金涂层2）和实心涂层。
进一步地，关于温度对摩擦系数的影响，具体见图5，，图5右部曲线中自上至下依次是在室温环境下的实心涂层摩擦系数变化曲线、室温环境下多孔涂层（具有一定空隙率的合金涂层2）摩擦系数变化曲线、300℃环境下多孔涂层摩擦系数变化曲线和300℃环境下实心涂层摩擦系数变化曲线。图5中的横坐标为摩擦时间，纵坐标为摩擦系数。
综上，基于本发明实施例的多孔涂层满足制动盘耐磨性的使用要求，多孔结构有利于材料导热的同时对其耐磨性的影响微小。熔覆完成后的制动盘从表面到底部分别为多孔涂层结构、实心涂层结构与灰铸铁制动盘基体材料，其导热性呈现依次递减的趋势。

Claims (10)

1.一种铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
对铁基制动盘基体待制备涂层的表面进行清洁；
在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层。
2.根据权利要求1所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
将配置完成的合金粉末用硅酸钠溶液润湿并搅拌，形成合金粉糊；
将所述合金粉糊涂抹至所述表面，至预定厚度，形成中间件；
烘干所述中间件，使合金粉糊脱水；
使用激光熔覆工艺对脱水后的合金粉糊在所述表面熔覆，得到制成品。
3.根据权利要求2所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，烘干所述中间件在恒温干燥箱中完成。
4.根据权利要求1所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
在制备合金粉末时，混入给定比例的松脂粉末，形成混合粉末；
在所述表面上以冷喷涂的方式形成初始涂层；
使用激光熔覆工艺对所述初始涂层进行熔覆，得到制成品。
5.根据权利要求4所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，合金粉末与松脂粉末的重量比为10:1。
6.根据权利要求1所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，在所述表面制备具有预定空隙率的合金涂层的方法为：
利用同轴送粉工艺在所述表面形成熔覆涂层；
利用激光飞秒工艺在所述熔覆涂层上形成阵列孔。
7.根据权利要求6所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，激光飞秒工艺的工艺参数为：
光斑直径为1mm，激光器步进步长为10~20mm，激光器功率为600w。
8.根据权利要求1所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，所述合金粉末由以下质量百分比的金属粉末混合而成：
C 1.4
Si 2
B 1.2
W 1.5
Cr 20
Ni 30~33
余量 Fe。
9.根据权利要求1或8所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，合金粉末各组分混合完成后进行雾化造粒处理。
10.根据权利要求9所述的铁基制动盘表面合金涂层增材制备方法，其特征在于，在雾化造粒前，合金粉末需在120℃的恒温箱中静置2h。
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