CN113529068B - 制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，在铁基制动盘两侧表层铣削形成涂层空间，将所述熔覆粉末熔覆在所述制动盘表面，形成熔覆层，利用激光冲击强化技术对熔覆层进行打孔，然后，将填充粉末均匀的铺设在熔覆层表面，在铺设的过程中利用电磁振动技术辅助填充粉末注入到激光打孔孔内；最后，填充粉末填充完毕后，将制动盘整体放入热压烧结炉烧结，烧结后取出完成。本发明中陶瓷颗粒增强相在涂层中呈现弥散分布强化制动盘性能。本发明不仅适用于制动盘增材制造，还适用于磨损严重的制动盘的增材再制造修复。

Description

制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法

技术领域

该发明涉及铸铁制动盘表层耐磨增强制造技术领域，具体来说是在制动盘表层进行铁基-陶瓷颗粒涂层制备的方法。

背景技术

制动盘是汽车中最重要的安全部件之一。旋转的制动盘与制动片相互摩擦产生制动力，从而起到减速或者停车的作用。通常，制动盘的使用寿命为五到十万公里，如若制动盘磨损严重会造成预期制动距离与实际制动距离差距过大，更甚者引起交通事故的发生。更换制动盘的标准则为制动盘双面磨损1-2mm。在汽车的使用过程中不可或缺的会造成制动盘的磨损，而磨损必然会影响其制动性能甚至危害驾驶安全。所以，提高制动盘正常制动性能与使用寿命，降低维修成本是我们目前需要关注的一个问题。

一般来讲，乘用车制动盘多为整体铸造成型，其铸造材料以灰铁为主。但灰铁的力学性能表现平平，在一些特殊工况或者更换制动盘较为复杂的条件下，一种耐用且性能较高的制动盘就显得尤为重要。目前，陶瓷作为一种耐磨、耐高温等各方面性能优异的材料开始在工业各个领域中应用，且其性能尤其适用于制动盘的工作条件。但是由于陶瓷烧制工艺繁琐，成型效率较低等问题，故而在制动盘的应用较少。各国学者逐渐开始转向制动盘表面改性方面，利用激光熔覆、冷喷涂等技术在制动盘表面进行陶瓷颗粒的改性工作，但由于陶瓷颗粒的电负性与润湿性等方面较差，在熔池中十分容易发生团聚、开裂等现象影响表面质量。所以，其目前进展甚微。

关于激光熔覆在制动盘中的应用技术，可参考如下专利文献：

中国发明公开号为CN110205520A的文献中，公开了一种高速重载列车制动盘用陶瓷增强钛合金材料。所述陶瓷增强钛合金材料由以下质量百分比的合金成分组成：Al：1～8％，V：1～6％，陶瓷颗粒：1～8％，Ti余量，上述所有合金成分之和为100％。将上述陶瓷增强钛合金材料应用于高速重载列车制动盘的制动面层，可以有效提高制动盘的耐磨性和耐高温性能，减轻列车重量、实现轻量化和低成本，制备出的铝基钛面制动盘综合性能高。

该技术中没有提及如何解决陶瓷颗粒的团聚现象的技术方案。

再如，中国发明公开CN112413012A中公开的技术中，公开了一种复合材料制动盘，本技术中，在基体层和复合层彼此结合的界面处生成过渡层，过渡层中形成有连接基体层和复合层的强化结构。本发明的复合材料制动盘在基体层与复合层之间以冶金结合方式生成过渡层，提高了基体层与复合层之间的结合力，减少了复合层与基体层之间在冷热疲劳过程中开裂等失效的风险。

该技术中，提及了通过设置过渡层的方式提高耐磨层与基体的结合强度的技术启示。事实上，在本技术领域中，通常也是采用控制激光熔覆参数的方式进行优化耐磨层的设置的。现有技术中并没有给出在基体-陶瓷颗粒粉末填充在激光打孔孔内，后利用热压烧结技术进行最后的烧结，以增强耐磨涂层强度的技术启示。

发明内容

本发明针对一种在特殊工作环境中，要求具有较高的耐磨性能与可靠性，且使用寿命较长，制造成本适中的铁基制动盘的制备方法进行了详细的描述，旨在将陶瓷颗粒均匀的分布在制动盘表面制动区域，以解决陶瓷颗粒的团聚现象。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，在铁基制动盘两侧表层铣削形成涂层空间，并对表面打磨处理后待用；

配置熔覆粉末，待用；

配置填充粉末，待用；

其特征在于，

首先，利用激光熔覆技术将所述熔覆粉末熔覆在所述制动盘表面，形成熔覆层，其熔覆工艺参数为：光斑直径为2mm，激光功率为1800w，扫描速度400mm/min，送粉速度4.5L/min，熔覆层层厚1.9mm±0.15mm，熔覆完成后随室温冷却；

其次，利用激光冲击强化技术对熔覆层进行打孔，激光光斑直径为0.5mm，激光器步进步长为10mm，激光器功率为400w，激光打孔以纵横向布置，其中，其孔径0.5mm±0.1mm，孔距9.5mm±0.5mm，孔深3.2mm±0.4mm；

然后，将填充粉末均匀的铺设在熔覆层表面，在铺设的过程中利用电磁振动技术辅助将填充粉末注入到激光打孔孔内；

最后，填充粉末填充完毕后，将制动盘整体放入热压烧结炉烧结，该热压烧结炉参数设置温度为700℃、压力为0.5Mpa，烧结后取出完成。

进一步地，所述熔覆粉末中，按各元素质量份数为：C 2.4％、Ni 16％、Cr 12％、B6％、Si 5.6％、W 5％、Al 10％、Co 15％，余量为Fe，球磨、干燥处理后待用。

进一步地，所述填充粉末成分质量份数为：Al 60％、SiC-WC陶瓷颗粒40％。

进一步地，所述填充粉末进行混合球磨干燥等预处理后，过200目筛网，保证填充粉末粒径小于80μm。

进一步地，所述孔径0.5mm，所述孔距9.5mm，所述孔深3.2mm。

进一步地，所述激光熔覆技术采用LAM-400S固体光钎激光成型系统。

进一步地，所述激光打孔垂直于所述熔覆层。

本发明的有益效果是：

本发明利用激光熔覆技术在制动盘表面熔覆一层专门配置的合金粉末，其次，利用激光冲击强化对涂层进行打孔处理，而后将金属-陶瓷颗粒粉末填充在激光打孔孔内，后利用热压烧结技术进行最后的烧结，以保证陶瓷颗粒增强相在涂层中呈现弥散分布强化制动盘性能。本发明不仅适用于制动盘增材制造，还适用于磨损严重的制动盘的增材再制造修复。

以下结合具体实施方式，对本发明的机理和积极效果做进一步地说明。

附图说明

图1为显微下熔覆粉末SEM形貌图。

图2为制动盘表层附近切块试样截面熔覆层在扫描电镜下的形貌图。

图3为本发明制备的涂层(a)切割样块在电镜下的形貌。

图4为传统方法制备的涂层(b)切割样块在电镜下的形貌。

图5为本发明激光孔强化涂层与传统涂层在相同条件下的磨损量。

图6为硬度测试中距离表面不同距离与硬度的关系图。

具体实施方式

结合具体制造工艺过程对本发明进行详细的阐述。

第一步，选择铁基制动盘，并先对整体铸造的商购铁基制动盘(或磨损严重的制动盘)进行车铣，即对表层进行铣削加工，预留1-2mm的涂层空间，而后对其表面进行打磨处理去除表面污垢及氧化物。

第二步，配置熔覆粉末。熔覆粉末中，按各元素质量份数为：C 2.4％、Ni 16％、Cr12％、B 6％、Si 5.6％、W 5％、Al 10％、Co 15％，余量为Fe。按照此比例进行粉末的称量，然后将混合后的粉末进行球磨、干燥处理，使其充分混合均匀，待用待测。其中，本实施例中，混合采用机械混合方式，即利用行星式球磨机进行，该过程中，球料比为1:15，球磨6小时，其中，每球磨20min后休息10min，间歇式球磨工艺的目的是，避免球墨罐过热使得粉末发生相变。其混合后的熔覆粉末SEM形貌图如图1所示。从图1中可以看出，该球磨混合后的粉末形貌为球形与类球形粉，具有较强的流动性。

此熔覆粉末配置的目的和效果是为使得Cr、Co、W等元素生成硬质合金，保证其硬度；使得Fe、Ni元素生成因瓦合金相(Fe_0.64Ni_0.36)保证其热膨胀系数；添加Si、B作为脱氧剂保证熔池的清洁度，降低缺陷等现象的产生。而Al作为较好的导热材料，能够保证其具有较好的导热率。将上述粉末进行混合、球磨以及干燥处理后，封存待用。该熔覆粉末配比最大的优点在于元素成分均为常用金属粉末价格低廉且泊松比相差不大，既能够保证其在各方面的力学性能的同时又最大程度的降低了成本。

第三步，利用激光熔覆技术在制动盘表面熔覆上述熔覆粉末(合金粉末)，送粉方法为同轴送粉或同步送粉方式，采用的为LAM-400S固体光钎激光成型系统，即，在LAM-400S固体光钎激光成型系统中进行涂层的制备。

LAM-400S固体光钎激光成型系统中，其熔覆工艺参数为：光斑直径为2mm，激光功率为1800w，扫描速度400mm/min，送粉速度4.5L/min。熔覆完成后随室温冷却。根据冶金凝固理论与激光熔覆稀释率的计算得出，该粉末在上述熔覆参数下，熔覆层层厚可达1.9mm±0.15mm。其切块试样截面熔覆层在扫描电镜下的形貌图如图2所示。

第四步，利用激光冲击强化技术对熔覆层进行打孔，该技术措施中，光斑直径为0.5mm，激光器步进步长为10mm，激光器功率为400w。按此打孔工艺参数进行打孔，能够保证其在保证涂层强度的前提下，使孔的孔径、孔深、孔距效果达到最佳，综合测试计算后，其孔径0.5mm，孔距9.5mm，孔深3.2mm±0.4mm，此处的孔深明显大于熔覆层的层厚，所以，该孔深部分嵌入至铁基制动盘表层。同时，激光打冲击强化技术在打孔的时，激光束照射材料，激光能量余热在基体材料中散发，高能量激光束熔化涂层材料使得涂层材料中孔壁的晶粒得到进一步的细化，这有利于进一步增强材料的结合强度，可理解为单位面积内的激光冲击强化孔为支撑其附近涂层材料的“加强筋”，且有利于增强涂层材料与铁基制动盘的材料结合强度。

第五步，配置填充粉末，该填充粉末成分质量份数为：Al 60％、SiC-WC陶瓷颗粒40％。将填充粉末进行混合球磨干燥等预处理后，过200目筛网，保证填充粉末粒径为80μm以下。后将填充粉末均匀的铺设在涂层表面，同时在铺设的过程中可利用电磁振动技术辅助粉末注入到孔内。该填充粉末中的Al元素作为强化孔的填料，具有较强的散热功能，能够使制动盘在制动过程中的摩擦热尽可能的散发到大气中，降低制动盘的瞬时高温，同时使得其在长时间制动条件下的制动性能也达到了大大提升。另外，SiC-WC作为强化孔的陶瓷颗粒增强相，具有较高的硬度与较好的耐磨性，其在具有散热功能的同时，主要是其支撑制动盘制动时制动力的主要来源，也是作为其抗磨的重要组成。

第六步，填充粉末填充完毕后，将制动盘整体放入热压烧结炉中，设置温度为700℃、压力为0.5Mpa。由于Al元素的熔点为其目660℃而陶瓷颗粒的熔点为2000℃以上，700℃的温度使孔中的填充粉末Al完全熔化，并将其SiC-WC颗粒包附，而后随室温冷却。由于Al粉熔化后包附着SiC-WC颗粒，且同时由于烧结炉内部压力的作用，孔中粉末凝固后致密性则更高。

冷却后取出该制动盘。

性能分析：将通过上述方法制备完成的涂层(a)切割样块(参考图3)与传统方法制备的涂层(b)切割样块(参考图4)放在电镜下观察，其结果明显可见，通过本制备方法制备的涂层，其SiC-WC陶瓷团聚现象明显改善；而传统方法制备的SiC涂层有着明显的裂纹、气孔等缺陷现象，且SiC-WC团聚现象严重。

将两者样块放在RTEC-MFT-50往复摩擦磨损试验机中测试耐磨性，摩擦磨损试验参数为往复频率：4HZ、施加载荷：120N的室温环境下测试30min，其磨损量结果如下图5所示。根据其磨损量图可发现，其激光孔强化涂层具有较好的耐磨性能。

将方法制备的试样横截面放在402MVD硬度计测试其硬度，其不用距离表面不同距离的韦氏硬度如图6所示，试样表面硬度最高点为1200HV0.5左右，其为增强颗粒与激光冲击强化涂层硬度，是支撑制动盘制动力和耐磨性的主要支撑相，而后涂层硬度下降到820HV0.5左右，这是激光冲击孔中铝填料与被稀释后的熔池凝固后的硬度，这是其支撑制动盘散热性的主要区域，再然后涂层呈现先上升后降低的趋势，并逐渐达到灰铁基体硬度。

综上，本发明所述内容，不仅试用于成品制动盘表面，而且还可以对磨损严重的制动盘进行修复、改性处理，以达到更高的使用需求。本发明所用金属粉均为市场能够容易采购到的金属粉且价格低廉，在达到其使用目的同时大大降低了其成本。同时，每一种工艺制备的涂层具有不同的功能，激光熔覆涂层具有提高其整体膨胀系数、韧性以及耐磨性等的作用，而激光冲击强化孔通过在涂层表面形成凹凸的表面结构，不仅不降低其涂层强度，反而由于激光强化使得强化孔的孔壁处得到了晶粒细化，起到了实验设定之外的积极效果，使涂层得到了矩阵式的加强结合力，最后在强化孔内填充Al、SiC-WC陶瓷颗粒能够增大制动盘表面硬度与摩擦系数，使得制动盘与制动片在对磨时有充分的制动力，同时陶瓷颗粒相的支撑也大大提高了其耐磨性与耐高温性。最后，Al作为填充孔的填料，广泛分布在制动盘表面，其一方面作为粘结SiC-WC的粘结剂，能够增强结合强度，同时Al的低密度能够减轻制动盘重量，从而实现轻量化的目的，另一方面Al的良好的导热性为制动盘散热提供了良好的途径。

作为上述实施方式的进一步地描述，在激光冲击强化技术对熔覆层进行打孔的过程中，可以对上述的孔的孔径、孔深、孔距进行适当拓展，例如，其孔径0.5mm±0.1mm，孔距9.5mm±0.5mm，孔深3.2mm±0.4mm，皆在本发明的保护范畴之内。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，在铁基制动盘两侧表层铣削形成涂层空间，并对表面打磨处理后待用；

配置熔覆粉末，所述熔覆粉末中，按各元素质量份数为：C 2.4%、Ni 16%、Cr 12%、B 6%、Si 5.6%、W 5%、Al 10%、Co 15%，余量为Fe，球磨、干燥处理后待用；

配置填充粉末，所述填充粉末成分质量份数为：Al 60%、SiC-WC陶瓷颗粒40%，待用；

其特征在于，

首先，用激光熔覆技术将所述熔覆粉末熔覆在所述制动盘表面，形成熔覆层，其熔覆工艺参数为：激光光斑直径为2mm，激光功率为1800w，扫描速度400mm/min，送粉速度4.5L/min，熔覆层层厚1.9mm±0.15mm，熔覆完成后随室温冷却；

其次，利用激光冲击强化技术对熔覆层进行打孔，激光光斑直径为0.5mm，激光器步进步长为10mm，激光器功率为400w，激光打孔以纵横向布置，其中，其孔径0.5mm±0.1 mm，孔距9.5mm±0.5 mm，孔深3.2mm±0.4mm；

然后，将填充粉末均匀的铺设在熔覆层表面，在铺设的过程中利用电磁振动技术辅助将填充粉末注入到激光打孔孔内；

最后，将制动盘整体放入热压烧结炉烧结，该热压烧结炉参数设置温度为700℃、压力为0.5Mpa，烧结后取出完成。

2.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述填充粉末进行混合球磨干燥等预处理后，过200目筛网，保证填充粉末粒径小于80μm。

3.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述孔径0.5mm，所述孔距9.5mm，所述孔深3.2mm。

4.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆技术采用LAM-400S固体光钎激光成型系统。

5.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述激光打孔垂直于所述熔覆层。

6.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法适用于磨损严重的制动盘的增材再制造修复。

7.根据权利要求1所述的制动盘表面激光熔覆陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层空间铣削厚度为1mm-2mm。

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