TWI644740B - Method for manufacturing a floating disk including a forged workpiece - Google Patents

Abstract

一種包含鍛造工件之浮動碟盤的製造方法，包含下列步驟：提供以α相作為主相的低碳鋼；於室溫熱鍛造該低碳鋼內碟盤的至少一部分以獲得該低碳鋼的一支撐凸緣及複數第二組部，其中所得的該支撐凸緣及該第二組部的熱鍛造部分具有該低碳鋼的該至少一部分的平均厚度之10%至35%的平均厚度，而且該熱鍛造部分以α相作為主相；該熱鍛造係重複地進行多次而且每次該重複的熱鍛造造成該熱鍛造部分的平均厚度縮減量少於約20%。

Description

包含鍛造工件之浮動碟盤的製造方法

本發明係關於一種包含鍛造工件之浮動碟盤的製造方法，特別是指一種於熱鍛造中藉由成型後之控制冷却而使低碳鋼內碟盤組織成為具有強度、韌性之外，增加破斷分割性及耐疲勞性(fatique resistance)等優點之浮動碟盤。

習用具備散熱結構的剎車碟盤係如我國公告第M519194號專利案，其主要構成特徵包括有一板體，定義具有一中心部及一環繞於中心部周圍之環周部，其中中心部與環周部之間形成有一環狀之間隔，且中心部與環周部以複數個連接臂相連接，而各連接臂將此間隔切分為複數個中空室。各中空室內以熱熔融或鍛造方式設有一散熱件，其中各散熱件之一部分覆蓋於連接臂及環周部；而其構成上之主要缺點為：製程工序複雜、耐用性過低。

本案發明人鑑於上述習用碟盤所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，終於成功研發完成本件包含鍛造工件之浮動碟盤。

本發明之目的即在於提供一種由低碳鋼內碟盤製造的低碳鋼內碟盤，該低碳鋼內碟盤具有較中等降伏強度和較中等抗拉強度。

本發明之次一目的係在於提供一種用於製造由低碳鋼內碟盤製造的低碳鋼內碟盤之方法，該低碳鋼內碟盤具有較中等伏強度和較中等抗拉強度。

可達成上述發明目的之包含鍛造工件之浮動碟盤，包括有：一外環碟盤，其內環側向內延伸設有複數第一組部；一低碳鋼內碟盤，係由低碳鋼內碟盤以熱鍛造部分具有該低碳鋼內碟盤的至少一部分，以構成一支撐凸緣及從該支撐凸緣的一端以非平行之方式向外延伸設有複數第二組部；複數結合組，各結合組包括一鉚釘、一限位片及一嵌抵件，該嵌抵件設有一組孔，該鉚釘穿設該外環碟盤之該第一組部、低碳鋼內碟盤之該第二組部、該限位片及該嵌抵件之組孔，而使該鉚釘末端迫抵該嵌抵件外，達到結合定位的效果。

1‧‧‧低碳鋼內碟盤

11‧‧‧支撐凸緣

12‧‧‧第二組部

13‧‧‧鉚合穿孔

2‧‧‧外環碟盤

21‧‧‧第一組部

3‧‧‧結合組

31‧‧‧鉚釘

32‧‧‧限位片

33‧‧‧嵌抵件

4‧‧‧讀取盤

41‧‧‧穿孔

42‧‧‧鉚栓

圖1為本發明包含鍛造工件之浮動碟盤之立體組合 圖；圖2為本發明包含鍛造工件之浮動碟盤之立體分解示意圖；圖3為本發明包含鍛造工件之浮動碟盤之前視圖；圖4為圖3之A部分其局部放大側面剖視圖；圖5為本發明包含鍛造工件之浮動碟盤之前視圖；以及圖6為圖5之B部分其局部放大側面剖視圖。

請參閱圖1至圖4，表示本實施形態之包含鍛造工件之浮動碟盤之模式性前視圖，主要包括有：浮動碟盤包括以α相作為主相之低碳鋼內碟盤1、以及安裝於該低碳鋼內碟盤1之外環碟盤2；為了完成前述目的，本發明所揭示的用於製造以α相作為主相之該低碳鋼內碟盤1之方法包含下列步驟：步驟一：提供以α相作為主相的低碳鋼；及步驟二：於室溫熱鍛造該低碳鋼的至少一部分一次或重複多次以獲得該低碳鋼內碟盤1的一支撐凸緣11及複數第二組部12，其中所得之該支撐凸緣11及該複數第二組部12的熱鍛造部分具有該低碳鋼的至少一部分的平均厚度之10%至35%的平均厚度，而且該熱鍛造部分以α相作為主相。

該外環碟盤2其內環側向內延伸設有複數第一 組部21；在剎車時期所產生的溫昇，該外環碟盤2(disc)與剎車塊(pad)是有直接影響，當實際碟式剎車時溫度會上昇，會使得碟片與蹄塊間的動摩擦係數產生下降，亦會產生極大的熱應力與熱應變。

複數結合組3，各結合組3包括一鉚釘31、一限位片32及一嵌抵件33，該嵌抵件33設有一組孔，該鉚釘31穿設該外環碟盤2之該第一組部21、該低碳鋼內碟盤1之第二組部12、該限位片32及該嵌抵件33之組孔，而使該鉚釘31末端迫抵該嵌抵件33外，達到結合定位的效果。

本發明也提供藉由本發明的方法製造且以α相作為主相之該低碳鋼內碟盤1，其中由步驟二中所得的該支撐凸緣11及該複數第二組部12的熱鍛造部分具有約400MPa以上的抗拉強度。

較佳地步驟三：為步驟二中的該熱鍛造係重複地進行而且該重複的熱鍛造每次造成該熱鍛造部分的平均厚度縮減量少於約20%。

較佳地，由步驟二所得的該支撐凸緣11及該複數第二組部12的熱鍛造部分具有該低碳鋼內碟盤1的至少一部分的平均厚度之35%至65%，而且更佳地約50%的平均厚度。

較佳地，步驟二中的熱鍛造包含輥軋、抽製、擠製或鍛造。

較佳地，步驟一中的該低碳鋼內碟盤1是鍛態低碳鋼內碟盤1。

較佳地，步驟一中的該低碳鋼內碟盤1是把該低碳鋼內碟盤1熱加工，溶解處理或熱加工並溶解處理至730℃至820℃的臨界溫度，接著水淬火的該低碳鋼內碟盤1。

在本發明的較佳具體例之一者中，由本發明的方法製造的內碟盤1係由低碳鋼製造，該低碳鋼內碟盤1基本上由約0.15~0.20重量%的碳；0.15~0.35重量%的矽；0.30~0.60重量%的錳；0.030重量%以下的磷；及0.035重量%以下的硫，且殘餘部分實質地由鐵及不可避免不純物構成組成，而且該低碳鋼內碟盤1之熱鍛造部分具有約400MPa以上的抗拉強度。

本發明係作成如前述之該低碳鋼內碟盤1外，藉由熱鍛造後之控制冷却，實質地獲得具有有效結晶粒徑為15微米以下之肥粒鐵．波來鐵組織，且實施熱回火處理，而獲得中等降伏強度、中等抗拉強度且被削性提高之熱鍛造內碟盤1。

關於本發明之該低碳鋼內碟盤1，係比較小型或厚度薄且充分淬火之零件，或適合於內部硬度不必如同表面部之零件。以下為本發明低碳鋼內碟盤1規定之成分：0.15~0.20重量%的碳：碳係決定該低碳鋼內碟盤1之淬火性、肥粒鐵．波來鐵組織之該低碳鋼內碟盤1的強 度之最基本元素。該低碳鋼內碟盤1為要獲得充分之強度，以下限為0.10%，而以下限為0.14%較佳。另一方面，為要提高肥粒鐵．波來鐵組織變態起始溫度(Ms點)而於鍛造淬火過程中獲得自熱回火起見，以上限為0.20%。又，大於0.20%時，降低韌性之點，亦是碳之上限作為0.20%之理由。

0.15~0.35重量%的矽：矽係藉由固熔強化以確保材料強度起見，又作為脫氧元素雖是有效的元素，小於0.15%未發現其效果，或無法進行充分直接脫氧。因此，矽之下限為0.15%。另一方面，大於0.35%時生成硬質氧化物，則發生降低韌性及被削性等弊害。因此，矽之上限作為0.35%。

0.30~0.60重量%的錳：錳係藉固熔強化以強化該低碳鋼內碟盤1，同時提高淬火性之元素，更是促進生成肥粒鐵．波來鐵組織之有效元素。該錳為小於0.30%時，由於無法獲得期望之肥粒鐵．波來鐵組織，故下限為0.30%。又，該錳係防止藉由硫之熱脆性的有用元素，雖是令該低碳鋼內碟盤1中之硫為硫化物而固定、分散所不可或缺，錳量增大則質地之硬度增大，降低韌性或被削性，故令上限為0.60%。

0.030重量%以下的磷：磷雖係令該低碳鋼內碟盤1之硬度增大，脆化，具提高被削性有效之元素，小於0.001%則前述之效果無法充分獲得，又大於0.030%則該低碳鋼內碟盤1之硬度過大，反而使韌性劣化，故令上限為0.030%。

0.035重量%以下的硫：硫雖係形成二硫化錳，以提高被削性之元素，小於0.005%則無法獲得充分之效果。另一方面，亦有依存於錳量，大於0.035%則二硫化錳粗大化，由於隨著在二硫化錳發生鍛造時之異向性，令機械的性質之異向性增大，視情形成為龜裂之起點，令加工性劣化。

在所有這些α相低碳鋼內碟盤1當中，僅有以碳-矽-錳為底質的該α相低碳鋼內碟盤1能毫無困難地大規模地熱鍛造(舉例來說，以藉由熱輥軋縮減大到80%的厚度)。但是能確定以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1非常優良的熱鍛造性能戲劇性地擴張該低碳鋼內碟盤1的用途。

另外，該低碳鋼內碟盤1不僅構成以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1能輕易地被熱鍛造，也能有效地提昇該低碳鋼內碟盤1的機械強度，同時保持優良的伸長率水準。

為了獲得經熱鍛造的以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1的希望機械性質，每單一道次熱鍛造縮減的厚度理應控制於小於約45%，較佳地小於約30%，更佳地小於約20%，而且最佳地小於10%。

其中，經熱鍛造的以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1主要還是包含α相。舉例來說，經過65%的厚度縮減之後，α相保留接近30%。即使經過80%的厚度縮減之後，α相仍然接近80%。

此處使用的術語“熱鍛造”是金屬加工領域中常用的一般術語，其單僅意指該低碳鋼內碟盤1係於周遭溫度/室溫(藉由輥軋、鍛造、擠製及抽製等等)下加工而不需詳載關於該方法的準確周遭溫度/室溫。此術語單單與“熱加工”方法相反，其中金屬係加熱至高溫使其變得柔軟(一般從數百度至高於數千度-視該材料而定)(也可加熱該輥或模，用以使該低碳鋼內碟盤1通過)，接著當該金屬還是熱的時候進行該金屬加工程序。

熱鍛造之前，能應用快速冷卻法產生使該低碳鋼內碟盤1足以形成α相的冷卻速率。這些鍛態低碳鋼內碟盤1當中的某些直接接受熱鍛造處理以獲得希望的外形/厚度。其他熱鍛造低碳鋼內碟盤1，為了進一步改善結構均勻性，係以溶解處理成γ相區(約900至1000℃)，接著快速冷卻(水淬火)以將該γ相再轉轉變成α相。由此獲得的以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1接著經歷熱鍛造處理以獲得希望的外形/厚度。X-射線繞射分析(XRD)結果確認該等快速冷卻過的(水淬火過的)該低碳鋼內碟盤1具有α相作為主相。

本發明於實驗中證實以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1的優異熱鍛造性。即使經過大規模熱鍛造過程，藉以使該樣的厚度大幅縮減50%，該樣的整個表面也沒觀察到結構破壞。另外實驗發現，即使經過一次單道次熱鍛 造，其中厚度嚴重縮減大於30%，仍然沒觀察到結構破壞。

進一步請參閱圖5與圖6，係為一ABS浮動碟盤，其中該ABS浮動碟盤係為一低碳鋼內碟盤1與一外環碟盤2套組鉚結成型之浮動碟型態，在該低碳鋼內碟盤1、該外環碟盤2分別製設有輕量化及散熱之鏤空孔槽，並在該外環碟盤2的內緣周及該低碳鋼內碟盤1的外緣周製設有複數對應之半圓凹孔，俾在該低碳鋼內碟盤1、該外環碟盤2套合後以該結合組3加以鉚設結合，又在該低碳鋼內碟盤1所設的中心穿孔周緣環設有相間之鉚合穿孔13與前述的讀取盤4係為一環片體相互鉚合，其中心製設有一通孔，在通孔周緣製設有對應前述該鉚合穿孔13之複數穿孔41，俾得以鉚栓42通過該讀取盤4之該穿孔41及該低碳鋼內碟盤1之該鉚合穿孔13，將兩者予以鉚合固組成一體，而在該讀取盤4對應前述該低碳鋼內碟盤1螺合栓孔的部位則由通孔延伸成型，使在將該讀取盤4靠覆鉚合於該低碳鋼內碟盤1時，令該等螺合孔得以完全顯露而不受阻礙，並在透過儀器進行真圓度及偏擺度的檢測校正後，再以螺栓通過該低碳鋼內碟盤1之鎖合栓孔固鎖於輪圈，據以完成其ABS浮動碟盤與輪圈的組配者。

本發明之ABS浮動碟盤經由結構之組成設計，確能有效解決該低碳鋼內碟盤1與該讀取盤4組配後之真圓度及左、右偏擺度等公差值，使磁電式輪速感測器在感應讀 取該讀取盤4之電動勢變化時，能獲得更精準的數值，從而可確保其ABS剎車系統的電控剎車性能之準確度，據以大幅提昇其剎車安全性能。

本發明中以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1的組織，必須為肥粒鐵．波來鐵。這是由於形成良好的分解性與加工性，將可輕易地在以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1形成分解，並進行螺栓孔或該鉚合穿孔13的加工。換言之，含有麻田散鐵、變韌鐵及沃斯田鐵的組織其分解性低，且加工性不如肥粒鐵．波來鐵組織。因此，在本發明的低碳鋼內碟盤1的組織為肥粒鐵．波來鐵。這裡所稱的「肥粒鐵．波來鐵組織」，是指肥粒鐵與波來鐵的混合組織。

本發明之以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1，整體硬度為116~174布氏硬度，肥粒鐵．波來鐵組織中的肥粒鐵硬度為116布氏硬度以上，而前述肥粒鐵硬度與整體硬度的比必須為0.80以上。

首先，倘若以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1的整體硬度未達116布氏硬度時，疲勞強度及分解性降下降，此外，雖然超過174時可確保良好的疲勞強度與分解性，卻將導致加工性下降。

其次，肥粒鐵．波來鐵組織中的肥粒鐵硬度將影響分解性、加工性及疲勞強度，為了確保良好的分解性、 加工性及較大的疲勞強度，肥粒鐵的布氏硬度必須為114以上。

此外，當肥粒鐵．波來鐵組織中的肥粒鐵硬度與該低碳鋼內碟盤1之整體硬度的差異變小時，也就是指當肥粒鐵硬度與整體硬度的比變大時，特別是當上述比值大於0.80以上，可確保良好的分解性、較大的疲勞強度及良好的加工性。

據此，有關本發明之以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1，其整體硬度為255~320布氏硬度，肥粒鐵．波來鐵組織中的肥粒鐵硬度，為250布氏硬度以上，且前述肥粒鐵硬度與整體硬度的比0.80以上。

為了獲得前述發明的以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1，可藉由包含上述(a)~(c)處理順序的方法加以製造。

此外，本發明是以一般的方法熔製具有前述低碳鋼而使其形成α相低碳鋼內碟盤1，或者採一般的方法在加熱的過程中施以壓延及/或鍛造後形成α相低碳鋼內碟盤1，接下來經由該低碳鋼內碟盤1、該外環碟盤2套合後以該結合組3加以鉚設結合成浮動碟盤的組裝製造方法。

前述(a)的處理，是用來將以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1本體之加熱鍛造的加熱處理。當鍛造的加熱溫度未達870℃時，將無法使錳固熔於材料，即使是含 有複合添加錳與磷的化學結構的低碳鋼內碟盤1，有時也無法達成肥粒鐵的大幅強化，且無法獲得期待的良好分解性及較大的疲勞強度。另外，一但加熱溫度超過920℃，不僅過度增加加熱爐的負荷，更由於尺寸的損失導致成本的增加。如此一來，具有錳與磷的化學結構的α相低碳鋼內碟盤1，其加熱溫度最好是870~920℃。

前述(b)的處理，是用來將以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1本體的熱鍛處理。當熱鍛溫度低於815℃時，材料(被鍛造的材料)的變形抵抗將變大，而招致鍛造用模具的壽命縮短。此外，由於肥粒鐵．波來鐵在沃斯田鐵的結晶粒未充分達成再結晶的狀態下進行變態而使組織細微化，將使韌性提高而導致分解性下降，或使整體硬度及肥粒鐵硬度下降而導致疲勞強度及分解性下降。因為這個緣故，將α相低碳鋼內碟盤1加工成單一物件的熱鍛需採用815℃以上的溫度進行。

據此，發明中的熱鍛溫度為815℃以上。此外，該熱鍛又以採用870℃以上的溫度執行者更為合適。就鍛造的上限溫度而言，倘若加熱溫度為前述的870~920℃時，實際的上限溫度為920℃。

前述的(c)處理，是為了符合規定之尺寸公差而對以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1所實施的熱鍛造處理。雖然α相低碳鋼內碟盤1的鍛造處理通常是採冷加 工的方式進行，但倘若在720℃以下的低溫狀態下進行α相低碳鋼內碟盤1的鍛造，在稍後的分解之際，由於鍛造處理所產生的殘留應力被釋放將使破斷面的附著性下降，而必須對用來包夾α相低碳鋼內碟盤1的配合面實施切削加工，在進行切削加工的狀態下不僅增加生產步驟也連帶地使成本上揚。因此，為了使α相低碳鋼內碟盤1符合規定之尺寸公差而實施的鍛造處理，最好是以超過730℃的溫度進行。

據此，在發明(Ⅱ)中對以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1實施的鍛造處理，是以超過800℃的溫度進行。

倘若對具有以碳-矽-錳為底質的α相低碳鋼內碟盤1所記載之化學成分的低碳鋼，實施前述(a)~(c)中所述的處理，並在完成(c)之熱鍛造後於大氣環境中進行冷卻，便可輕易獲得(b)所描述之α相低碳鋼內碟盤1組織及硬度。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

Claims (1)

1. 一種包含鍛造工件之浮動碟盤的製造方法，包含下列步驟：步驟一：提供以α相作為主相的低碳鋼；步驟二：於室溫熱鍛造該低碳鋼內碟盤的至少一部分以獲得該低碳鋼的一支撐凸緣及複數第二組部，其中所得的該支撐凸緣及該第二組部的熱鍛造部分具有該低碳鋼的該至少一部分的平均厚度之10%至35%的平均厚度，而且該熱鍛造部分以α相作為主相；及步驟三：該熱鍛造係重複地進行多次而且每次該重複的熱鍛造造成該熱鍛造部分的平均厚度縮減量少於約20%。