TWI649504B - 耐腐蝕自行車碟式制動器轉子 - Google Patents

Abstract

具有旋轉中心軸線的自行車碟式制動器轉子包含包括鐵之基體部分、以及包括鐵、鋁及鉻之表面部分。表面部分被形成在基體部分的外部表面上。表面部分的鉻的濃度梯度在平行於旋轉中心軸線的軸向方向上被形成。

Description

耐腐蝕自行車碟式制動器轉子 【相關申請案的交互參照】

本申請案是美國專利申請案第13/352,868號(發明名稱為「Bicycle Disc Brake Rotor」，於2012年1月18日申請)的部分接續案，其揭示內容就各方面而言以全文參照方式在此併入。

本發明關於耐腐蝕自行車碟式制動器轉子。

碟式制動器系統一般地被併入至自行車中。碟式制動器系統至少包括碟式制動器轉子。像是鋁、不銹鋼、鈦及鐵的多種材料已被使用於自行車碟式制動器轉子。

根據本發明的第一方面，自行車碟式制動器轉子裝置具有旋轉中心軸線，且可包含包括鐵之基體部 分、及被形成在基體部分的外部表面上之表面部分。在平行於旋轉中心軸線的軸向方向上具有鉻的濃度梯度之表面部分包括鐵、鋁及鉻。此組態的一個潛在優點是自行車轉子的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度被改善。

在第一方面中，鉻的濃度從表面部分的最外表面朝向基體部分減少。這樣的組態的一個潛在優點是與制動器片接觸的碟式制動器轉子的區域較佳地被形成以達成最大的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分另包括包含鐵及鋁的複合材料。這樣的組態的一個潛在優點是與制動器片接觸的碟式制動器轉子的區域較佳地被形成以達成最大的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度，且具有隨著離與制動器片接觸的區域越遠而逐漸減少的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分由擴散處理所形成。這樣的組態的一個潛在優點是複合的鐵、鋁及鉻合金能在碟式制動器轉子的表面部分經濟地被達成，使得與制動器片接觸的碟式制動器轉子的區域較佳地被形成以達成最大的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分被淬火硬化。這樣的組態的一個潛在優點是碟式制動器的表面部分的結構強度及耐磨損性能被改善。

在第一方面中，表面部分的最外表面由研磨處理所形成。這樣的組態的一個潛在優點是碟式制動器轉 子能達成表面部分的所欲厚度，以適配於前碟式制動器系統的尺寸，同時不過度地損及表面部分的鉻和鋁成分。

在第一方面中，表面部分的厚度大於10微米。這樣的組態的一個潛在優點是表面部分的最外表面中的足夠的鉻濃度能在擴散處理期間被達成，以提供所欲的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分的厚度大於50微米。這樣的組態的一個潛在優點是表面部分的最外表面中的足夠的鉻濃度能在擴散處理期間被達成，以提供所欲的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分的厚度大於70微米。這樣的組態的一個潛在優點是表面部分的最外表面中的足夠的鉻濃度能在擴散處理期間被達成，以提供所欲的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度。

在第一方面中，表面部分的維氏硬度(Hv)大於或等於250。這樣的組態的一個潛在優點是表面部分的淬火硬化結構強度及耐磨損性被達成。

在第一方面中，表面部分的維氏硬度(Hv)小於或等於1000。這樣的組態的一個潛在優點是表面部分的淬火硬化結構強度及耐磨損性被達成。

在第一方面中，自行車碟式制動器轉子裝置另包含包括基體部分及表面部分之外構件、被建構成被安裝至自行車的自行車輪轂總成之輪轂附接構件、及連接外構件及輪轂附接構件之至少一個中間構件。這樣的組態的 一個潛在優點是具有改善的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度之表面部分能被應用至自行車碟式制動器轉子裝置，其被耦接至自行車的輪轂總成而作為制動系統的一部分。

在第一方面中，外構件和至少一個中間構件中的至少一者包括至少一個穿孔，穿孔具有周圍表面，且周圍表面全部地形成表面部分。這樣的組態的一個潛在優點是改善的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度延伸至外構件的全部表面區域，包括穿孔的周圍表面。

在第一方面中，至少一個中間構件與外構件成一體。這樣的組態的一個潛在優點是製造組件的數目可被減少。

在第一方面中，至少一個中間構件與輪轂附接構件成一體。這樣的組態的一個潛在優點是製造組件的數目可被減少。

在第一方面中，至少一個中間構件與外構件及輪轂附接構件成一體。這樣的組態的一個潛在優點是製造組件的數目可被減少。

在第二方面中，至少一個中間構件與外構件分開。這樣的組態的一個潛在優點是具有改善的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度之表面部分較佳地被應用至外構件，外構件是自行車碟式制動器轉子裝置的與制動器片直接接觸的部件。

此發明內容以簡化的形式被提供來介紹在以下實施方式中進一步所描述的觀念的選集。此發明內容非 旨在識別所請求標的的關鍵特徵或必要特徵，且亦非旨在被使用來限制所請求標的的範疇。此外，所請求標的不受限於解決本揭示內容的任何部分中所述的任何或所有缺點之實作。

1‧‧‧前碟式制動器系統

2‧‧‧自行車碟式制動器卡鉗

3‧‧‧制動器操作機構

4‧‧‧自行車前叉

5‧‧‧自行車把手

6‧‧‧緊固件

10‧‧‧自行車碟式制動器轉子

12‧‧‧外構件

14‧‧‧中間構件

14A‧‧‧位置處

14B‧‧‧位置處

16‧‧‧輪轂附接構件

18‧‧‧基體轉子板

20‧‧‧穿孔

21a‧‧‧第一基體表面

21b‧‧‧第二基體表面

22‧‧‧基體部分

22a‧‧‧外周圍邊緣

22b‧‧‧內周圍邊緣

23‧‧‧表面部分

30a‧‧‧第一外表面

30b‧‧‧第二外表面

221‧‧‧基體轉子板

221a‧‧‧第一基體表面

221b‧‧‧第二基體表面

222‧‧‧基體部分

222a‧‧‧外周圍邊緣

222b‧‧‧內周圍邊緣

230‧‧‧表面區域

230a‧‧‧外表面

230b‧‧‧外表面

A-A’‧‧‧虛線

S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟

本揭示內容以範例方式且不以限制方式而被繪示於隨附圖式的圖中，其中類似元件符號指出類似的元件，且其中：

圖1繪示根據本發明的一揭示實施例之前碟式制動器系統的範例性自行車碟式制動器轉子的部分側視圖。

圖2繪示範例性習知自行車碟式制動器轉子的一部分的放大、部分剖面視圖。

圖3繪示根據本發明的一揭示實施例之範例性自行車碟式制動器轉子的沿著圖1中的線A-A’所取的放大、部分剖面視圖。

圖4是繪示用於形成本發明的一實施例的自行車碟式制動器轉子的製造步驟之流程圖。

圖5A是繪示對於當鐵基材料在富有鉻及鋁的媒體中於900℃被加熱時之諸案例，表面部分中任何指定點的鉻濃度、其離最外表面的距離、與擴散處理的時間量之間的約略於900℃的關係所描繪之圖。

圖5B是繪示對於當鐵基材料在富有鉻及鋁的 媒體中於1000℃被加熱時之諸案例，表面部分中任何指定點的鉻濃度、其離最外表面的距離、與擴散處理的時間量之間的約略於1000℃的關係所描繪之圖。

本發明的選擇實施例現在將參照隨附圖式來描述。對於本領域之技術人士從此揭示內容將為明白的是，本發明的一實施例的以下說明被提供來僅用於繪示說明而目的不在於限制隨附申請專利範圍所界定的發明及等效物。

先參照圖1，顯示根據本發明的一揭示實施例之前碟式制動器系統1的範例性自行車碟式制動器轉子10。自行車碟式制動器轉子10包括自行車碟式制動器卡鉗2及制動器操作(致動)機構3。自行車碟式制動器轉子10被固定地附接至自行車車輪的自行車輪轂(未示出)。自行車碟式制動器卡鉗2被安裝至自行車前叉4，而制動器操作機構3被附接至自行車把手5。除了自行車碟式制動器轉子10以外，前碟式制動器系統1的操作及構成是習知的且為先前技術所教示。此外，雖然前碟式制動器系統1在此實施例中被繪示成液壓制動系統，將明瞭的是自行車碟式制動器轉子10亦能與其他類型的制動系統一起使用。

自行車碟式制動器轉子10具有基體轉子板18，基體轉子板18包含外構件12、至少一個以上的中間 構件14、以及輪轂附接構件16，外構件12包括基體部分及表面部分(顯示於圖3中的剖面A-A’內)，中間構件14從外構件12徑向地向內延伸以將外構件12與輪轂附接構件16連接，輪轂附接構件16藉由複數個緊固件6而被耦接至中間構件14的內端且被建構成被安裝至自行車的自行車輪轂總成(未示出)。在此實施例中，外構件12、中間構件14及輪轂附接構件16被一體地形成為金屬的一件式構件。然而，在其他實施例中，外構件12、中間構件14及輪轂附接構件16可為非一體形成之分開構件。例如，在一些實施例中，至少一個中間構件14可與外構件12分開，且該至少一個中間構件14可與輪轂附接構件一體地形成。例如，如於14A位置處所示意性顯示，中間構件可分開地形成且稍後藉由像是螺栓的緊固件而被緊固至外構件12。在這樣的組態中，所有的中間構件14典型地與輪轂附接構件16一體地被形成，同時與外構件分開地被形成；然而，其他組態是可能的，像是將中間構件的一體形成側及緊固件附接側繞著轉子的周緣交替設置。在其他實施例中，至少一個中間構件14可與外構件12成一體，且該至少一個中間構件14可分開地被形成且藉由緊固件而被附接至輪轂附接構件16，如於14B位置處所繪示。典型地，在這樣的組態中，所有的中間構件14與外構件12一體地被形成且分開地被形成並被緊固至輪轂附接構件16；然而，如上所提及，例如，中間構件14的一體形成側及緊固件附接側可被交替設置。如以上 在所描繪的實施例中所述，將會明瞭的是，至少一個(典型地所有的)中間構件14被形成為與外構件12及輪轂附接構件16成一體。再者，外構件12和至少一個中間構件14中的至少一者可包括至少一個穿孔20。在所描繪的實施例中，多個穿孔20被顯示為從第一側表面延伸至制動器片所壓的第二側表面，且於遍及外構件的全部側表面以實質均等密度分佈。這些穿孔20作用來幫助空氣流動以將由從制動的摩擦力所產生的熱散佈，且將外構件減輕。

圖2顯示習知的範例性自行車碟式制動器轉子之部分剖面圖，其對應於圖1中的自行車碟式制動器的沿著虛線A-A’所取的剖面圖。基體轉子板221的基體部分222具有外周圍邊緣222a及內周圍邊緣222b。中間構件從基體部分222的內周圍邊緣222b徑向地向內延伸。基體轉子板221具有面向自行車碟式制動器轉子212的相反的軸向方向之第一基體表面221a及第二基體表面221b。第一基體表面221a及第二基體表面221b是延伸越過基體部分222、中間構件及輪轂附接構件之平坦表面。第一基體表面221a及第二基體表面221b可不必在所有區域是平坦的。例如，第一基體表面221a及第二基體表面221b在中間構件及輪轂附接區域能形成輪廓。

在先前技術的實施例中，自行車碟式制動轉子212化學地被處理以另包括表面區域230，表面區域230藉由擴散處理而在基體轉子板221上形成保護區域。典型地，表面區域230是具有在基體轉子板221的所有暴 露表面上化學地被形成的均一厚度之合金區或層。表面區域230的厚度取決於自行車碟式制動器轉子212受到擴散處理的時間長度而改變。複合材料被滲透至至少第一基體表面221a及第二基體表面221b中。而且，藉由使用擴散處理，基體部分222的周圍邊緣222a及222b兩者亦能具有擴散區。表面區域230的擴散區可包括先前技術中的鋁及鐵化合物。在此範例中，鋁擴散通過鐵至第一基體表面221a及第二基體表面221b以形成合金。鋁的濃度梯度從外表面230a及230b朝向基體部分222減少，使得鋁的濃度梯度在外表面230a及230b(其與自行車碟式制動器卡鉗的制動器片直接接觸)處最高。因此，覆蓋基體轉子板221的基體部分222之表面區域230的擴散區對自行車碟式制動器轉子212提供結構強度及耐腐蝕性兩者，特別是在自行車碟式制動器轉子212與自行車碟式制動器卡鉗的制動器片接觸之區域。

參照圖3，顯示根據本發明的一揭示實施例之範例性自行車碟式制動器轉子10的外構件12的一部分的沿著圖1中的虛線A-A’所取的放大、部分剖面圖。具有旋轉中心軸線的自行車碟式制動器轉子包含基體部分22以及表面部分23。基體轉子板18的基體部分22包括鐵且具有外周圍邊緣22a及內周圍邊緣22b。中間構件從基體部分22的內周圍邊緣22b徑向地向內延伸。基體轉子板18具有面向自行車碟式制動器轉子10的相反的軸向方向之第一基體表面21a及第二基體表面21b。第一基體表 面21a及第二基體表面21b是延伸越過基體部分22、中間構件及輪轂附接構件之平坦表面。第一基體表面21a及第二基體表面21b可不必在所有區域是平坦的。例如，第一基體表面21a及第二基體表面21b在中間構件及輪轂附接區域能形成輪廓。

自行車碟式制動器轉子10化學地被處理以另包括表面部分23，表面部分23藉由擴散處理而在基體部分22的外部表面上形成保護區域。在一些實施例中，穿孔20亦可具有藉由擴散處理全部地形成表面部分23之周圍表面，表面部分23在基體部分22的外部表面上包含保護區。在本實施例中，表面部分23是具有在基體轉子板18的所有暴露表面上化學地被形成的均一厚度之合金區或層。然而，不限於此實施例，其他實施例可包含僅在基體轉子板18的暴露表面的限制區域上化學地被形成之表面部分23。

表面部分23包括濃度梯度及擴散區，其具有包含鐵、鋁及鉻之複合材料，鐵、鋁及鉻被擴散且被滲透至至少第一基體表面21a及第二基體表面21b中，依循在平行於自行車碟式制動器轉子裝置10的旋轉中心軸線之軸向方向上的鉻及鋁的濃度梯度。鉻的濃度梯度從表面部分23的最外表面朝向基體部分減少，使得最高的鉻濃度在最外表面、第一外表面30a及第二外表面30b上被達成，同時最低的鉻濃度在表面部分的最內部分被達成。由於第一外表面30a及第二外表面30b達成最高的鉻濃度， 結構強度及耐腐蝕性被提供於自行車碟式制動器轉子10，特別是在自行車碟式制動器轉子10與自行車碟式制動器卡鉗的制動器片接觸之區域。

基體部分22的周圍邊緣22a及22b中的至少一者或二者亦能具有擴散區。在此範例中，鋁及鉻擴散至第一基體表面21a及第二基體表面21b以形成合金。所述的含有鐵、鋁及鉻之合金優於僅含有鐵及鋁者，因為搭配淬火硬化的所述合金達成改善的耐腐蝕性、耐磨損性及結構強度，使得表面部分的維氏硬度(Hv)大於或等於250、或者是小於或等於1000。

參照圖4，展示形成本發明的一實施例的自行車碟式制動器轉子之製造步驟。製造自行車碟式制動器轉子涉及四個步驟：(S1)壓製、(S2)擴散、(S3)淬火、及(S4)研磨。在步驟S1，當鐵基材料被沖壓成對應於外構件的所欲形狀時，碟式制動器轉子藉由壓製處理而被形成。由於耐腐蝕性能由基體基材的多孔性、硬度及表面精度所影響，謹慎去壓製沒有裂縫、孔洞及不連續性之鐵基材料。

在步驟S2，表面部分由擴散處理所形成。在擴散處理中，鉻及鋁藉由在富有鉻及鋁的媒體(固態、液態或氣態)中於900至1000℃被加熱而擴散至鐵基材料中，達成硬度、結構強度、耐磨損性及耐腐蝕性。表面部分的厚度藉由在擴散處理期間調節擴散時間及媒體的溫度而被控制。媒體的溫度被保持在上述範圍內，因為超過溫 度上限可累及後續的淬火硬化處理。

在步驟S3，碟式制動器轉子的表面部分被淬火硬化。在淬火硬化處理中，加熱的金屬急速地被冷卻，防止所有晶體結構的形成，這導致結構上強且耐破碎的非晶體金屬，達成高度的韌性及延展性。成功的處理需要加熱的金屬在擴散處理完成以後立即被冷卻，並以最快可能速率被淬火。在實行成功的處理中，像是水、油、聚合物或強制的空氣之各種不同的淬火媒體可被運用。謹慎去控制淬火處理，使得內應力不形成於冷卻的金屬內。在一些實施例中，對於碟式制動器轉子的製造處理可跳過淬火硬化處理，以漸少製造時間及成本。在其他實施例中，碟式制動器轉子可經歷擴散處理及淬火硬化兩次以執行回火。

在步驟S4，表面部分的最外表面藉由研磨處理而被形成。研磨處理(僅為選項步驟)藉由從表面開始研磨掉表面部分的部分而達成表面部分的所欲厚度，以適配於碟式制動器系統的尺寸，同時不過度地損及表面部分的鉻和鋁成分。表面部分的厚度在一些實施例中可較佳地大於10微米，更佳地大於50微米，最佳地大於70微米。在其他實施例中，製造處理可被調整成對於調整自行車碟式制動器轉子的尺寸來適配於碟式制動器系統而言研磨處理是不必要的之方式。

如圖5A中所示，表面部分中任何指定點的鉻濃度取決於其離最外表面的距離。在此，針對當鐵基材料在富有鉻及鋁的媒體(固態、液態或氣態)中於900℃被 加熱時之諸案例，表面部分中任何指定點的鉻濃度、其離最外表面的距離、與擴散處理的時間量之間的約略於900℃的關係被描繪。對於每一擴散曲線，表面部分中的鉻濃度隨著離最外表面的漸增距離而下降。增加的擴散時間允許鉻及鋁擴散通過表面部分之更多時間，增加遍及全部的表面部分的鉻濃度且允許鉻及鋁穿透更深入至鐵基材料中，亦在處理中增加表面部分的厚度。然而，過度的擴散時間可能導致表面部分的最外表面中的過低鐵濃度，這致使表面部分失去鐵基材料提供的一些性質，像是絕佳的熱散逸性。因此，擴散處理應理想地達成表面部分中的鐵、鉻及鋁的最終比例之平衡。

如圖5B中所示，表面部分中任何指定點的鉻濃度取決於其離最外表面的距離。在此，針對當鐵基材料在富有鉻及鋁的媒體(固態、液態或氣態)中於1000℃被加熱時之諸案例，表面部分中任何指定點的鉻濃度、其離最外表面的距離、與擴散處理的時間量之間的約略於1000℃的關係被描繪。圖5A與圖5B之間的比較指出將鐵基材料較佳地加熱至1000℃而不是至900℃提升了遍及全部表面部分的鉻濃度。相較於當鐵基材料在富有鉻及鋁的媒體中於900℃被加熱時的諸案例，擴散曲線亦顯示較不急劇地下降。因此，資料指出在1000℃而不是在900℃進行加熱處理導致在靠近最外表面處更一致的鉻濃度。當最外表面經歷研磨處理以達成表面部分的所欲厚度以適配於碟式制動器系統的尺寸時，這是特別有利的。

以上實施例藉由除了鋁還添加鉻至自行車碟式制動器轉子而改善含有鐵的自行車轉子的耐腐蝕性。作為根據本發明的實施例之進一步優點，自行車碟式制動器轉子的外表面的結構強度及硬度被提升。結果，抗磨損性質被改善。

如在此所使用的用語“包含”及其衍伸字旨在作為界定所述特徵、元件、組件、群組、整數、及/或步驟的出現之開放式用語。此概念亦應用於類似意義的字，例如用語“具有”、“包括”及它們的衍生字。

此處所使用的用語「自行車」及其衍生字旨在成為界定具有由騎車者的腳作用在踏板上所驅動的輪之任何車輛或機器之開放式術語，且涵蓋戶外自行車、靜止式自行車、健身自行車、及室內自行車等。

如在此所使用的像是“約略”的程度用語意指所修飾的用語之合理變異量，以致最終結果沒有顯著地改變(例如，製造公差)。

雖然自行車碟式制動器轉子的特定實施例已詳細地被描述，所揭示的特別配置意在僅為繪示說明而非限制。以上所描述的各種不同實施例的特徵以及其修改可在沒有背離本揭示說明的範疇的情形下以各種方式來結合。

Claims (16)

1. 一種自行車碟式制動器轉子裝置，其具有旋轉中心軸線，該自行車碟式制動器轉子裝置包含：基體部分，其包括鐵；表面部分，其被形成在該基體部分的外部表面上，該表面部分包括鐵、鋁及鉻，該表面部分在平行於該旋轉中心軸線的軸向方向上具有鉻的濃度梯度，其中該表面部分由擴散處理所形成，且該擴散處理包括將該基體部分在鉻及鋁的媒體中加熱至1000℃，使得該表面部分藉由鉻的濃度梯度而具有擴散硬化的鐵鋁鉻合金的結構特性。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中鉻的濃度從該表面部分的最外表面朝向該基體部分減少。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分另包括包含鐵及鋁的複合材料。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分被淬火硬化。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的最外表面由研磨處理所形成。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的厚度大於10微米。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的厚度大於50微米。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的厚度大於70微米。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的維氏硬度(Hv)大於或等於250。
10. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該表面部分的維氏硬度(Hv)小於或等於1000。
11. 根據申請專利範圍第1項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，另包含：外構件，其包括該基體部分及該表面部分；輪轂附接構件，其被建構成被安裝至該自行車的自行車輪轂總成；及至少一個中間構件，其連接該外構件及該輪轂附接構件。
12. 根據申請專利範圍第11項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該外構件和該至少一個中間構件中的至少一者包括至少一個穿孔，該穿孔具有周圍表面，且該周圍表面全部地形成該表面部分。
13. 根據申請專利範圍第11項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該至少一個中間構件與該外構件成一體。
14. 根據申請專利範圍第11項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該至少一個中間構件與該輪轂附接構件成一體。
15. 根據申請專利範圍第11項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該至少一個中間構件與該外構件及該輪轂附接構件成一體。
16. 根據申請專利範圍第11項所述的自行車碟式制動器轉子裝置，其中該至少一個中間構件與該外構件分開。