TWI678479B - 高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構 - Google Patents

Abstract

本發明為有關一種高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構，主要先將至少一不鏽鋼片體進行淬火程序，並於形成麻田散鐵型態後冷卻至常溫，接著分別將一鋁質碟煞盤及該不鏽鋼片體加熱至鋁之液化臨界溫度以下，使該不鏽鋼片體成為波來鐵型態，再對該不鏽鋼片體及該鋁質碟煞盤加壓，使二者緊密貼合後，於銜接處加入助熔劑，以分別使不鏽鋼片體表面的氧化鉻薄膜、及鋁質碟煞盤表面的氧化鋁薄膜脫離去除，進而自然形成不鏽鋼片體及鋁質碟煞盤的金屬接合。藉此，製作鋁與不鏽鋼的複合材碟煞盤，實現碟煞盤的高導散熱及輕量化，而利用兩者接觸面積極大化的效果，增加整體散熱率及耐磨耗性能。

Description

高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構

本發明為提供一種高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構，尤指一種將鋁與不鏽鋼的金屬接合實現於碟煞盤，而兼顧整體散熱效果及輕量化特性的高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構。

按，盤式制動，又稱為碟式制動或是碟煞，是一種廣泛應用於各類型交通工具和工業機械的制動裝置。盤式制動裝置主要由安裝在車軸上與車輪同軸旋轉之制動盤、像鉗一樣橫跨在制動盤兩側之制動鉗、及制動時以壓緊制動盤之制動閘片，藉此使制動閘片與制動盤摩擦而產生制動、減速煞車的作用。

過去為了提高車輛驅動性與減少燃料的消耗，乃將車輪的輪圈由低碳鋼轉變為鋁合金，因鋼的比重為7.87g/cc、而鋁合金的比重為2.7g/cc，在重量比強度大幅提升的前提下，可有效達成輕量化。

欲完成鋁與不鏽鋼的金屬接合，必須先了解鋁與不鏽鋼的物理性質差異相當大(包括密度差異大、熔點)，也因為兩者之間幾乎沒有機會以液相熔接的方式接合，所以基本上都以機械方式做為接合手段而形成複合材料，而可採用的方法包括摩擦焊接、滾壓接合、擴散接合及螺絲鎖固。其中摩擦焊接須在接觸面不與新鮮的氧化氣氛有所接觸的條件下，使兩金屬利用相對迴轉運動下的摩擦升溫造成接觸面變形才能達成，接觸面積大、操作手段嚴苛，且製程成本較高；滾壓接合原理與摩擦焊接類似，但屬於對金屬的面貼合之平整度需求較高的作法，較不適用於有機械形狀之碟煞盤；擴散接合(diffusion bonding)等非熔式(Welding)金屬接合的進行，則需要去除鋁與不鏽鋼的氧化層，惟，鋁與不鏽鋼的最大共通點就是表面的氧化層屬於高熔點的不動氧化層、及氧化層的氧化動作幾乎瞬間完成，而金屬氧化物並不是金屬，故氧化物會變成金屬間相互擴散的阻礙，以致於無法達成擴散接合。

至於螺絲93鎖固即為市面上鋁91與不鏽鋼92製成複合材碟煞的常見 做法(請同參第一圖所示)，然而，機械結合係以壓力迫接方式結合兩金屬，但此結合方式因為金屬的變形量不一，造成金屬接合面的間隙94極大(請同參第二圖所示)，使得金屬間接觸面積大小無法提供有效的熱傳導，即使鋁91的導熱係數遠大於不鏽鋼92的導熱係數，若兩者間因有效接觸面積太小，也無法將不鏽鋼92在制動、減速動作時，因摩擦累積的熱能傳導給鋁91。再者，不鏽鋼92的熱膨脹係數較高，當無法將積熱傳導出去時，容易因過熱形變而導致碟煞盤損壞，嚴重者將因此發生車禍。

是以，要如何在輕量化、高導熱的前提下，把鋁與不鏽鋼的複合材應用於碟煞盤上，以解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種將鋁與不鏽鋼的金屬接合實現於碟煞盤，而兼顧整體散熱效果及輕量化特性的高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構的發明專利者。

本發明之主要目的在於：充分利用鋁與不鏽鋼的物性及化性，配合鋁與不鏽鋼接觸面的氧化物去除動作，使兩者的金屬接合成為可能，並有效應用於碟煞盤上，而利用鋁降低整體重量，並提升不鏽鋼的散熱效果。

為達成上述目的，本發明之主要結構包括：一鋁質碟煞盤，該鋁質碟煞盤表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，而該第一非結合面上形成有至少一氧化鋁薄膜，並具有至少一以金屬接合方式設置於該鋁質碟煞盤一側之不鏽鋼片體，該不鏽鋼片體表面界定有至少一第二非結合面及至少一第二結合面，而該第二非結合面上形成有至少一氧化鉻薄膜，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50%。其中該鋁質碟煞盤與該不鏽鋼片體在結合前，係分別由氧化鋁薄膜及氧化鉻薄膜完整包覆著第一、第二結合面與第一、第二非結合面，並在將不鏽鋼片體經過淬火程序及冷卻至常溫的步驟後，同時將鋁質碟煞盤及不鏽鋼片體加熱至鋁之液化臨界溫度以下，接著，讓第一結合面與第二結合面緊靠，並於銜接處加入助熔劑，使該第一結合面上的氧化鋁薄膜、及該第二結合面上的氧化鉻薄膜脫離去除，以於第一結合面及第二結合面成為乾淨的面(表面無氧化物)之同時，自然使鋁質碟煞盤與不鏽鋼片體間完成緻 密的金屬接合。藉此，利用金屬接合製作出鋁與不鏽鋼的高導散熱、輕量化複合材碟煞盤，即同時兼顧整體的散熱率及耐磨耗性能。

藉由上述技術，可針對習用碟煞盤所存在之鋁合金材質導熱率不佳、以及鋁與不鏽鋼以機械方式結合時成本較高、製程條件嚴苛及接觸面積太小、導熱率差的問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。

1‧‧‧鋁質碟煞盤

11‧‧‧第一結合面

111‧‧‧氧化鋁薄膜

12‧‧‧第一非結合面

13‧‧‧第一盤體

14‧‧‧第二盤體

15‧‧‧通風道

16‧‧‧弧形導流壁

2‧‧‧不鏽鋼片體

21‧‧‧第二結合面

211‧‧‧氧化鉻薄膜

22‧‧‧第二非結合面

23‧‧‧排屑孔

3‧‧‧助熔劑

4‧‧‧接縫線

5‧‧‧粉塵碎屑

Ta‧‧‧時間

Tb‧‧‧時間

91‧‧‧鋁

92‧‧‧不鏽鋼

93‧‧‧螺絲

94‧‧‧間隙

第一圖 係為習知複合材碟煞之立體圖。

第二圖 係為習知複合材碟煞接合面之微觀示意圖。

第三圖 係為本發明較佳實施例之立體透視圖。

第四圖 係為本發明較佳實施例之俯視圖。

第五圖 係為本發明較佳實施例之分解圖。

第六圖 係為本發明較佳實施例之方塊流程圖。

第七圖 係為本發明較佳實施例之加熱示意圖。

第八圖 係為本發明較佳實施例之還原示意圖。

第九圖 係為本發明較佳實施例之接合示意圖。

第十圖 係為本發明較佳實施例之接合面之微觀示意圖。

第十一圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖(一)。

第十二圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖(二)。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第三圖至第六圖所示，係為本發明較佳實施例之立體透視圖至方塊流程圖，由圖中可清楚看出本發明係包括：一鋁質碟煞盤1，該鋁質碟煞盤1係包含有一第一盤體13、一第二盤體14、及複數設於該第一盤體13及該第二盤體14間之通風道15，且各該通風道15之間分別具有一弧形導流壁16；至少一界定於該鋁質碟煞盤1表面之第一結合面11；至少一界定於該鋁質碟煞盤1表面之第一非結合面12；至少一形成於該第一非結合面12上之氧化鋁薄膜111；至少一以金屬接合方式設置於該鋁質碟煞盤1一側之不鏽鋼片體2，該不 鏽鋼片體2上具有複數連通該通風道15之排屑孔23；至少一界定於該不鏽鋼片體2表面之第二非結合面22；至少一形成於該第二非結合面22上之氧化鉻薄膜211；及至少一界定於該不鏽鋼本體表面之第二結合面21，且該第一結合面11與該第二結合面21之貼合面積比不小於50%。

其中該金屬接合係為擴散接合(diffusion bonding)、釬焊(brazing)、焊接(soldering)、磨擦焊接(Friction welding)、或非熔式(Welding)的金屬接合其中之一者。

而本發明之高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，主要步驟為：(a)取至少一不鏽鋼片體，該不鏽鋼片體表面界定有至少一第二結合面及至少一第二非結合面，並由至少一氧化鉻薄膜包覆該第二結合面及該第二非結合面；(b)將至少一不鏽鋼片體進行淬火程序，而呈麻田散鐵型態；(c)使該不鏽鋼片體冷卻至常溫；(d)取一鋁質碟煞盤，該鋁質碟煞盤表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，並由至少一氧化鋁薄膜包覆該第一結合面及該第一非結合面；(e)加熱該鋁質碟煞盤至一預定溫度，該預定溫度係為鋁之液化臨界溫度以下；(f)將該不鏽鋼片體進行回火程序並加熱至該預定溫度，而呈波來鐵型態；(g)對該波來鐵型態之不鏽鋼片體及該鋁質碟煞盤加壓，使該不鏽鋼片體的第二結合面與該鋁質碟煞盤之第一結合面緊密貼合；(h)於該第一結合面及該第二結合面之銜接處加入助熔劑，使該第二結合面上的氧化鉻薄膜、及該第一結合面上的氧化鋁薄膜脫離去除；及(i)該第一結合面與該第二結合面進行金屬接合，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比為不小於50%。

藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，更可將鋁與不鏽鋼的金屬接合實現於碟煞盤，而兼顧整體散熱效果及輕量化特性等優勢，而詳細之解說將於下述說明。

請同時配合參閱第三圖至第十二圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖 透視至實施示意圖(二)，藉由上述構件組構時，由圖中可清楚看出，本發明係利用特殊之製程，將鋁質碟煞盤1與不鏽鋼片體2進行金屬接合(本實施例係為擴散接合為例)，使兩種金屬間的接觸面積極大化，而有效讓不鏽鋼片體2因摩擦蓄積之熱量，得以有效經由鋁質碟煞盤1處散出，且此種擴散接合方式幾乎看不出接縫線4(Bonding-Line)，結合強度佳、可以不需要螺絲鎖固，並因硬化後的不鏽鋼片體2可承受更高強度的摩擦力，而更安全耐用，且因不鏽鋼片體2僅提供機械強度之需求，佔整體比例較低，主體仍為比重較低的鋁質碟煞盤1，而可達到輕量化之目的。

製作時，如第七圖所示，首先對不鏽鋼片體2進行淬火程序(步驟a、b)，將其加熱至1000~1040度(本實施例係以1020度、時間0至Ta為例)，以使不鏽鋼片體2從較柔軟的珠光體固相轉變成較堅硬的麻田散鐵固相，在轉變過程中，原子不擴散、化學成分不改變，但晶格發生變化，同時新、舊固相間維持一定的位向關係，並且具有切變共格的特徵，故不鏽鋼片體2經過淬火程序後，其洛氏硬度根據其含碳量可增加為HRC50~HRC58。接著，使麻田散鐵型態的不鏽鋼片體2冷卻至常溫(步驟c，時間Ta至Tb)，其冷卻方式可為自然冷卻、加水冷卻等，冷卻速度的選定則會影響表面硬度和心部硬度，例如，在慢速冷卻過程中因共析反應而相變化成為波來鐵型態。另外，麻田散鐵(Martensite)態的不鏽鋼片體2在接合時進行的回火程序，可使鋁質碟煞盤1與波來鐵(Pearlite)態之不鏽鋼片體2，同時繼續完成SUS420等系列不鏽鋼的熱處理。

之後，再對不鏽鋼片體2進行回火程序(步驟f)，使其加熱至一預定溫度(本實施例係為520~560度，時間Tb起)，此回火程序除了可改變金屬的材料特性，使其減少淬火應力、穩定不鏽鋼的形狀大小、及防止淬火零件變形或開裂外，同時，因鋁本身的熔點約為660.4度，但實際上在200度左右即逐漸降低抗張強度(隨溫度上升機械強度逐漸下降)、在565度左右即開始軟化(部分液化)，故該預定溫度亦為鋁的液化臨界溫度以下，而所謂鋁的液化臨界溫度以下係指鋁開始發生液化狀態前的溫度，在鋁的三相圖中即為鋁的絕對固相之上限值。因此，對鋁質碟煞盤1的加熱動作(步驟d、e，可與步驟f同時進行)，亦設定為加熱至該預定溫度，而將鋁質碟煞盤1確實維持在固相狀態，避免存在半固半液的現象，以利用後續接合動作。

另外，鋁與不鏽鋼的最大共通點就是表面的氧化層屬於高熔點的不動氧化 層、及氧化層的氧化動作幾乎瞬間完成，其原因在於，純淨的金屬鋁極易與空氣中的氧氣反應，生成一層薄的氧化鋁薄膜111覆蓋在暴露於空氣中鋁質碟煞盤1的第一結合面11及第一非結合面12上，這層氧化鋁薄膜111主要在防止鋁被繼續氧化；同理，金屬不鏽鋼不易生鏽的原因，也是因為不鏽鋼含有10%~13%的鉻，而鉻極易與空氣反應生成一層氧化鉻薄膜211，並包覆於空氣中不鏽鋼片體2的第二結合面21及第二非結合面22上。然而，因為金屬氧化物並不是金屬，故也會變成金屬間相互擴散的阻礙，以致於無法達成擴散接合。

而為了使鋁質碟煞盤1與不鏽鋼片體2得以進行擴散接合，就必須將鋁質碟煞盤1之第一結合面11上的氧化鋁薄膜111、及不鏽鋼片體2之第二結合面21上的氧化鉻薄膜211脫離去除。故乃先對該波來鐵型態之不鏽鋼片體2及該鋁質碟煞盤1進行加壓(加壓強度大於0.1MPa、小於100MPa即可)，以在不造成鋁質碟煞盤1斷裂的情況下，使該不鏽鋼片體2的第二結合面21與該鋁質碟煞盤1之第一結合面11緊密貼合(步驟g)，此時，在微觀條件下，仍因金屬鋁與金屬不鏽鋼的物理特性差異，使第一結合面11與第二結合面21之間存在有不規則的非平整面，接著，如第八圖所示，於該第一結合面11及該第二結合面21之銜接處加入助熔劑3，使該第二結合面21上的氧化鉻薄膜211、及該第一結合面11上的氧化鋁薄膜111脫離去除(步驟h)。其中該助熔劑3係為氯化銨或複合鹽(本實施例係以氯化銨為例，亦可為氯化鋅與氯化鉀構成的複合鹽、或至少兩種以上鹽類混合成之複合鹽)，氯化銨的水溶液呈弱酸性(複合鹽則呈弱鹼性)，加熱時酸性(或鹼性)會再增強，且由於銨離子的配位性，氯化銨溶液對金屬有腐蝕性，故可有效對氧化鋁薄膜111及氧化鉻薄膜211進行化學反應，迫使附著於鋁質碟煞盤1及不銹鋼片體2接觸表面(第一結合面11及第二結合面21)的不動氧化層，在分離瞬間得到定義上絕對的乾淨接觸表面，而使兩個固態金屬間有效進行擴散接合(diffusion bonding)、釬焊(brazing)、焊接(soldering)、磨擦焊接(Friction welding)、或非熔式(Welding)的金屬接合。

其中，氯化銨的沸點約為520度，且此時的鋁質碟煞盤1及不鏽鋼片體2，已預先加熱至520~560度，故當氯化銨添加至該銜接處時，氯化銨會反應分解為氯化氫及氨氣NH₄Cl→NH₃+HCl，進而產生氯離子(Cl^-)，又固態的因氣態的氧 化鋁薄膜111與氧化鉻薄膜211實際上存在著大量的微小孔洞，而氣態氯化氫可輕易穿過該些孔洞，直接與下方的金屬鋁及金屬鉻作用；因此鋁質碟煞盤1可直接與氯離子反應而生成氣態的三氯化鋁Al⁺+3Cl^-→AlCl3，而不銹鋼片體2可直接與氯離子反應生成氣態的三氯化鉻Cr⁺+3Cl^-→CrCl3。藉此，利用讓鋁質碟煞盤1與不鏽鋼片體2的最表層氣化，致使鋁質碟煞盤1與不鏽鋼片體2上的氧化鋁薄膜111及氧化鉻薄膜211失去附著的基底而自然脫離去除。

因此，鋁質碟煞盤1的第一結合面11及不鏽鋼片體2的第二結合面21，在沒有了氧化鋁薄膜111及氧化鉻薄膜211的阻礙，即可有效的進行擴散接合，此時，該第一結合面11與該第二結合面21便可達到50%≦貼合面積<100%(如第四圖及第九圖所示)，且利用擴散接合製成的鋁-不鏽鋼複合材，在金屬鋁與金屬不鏽鋼之間，即使在微觀的條件下，也無法輕易查覺接縫線4(Bonding-Line)(如第十圖所示)，故可將接觸面積極大化，而大幅增加不鏽鋼片體2傳導熱量至鋁質碟煞盤1的路徑，而有效幫助不鏽鋼片體2散熱。藉此實現碟煞盤的高導散熱、輕量化，同時利用鋁質碟煞盤1與不鏽鋼片體2接觸面積極大化的效果，增加整體導散熱率以及耐磨耗性能。

請同參第十一圖及第十二圖所示，本發明之複合剎車碟盤在使用時，更可配合第一盤體13與第二盤體14間的通風道15進行散熱，且通風道15兩側的弧形導流壁16，更可讓鋁質碟煞盤1在旋轉過程中，可利用該弧形導流壁16導引中央的熱量進入通風道15，而達到加速散熱之功效，而不鏽鋼片體2上的排屑孔23則可將不鏽鋼片體2因摩擦動作生成之粉塵碎屑5，排放至通風道15內後，利用風流排出，藉此，配合不鏽鋼片體2的高硬度，增加本發明之使用耐久度。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明之高散熱輕量化之複合剎車碟盤製程及其結構於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭 力配合，實感德便。

Claims (10)

1. 一種高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，其步驟包括：(a)取至少一不鏽鋼片體，該不鏽鋼片體表面界定有至少一第二結合面及至少一第二非結合面，並由至少一氧化鉻薄膜包覆該第二結合面及該第二非結合面；(b)將至少一不鏽鋼片體進行淬火程序，而呈麻田散鐵型態；(c)使該不鏽鋼片體冷卻至常溫；(d)取一鋁質碟煞盤，該鋁質碟煞盤表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，並由至少一氧化鋁薄膜包覆該第一結合面及該第一非結合面；(e)加熱該鋁質碟煞盤至一預定溫度，該預定溫度係為鋁之液化臨界溫度以下；(f)將該不鏽鋼片體進行回火程序並加熱至該預定溫度，而呈波來鐵型態；(g)對該波來鐵型態之不鏽鋼片體及該鋁質碟煞盤加壓，使該不鏽鋼片體的第二結合面與該鋁質碟煞盤之第一結合面緊密貼合；(h)於該第一結合面及該第二結合面之銜接處加入助熔劑，使該第二結合面上的氧化鉻薄膜、及該第一結合面上的氧化鋁薄膜脫離去除；及(i)該第一結合面與該第二結合面進行金屬接合，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，其中該淬火程序之操作溫度為1000度至1040度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，其中該助熔劑係為氯化銨或複合鹽其中之一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，其中該預定溫度係為520度至560度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤之製程，其中該金屬接合係為擴散接合(diffusion bonding)、釬焊(brazing)、焊接(soldering)、磨擦焊接(Friction welding)、或非熔式(Welding)的金屬接合其中之一者。
6. 一種高散熱輕量化之複合剎車碟盤結構，其主要包括：一鋁質碟煞盤；至少一界定於該鋁質碟煞盤表面之第一結合面；至少一界定於該鋁質碟煞盤表面之第一非結合面；至少一形成於該第一非結合面上之氧化鋁薄膜；至少一以金屬接合方式設置於該鋁質碟煞盤一側之不鏽鋼片體；至少一界定於該不鏽鋼片體表面之第二非結合面；至少一形成於該第二非結合面上之氧化鉻薄膜；及至少一界定於該不鏽鋼本體表面之第二結合面，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50%。
7. 如申請專利範圍第6項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤結構，其中該鋁質碟煞盤係包含有一第一盤體、一第二盤體、及複數設於該第一盤體及該第二盤體間之通風道。
8. 如申請專利範圍第7項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤結構，其中各該通風道之間分別具有一弧形導流壁。
9. 如申請專利範圍第7項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤結構，其中該不鏽鋼片體上具有複數連通該通風道之排屑孔。
10. 如申請專利範圍第6項所述之高散熱輕量化之複合剎車碟盤結構，其中該金屬接合係為擴散接合(diffusion bonding)、釬焊(brazing)、焊接(soldering)、磨擦焊接(Friction welding)、或非熔式(Welding)的金屬接合其中之一者。