專利名稱：涂布的輕質(zhì)金屬盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂布的耐摩擦盤。
背景技術(shù)：
耐摩擦盤常常包括具有摩擦內(nèi)襯或摩擦涂層的支承盤，并且特別是在包括有軌車以及纜車等在內(nèi)的交通工具上用作制動盤或離合器盤。制動盤起到將動能轉(zhuǎn)化成摩擦熱的目的。由于大量的熱在該過程中快速產(chǎn)生，必需采取措施以消散熱并且采用耐熱材料。汽車工程的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀是采用具有鐵合金支承盤(例如灰鑄鐵支承盤)的耐摩擦盤，其具有施涂于它們的磨損層。這類基于鐵合金的制動盤的缺點之一是它們的重量大。 考慮到對于重量減輕的不斷增長的需求，一方面試圖用較輕的材料替代這種重的支承盤材料，而另一方面，對于具有突出的制動性能、優(yōu)異的制動平滑性以及同時最長的可能使用壽命的高性能制動器存在漸增的要求。輕質(zhì)金屬的缺點在于，其需要其他涂層并且在耐熱方面具有不同的性質(zhì)。在其他領(lǐng)域中，例如在有軌車的情況下，也需要輕質(zhì)但耐磨的盤，以滿足對于輕質(zhì)構(gòu)造的需要以及與節(jié)能和使用壽命相關(guān)的要求。在離合器盤的情況下，輕質(zhì)盤由于更快的可能轉(zhuǎn)動加速度和整體重量減輕而是有利的。以下基于汽車制動盤對本發(fā)明進行解釋，但本發(fā)明不以任何方式限于此。制動盤的慣常磨損由制動區(qū)域所經(jīng)受的負荷所致。因此，非常重要的是，這些制動區(qū)域耐磨并且在熱負荷下堅定地保持粘附地結(jié)合至支承盤。制動盤的其他磨損可以是被稱為“沖擊磨損(stroking wear)”的磨損，這是由支承盤上的有利于不均勻磨耗的幾何缺陷和材料內(nèi)聚缺陷所致。盤在制動過程中作為尺寸不準確和材料問題的結(jié)果的變形同樣導致不均勻的磨損。最后，對制動盤的腐蝕損壞，如在一段時間不驅(qū)動交通工具時出現(xiàn)的，同樣也具有減少其使用壽命的作用。這種類型的制動盤例如從DE 10 2004 052 673 Al ；DE 103 42 743 Al 或 EP 1013956 B2 中可知。在DE 102004016096中，提出在作為制動盤的Al支承盤上使用金屬陶瓷材料。將基本上含有鋁和鈦的氧化物的陶瓷材料施涂于支承盤。涂層材料的組合旨在獲得提高的熱導率(大于30W/°C m)。使用Al盤的問題在于Al材料的低耐溫性和低硬度。由制動盤所吸收的制動能隨著交通工具的重量和交通工具的速度平方而增加。制動能產(chǎn)生了從盤流入輪轂并流入靈敏車輪壓裝的高摩擦熱。因此，為了不使在外摩擦環(huán)上產(chǎn)生的熱到達支承盤的Al轂法蘭，涉及使用固體陶瓷作為絕熱層的中間法蘭的復雜構(gòu)造是已知的。還例如從US 5，612，110中可知，使用昂貴的等離子體噴涂的氧化鋯絕熱層，所述層通過稀土金屬如釔加以穩(wěn)定。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，借助于高度導熱層通過輪轂的熱消散以及使用可引起另外的粘附問題的單獨絕緣層都不能產(chǎn)生適于大規(guī)模生產(chǎn)、具有所需的使用壽命的耐摩擦盤。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，摩擦層本身是作為絕熱金屬層而形成。根據(jù)本發(fā)明，至少與金屬陶瓷材料相比，金屬是良好的熱導體。特別地，具有大于200W/°C m的鋁化合物是其中最好的熱導體。甚至灰鑄鐵和鐵-鋁合金仍具有幾十W/°C/m的熱導率。根據(jù)本發(fā)明的耐摩擦盤、特別是制動盤，包括更耐熱的輕質(zhì)金屬合金、特別是亞共晶Al-Si合金的輕質(zhì)金屬支承盤，和含有納米晶的金屬合金的絕熱摩擦層。在這種情況下，納米晶(其粒度小于IOOnm)的形成產(chǎn)生了期望的、遠在10W/°C /m以下的顯著降低的熱導率。此外，絕熱金屬摩擦層具有高的摩擦系數(shù)，這至少對應于常規(guī)在制動盤的情況下0. 45的值。已經(jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)，比具有更粗晶粒的相同組成的金屬層具有顯著更低的熱導率的納米晶金屬層可以特別可靠地在制動器或離合器的相對較薄支承盤上產(chǎn)生。本發(fā)明人對此給出的解釋是，材料的物理性質(zhì)在材料不再均勻時徹底改變。根據(jù)本發(fā)明人的理解，晶粒的內(nèi)部通?？刂撇牧系奶匦?。無論何時微晶尺寸從毫米級變?yōu)榧{米級(粒度為IOOnm以下的納米晶)，晶粒邊界表面和晶粒內(nèi)部之間存在不同的比率。在向納米級轉(zhuǎn)變時，不完美晶粒邊界材料的部分在比率上增加，晶粒邊界材料的晶格中“不完美區(qū)域”愈加決定了摩擦層的性質(zhì)。這些不完美區(qū)域在很大程度上應當被視作非晶的。這種類型的不完美區(qū)域具有 l-3nm數(shù)量級的直徑。向輕質(zhì)金屬支撐體施涂根據(jù)本發(fā)明的金屬絕緣層的另一優(yōu)點是所獲得的金屬/ 金屬鍵合。由于金屬層互相抵靠，有利于鍵合的擴散過程有可能在兩種材料的邊界處發(fā)生并且該連接由于相似的膨脹系數(shù)而在熱應力下不會負荷過多。結(jié)果是，在支承盤和摩擦層之間出現(xiàn)較少的連接問題并且可避免復雜的結(jié)合手段，這是由于較小的膨脹差別使得兩種金屬間的連接作為絕熱金屬摩擦層的結(jié)果在提高的制動溫度下也經(jīng)受較少的負荷。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在也可以使用與金屬支撐體相容并且由于納米結(jié)構(gòu)而絕熱的較價廉的金屬材料來代替用于已知制動盤的絕熱陶瓷層，而不喪失它們的其他有利性質(zhì)，例如對其他金屬層的良好粘附性、延展性等等。此外，納米結(jié)構(gòu)結(jié)合在層中產(chǎn)生的碳化物導致大于0. 48的摩擦系數(shù)，這對于高制動效果有利。為了改進粘附性，也可以施涂增粘層，或者在熱噴涂的情況下所用的助熔劑，以除去/減少在輕質(zhì)金屬層上妨礙新的金屬層的粘合結(jié)合的任何氧化物。通過熱噴涂產(chǎn)生納米晶金屬層是有利的。這種類型的熱噴涂方法為爆炸噴涂、火焰噴涂、高速火焰噴涂、冷氣噴涂、激光噴涂、電弧噴涂和等離子體噴涂。用于產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的有利方法是所有這樣的方法，這些方法導致熔體小滴極強的霧化和在噴嘴出口處高的氣體速率以及還可能的熔體高溫(其隨后更容易霧化)。對于熱噴涂方法、特別是對于能夠以絲形式供應的噴涂材料而言有利的是等離子體噴涂，特別是等離子體轉(zhuǎn)移絲弧(plasma transferred wire arc, PTWA)噴涂。這用于， 例如，涂布具有金屬減摩層的發(fā)動機組。這里一個重要的因素尤其是減摩層在摩擦學上的優(yōu)化性質(zhì)，所述減摩層至多為300微米厚。然而，也可以使用高速火焰噴涂，其在噴涂薄霧中具有高的氣體加速度的優(yōu)點?？捎蒔TWA產(chǎn)生的極其小的熔融金屬小滴的撞擊產(chǎn)生了納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了具有高摩擦系數(shù)的絕熱層的期望性質(zhì)。所述方法可以不成問題地適于相應的條件并且可例如，通過選擇輸送氣體防止在如此形成的絕熱層中氧化，或者通過加入相應的氣體如氮氣或含碳氣體促進硬的氮化物和碳化物的出現(xiàn)。因為重量減輕的原因以及由于輕質(zhì)制動盤的機械性質(zhì)，使用輕質(zhì)金屬合金制動盤，所述輕質(zhì)金屬合金選自鋁合金、鎂合金、鈦合金、所有前述的也作為硬材料和/或纖維增強合金。特別地，纖維增強合金具有在熱負荷下較低變形，以及因此具有較高穩(wěn)定性的優(yōu)
點ο下文中，合金應理解為既指金屬自身、其合金，又指其用硬材料或纖維增強的形式。同時，選自納米晶鐵合金和納米晶鋁合金中的那些有利地適用于絕熱層。在鐵合金當中，在一些情況下，特別是納米晶鋼合金由于其機械抗性以及其在任何情況下較差的導熱性而是合適的。輕質(zhì)金屬支承盤可以由輕質(zhì)金屬擠出的型材價廉地制得。用于擠出輕質(zhì)金屬的方法是已知的并且包括擠出輕質(zhì)金屬粉末和擠出固體材料二者，優(yōu)選擠出高度耐熱的鋁材料，其可以從已知列表如合金的相關(guān)參考出版物(例如AluminumschlUssel [aluminum key], Dr. John Datta, Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation, Diisseldorf)力口以確定。用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的涂布的支承盤的方法具有以下步驟提供輕質(zhì)金屬基體——支承盤，并且在有利于在噴涂層中形成納米顆粒的條件下熱噴涂具有機械抗性的金屬合金。特別是對于可易于以絲形式獲得的噴涂材料而言，PTWA適合作為施涂方法。通過該方法，當材料在PTWA焰炬中加工時，熔融滴?？梢栽诘入x子體火焰中在非常短的時間內(nèi)產(chǎn)生并隨后通過輔氣沉積，這致使滴粒霧化并被加速到聲速的若干倍，作為極其小的小滴到達目標材料的表面上(這里為支承盤本身)，或者在位于支承盤上的層如增粘劑層上，以濺滴(splat)形式——例如直徑為30-60微米數(shù)量級，厚度僅為10-30微米。當它們撞擊在下方的表面上時，熱同時從這些具有極低熱容量的小濺滴中以1X106°C /秒數(shù)量級的速率被汲取。由于冷卻速率對于晶體形成而言過高，因而這致使熔體以玻璃態(tài)形式固化，而濺滴保持非晶形。當下一批濺滴在高溫下撞擊時，由于溫度升高在濺滴層中發(fā)生納米晶的沉淀?？梢酝ㄟ^對如此形成的層的透射電子顯微鏡(TEM)檢驗對此加以確認，當使用PTWA和鉻鋼合金作為噴涂絲時，沉淀微晶獲得的晶體大小或粒度稍微低于100納米，例如60納米。 同時，可通過相對較大的濺滴(50-60納米)增大摩擦系數(shù)。如果旨在改善噴涂的絕熱層的粘合結(jié)合，則可以在熱噴涂之前通過化學和/或機械加工制得輕質(zhì)金屬基體的表面。合適的機械方法為通過刻槽、噴砂或噴丸、最初磨削或壓紋實現(xiàn)粗糙化。然而，也可以采用激光處理。但是，也可以通過蝕刻、脫脂以及本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的其他方法以化學方式制得輕質(zhì)金屬基體。如果絕熱層和支承盤之間的化學粘合看起來不充分，則在絕熱層之前向輕質(zhì)金屬基體的表面施用增粘劑可能是有利的。用于鋁基體和鋼摩擦層的典型增粘劑層是鎳/鋁粘附表面。然而，粘合結(jié)合也以機械方式通過層間聯(lián)鎖，例如通過具有底切的溝槽、特別是通過鳩尾榫幾何形狀得以改善。當在本文中提及支承盤時，這僅僅意在通過舉例來說明對于摩擦盤如制動盤或離合器盤的應用。這種涂布方法可以用于所有經(jīng)受摩擦負荷并具有輕質(zhì)金屬基體和摩擦層的機械部件，也就是說，用于制動鼓、摩擦鼓、錐形離合器、同步環(huán)等。


以下基于示例性實施方案和附圖更加詳細地對本發(fā)明進行解釋，但本發(fā)明不以任何方式受限于它們，在附圖中圖1示意性地示出涂布的支承盤的橫截面；圖2示意性地示出涂布支承盤的細節(jié)，其中在層間形成鳩尾榫鋸齒；圖3示意性地示出用于將絕熱層噴涂到支承盤上的PTWA裝置；以及圖4示意性地示出按時間順序通過PTWA形成玻璃濺滴、隨后在玻璃濺滴中形成微晶的結(jié)構(gòu)變換序列。
具體實施例方式在圖1中，示意性地示出了用于陸地交通工具的制動盤。其具有含結(jié)合開口 20的支承盤10和施涂在支承盤10上的摩擦層30。相對尺寸并非按比例顯示。在圖2中，示出圖1的放大細節(jié)A。在支承盤10上引入鳩尾榫形溝槽11，具有使噴上的摩擦層30與支承盤10以機械方式鎖定在一起的作用，并因此實現(xiàn)了摩擦層30在支承盤10上的極好粘合性。在圖3中，示意性地示出了用于PTWA噴涂方法的施涂裝置。PTWA噴頭12通過等離子體使金屬絲14熔化，采用輸送氣體以及可能的輔氣使已在等離子體中熔化的金屬絲材料14霧化并且以高速將其輸送到支承盤10上。如圖4中所示，在支承盤10上，最初形成非晶的玻璃態(tài)濺滴32，然后，如從下面所示的圖示中可以看到，作為加熱的結(jié)果，下一批撞擊的濺滴導致微晶34在一定程度上在小尺寸的濺滴內(nèi)形成。由于微結(jié)構(gòu)的快速冷卻，并未形成均勻的晶體結(jié)構(gòu)，而是相反，保留了非晶的、無序的區(qū)域36。此外，當新的濺滴撞擊在已沉積的濺滴上，類似燒結(jié)的擴散過程在濺滴邊界處發(fā)生，從而產(chǎn)生摩擦層30。按此方式產(chǎn)生的具有相對較小厚度(10-20微米)的多層的噴涂層具有非常高的硬度、良好的抗磨損性、良好的抗腐蝕性、相對較好的絕熱性和良好的摩擦系數(shù)。如此產(chǎn)生的噴涂層因此特別適合用在制動盤和其他摩擦負荷的機械部件上的摩擦層30，總厚度為例如500微米。涂布優(yōu)選隨著支承盤的轉(zhuǎn)動在徑向上從轉(zhuǎn)動軸進行。其轉(zhuǎn)動速度通常為幾百轉(zhuǎn)/分鐘。在徑向上的涂布速率優(yōu)選隨著離轉(zhuǎn)動軸的距離增加而增加(大致對應于圓周速度)，以盡可能在徑向上也保持層厚度恒定。相應地，如果將PTWA噴頭從較大的半徑導向較小的半徑，則涂布速率將在徑向上下降。轉(zhuǎn)動軸優(yōu)選水平地大致對準，制動盤的每一面均通過PTWA噴頭進行涂布。噴頭優(yōu)選在圓周方向上偏移約180°，也就是說，與轉(zhuǎn)動軸相比作為直徑。以通常方式打磨產(chǎn)生的具有噴涂層的制動盤。以下給出陸地交通工具用制動盤的示例性實施方案。實施例1H有戒方式結(jié)合的1 損Hl的機云力車輛用泡丨云力盤以粉末冶金方式生產(chǎn)的用10重量％ SiC加強的耐熱鋁合金AlSi2(Fe5Ni2支承盤 10具有鳩尾榫輪廓11。在該具有鳩尾榫幾何形狀11的支承盤10上，通過使用鋼噴涂絲的PTWA施涂
6!^CrBSiC噴涂層。該鋼噴涂絲具有以下按重量百分比計的組成鐵(Fe)；鉻(Cr)20-40%， 優(yōu)選25-35%，硼(B) 3. 5-4.4%，優(yōu)選3.7-4% ；以及少量的C和Si。以各層厚度為10-30 微米的多層，直至總厚度為約600微米，優(yōu)選以各層厚度為10-20微米的多層，直至總厚度為約500微米進行涂布。按此方式產(chǎn)生的制動盤與常規(guī)交通工具制動盤相比重量減輕約30%，但顯示出相似的穩(wěn)定性和抗腐蝕性。實施例2n^Dx^ / it^^^m^mmn^mmmmshM 對通過壓鑄由鋁合金AlSi2(Fe5Ni2生產(chǎn)的支承盤10進行噴砂。在該噴砂后不久，將Ni-Al合金(優(yōu)選95/ 或Ni-Cr合金(優(yōu)選80/20)施涂在支承盤10上作為增粘劑24，以防止暴露表面的氧化。通過使用鋼噴涂絲的PTWA將!^eCrBSiC噴涂層施涂在增粘劑層上，所述鋼噴涂絲具有氟化鉀鋁的芯作為助熔劑。該鋼噴涂絲具有以下按重量百分比計的組成鐵(Fe)；鉻 (Cr) 20-40%，優(yōu)選25-35%，硼(B) 3. 5-4. 4%，優(yōu)選3. 7-4% ；以及少量的C和Si。以各層厚度為10-30微米的多層，直至總厚度為約600微米，優(yōu)選以各層厚度為10-20微米的多層，直至總厚度為約500微米進行涂布。與具有鑄鐵支承體的常規(guī)制動盤相比，按此方式生產(chǎn)的制動盤的重量減輕30%，但在穩(wěn)定性和抗腐蝕性方面具有相同或更好的特性。具有助熔劑芯的噴涂絲的優(yōu)點在于，表面雜質(zhì)如在下方表面上的氧化物被助熔劑刻蝕或破壞，這改善了噴涂層的粘合結(jié)合。例如，通過將助熔劑粉末施用于金屬片材上，將該片材卷成管并隨后將該卷形物拉至期望的絲直徑，可以制得用助熔劑填充的噴涂絲。在如此施涂的鉻-鋼層中，可以借助于透射電子顯微鏡來檢測在由此通過PTWA生產(chǎn)的層中的納米結(jié)構(gòu)。這些TEM顯微照片示出60 μ m的濺滴平均顆粒直徑和晶體尺寸或粒度為約50nm 的部分晶體結(jié)構(gòu)。實施例3n有PD臺金 / it^ii^M^m^mmn^mmMim 通過合適的粗糙化方法以機械方式使擠出的耐熱鋁合金AlSi2(Fe5Ni2支承盤粗糙化。其后，將Ni-Al合金(優(yōu)選95/ 或Ni-Cr合金(優(yōu)選80/20)施涂在支承盤10上作為增粘劑M。通過火焰噴涂，用氧燃料火焰加熱作為涂層的粉狀鋼合金，同時供應另外的壓縮空氣，將粉狀鋼合金以高速噴涂到在鋁支承盤上的增粘劑層上。該方法用氧燃料混合物火焰工作，所述氧燃料混合物夾帶并加熱熔融材料。將具有以下組成的粉末作為噴涂層施涂， 數(shù)值按照重量百分比給出鐵(Fe)；鉻(Cr)22j8% ；硼(B) 1.5-4. 5% ；鉬(Mo)3_4. 5%， 鎢(W) 1-6. 8 % ；鈮(Nb) 3-4 %，硅(Si) 0. 2-1. 2% -M (C) 0. 1-1 % ；錳(Mn) 0. 5-0. 9 % ；鎳 (Ni)O. 2-0.5%。以各層厚度為10-30微米的多層，直至總厚度為約600微米，優(yōu)選以各層厚度為10-20微米的多層，直至總厚度為約500微米進行涂布。此外，納米結(jié)構(gòu)結(jié)合在該層中產(chǎn)生的碳化物產(chǎn)生大于0. 48的摩擦系數(shù)，這對于高制動效果有利。與常規(guī)交通工具制動盤相比，按此方式產(chǎn)生的制動盤重量減輕30 %，但在穩(wěn)定性和抗腐蝕性方面顯示出相當?shù)奶匦?。盡管已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是本發(fā)明的各種替代構(gòu)造和實施
7方案，如由權(quán)利要求所限定的，對于熟悉本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。附圖標記列表
10支承盤
11鳩尾榫
12PTWA噴頭
14金屬絲
30摩擦層
32玻璃態(tài)濺滴
34微晶
權(quán)利要求
1.一種涂布的輕質(zhì)金屬盤，特別是制動盤，其具有耐熱輕質(zhì)金屬合金支承盤(10)和絕熱摩擦層(30)，所述絕熱摩擦層由含有納米晶的金屬合金形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤，其中納米晶絕熱摩擦層(30)通過熱噴涂產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的盤，其特征在于，所述熱噴涂選自火焰噴涂和絲-等離子體噴涂。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的盤，其特征在于，所述輕質(zhì)金屬合金選自鋁合金、 鎂合金和鈦合金。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的盤，其特征在于，所述絕熱摩擦層(30)中的金屬合金選自鐵合金和鋁合金。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的盤，其特征在于，所述絕熱摩擦層(30)為鋼合^^ ο
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的盤，其特征在于，所述支承盤(10)由鋁合金擠出的型材制得。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的盤，其中至少一個增粘劑層位于所述絕熱摩擦層 (30)和所述支承盤(10)之間。
9.一種用于生產(chǎn)具有機械抗性的涂布的輕質(zhì)金屬盤、特別是根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的盤的方法，其特征在于-提供輕質(zhì)金屬基體，和-在有利于在噴涂層中形成納米顆粒的條件下熱噴涂具有機械抗性的金屬合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在所述熱噴涂之前通過化學和/或機械加工制得所述輕質(zhì)金屬基體的表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9至10所述的方法，其特征在于，在所述絕熱摩擦層之前向所述輕質(zhì)金屬基體的表面施涂增粘劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂方法選自爆炸噴涂、火焰噴涂、高速火焰噴涂、冷氣噴涂、激光噴涂、電弧噴涂和等離子體噴涂。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂方法為絲-等離子體噴涂 (PTffA)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂方法為火焰噴涂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涂布的輕質(zhì)金屬盤、特別是制動盤，其具有支承盤(10)和絕熱摩擦層(30)，所述支承盤特別地為耐熱輕質(zhì)金屬合金支承盤，所述絕熱摩擦層由含有納米晶的金屬合金形成。可以在沒有另外的絕熱中間層的情況下將摩擦層(4)直接施涂至支承盤(10)，并且由于摩擦層的絕熱效果，僅有適量的熱轉(zhuǎn)移到支承盤(10)自身上。
文檔編號C23C4/00GK102422045SQ201080019875
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者C·M·沃伯特, M·布羅達 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司