耐磨制动盘或制动鼓的制备方法及制动盘或制动鼓与流程

本发明属于机动车及电气化铁道车辆制动盘或制动鼓制造技术领域，特别是涉及一种耐磨制动盘、制动鼓的制备方法及所制得的制动盘、制动鼓。

背景技术：

制动盘、制动鼓是汽车或其它车辆刹车系非常重要的部件，其质量好坏直接关系到车辆的安全性能。目前大多数制动盘和制动鼓是由铸铁制成，但铸铁耐磨性较差，散热效果不好，高速行驶的情况下如果紧急刹车，制动盘或鼓的温度会急剧升高，高温会使制动盘或制动鼓本身出现热衰退效应，耐磨性降低，摩擦系数降低，制动距离延长，甚至导致制动失效；另外铸铁制动盘、制动鼓质量大，增加了整车的能耗。当前在一些赛车上配置的制动盘采用碳纤维增强耐磨层复合材料制成，这种制动盘虽然质量较轻，但存在低温刹车性能差、碳纤维易脱落、使用寿命短、价格昂贵等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种质量轻、耐磨性好、使用寿命长的制动盘或制动鼓制造方法及这种方法制成的制动盘或制动鼓。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耐磨制动盘、制动鼓的制备方法，包括以下步骤：

加工制动盘、制动鼓：采用高强度铝合金或镁合金作为基材，进行毛坯锻造或铸造后按照图纸机械加工成车辆所需的制动盘或制动鼓形状；

吊装制动盘或制动鼓，并用导线电性连接于制动盘或制动鼓基体；

配置溶液：选择Na₂SiO₃·5H₂O、Na₂B₄O₇、KF、CON₂H₄、C₆H₁₅NO₃、KOH，作为溶质，选择去离子水作为溶剂，各溶质的配置浓度为Na₂SiO₃·5H₂O 8-15g/L、Na₂B₄O₇0.5-15g/L、KF 0.5-15g/L、CON₂H₄ 0.5-5g/L、C₆H₁₅NO₃ 0.5-20g/l、KOH 0.5-3g/L，配置的溶液置于导电金属槽内，溶液的配置量需能够浸没步骤一得到的制动盘或鼓；

在制动盘或制动鼓表面形成耐磨层：具体的将吊装好的制动盘或制动鼓放入配置的溶液中浸没于液面以下；采用电源为频率100-500Hz、占空比50％的非对称双极性脉冲电源，并将连接制动盘或制动鼓的导线接电源的正极，将制动盘或制动鼓吊装装置中的不锈钢阴极接电源的负极；控制溶液温度处于20-40℃，启动电源并采用恒压控制，保持正向电流密度处于2-10A/dm²，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于1-6A/dm²，然后维持正负向电流密度不变，当正向电压升至520-580V时，断开电源，取出制动盘或制动鼓并清洗干净；在制动盘或制动鼓表面形成的耐磨层的膜厚为40-60um；

对制动盘或制动鼓工作表面进行打磨抛光，即得到轻质耐磨的制动盘、制动鼓。

所述制动盘的吊装装置包括纵截面为倒U型的吊装板，上部为吊装部，下部开口处两端向外折弯成与制动盘连接的连接部，所述吊装部向上穿过制动盘的安装孔而凸出、供吊装用，所述连接部紧贴在制动盘中部非工作面的下表面；制动盘两工作面之外分别平行间隔设置一块不锈钢阴极，而在不锈钢阴极与相邻的制动盘中部非工作面之间夹有尼龙绝缘垫块，使得不锈钢阴极与制动盘之间的最小距离不小于10mm，且制动盘外围上表面的A工作面和下表面的B工作面与各自相邻的不锈钢阴极之间距离相等；每个尼龙螺栓穿过两块不锈钢阴极、两块尼龙绝缘垫块、连接部和制动盘，而将吊装板的连接部紧压在制动盘的表面并固定；不锈钢阴极电连接电源负极。

所述制动鼓的吊装装置包括纵截面为梯形或倒U型的铝合金吊装板，上部为吊装部，下部开口处两端向外折弯成与制动鼓连接的连接部，所述吊装部向上穿过制动鼓的安装孔而凸出、供吊装用，所述连接部紧贴在制动鼓中部非工作面的下表面；制动鼓的内圆柱面内设置一个倒圆筒形的不锈钢阴极，不锈钢阴极外表面与制动鼓内表面之间距离均匀，且最小距离≥10mm；连接部下方设有尼龙绝缘垫块，尼龙螺栓穿过不锈钢阴极、尼龙绝缘垫块、连接部和制动鼓，而将吊装板的连接部与制动鼓压紧固定；不锈钢阴极电连接电源负极。

所述制动鼓的外表面为非工作表面，紧密套设一个硅胶保护套。

各溶质的配置浓度优选为10g/l Na₂SiO₃·5H₂O、8g/l Na₂B₄O₇、2g/l KF、3g/l CON₂H₄、5g/l C₆H₁₅NO₃、2g/l KOH。

优选参数为：控制溶液温度处于25-35℃，设置电源频率在100-200Hz、占空比为50％，保持正向电流密度处于5-6A/dm²，待正向电压升至400-410V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于3-4A/dm²，然后维持正负向电流密度不变。

当采用铝合金加工制动盘或制动鼓时，在制动盘或制动鼓表面形成的耐磨层的厚度处于40-50um间，耐磨层的主要成分为晶态α-Al₂O₃和晶态γ-Al₂O₃，制动盘或制动鼓表面的显微硬度达到Hv1500以上。

当采用镁合金加工制动盘盘体时，在制动盘盘体表面形成的耐磨层层的厚度处于50-60um间，耐磨层层的主要成分为晶态MgO、尖晶石和镁橄榄石，制动盘表面的显微硬度达到Hv1000以上。

步骤五具体为：将表面形成耐磨层的制动盘或制动鼓装夹于机床上，用400-800目的砂纸对其工作面进行打磨抛光，使工作面粗糙度达到Ra＝1.6um左右。

本发明还提供制动盘或制动鼓，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明首次创新采用锻造或铸造成型的高强铝合金、镁合金作为基体材料，加工成制动盘或制动鼓，并创新地在其表面原位生成致密的耐磨层，该耐磨层与基体材料结合强度高，具有优良的冲击韧性、疲劳强度和良好的耐磨性能，可大幅提高车辆的刹车安全性。

1)目前车辆制动盘或制动鼓的材料主要为灰铸铁，其密度为7.2-7.3g/cm³，抗拉强度要求大于250MPa，而本发明所提供的制动盘或制动鼓采用7A04或其它高强铝合金制作，7A04在挤压态的抗拉强度为568MPa，屈服强度为539MPa，密度仅为2.85g/cm³，因此本发明所制备的制动盘或制动鼓强度远大于传统制动盘和制动鼓，且重量大幅减小，从而提高了刹车性能，并降低了整车能耗。

2)本发明所提供的制动盘或制动鼓采用铝合金、镁合金基材，其比热容大于灰铁，导热率也比灰铁大得多，所以本发明所提供的制动盘或制动鼓散热性能良好，可大幅降低连续刹车时制动盘或制动鼓的温度，有效降低刹车系统故障几率，提高了车辆制动安全性能。

3)本发明利用制动盘或制动鼓基材表面在高压条件下产生火花放电现象，使放电处温度瞬间达到数千度，零件表面金属在高温下熔化，并与电解产生的氧气发生剧烈反应形成熔融态的氧化物，随着电火花的熄灭，金属及氧化物迅速冷却凝固形成晶态的氧化物耐磨层，由于经历了高温烧结，因此形成的耐磨层与基体金属呈冶金结合，结合强度很高，本发明形成于制动盘或制动鼓表面的耐磨层物质为如α-Al₂O₃等晶体形态，具有很高的硬度和化学稳定性，因此本发明所制备的制动盘或制动鼓具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，克服了铸铁盘易磨损、易生锈的缺点，使用寿命长。

综上，本发明所制备的制动盘或制动鼓相对于传统制动盘或制动鼓具有高强度、高散热性、高耐磨耐腐性、重量轻等独特优点，安装于车辆上能够大幅提高车辆的刹车安全性能，并降低了整车能耗，同时所述制动盘或制动鼓的制备工艺简单，可广泛推广应用于各类车型制动盘或制动鼓的制备技术中，市场前景广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步地详细说明。

图1为实施例1的铝合金制动盘与工装装配示意图。

图2为实施例2的铝合金制动鼓与工装装配示意图。

图3为实施例4的铝合金制动鼓与工装装配示意图。

具体实施方式

本发明各实施例的参数及得到的结果如表一所示。

表一

实施例1

本实施例采用7A04铝合金制备了如图1所示的制动盘。技术参数如表一中实施例1对应数据所示。所采用的7A04铝合金为高强铝合金，在挤压态的抗拉强度为568MPa，屈服强度为539MPa，密度为2.85g/cm³。

(1)制动盘加工

依据锻造工艺进行7A04铝合金毛坯锻造，对锻好的毛坯进行固溶、时效处理，按照图纸进行机械加工。

(2)吊装

将步骤(1)得到的制动盘用专用工装进行装夹。如图1所示，所述制动盘1的吊装装置包括梯形或倒U型的铝合金吊装板3，图中是倒U形的，上部为吊装部31，下部开口处两端向外折弯成连接部32，所述吊装部31向上穿过制动盘的安装孔11而凸出、供吊装用，所述连接部32则紧贴在制动盘中部非工作面的下表面；制动盘两面之外分别平行间隔设置一块不锈钢阴极5，而在每块不锈钢阴极5与相邻的制动盘中部非工作面之间夹有尼龙绝缘垫块4，使得不锈钢阴极5与制动盘1之间的最小距离为15mm(须保证不小于10mm)，且制动盘外围上表面的A工作面和下表面的B工作面与各自相邻的不锈钢阴极5之间距离相等，这样才能保证A、B两平面上膜层生长均匀；每个尼龙螺栓4穿过两块不锈钢阴极5、两块尼龙绝缘垫块4、连接部32和制动盘，而将吊装板3的连接部紧压在制动盘1的表面并固定。

用导线通过铝合金吊装板3电连接制动盘确保吊装板与导线连接牢固、导通。

(3)溶液配制

分别称取10kg Na₂SiO₃·5H₂O、8kg Na₂B₄O₇、2kg KF、3kg CON₂H₄、5kg C₆H₁₅NO₃、2kg KOH加入1000升去离子水中，置于不锈钢槽内，搅拌至溶质完全溶解。

(4)制动盘表面耐磨层制备

本发明采用非对称双极性脉冲电源。将与工装装配好的制动盘吊装放入溶液中，连接制铝合金吊装板3的导线紧密电性连接不锈钢槽上方的阳极杆，阳极杆连接电源正极；不锈钢阴极5接电源负极。开启溶液冷却系统，设定溶液温度范围为25-35℃。设置电源参数为：频率100Hz，占空比50％，选择恒压控制模式，启动电源，保持正向电流密度6A/dm2，待正向电压升至410V时，开始加载负向电压，使负向电流密度达到4A/dm²，此后维持正负向电流密度不变，在此过程中利用制动盘表面火花放电瞬间产生数千度高温，使制动盘表面金属在高温下熔化并与水电解所产生氧气发生剧烈反应形成熔融态氧化物，随着电火花的熄灭，制动盘金属及表面的氧化物迅速冷却凝固，从而在制动盘盘体表面形成α-Al₂O₃等晶体形态的氧化物耐磨层，随着制动盘表面耐磨层的形成，正向电压开始上升，当正向电压升至538V时，断开电源，此时预计制动盘表面耐磨层厚度处于40-50um间，其显微硬度达到Hv1500以上，取出制动盘，拆卸工装，用水清洗干净。经检测，得到的制动盘表面耐磨层厚度处于48um，其显微硬度达到Hv1650。

(5)抛光

将处理好的制动盘装夹于机床上，用600目砂纸对制动盘工作面进行抛光，使工作面粗糙度达到Ra＝1.6um，停止机器，拆卸制动盘。

这样就得到了本实施例1的铝合金制动盘。

实施例2

本实施例2先加工出了如图2所示的铝合金制动鼓7，制动鼓的工作面(需要耐磨的表面)为制动鼓7的内圆柱面。

为了吊装图2所示的制动鼓7，其吊装装置包括纵截面为梯形的铝合金吊装板3，或倒U型的铝合金吊装板也可以，吊装板的上部为吊装部31，下部开口处两端向外折弯成与制动盘连接的连接部32，所述吊装部31向上穿过制动鼓的安装孔71而凸出、供吊装用，所述连接部32紧贴在制动鼓中部非工作面的下表面；制动鼓的内圆柱面内设置一个倒圆筒形的不锈钢阴极5，不锈钢阴极5外表面与制动盘1内表面之间距离均匀，且最小距离≥10mm；连接部32下方设有尼龙绝缘垫块4，尼龙螺栓2穿过不锈钢阴极5、尼龙绝缘垫块4、连接部32和制动鼓，而将吊装板3的连接部与制动鼓7压紧固定。

所述制动鼓7的外表面为非工作表面，紧密套设一个硅胶保护套6，用于保护制动鼓表面不需要耐磨处理的表面，以降低处理成本。

制备耐磨层的方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例2对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。

实施例3

MB25镁合金制动盘的制备。MB25为高强度镁合金。

(1)制动盘加工

本实施例3的制动盘的结构与实施例1相同，依据锻造工艺进行MB25镁合金毛坯锻造，按照图纸进行机械加工。

(2)吊装

将将步骤(1)得到的制动盘进行装夹，同实施例1相同，并用导线通过铝合金吊装板3连接制动盘基体，确保基体与导线连接牢固、导通。

(3)溶液配制

分别称取10kg Na₂SiO₃·5H₂O、2kg Na₂B₄O₇、5kg KF、3kg CON₂H₄、5kg C₆H₁₅NO₃、3kg KOH加入1000升去离子水中，置于不锈钢槽内，搅拌至溶质完全溶解。

(4)制动盘表面耐磨层制备

采用非对称双极性脉冲电源。将与工装装配好的制动盘吊装放入溶液中，通过铝合金吊装板3连接盘基体的导线电性连接不锈钢槽上方的阳极杆，阳极杆连接电源正极，不锈钢阴极5接电源负极。开启溶液冷却系统，设定溶液温度范围为25-35℃。设置电源参数为：频率200Hz，占空比50％，选择恒压控制模式，启动电源，保持正向电流密度5A/dm²，待正向电压升至400V时，开始加载负向电压，使负向电流密度达到3A/dm²，此后维持正负向电流密度不变，处理过程中的现象与铝合金制动盘处理时类似，而在制动盘盘体表面形成的则是MgO、尖晶石等晶体形态的氧化物耐磨层，随着制动盘表面耐磨层的形成，正向电压开始上升，当正向电压升至556V时，断开电源，此时预计制动盘表面耐磨层厚度处于50-60um间，显微硬度达到Hv1000以上，取出制动盘，拆卸工装，用水清洗干净。经检测，得到的制动盘表面耐磨层厚度处于57um，其显微硬度达到Hv1160。

(5)抛光

将处理好的制动盘用专用工装装夹于机床上，用600目砂纸对制动盘工作面进行抛光，使工作面粗糙度达到Ra＝1.6um，停止机器，拆卸制动盘。

该实施例采用的高强度镁合金，密度为1.8g/cm³左右，仅是灰铁密度的四分之一，用来替代传统铸铁材料制备制动盘，使得制动盘重量大幅减小，降低了整车能耗。另外镁合金比热容远大于灰铁，导热率也比灰铁大得多，散热性能良好，可大幅降低连续刹车时制动盘的温度，有效降低刹车系统故障几率，提高车辆安全性能。同时由于经历了高温烧结，因此制动盘盘体上形成的耐磨层与盘体金属呈冶金结合，结合强度很高，所形成的耐磨层具有很高的硬度和化学稳定性。因此本发明所制备的制动盘具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，避免了铸铁制动盘易磨损、易生锈的缺点，可推广应用于各类车型的转动技术领域。

实施例4

铝合金制动鼓的结构与实施例2相同，工装也可参照图2所示。工装不同的是，本实施例4中不采用硅胶保护套6，使得整个制动鼓的表面都做处理，这有利于提高制动鼓的耐蚀性。

制动鼓上耐磨层的形成与实施例3大致相同，所不同的是采用表一所示实施例4对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例4对应的数据所示，不再赘述。

本发明具体实施方式中铝合金牌号为7A04，镁合金牌号为MB25，也可以为其它高强度铝、镁合金，且本发明也可以采用铸造铝合金，只要强度满足要求即可。