刹车盘及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的刹车盘及其制备方法，尤其涉及一种具有梯度复合涂层刹车盘及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的梯度复合涂层刹车盘及其制备方法。
【背景技术】
[0002]刹车盘是所有车辆制动系统必备的零部件，它固定在车轴上与车轮一起转动，刹车时，制动块在钳夹活塞的推动下挤压到制动盘上，通过制动块与刹车盘间的摩擦力来降低车轮转速，达到车辆减速制动的目的。随着车辆的加速，刹车盘将承受制动块的压力和摩擦力增大，在与制动块的相对运动中产生磨损，特别在工作面上有砂石等杂物的时，磨损更为严重，极大地缩短刹车盘的使用寿命。因此制作刹车盘的材料既要有较高的机械强度，又要有很好的耐磨性。
[0003]目前常见的刹车盘有可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁等单一材质，虽然强度上满足工况要求，但耐磨性太差，一般十万公里左右就要更换，有的甚至因为刹车盘长期磨损后厚度不足，导致制定失灵酿成交通事故。最新研制的碳纤维陶瓷复合刹车盘散热好，重量超轻，耐磨性卓越，理论上使用寿命可达几十万公里，是铸铁刹车盘平均寿命的几倍，但其制备工艺精细而复杂，价格高不可攀，仅可适用于航空及航天工程领域。作为汽车这种非常大众化的消耗品来说，还需开发新的廉价高性能刹车盘，既能满足强度、塑韧性和耐磨性的要求，又成本低廉，制备工艺简单，适合大规模定型生产。
[0004]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。其中TiC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:
[0005](I)具备密度低、强度高、弹性模量高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优异的综合性能；
[0006](2)其颗粒一般呈圆球状，其晶格结构为面心立方结构，具有很高的热稳定性和硬度；
[0007](3)便于切削加工、焊接、锻造，并且加工过程热变形小，且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。
[0008]因此，TiC涂层被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0009]目前金属材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0010]因此如何在刹车盘工作表面获得TiC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0011]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种复合刹车盘，其工作部位的表面具有一种耐磨涂层，而盘体仍为碳钢基体，该耐磨涂层为TiC致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合刹车盘的制备方法。
[0012]进一步地，本发明还提供一种刹车盘，其制动片表面具有一种梯度复合涂层，其优选被涂覆于刹车盘制动片表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0013]所述刹车盘，在其盘体工作部位具有耐磨涂层。该涂层有利保证刹车盘制动片表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而盘体内部具有很好的韧性。
[0014]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0015]一种刹车盘，在其刹车盘制动片表面具有耐涂层，该耐磨涂层为TiC致密陶瓷层；优选地，TiC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0016]更优选地，沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-200 μ m，优选为100-200 μ m，更优选为120-200 μm ;优选的，其中TiC的体积分数大于80%，优选大于90%;优选的，TiC粒径为8-50 μ m，优选为10-50 μ m。
[0017]此外，本发明还提供一种刹车盘，在其刹车盘制动片表面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层、TiC与基体的融合层。
[0018]优选地，TiC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0019]更优选地，沿TiC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-200 μ m，优选为100-200 μ m，更优选为120-200 μm ;优选的，其中TiC的体积分数大于80%，优选大于90%;优选的，TiC粒径为8-50 μ m，优选为10-50 μ m。
[0020]进一步优选地，沿微米TiC陶瓷层纵向剖面，其厚度为50_150μπι，优选为70-150 μ m，更优选为80-150 μ m ;其中TiC的体积分数大于80%，优选大于90%，其粒径为
5-15 μ m，优选为 6-12 μ m，优选为 8-10 μ m。
[0021]更进一步优选地，沿TiC与基体的融合层纵向剖面，其厚度为50-200 μ m，优选为100-200 μ m ;其中TiC的体积分数为20-80 %，优选为50-85 %，其粒径为1_10 μπι，优选为2-8 μ m0
[0022]优选地，梯度复合涂层总厚度为170-550 μ m ;优选在300-550 μ m。
[0023]更优选地，盘体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
[0024]本发明提供一种表面具有耐磨涂层的刹车盘制动片制备方法，包括如下步骤:
[0025]I)先准备一钛板，优选地，其中钛的纯度应控制在99.7-99.99%;钛板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述钦板先被加以表面处理；
[0026]2)按照刹车盘尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作刹车盘消失模，根据刹车盘的工作受力状况，其主要磨损的部位是刹车盘制动片的上、下两个表面，据此将钛板固定在刹车盘制动片的上、下两个表面，然后在钛板表面固定石墨纸，使其与钛板紧密结合。所述石墨纸为三级以上，纯度99 %，厚度为0.1-0.35mm。其中所述刹车盘直径325mm，盘体高度为85mm，刹车盘制动片厚度为20mm ；
[0027]3)按照刹车盘尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0028]4)将碳钢基材冶炼为钢液，温度控制在1610°C -1630°C ;
[0029]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有刹车盘消失模、钛板和碳源的砂型内，待钢液冷却后，取出铸件，清砂处理，获得刹车盘盘体为碳钢基体，制动片表面为碳钢与钛板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C _1630°C;更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补饶；优选地，室温冷却；
[0030]6)将浇铸完得到的刹车盘复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在刹车盘制动片表面形成耐磨涂层，而盘体仍为碳钢基体。
[0031]其中，耐磨涂层为TiC致密陶瓷层。
[0032]优选地，通过控制保温时间、保温温度获得该TiC致密陶瓷层；优选地，TiC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0033]本发明还提供一种制动片表面具有梯度复合涂层的刹车盘的制备方法，包括如下步骤:
[0034]I)先准备一钛板，优选地，其中钛的纯度应控制在99.7-99.9%，所述钛板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述钛板先被加以表面处理；
[0035]2)按照刹车盘尺寸，用聚苯乙烯泡沫塑料制作刹车盘消失模，根据刹车盘的工作受力状况，其主要磨损的部位是刹车盘制动片的上、下两个表面，据此将钛板固定在刹车盘制动片的上、下两个表面，然后在钛板表面固定石墨纸，使其与钛板紧密结合。所述石墨纸为三级以上，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm，所述钛板厚度为0.2_3mm。其中所述刹车盘直径325mm，盘体高度为85mm，刹车盘制动片厚度为20mm ；
[0036]3)按照刹车盘尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0037]4)将碳钢基材冶炼为钢液，优选的，温度控制在1610°C -1630°C
[0038]5)采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入放置有刹车盘消失模、钛板和碳源的砂型内，待钢液冷却后，取出铸件，清砂处理，获得刹车盘盘体为碳钢基体，制动片表面为碳钢与钛板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610°C _1630°C;更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补饶；优选地，室温冷却；
[0039]6)将浇铸完得到的刹车盘复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在刹车盘制动片表面形成耐磨涂层，而盘体仍为碳钢基体。
[0040]7)所得的具有梯度复合涂层的刹车盘被进一步热处理以获得更合适的基体组织。
[0041]优选地，钛板厚度为0.2-3mm ;若小于0.2mm，则钛板在饶注复合过程中就已经完全反应，不能获得TiC组织，直接生成弥散分布TiC ;超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
[0042]优选地，通过严格控制步骤6)中保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相TiC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0043]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相TiC致密陶瓷层、微米TiC陶瓷层、TiC与基体的融合层。
[0044]更优选地，上述步骤6)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
[0045]L = kTlogt1/2+b0
[0046]其中:
[0047]L——准单晶相TiC致密陶瓷层厚度(μ m)，
[0048]k 是常数，取值为0-1，k O,
[0049]T——保温温度⑷，
[0050]t 保温时间(S)，
[0051]b0——初始厚度(μ m)，即钢液浇注后与钛板之间形成的复合层的厚度。
[0052]综上，所述梯度复合涂层，包括TiC致密陶瓷层，硬度高。所述TiC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序，呈现出几何排列；晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序。准单晶相介于多晶相与