專利名稱：具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于車輛上的具有高摩擦系數(shù)、耐磨、抗熱疲勞制動(dòng)鼓。
背景技術(shù)：
利用運(yùn)動(dòng)表面相接觸時(shí)所產(chǎn)生的摩擦阻力達(dá)到減速或中止運(yùn)動(dòng)目的的裝置稱為摩擦制動(dòng)器或機(jī)械制動(dòng)器。制動(dòng)摩擦過(guò)程中制動(dòng)鼓的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)組織是影響摩擦副特性和工作可靠性的重要因素之一。以汽車制動(dòng)鼓為例，要求制動(dòng)鼓有良好的摩擦性能，受環(huán)境影響小，包括低溫(＜0℃)、高溫(500～600℃)、潮濕(路面積水)、或高或低的制動(dòng)初速度、制動(dòng)減速度、偶爾連續(xù)多次的剎車等。汽車制動(dòng)鼓的這些特性，都與制動(dòng)時(shí)接口上的摩擦層有很大的關(guān)系。一般認(rèn)為，既能有效的降低磨損又可提高摩擦系數(shù)的途徑是設(shè)計(jì)一種制動(dòng)鼓，其表面應(yīng)具有高摩擦系數(shù)、耐磨及抗熱疲等性能。
從提高安全可靠性考慮，希望提高制動(dòng)鼓的摩擦系數(shù)，尤其在高溫下仍能保持較高的摩擦系數(shù)，即有足夠的制動(dòng)摩擦力矩。但一般來(lái)說(shuō)摩擦系數(shù)越高，摩擦產(chǎn)生的剪切阻力越大，表層所受的剪切應(yīng)力也越大，因此摩擦面材料的流失或破壞會(huì)越嚴(yán)重，產(chǎn)生的磨損越大，使用壽命也越短。因此摩擦與磨損是摩擦過(guò)程中即相關(guān)有矛盾的兩個(gè)方面，對(duì)剎車材料來(lái)說(shuō)，需要有一定的摩擦阻力而又不致引起過(guò)大的磨損。在國(guó)內(nèi)外，改善制動(dòng)鼓的熱疲勞性能、提高材料摩擦系數(shù)同提高制動(dòng)鼓壽命一直是制動(dòng)研究者最關(guān)心的課題之一。近年來(lái)隨著人們對(duì)制動(dòng)鼓需求的提高，在改善制動(dòng)鼓單一性能方面也取得了一些有益探索，如添加合金元素，提高珠光體量，改善材質(zhì)等，但成本也相應(yīng)比以前有所提高，迄今為止還沒(méi)有一種方法能使這些性能同時(shí)得到改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決提高制動(dòng)鼓表面摩擦系數(shù)同降低制動(dòng)副磨損這一矛盾，通過(guò)仿生非光滑表面改性處理設(shè)計(jì)出一種可以同時(shí)提高制動(dòng)鼓表面摩擦系數(shù)、耐磨性及抗熱疲勞等性能的具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓。
仿生是未來(lái)新材料設(shè)計(jì)和制造的潛在的最有效途徑。生物體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)20億年物竟天擇的優(yōu)化，幾乎是完美無(wú)缺的。通過(guò)對(duì)生物體表非光滑形態(tài)理論的研究，導(dǎo)致仿生非光滑表面新型制動(dòng)材料設(shè)計(jì)思想的形成。
非光滑形態(tài)是通過(guò)對(duì)生物體材料的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能研究提出來(lái)的仿生新思想。通過(guò)對(duì)某些生物如蜣螂、海生貝類、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究發(fā)現(xiàn)，生物體表具有的耐磨、抗擠壓、抗裂紋等功能與其體表的非光滑形態(tài)有密切關(guān)系，這是生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化優(yōu)化，逐漸形成與生存環(huán)境相適應(yīng)的特征。
在對(duì)土壤動(dòng)物的研究中，發(fā)現(xiàn)土壤動(dòng)物出入于粘性較大的糞便和土壤，經(jīng)受磨損，能自由行動(dòng)，身體很少粘附糞便和泥土，這是因?yàn)閯?dòng)物體表有一定彈性，在外力作用下，體表可吸收能量，發(fā)生彈性變形。凹入部位易集留空氣，可減輕大氣負(fù)壓，從而降低體表與糞便和土壤之間的粘附，起到減粘脫附的作用。凸起部位較硬，除含有基體中的元素外，還含有一些其它元素，其作用主要是承受著糞便和土壤的擠壓與摩擦，抵抗磨損，。正是模仿土壤動(dòng)物體表的這種結(jié)構(gòu)，可顯著降低制動(dòng)鼓與摩擦襯片的粘附，提高制動(dòng)鼓表面耐磨性，，減少粘著磨損與磨粒磨損。
又如海螺表面，由許多凹凸不平，方向各異的層片交叉迭合而成，層片取向和凹凸度與貝殼表面的硬度、韌性分布密切相關(guān)。研究表明，此交叉層片結(jié)構(gòu)在阻止裂縫發(fā)展方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。再如昆蟲表皮，在顯微鏡下也是非光滑結(jié)構(gòu)，且體表的不同位置軟硬度各不相同，這在昆蟲表皮產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，該結(jié)構(gòu)為昆蟲提供了最輕便、最高強(qiáng)度和韌性的保護(hù)。該原理可有效提高制動(dòng)鼓表面抗熱疲勞性，減少熱疲勞磨損，抵御熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。
在運(yùn)用以上原理的基礎(chǔ)上，制備出仿生非光滑表面新型制動(dòng)材料。在制動(dòng)鼓表面加工具有仿生非光滑功能的單元體，這些單元體規(guī)則或隨機(jī)分布，具有一定幾何形狀，組織結(jié)構(gòu)和母體相區(qū)別，根據(jù)需要，單元體中相對(duì)于母體還可以出現(xiàn)化學(xué)成分的變化。該新型制動(dòng)鼓可顯著提高模具制動(dòng)鼓表面的摩擦系數(shù)、耐磨性及抗熱疲勞性。
本發(fā)明是基于上述思想按如下方案實(shí)現(xiàn)的一種具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于制動(dòng)鼓的工作面上分布有與基體表面呈0.15-0.5mm高度差的凸、凹單元體，該凸、凹單元體是凹坑或凸包、平行或網(wǎng)格狀條紋。
所述的凹坑或凸包單元體在制動(dòng)鼓(盤)表面上呈點(diǎn)陣式分布，其凸包底圓直徑或凹坑上口直徑為0.5-4mm，單元體間中心距為20-50mm。
所述的平行或網(wǎng)格狀條紋，其條紋寬度為0.3-3mm，條紋間中心距為10-40mm。
所述的凸、凹單元體與基體之間的硬度差為HB0-450。
所述凸、凹單元體內(nèi)含有合金元素Cr、Si、Mn、Mo、W、V、B與基體中對(duì)應(yīng)的元素含量差為Cr0.5-1％、Mn0.5-5％、Si0.1-1％、Mo0.5-5％、W0.5-5％、V0.5-10％、B0.01-0.1％。
本發(fā)明所采用的技術(shù)手段是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出制動(dòng)鼓表面上的非光滑單元體形態(tài)尺寸和分布規(guī)律，通過(guò)機(jī)械加工、激光、腐蝕、雕刻并結(jié)合噴涂、化學(xué)、物理、濺射、氣相沉積、鍍覆等方法，在制動(dòng)鼓表面加工出具有一定幾何形狀、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)有區(qū)別于基體材料的非光滑單元體。由于非光滑單元體的形態(tài)尺寸、分布規(guī)律、化學(xué)成分、以及加工后得到的組織結(jié)構(gòu)對(duì)提高制動(dòng)鼓表面摩擦系數(shù)、耐磨性及抗熱疲勞性有重要作用。最終得到高摩擦系數(shù)、高耐磨性、高抗熱疲勞性能的具有仿生非光滑形態(tài)的制動(dòng)鼓。
可在單元體中加入Cr、Mn、Si、Mo、V、W、B七種化學(xué)元素中的一種或幾種元素，使該元素在單元體中的含量高于基體材料，與基體材料形成化學(xué)成分含量差。
加入規(guī)則為對(duì)于非光滑單元體，欲提高其強(qiáng)韌性，可在單元體中加入Si、Mn、Cr元素；欲提高耐磨性，可加入Mo、V、W元素；欲提高其抗熱疲勞性可加入Cr、Mo、B元素。
本發(fā)明制造的制動(dòng)鼓達(dá)到的性能指標(biāo)為其使用壽命與具有相同基體材料的光滑表面制動(dòng)鼓比較，提高1.5-3倍，生產(chǎn)成本提高5％-15％，摩擦系數(shù)提高1倍，抗熱疲勞性有較大幅度的提高。
本發(fā)明制造的制動(dòng)鼓的有益效果是仿生非光滑表面可以顯著提高制動(dòng)鼓表面的摩擦系數(shù)，使制動(dòng)材料的耐磨性顯著提高，不易劃傷制動(dòng)鼓表面和與摩擦襯片產(chǎn)生嚴(yán)重粘著，擁有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，抗熱疲勞性能良好。通過(guò)對(duì)制動(dòng)鼓表面強(qiáng)化處理使其表面上形成凹凸不平、錯(cuò)落有致的仿生非光滑單元體，其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分可以保證制動(dòng)鼓的耐磨性、抗熱疲勞性都有顯著的提高。同時(shí)使制動(dòng)鼓表面與摩擦襯片間由面接觸變?yōu)辄c(diǎn)或線接觸，減低了摩擦副的結(jié)合力，從而減少制動(dòng)鼓的磨損，使用壽命與相同基體材料的光滑表面制動(dòng)鼓比較，提高1.5-3倍，摩擦系數(shù)提高1倍。該技術(shù)個(gè)性化特點(diǎn)強(qiáng)，可以針對(duì)不同的要求，選用不同形態(tài)、尺寸、分布規(guī)律的非光滑仿生圖案，從而獲得不同的性能。本發(fā)明同時(shí)具有加工簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是具有球冠狀凸包的非光滑表面制動(dòng)鼓的表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具有球冠狀凹坑的非光滑表面制動(dòng)鼓的表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是具有平行狀條紋的非光滑表面制動(dòng)鼓的表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是具有網(wǎng)格狀條紋的非光滑表面制動(dòng)鼓的表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是制動(dòng)鼓不同表面狀態(tài)對(duì)磨損量的影響比較試驗(yàn)結(jié)果圖；圖6是制動(dòng)鼓不同表面狀態(tài)對(duì)摩擦系數(shù)的影響比較試驗(yàn)結(jié)果圖；圖7是制動(dòng)鼓表面硬度與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖；圖8是制動(dòng)鼓硬度與磨損量的關(guān)系圖；圖9是溫度對(duì)不同表面形狀磨損量的影響關(guān)系圖；圖10是溫度對(duì)不同表面形狀摩擦系數(shù)的影響關(guān)系圖；圖11是制動(dòng)鼓表面通過(guò)激光加工生成的仿生非光滑單元體的顯微組織形態(tài)圖；圖12是激光加工高速鋼制動(dòng)鼓表面仿生非光滑單元體的顯微組織形態(tài)圖；圖13為仿生非光滑單元體能譜分析結(jié)果圖；圖14為熱疲勞裂紋在非光滑表面上擴(kuò)展的形貌顯微組織形態(tài)圖；圖15為熱疲勞主裂紋在3種不同表面試樣上的擴(kuò)展曲線(a-N曲線)圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1制造表面具有凸包非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D1，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成具有凸包型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，底圓直徑d為4mm，單元體圓心距s為50mm。制動(dòng)鼓材料為HT250灰鐵，摩擦系數(shù)為0.37，硬度為HB175。
加工后測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.67，硬度HB520，摩擦系數(shù)提高0.30，硬度提高HB345，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例2制造表面具有凹坑型非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D2，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成凹坑型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，凹坑上口直徑d為4mm，單元體圓心距s為50mm。制動(dòng)鼓材料為HT250灰鐵，摩擦系數(shù)為0.37，硬度為HB175。
加工后測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.67，硬度HB518，摩擦系數(shù)提高0.30，硬度提高HB343，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例3制造表面具有條紋型非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D3，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成條紋非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，寬度w為3mm，單元體中心距s為40mm，傾角α約45°。制動(dòng)鼓材料為HT250灰鐵，摩擦系數(shù)為0.37，硬度為HB175。
加工后測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.70，硬度HB532，摩擦系數(shù)提高0.33，硬度提高HB357，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.2倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高8％。
實(shí)施例4制造表面具有網(wǎng)格型非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D4，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成網(wǎng)格非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，寬度w為3mm，單元體中心距s為40mm，傾角α為0°(平行條紋)和90°(垂直條紋)交錯(cuò)分布。制動(dòng)鼓材料為HT250灰鐵，摩擦系數(shù)為0.37，硬度為HB175。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.73，硬度HB545，摩擦系數(shù)提高0.36，硬度提高HB370，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.5倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高10％。
實(shí)施例5制造表面具有凸包型非光滑形態(tài)的解放卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D1，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成凸包型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，底圓直徑為4mm，單元體圓心距為50mm。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.33，硬度為HB190。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.63，硬度HB535，摩擦系數(shù)提高0.30，硬度提高HB345，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例6制造表面具有凹坑型非光滑形態(tài)的解放卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D2，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成凹坑型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，凹坑上口直徑為4mm，單元體圓心距為50mm。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.33，硬度為HB190。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.63，硬度HB532，摩擦系數(shù)提高0.30，硬度提高HB342，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例7制造表面具有條紋型非光滑形態(tài)的解放卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D3，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成條紋型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，寬度為3mm，單元體中心距為40mm，傾角α約45°。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.33，硬度為HB190。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.68，硬度HB548，摩擦系數(shù)提高0.35，硬度提高HB358，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.2倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高8％。
實(shí)施例8制造表面具有網(wǎng)格型非光滑形態(tài)的解放卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D4，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成網(wǎng)格型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的凹凸度為0.5mm，寬度為3mm，單元體中心距為40mm，傾角α為0°(平行條紋)和90°(垂直條紋)交錯(cuò)分布。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.33，硬度為HB190。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.70，硬度HB562，摩擦系數(shù)提高0.37，硬度提高HB372，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.5倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高10％。
實(shí)施例9制造表面具有凸包型非光滑形態(tài)的捷達(dá)轎車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D1，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成凸包型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.15mm，底圓直徑為0.5mm，單元體圓心距為20mm。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.32，硬度為195。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.62，硬度HB539，摩擦系數(shù)提高0.30，硬度提高HB344，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例10制造表面具有凹坑型非光滑形態(tài)的捷達(dá)轎車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D2，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成凹坑型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.15mm，凹坑上口直徑為0.5mm，單元體圓心距為20mm。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.32，硬度為195。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.61，硬度HB536，摩擦系數(shù)提高0.29，硬度提高HB341，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高5％。
實(shí)施例11制造表面具有條紋型非光滑形態(tài)的捷達(dá)轎車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D3，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成條紋型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.15mm，寬度為0.3mm，單元體中心距為10mm，傾角α約45°。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.32，硬度為195。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.65，硬度HB552，摩擦系數(shù)提高0.33，硬度提高HB357，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.2倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高8％。
實(shí)施例12制造表面具有網(wǎng)格非光滑形態(tài)的捷達(dá)轎車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D4，用激光在制動(dòng)鼓表面加工成網(wǎng)格型非光滑表面，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.15mm，寬度0.3mm，，單元體中心距為10mm。傾角α為0°(平行條紋)和90°(垂直條紋)交錯(cuò)分布。制動(dòng)鼓材料為HT200鑄鐵，摩擦系數(shù)為0.32，硬度為195。
加工后經(jīng)測(cè)試非光滑單元體各項(xiàng)指標(biāo)分別為摩擦系數(shù)0.68，硬度HB569，摩擦系數(shù)提高0.36，硬度提高HB374，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.5倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高10％。
實(shí)施例13制造表面具有凸包非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D1，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，底圓直徑為4mm，單元體圓心距為50mm?；w材料中含Cr0.3％，V0.3％，Si1.8％，Mn0.8％，利用噴粉裝置，合金涂敷、激光熔滲技術(shù)將合金元素熔入單元體，涂敷合金混合物含4.5％金屬M(fèi)n，1.7％金屬Cr，5.9％V-Fe粉，38.6％Mo-Fe粉，涂敷合金厚度為0.03mm，燒損率為5％，處理后單元體中增加了5％Mo，0.1％Cr，V、Mn元素含量分別提高到0.5％、1.3％，Mo、Cr、V、Mn元素含量差分別為5％，0.1％，0.5％，0.5％，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.6倍，處理仿生非光滑表面的成本僅提高12％。
實(shí)施例14
制造表面具有凹坑非光滑形態(tài)的重型卡車制動(dòng)鼓。
參照?qǐng)D2，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.5mm，凹坑上口直徑為4mm，單元體圓心距為50mm?；w材料中含Cr0.3％，Si1.8％，Mn0.8％，V0.3％，利用噴粉裝置、合金涂敷、激光熔滲技術(shù)向單元體中熔入合金元素，由4.7％金屬Cr，14.8％Si-Fe粉，14.4％金屬M(fèi)n，39.2％V-Fe粉組成的混合物，涂敷合金厚度為0.08mm，燒損率為5％，處理后單元體中Si、V、Cr、Mn元素含量分別增加到1.9％，10％，1.3％，5.8％，Si、V、Cr、Mn元素含量差分別為0.1％，10％，1％，5％，在同樣工作條件下，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.6倍，處理仿生非光滑表面的成本僅提高12％。
實(shí)施例15制造表面具有條紋非光滑形態(tài)的解放卡車制動(dòng)鼓參照?qǐng)D3，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.3mm，寬度為4mm，單元體中心距為40mm?；w材料中含Si1.9％，Mn0.8％，Cr0.3％，利用噴粉裝置、合金涂敷、激光熔滲技術(shù)將合金元素熔入單元體，涂敷合金混合物含3.8％Mo-Fe粉0.2％B-Fe粉，20.3％W-Fe粉，，涂敷合金厚度為0.03mm，燒損率為5％，處理后單元體中增加了0.5％Mo，5％W，0.01％B，Mo元素含量差為0.5％，W元素含量差為5％，B元素含量差為0.01％，在同樣條件下，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑制動(dòng)鼓提高1.8倍，而處理仿生非光滑表面的成本僅提高12％。
實(shí)施例16制造表面具有網(wǎng)格非光滑形態(tài)的捷達(dá)轎車制動(dòng)鼓參照?qǐng)D4，非光滑單元體與制動(dòng)鼓基體表面之間的高度差為0.3mm，寬度為4mm，單元體中心距為40mm?；w材料中含Cr0.5％，V0.3％，Si1.7％，Mn0.8％，利用噴粉裝置、合金涂敷、激光熔滲技術(shù)將合金元素熔入單元體，涂敷合金混合物含2.6％W-Fe粉，57.2％Si-Fe粉，2％B-Fe粉，涂敷合金厚度為0.07mm，燒損率為5％，處理后單元體中增加了0.1％B，W、Si含量分別為0.5％、2.7％，B元素含量差為0.1％，W元素含量差為0.5％，Si元素含量差為1％，在相同條件下，具有仿生非光滑表面制動(dòng)鼓的使用壽命比相同基材的光滑表面制動(dòng)鼓提高1.8倍，而處理仿生非光滑表面的成本提高12％。
通過(guò)對(duì)制動(dòng)鼓仿生非光滑單元體的微觀分析和檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分同基體明顯區(qū)別。根據(jù)仿生學(xué)的基本原理可知，非光滑表面上凹凸不平、錯(cuò)落有致的仿生形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分使摩擦副之間由面接觸變?yōu)辄c(diǎn)或線接觸，起到降低粘附、承受擠壓與摩擦、抵抗磨損、減少熱疲勞磨損，抵御熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展的作用。因此，以仿生理論為基礎(chǔ)所研制的非光滑制動(dòng)鼓可以保證制動(dòng)材料表面的摩擦系數(shù)、耐磨性及抗熱疲勞性明顯提高。從而在保證制動(dòng)材料具有足夠高的摩擦系數(shù)的前提下耐磨性也有顯著的提高。以下是非光滑表面單元體的表面形態(tài)，硬度，以及溫度同磨損量與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系圖。(參照?qǐng)D5-圖10)
圖11是制動(dòng)鼓表面通過(guò)激光加工生成的仿生非光滑單元體的顯微組織形態(tài)?？梢?jiàn)處理區(qū)晶體顆粒度明顯變化，下部未處理區(qū)組織顆粒度為6級(jí)，而上部處理區(qū)達(dá)到11-12級(jí)。晶粒細(xì)化為使強(qiáng)度提高而不犧牲韌性，甚至使韌性略有提高的強(qiáng)化方式，激光處理后的顆粒更細(xì)小、碎化，并且比常規(guī)熱處理具有更高的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目，不僅強(qiáng)度有極大的提高，而且韌性也有較大提高。所以這類組織有利于耐磨性、熱疲勞抗力的提高。
圖12是激光加工高速鋼制動(dòng)鼓表面仿生非光滑單元體的顯微組織形態(tài)。處理層內(nèi)可見(jiàn)合金元素及碳化物均勻分布，晶體顆粒度由原來(lái)的7級(jí)細(xì)化為10-11級(jí)，其耐磨性、抗熱疲勞性提高。
圖13為仿生非光滑單元體能譜分析結(jié)果。它說(shuō)明了合金元素及碳在單元體中分布的情況。經(jīng)仿生非光滑制備技術(shù)，合金元素均勻溶入仿生非光滑單元體，在單元體中形成固熔體、化合物或多相共存。通過(guò)控制單元體化學(xué)成分使之與基體化學(xué)成分之間形成不同的濃度梯度，從而獲得與基體不同的機(jī)械性能，使得非光滑制動(dòng)鼓表面的耐磨性、抗熱疲勞性、抗粘附性提高。例如圖中Cr、Mn、Si等元素為形成細(xì)小、彌散分布的第二相粒子提供必要的成分條件。運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)遇到滑移面上的第二相粒子時(shí)，或切過(guò)，或繞過(guò)，滑移變形才能繼續(xù)進(jìn)行，這一過(guò)程無(wú)疑要消耗額外的能量，造成強(qiáng)化。Mo元素對(duì)第二相或其它溶質(zhì)原子在晶界偏聚有抑制作用，這樣使裂紋難于在晶界形成并擴(kuò)展，提高表面的韌性等。
圖14為熱疲勞裂紋在非光滑表面上擴(kuò)展的形貌，發(fā)現(xiàn)仿生非光滑單元體有阻斷裂紋擴(kuò)展的作用。在疲勞裂紋同單元體結(jié)合處，裂紋無(wú)法穿過(guò)仿生非光滑單元體，或者在單元體處終止，或者從單元體邊繞過(guò)，裂紋出現(xiàn)多條分岔，擴(kuò)展的路徑也變得更加曲折，它反映了裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中受到更大的阻礙，從而不得不經(jīng)常改變方向，這也說(shuō)明仿生非光滑單元體具有更大的熱疲勞抗力，裂紋要擴(kuò)展，必須消耗更多的能量。具有一定分布規(guī)律的非光滑單元體如同樁釘一樣釘扎于模具表面，有效阻滯熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，使制動(dòng)鼓表面整體的抗熱疲勞性能顯著提高。
圖15為熱疲勞主裂紋在3種不同表面試樣上的擴(kuò)展曲線(a-N曲線)。光滑表面試樣在循環(huán)1600-1800次之間出現(xiàn)熱疲勞裂紋，裂紋長(zhǎng)為1mm。平行間隔4mm條紋試樣比光滑表面試樣裂紋出現(xiàn)較晚，在循環(huán)2200-2400次之間，裂紋長(zhǎng)為0.8mm。平行間隔2mm條紋試樣表面從始至終未出現(xiàn)裂紋。這說(shuō)明非光滑表面試樣較光滑表面試樣有較高的裂紋萌生的抗力，從而有較高的熱疲勞壽命。光滑表面試樣的L-N曲線斜率較大，說(shuō)明其裂紋擴(kuò)展速度較快，這和試樣表面上的裂紋分布基本一致。
權(quán)利要求
1.一種具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于制動(dòng)鼓的工作面上分布有與基體表面呈0.15-0.5mm高度差的凸、凹單元體，該凸、凹單元體是凹坑或凸包、平行或網(wǎng)格狀條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于所述的凹坑或凸包單元體在制動(dòng)鼓(盤)表面上呈點(diǎn)陣式分布，其凸包底圓直徑或凹坑上口直徑為0.5-4mm，單元體間中心距為20-50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于所述的平行或網(wǎng)格狀條紋，其條紋寬度為0.3-3mm，條紋間中心距為10-40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于所述的凸、凹單元體與基體之間的硬度差為HB 0-450。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓，其特征在于所述凸、凹單元體內(nèi)含有合金元素Cr、Si、Mn、Mo、W、V、B與基體中對(duì)應(yīng)的元素含量差為Cr0.5-1％、Mn0.5-5％、Si0.1-1％、Mo0.5-5％、W0.5-5％、V0.5-10％、B0.01-0.1％。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于車輛上的具有高摩擦系數(shù)、耐磨、抗熱疲勞制動(dòng)鼓，特別是一種具有仿生非光滑表面的制動(dòng)鼓。其特征是制動(dòng)鼓的工作面上分布有與基體表面呈0.15－0.5mm高度差的凸、凹單元體，該凸、凹單元體是凹坑或凸包、平行或網(wǎng)格狀條紋。本發(fā)明通過(guò)對(duì)制動(dòng)鼓表面強(qiáng)化處理使其表面上形成凹凸不平、錯(cuò)落有致的仿生非光滑單元體，其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分可以保證制動(dòng)鼓的耐磨性、抗熱疲勞性都有顯著的提高。同時(shí)使制動(dòng)鼓表面與摩擦襯片間由面接觸變?yōu)辄c(diǎn)或線接觸，減低了摩擦副的結(jié)合力，從而減少制動(dòng)鼓的磨損，使用壽命與相同基體材料的光滑表面制動(dòng)鼓比較，提高1.5－3倍，摩擦系數(shù)提高1倍。
文檔編號(hào)F16D65/10GK1644950SQ20041001135
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者周宏 , 任露泉, 王磊, 單宏宇, 張志輝, 宋起飛 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)