專利名稱：制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的鹽浴鐵素體氮碳共滲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的表面處理以便改進(jìn)工作特性，并 且更具體涉及鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子表面的氮碳共滲以便減輕轉(zhuǎn)子表面氧 化和腐蝕的影響。
背景技術(shù)：
制動(dòng)器轉(zhuǎn)子是多種類型的^L動(dòng)車輛的制動(dòng)系統(tǒng)的 一體部件。盤 式制動(dòng)器是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱的能量轉(zhuǎn)換裝置。盤式制動(dòng)器系統(tǒng)由 非旋轉(zhuǎn)摩擦材料和施力子系統(tǒng)以及與車輪一起旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子組 成。為了停止或減速車輛，摩擦材料子系統(tǒng)與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的制動(dòng)表 面(轉(zhuǎn)子頰板)嚙合以便由摩^寮生熱，由此將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱，并 由此減速車輪的旋轉(zhuǎn)。
一般來(lái)說(shuō)，制動(dòng)系統(tǒng)的性能，并且具體來(lái)說(shuō)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的性能 由轉(zhuǎn)子頰板的表面光潔度狀態(tài)決定到大的范圍。制動(dòng)器系統(tǒng)的正常 操作過(guò)程涉及產(chǎn)生高水平的摩搭、該摩擦轉(zhuǎn)而在轉(zhuǎn)子頰板表面產(chǎn)生 高溫。由外露于腐蝕性制劑(例如路鹽和水)引起的環(huán)境影響加重 了這些問(wèn)題。這些影響可以單獨(dú)或結(jié)合導(dǎo)致踏板震動(dòng)或者受腐蝕的 制動(dòng)表面。
制動(dòng)系統(tǒng)是鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的腐蝕和高溫氧化的活潑(aggressive) 環(huán)境。產(chǎn)生的氧化物優(yōu)選在正常制動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中剝落。氧化物剝落 產(chǎn)生局部高點(diǎn)，其形成轉(zhuǎn)子頰板表面的深溝或者劃痕。這些表面特 征可以在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生踏板震動(dòng)。
目前非常流行的開敞式車輪設(shè)計(jì)使旁觀者可以看見轉(zhuǎn)子制器表 面。由于這種氧化的感觀，正常情況下對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)操作無(wú)關(guān)緊要的 表面腐蝕就成了問(wèn)題。
已經(jīng)嘗試各種方法以便針對(duì)氧化和腐蝕改進(jìn)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子表面的
性能。富鋁涂料(例如B90涂層)可以涂到轉(zhuǎn)子上，但是容易在最 初的制動(dòng)器應(yīng)用過(guò)程中移除。陶瓷涂層和金屬板提供腐蝕保護(hù)，然 而這些具有負(fù)面的不希望的制動(dòng)特性。
氣態(tài)鐵素體氮碳共滲可以在沒有對(duì)制動(dòng)性能產(chǎn)生大的負(fù)面影響 的情況下提供耐用的抗腐蝕和:沆氧化擴(kuò)散表層(case)。然而，這種工 藝可能產(chǎn)生有問(wèn)題的幾何變形。此外，氣態(tài)鐵素體氮碳共滲可能包 括長(zhǎng)的周期時(shí)間。表層硬化技術(shù)(例如在鐵質(zhì)材料臨界溫度以上執(zhí) 行的傳統(tǒng)碳氮共滲)可以導(dǎo)致非常高的變形、長(zhǎng)的周期時(shí)間以及耐 腐蝕性能不是最佳的表層結(jié)構(gòu)。
因而，本領(lǐng)域一 直需要的是在不？ 1起例如厚度變化以及側(cè)向偏 出的變形的情況下產(chǎn)生提供抗腐蝕性和抗高溫氧化性的鑄鐵制動(dòng)器 轉(zhuǎn)子的鐵素體氮碳共滲表面處理的手段。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于產(chǎn)生鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的鐵素體氮碳共滲表面 處理的手段，以便由此提供抗氣化性并且不存在表層結(jié)構(gòu)變形。
根據(jù)本發(fā)明，雙鹽浴鐵素體氮碳共滲工藝用于處理鐵質(zhì)制動(dòng)器 轉(zhuǎn)子，其中這些處理的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子具有改進(jìn)的抗腐蝕和抗高溫氧化 屬性并且具有改進(jìn)的耐用性。本發(fā)明涉及在側(cè)向偏出以及厚度變化 的區(qū)域內(nèi)保持尺寸控制的同時(shí)進(jìn)行鹽浴鐵素體氮碳共滲的加工順序 以及固定方法。
基本工藝包括應(yīng)力消除或非應(yīng)力消除的精加工珠光體鑄鐵(鐵 質(zhì)材料)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的氮碳共滲。加工的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子首先在空氣中 預(yù)加熱到適度升高的溫度。隨后將制動(dòng)器轉(zhuǎn)子浸入(沉入)處于升
高但亞臨界溫度的熔融氮碳共滲鹽浴中第 一預(yù)定停留時(shí)間。在將制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子從氮碳共滲鹽浴取出后，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子直接浸入(沉入)處 于適度低于氮碳共滲鹽浴的溫度的氧化鹽浴，使得通過(guò)迅速冷卻到 氧化鹽浴溫度而對(duì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱退火。在氧化鹽浴中第二預(yù)定 停留時(shí)間后，將制動(dòng)器轉(zhuǎn)子從氧化鹽浴取出并通過(guò)施水熱退火或者 在空氣中緩慢冷卻而進(jìn)一步冷卻到室溫。
根據(jù)本發(fā)明，鹽浴鐵素體氮碳共滲是熱化學(xué)擴(kuò)散過(guò)程，其中珠 光體鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子浸入(沉入)升高但亞臨界溫度的氮碳共滲鹽。 這種升高的溫度保持在臨界溫度以下，臨界溫度是制動(dòng)器轉(zhuǎn)子材料 可以發(fā)生相變的溫度。結(jié)果的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生自由的氮和碳核素，這 兩種核素轉(zhuǎn)而擴(kuò)散到制動(dòng)器轉(zhuǎn)子表面內(nèi)并與其中的鐵結(jié)合，因而提
供由例如大約0.015毫米深且石更度例如相當(dāng)于大約至少HRC50的抗 磨損并提供腐蝕保護(hù)的淺復(fù)合區(qū)，以及大約0.15毫米深的下方擴(kuò)散 區(qū)組成的硬表層。鹽浴鐵素體氮碳共滲所特有的在升高溫度的氮碳 共滲鹽浴相對(duì)短的停留時(shí)間對(duì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的變形提供控制，這相對(duì) 其它(即，氣態(tài))氮碳共滲工藝是非常有利的。
本發(fā)明相對(duì)其它氮碳共滲技術(shù)所具有的另 一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是保 護(hù)鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子不受腐蝕的程度。這種保護(hù)是通過(guò)在從氮碳共滲鹽 浴取出后將它們浸入氧化鹽浴的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子處理產(chǎn)生的。氧化鹽浴 氧化鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子復(fù)合區(qū)的表面層，由此產(chǎn)生很大程度上改進(jìn)鑄 鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的耐磨屬性的抗氧化保護(hù)層。如圖1B所提到的，該層 組要由Fe304組成。
因而，本發(fā)明的目的是提供一種在鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生抗 腐蝕和抗高溫表層同時(shí)保持尺寸控制的手段。
通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例的后續(xù)說(shuō)明，本發(fā)明的上述以及附加目的、特 征以及優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚。
圖1A是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的珠光體鑄鐵鐵質(zhì)材料制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的雙
鹽浴鐵素體氮碳共滲形成的擴(kuò)散表層的表面結(jié)構(gòu)的顯微照片描述； 圖IB是圖1A的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的X射線衍射圖案，描述其最外表
面的相組成，特別指示了氧化鐵(Fe304 )的存在；
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的雙鹽浴鐵素體氮碳共滲
步驟的框圖3A是顯示作為制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在鐵素體氮碳共滲鹽浴中所用時(shí)間 的函數(shù)形式的復(fù)合區(qū)深度的曲線圖3B是顯示作為制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在鐵素體氮碳共滲鹽浴中所用時(shí)間
的函數(shù)形式的總氮擴(kuò)散深度的曲線圖4A是用于在放置在根據(jù)本發(fā)明的鐵素體氮碳共滲鹽浴過(guò)程中 支持單個(gè)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子支持器的側(cè)視圖4B是沿圖4A的線4B-4B的截面圖5是用于分組轉(zhuǎn)子支持器的固定設(shè)備的部分截面?zhèn)纫晥D，各 支持器成相互隔開的關(guān)系將制動(dòng)器轉(zhuǎn)子支撐在根據(jù)本發(fā)明的鐵素體 氮碳共滲鹽浴或氧化鹽浴中；
圖6是其線條(plot)顯示成品制動(dòng)器轉(zhuǎn)子和進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的 表面鐵素體氮碳共滲處理的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的磨損測(cè)試結(jié)果的曲線圖7是其線條顯示進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的表面鐵素體氮碳共滲處理 的應(yīng)力消除和非應(yīng)力消除制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的厚度變化測(cè)試結(jié)果的曲線 圖8A和圖8B是其線條指示成品制動(dòng)器轉(zhuǎn)子和進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明 的表面鐵素體氮碳共滲處理的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的制動(dòng)噪音測(cè)試的曲線 圖，其中圖8A屬于冷轉(zhuǎn)子，而圖8B屬于暖轉(zhuǎn)子。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，圖1A到圖5描述了用于產(chǎn)生鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的 鐵素體氮碳共滲表面處理的雙鹽浴鐵素體氮碳共滲系統(tǒng).(工藝和設(shè) 備)的實(shí)例。優(yōu)選實(shí)施例的后續(xù)描述本質(zhì)上僅是示范性的并且不傾 向于限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。
圖1A顯示了受到根據(jù)本發(fā)明的鹽浴鐵素體氮碳共滲工藝作用的
鐵質(zhì)材料珠光體鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子100的表面微結(jié)構(gòu)的截面。本工藝
最初同時(shí)將碳和氮從氮碳共滲鹽浴引入到鐵質(zhì)材料100的表面S (顯 示的鋁箔Al僅是測(cè)試機(jī)構(gòu)的人工產(chǎn)物，并不形成鐵質(zhì)材料100的一 部分)。此后，鐵質(zhì)材料100在氧化鹽浴中進(jìn)行處理。該工藝的此 步驟產(chǎn)生Fes04層。
由于根據(jù)本發(fā)明的這種雙浴氮碳共滲工藝，存在兩個(gè)截然不同 的材料區(qū)域或區(qū)復(fù)合區(qū)102和無(wú)法金相溶解在鐵質(zhì)材料100 (珠光 體鑄鐵)中的下方氮擴(kuò)散區(qū)104。
復(fù)合區(qū)(層或區(qū)域)102是首先在鐵素體氮碳共滲鹽浴中處理后， 隨后在氧化鹽浴中處理的鐵質(zhì)材料100的外面部分。復(fù)合區(qū)102最 初通過(guò)鐵質(zhì)材料100的鐵和來(lái)自氮碳共滲鹽浴的氮和碳核素之間的 反應(yīng)形成。此時(shí)的復(fù)合區(qū)102基本上是新的材料相，主要包括s相氮 化鐵(Fe3N)以及更少量的Y，相氮化鐵Fe4N。此后，鐵質(zhì)材料100 受到氧化鹽浴作用，在其上形成由氧化氮碳共滲鐵(Fe304 )組成的 表面氧化物層102a。
擴(kuò)散區(qū)(層或區(qū)域)104設(shè)置在復(fù)合區(qū)102下方(即，進(jìn)一步深 入鐵質(zhì)材料100),由擴(kuò)散氮濃度低于形成在復(fù)合層內(nèi)的濃度并且氮 與基底材料固態(tài)溶解的鐵基鐵質(zhì)材料。這兩個(gè)區(qū)的深度(即復(fù)合區(qū)102 和擴(kuò)散區(qū)104)可預(yù)測(cè)并可重復(fù)，這是由本工藝產(chǎn)生的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子尺 寸生長(zhǎng)控制的主要因素。
現(xiàn)在參照?qǐng)DIB,顯示的是圖1A的鐵質(zhì)材料100的X射線衍射 圖案110。(用于產(chǎn)生顯微照片(圖1A)的樣本雨用于X射線衍射 分析(圖IB)的樣本從制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的同一截面取得。技術(shù)上，它們 可以認(rèn)為是來(lái)自同一樣品的相鄰樣本，并且因而所檢查的表面呈現(xiàn) 相同的微結(jié)構(gòu)特性)。通過(guò)采用布拉格定律確定鐵質(zhì)材料的表面結(jié)
構(gòu)，該定律將X射線衍射角度與散射X射線的層深度相關(guān)聯(lián)。需要 足夠厚的材料層來(lái)產(chǎn)生圖IB所示的相長(zhǎng)干涉圖案。如圖IB所示的
越高計(jì)數(shù)級(jí)(count level)所指示的，層越厚，X射線散射越強(qiáng)烈。標(biāo) 記N的特征是氮化鐵的衍射峰。標(biāo)記01到04的特征與？6304層相 關(guān)，最顯著的是02。這種衍射圖案提供圖1A的顯微照片分配的獨(dú) 立確認(rèn)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的鹽浴氮碳共滲工藝200的框圖。該工藝開 始于框202,在此以通常傳統(tǒng)或公知的方式執(zhí)行珠光體鑄鐵(鐵質(zhì)材 料)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的鑄造。在決定框204,決定是否對(duì)來(lái)自框202的制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行應(yīng)力消除。如果是，則工藝進(jìn)入框206,在此執(zhí)行應(yīng)力 消除并且工藝隨后進(jìn)入框208。如果不是，則工藝直接進(jìn)入框208。
在框208執(zhí)行制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的精加工。此時(shí)執(zhí)行是因?yàn)楸景l(fā)明的 鹽浴氮碳共滲工藝的尺寸控制避免了工藝中的后續(xù)加工。關(guān)于這點(diǎn)， 由于制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的尺寸生長(zhǎng)是可預(yù)測(cè)的，優(yōu)選通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或理論分析 對(duì)該工藝進(jìn)行調(diào)整，以使制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在鹽浴氮碳共滲工藝完成后不 需要進(jìn)一步的加工。
在框210,制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在沉入鐵素體氮碳共滲鹽浴之前預(yù)先加 熱。這是通過(guò)在對(duì)流爐中空氣加熱到例如大約400攝氏度完成。預(yù) 先加熱確保制動(dòng)器轉(zhuǎn)子沒有濕氣，如果存在濕氣，則將與鐵素體氮 碳共滲鹽浴的內(nèi)容物劇烈反應(yīng)。此外，與在鐵素體氮碳共滲鹽浴中 從低得多的溫度(即，室溫)達(dá)到熱平衡相比，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的預(yù)先 加熱在氮碳共滲鹽浴外更有效地執(zhí)行。
在框212,利用氮碳共滲鹽浴。這種鹽浴由鹽以及執(zhí)行鑄鐵制動(dòng) 器轉(zhuǎn)子的鐵素體氮碳共滲表面處理所必須的反應(yīng)劑組成。這種鹽浴 由重量比為百分之25和百分之57之間的氰酸鹽，以氰酸鹽離子計(jì) 算，重量比為百分之0和百分之5之間的氰化物，以氰化物離子計(jì) 算，重量比為百分之0和百分之30之間的堿性金屬氯化物以及鉀離 子，鈉離子和碳酸鹽離子形式的平衡物組成。最優(yōu)選的實(shí)施例由重
量比在百分之34和38之間氰酸鹽離子，目標(biāo)為百分之36，重量比 為百分之0.5和百分之3.0之間的氰化物離子，目標(biāo)為百分之2，以 及重量比目標(biāo)為百分之20的碳酸鹽離子組成。此外，鉀離子與鈉離 子的目標(biāo)比率為4比1。
有機(jī)聚合物再生器以等時(shí)間間隔加入氮碳共滲鹽浴以便保持進(jìn) 行氮碳共滲反應(yīng)所必須的氰酸鹽離子的穩(wěn)定濃度。優(yōu)選再生器為三 聚氰胺、尿素或者三聚氰胺的^"生物，例如蜜白胺、米勒胺以及邁 歐胺(melom)。
在處理過(guò)程中，鹽浴的氰酸鹽離子在制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的金屬表面進(jìn) 4亍:^下反應(yīng)
<formula>formula see original document page 13</formula>
氮和碳與鐵質(zhì)材料100的4^進(jìn)行如下反應(yīng) *N+3Fe^Fe3N **C+3Fe^Fe3C
在框212，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子浸入(沉入)例如579攝氏度的氮碳共滲 鹽浴 一 個(gè)小時(shí)和兩個(gè)小時(shí)之間的 一 定時(shí)間間隔，更優(yōu)選大約 一 個(gè)小 時(shí)。如針對(duì)圖1所描述的，這種工藝將氮和碳引入制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的表 面結(jié)構(gòu)。
在框214，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子從氮碳共滲鹽浴中取出，轉(zhuǎn)移并隨后浸入 大約427攝氏度的氧化鹽浴中大約20分鐘。這種氧化鹽浴是氧化氮 碳共滲鐵質(zhì)材料的堿性氫氧化物/硝酸鹽混合物，形成具有高抗腐蝕 性的組合氧化物/氮化物復(fù)合區(qū)。優(yōu)選實(shí)施例包含重量比為百分之2 和百分之20之間，最優(yōu)選為百分之10和百分之15之間的硝酸鈉或 硝酸鉀形式的硝酸鹽離子，重量比在百分之25和百分之40之間的 碳酸鈉或碳酸鉀形式的碳酸鹽離子以及氬氧化鈉或氳氧化鉀形式的 氫氧化物離子平衡物。 '
在該工藝中，發(fā)生以下中和反應(yīng)
CN-^OH'i+NCV^CtV+NCV+NHs+O-2 CNO-^OH.1 ">C03-2+NH3+0-2 [Fe(CN)6〗4+6N03"^FeO+5CCV2+6N2+C02
此外，氧化鹽浴用來(lái)作為中間熱退火步驟以便以最小的熱差異 并減緩潛在變形來(lái)對(duì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。
在框216，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子從框214的氧化鹽浴中取出并且進(jìn)一步通
過(guò)空氣冷卻或者利用施水(噴水或浸水)冷卻的進(jìn)一步熱退火步驟
冷卻到室溫。氮碳共滲鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子隨后進(jìn)行水沖洗以便去除框
214的反應(yīng)劑，并隨后浸油，之后氮碳共滲制動(dòng)器轉(zhuǎn)子準(zhǔn)備運(yùn)輸進(jìn)行 機(jī)動(dòng)車輛組裝。
圖3A是線條252指示圖1A的鐵質(zhì)材料100內(nèi)的復(fù)合層的曲線 圖250。線條252顯示了作為制動(dòng)器轉(zhuǎn)子停留在框212的氮碳共滲鹽 浴中的時(shí)間的函數(shù)形式的圖1A的復(fù)合區(qū)102的深度。通過(guò)測(cè)量進(jìn)入 圖1A的鐵基板100內(nèi)的高濃度氮核素?cái)U(kuò)散的深度確定該深度。數(shù)據(jù) 顯示在沉入鐵素體氮碳共滲鹽浴一個(gè)小時(shí)后，復(fù)合區(qū)的深度為0.011 毫米。在沉入鐵素體氮碳共滲鹽浴兩個(gè)小時(shí)后，數(shù)據(jù)顯示復(fù)合區(qū)的 深度為0.018毫米。
圖3B顯示了具有顯示總氮擴(kuò)散區(qū)域的深度的線條262的曲線圖 260。該數(shù)據(jù)顯示了在沉入鐵素體氮碳共滲鹽浴一個(gè)小時(shí)后，總氮擴(kuò) 散區(qū)的深度為0.14毫米。在沉入鐵素體氮碳共滲鹽浴兩個(gè)小時(shí)后， 數(shù)據(jù)顯示總氮擴(kuò)散區(qū)的深度為0.18毫米。這種數(shù)據(jù)是重要的，因?yàn)?浸入鐵質(zhì)材料100內(nèi)的氮擴(kuò)散深度與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的機(jī)械工程屬性的 增強(qiáng)相關(guān)。
現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)移到圖4A到圖5,用于將制動(dòng)器轉(zhuǎn)子放置在氮 碳共滲和氧化鹽浴中的優(yōu)選固定設(shè)備。
首先參照?qǐng)D4A和圖4B,用于支撐單個(gè)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子302的轉(zhuǎn)子 支持器300包括具有中心開口 306的轂304,中心開口 306優(yōu)選是正 方形的。 一對(duì)轉(zhuǎn)子支撐柱308、 310剛性固定到轂304上，由此使轉(zhuǎn)
子支撐柱優(yōu)選彼此成90度，其中如圖4A所描述的，當(dāng)轂為正方形 時(shí)，轉(zhuǎn)子支撐柱優(yōu)選正交轂的角落定向。L形轉(zhuǎn)子定位柱312在轂304 的相對(duì)側(cè)面上與轉(zhuǎn)子支撐柱的對(duì)向角成二等分關(guān)系的位置處剛性連 接轂上。
如圖4B所描述的，轉(zhuǎn)子支撐柱308、 310以及轉(zhuǎn)子定位柱312 的尺寸與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子如下關(guān)系轉(zhuǎn)子支撐柱鄰接制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的內(nèi)圈 302a使得轂相對(duì)內(nèi)圈同心設(shè)置，并且轉(zhuǎn)子定位柱的終端312a里鄰接 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子帽302c的內(nèi)面302b使得制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的重心CG的平面二 等分轉(zhuǎn)子支撐柱。
通過(guò)前述結(jié)構(gòu)描述要理解，轉(zhuǎn)子支持器300僅與制動(dòng)器轉(zhuǎn)子302 的三個(gè)局部位置a、 b、 c交界，所有這些位置是不存在根據(jù)本發(fā)明的 雙浴氮碳共滲處理工藝沒有顯著影響的位置；實(shí)際上制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的 所有其它區(qū)域全部外露，特別是制動(dòng)器轉(zhuǎn)子頰板302d、 302e以及制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子帽302c的外側(cè)302f。此外，進(jìn)一步看到，由于不存在機(jī)械 互鎖，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子仍能以完全穩(wěn)定的方式靜止在轉(zhuǎn)子上，將制動(dòng)器 轉(zhuǎn)子302放置在轉(zhuǎn)子支持器300上特別筒單。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5,對(duì)由多個(gè)上述轉(zhuǎn)子支持器300組成的轉(zhuǎn)子支持器 固定設(shè)備320的實(shí)例進(jìn)行細(xì)節(jié)4b。
轉(zhuǎn)子支持器固定設(shè)備320設(shè)有用于穩(wěn)定靜止在罐324的底板324a 上的適當(dāng)大小的外接基座322，其中罐裝有鹽浴326 (根據(jù)本發(fā)明的 雙浴氮碳共滲處理工藝的氮碳共滲鹽浴或氧化鹽浴)。如圖5所示， 桅桿328剛性中心連接到底座322并上升通過(guò)罐(即，正交底板324a 延伸)。桅桿328提供任意數(shù)量互連節(jié)段的支撐，例如節(jié)段328a、 節(jié)段328b以及節(jié)段328c。
在底座322上方適當(dāng)高度的接合點(diǎn)(如下文所討論的，在相鄰 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子之間提供足夠的鹽浴訪問(wèn)空間)，臂330垂直附著到主 節(jié)段328a、 328b以及328c，例如通過(guò)焊接。在圖5的視圖中，由于 要適應(yīng)具有細(xì)長(zhǎng)矩形形狀的罐，存在三組豎直的成對(duì)臂330 (每個(gè)桅
桿節(jié)段一對(duì)臂)。如果罐成圓形或正方形，那么附加的三組豎直成 對(duì)臂將在垂直于所示臂的方向上(即，在紙面內(nèi)或外)附著到桅桿 上(每個(gè)桅桿節(jié)段一對(duì)附加臂)。
各臂330上的滑塊，可以或不必包括其間的花鍵340,是支持器 套筒342。如上文針對(duì)圖4A和圖4B所描述的，任意數(shù)量的轉(zhuǎn)子支 持器300剛性連接到支持器套筒342，例如通過(guò)與支持器套筒一體制 成的轂。在圖5的示范性視圖中，三個(gè)轉(zhuǎn)子支持器的轂是各支持器 套筒的一體組件。
通過(guò)參照5可以看到，加載有對(duì)應(yīng)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子302的各轉(zhuǎn)子支 持器300，鹽浴326能夠濕潤(rùn)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的每個(gè)地方，除了上述轉(zhuǎn)子 支持器接觸位置(參見圖4B的a、 b、 c)。此外，要注意到，在制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子302之間保持平行于臂330的適當(dāng)水平距離L以及平行于 桅桿328的豎直距離L，使得鹽浴326具有自由、開放地訪問(wèn)每個(gè)制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子，由此在鹽浴中進(jìn)行處理的過(guò)程中提供尺寸控制。
為了豎直提升并降低轉(zhuǎn)子支持器固定設(shè)備320，利用與桅桿328 接合的傳統(tǒng)提升設(shè)備(未圖示)。例如，起重設(shè)備可以通過(guò)夾緊器 或其它機(jī)構(gòu)嚙合桅桿的上端。
在操作時(shí)，轉(zhuǎn)子支持器固定設(shè)備按照底座、桅桿、臂以及攜載
轉(zhuǎn)子支持器的支持器套筒進(jìn)行組裝。接下來(lái)，各轉(zhuǎn)子支持器加載其 對(duì)應(yīng)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子支持器固定設(shè)備隨后經(jīng)受如上文所所描述的 預(yù)先加熱步驟，并隨后將支持器固定設(shè)備下降到罐中，使得所有的 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子由鹽浴濕潤(rùn)。在完成所需鹽浴停留時(shí)間后，轉(zhuǎn)子支持器
固定設(shè)備隨后從罐中取出，以^^進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的進(jìn) 一步加工。
在根據(jù)本發(fā)明的工藝過(guò)程中的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的尺寸變化可能是由 于機(jī)械誘導(dǎo)應(yīng)力和/或由熱狀態(tài)形成的應(yīng)力。
關(guān)于機(jī)械應(yīng)力，好處是在根據(jù)本發(fā)明的工藝過(guò)程中通過(guò)轉(zhuǎn)子支 持器302和固定設(shè)備320的配置適當(dāng)支撐轉(zhuǎn)子。將制動(dòng)器轉(zhuǎn)子放置
在鹽浴326的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的浮力，鹽浴的液體介質(zhì)的 高密度在鹽浴處理過(guò)程中為制動(dòng)器轉(zhuǎn)子提供附加支撐，因而傾向于 減輕機(jī)械應(yīng)力。
關(guān)于熱誘導(dǎo)應(yīng)力，需要考慮較少的加工參數(shù)氮碳共滲鹽浴的 溫度；每個(gè)溫度下氮碳共滲鹽浴內(nèi)的停留時(shí)間；以及其后制動(dòng)器轉(zhuǎn) 子的冷卻速率。氮碳共滲鹽浴的溫度基于經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)相圖， 其以溫度的函數(shù)形式定義所需的化學(xué)反應(yīng)。對(duì)根據(jù)本發(fā)明用于制動(dòng) 器轉(zhuǎn)子的氮碳共滲鹽浴，大約580攝氏度的溫度是優(yōu)選的。形成的 氮化物化合物的深度取決于制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在該溫度下的時(shí)間長(zhǎng)度(停 留時(shí)間)。
通過(guò)最小化給定氮碳共滲鹽浴溫度下的停留時(shí)間可最佳實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 子的較大尺寸穩(wěn)定性。氮碳共滲鹽浴內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)形成高氮濃度(活 性)，其轉(zhuǎn)而能夠縮短給定溫度下的停留時(shí)間(與氣態(tài)停留時(shí)間相 比)。
最小化制動(dòng)器轉(zhuǎn)子內(nèi)隨著其從氮碳共滲鹽浴溫度冷卻的熱差異 還有助于減小熱誘導(dǎo)應(yīng)力，并且因而增加尺寸穩(wěn)定性。這是通過(guò)間 斷冷卻或者使用大約427攝氏度的退火鹽浴，隨后接著通過(guò)水或空 氣冷卻到室溫而從氮碳共滲鹽浴溫度階梯退火到室溫實(shí)現(xiàn)的。
傳統(tǒng)成品制動(dòng)器轉(zhuǎn)子(成品轉(zhuǎn)子)在一系列測(cè)試中與由根據(jù)本 發(fā)明的工藝處理的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子(處理轉(zhuǎn)子)進(jìn)行比較。
在一 系列摩擦測(cè)試中，成品轉(zhuǎn)子的表觀摩擦與處理轉(zhuǎn)子的表觀 摩擦進(jìn)行比較，并且發(fā)現(xiàn)平均僅百分之四的成品轉(zhuǎn)子在處理轉(zhuǎn)子之 上(當(dāng)然，對(duì)于精制制動(dòng)器轉(zhuǎn)子，處理轉(zhuǎn)子對(duì)于冷測(cè)試和暖測(cè)試都 具有比成品轉(zhuǎn)子更高的摩擦)。因而，可以推斷出對(duì)于根據(jù)本發(fā)明 的工藝處理的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子摩擦合格地較高。
在如圖6所示的一系列磨損測(cè)試中，將三種成品轉(zhuǎn)子402、 404、 406分別與三種處理轉(zhuǎn)子403、 405、 407進(jìn)行比較(即，成品轉(zhuǎn)子402 與處理轉(zhuǎn)子403比較，成品轉(zhuǎn)子404與處理轉(zhuǎn)子405比較，并且成
品轉(zhuǎn)子406與處理轉(zhuǎn)子407比4吏)。每厚度變化的側(cè)向偏出(LRO/TV ) 對(duì)機(jī)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)英里數(shù)的結(jié)果曲線圖400顯示與成品轉(zhuǎn)子相比，處 理轉(zhuǎn)子磨損非常有利。
如圖7所示，對(duì)進(jìn)行一個(gè)小時(shí)氮碳共滲鹽浴處理的(曲線圖500 和502)和兩個(gè)小時(shí)氮^^共滲鹽浴處理的(曲線圖504和506)的成 批的六個(gè)應(yīng)力消除處理轉(zhuǎn)子和非應(yīng)力消除(鑄造)處理轉(zhuǎn)子對(duì)進(jìn)行 一系列厚度變化測(cè)試。從圖7中可以看到，應(yīng)力消除處理轉(zhuǎn)子的厚 度變化小于非應(yīng)力消除處理轉(zhuǎn)子，并且在氮碳共滲鹽浴中停留一個(gè) 小時(shí)的處理轉(zhuǎn)子的厚度變化小于兩個(gè)小時(shí)停留時(shí)間的處理轉(zhuǎn)子。
進(jìn)行一系列噪音測(cè)試。如百分比噪音對(duì)分貝的圖8A的曲線圖600 所顯示的，冷成品轉(zhuǎn)子602、 604與冷處理轉(zhuǎn)子601、 603進(jìn)行比較。 從圖8A中可以看到，與冷成品轉(zhuǎn)子相比，冷處理轉(zhuǎn)子的噪音水平非 常有利。如百分比噪音對(duì)分貝的圖8B的曲線圖610所示，暖成品轉(zhuǎn) 子612、 614、 616、 618與暖處理轉(zhuǎn)子611、 613相對(duì)比。從圖8B中 可以看出來(lái)，與暖成品轉(zhuǎn)子相比，暖處理轉(zhuǎn)子的噪音水平非常有利。
對(duì)于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，上述優(yōu)選實(shí)施例可以進(jìn) 行變化或修改?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行這種變化 或修改，本發(fā)明的范圍傾向于僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)動(dòng)車輛的鹽浴鐵素體氮碳共滲處理的鐵質(zhì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子，其中所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子在其表面設(shè)置包括Fe3O4的氧化物層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子，其特征在于所述制動(dòng) 器轉(zhuǎn)子的鹽浴鐵素體氮碳共滲進(jìn)一步包括包括所述氧化物層在內(nèi)的復(fù)合區(qū)，大致在所述氧化物層下方的 所述復(fù)合區(qū)進(jìn)一步主要由s相氮化鐵Fe3N以及更少量的Y，相氮化鐵 Fe4N組成；以及所述復(fù)合區(qū)下方的擴(kuò)散區(qū)，所述擴(kuò)散區(qū)包括擴(kuò)散氮濃度低于所 述復(fù)合層的鐵基鐵質(zhì)材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子，其特征在于所述復(fù)合 區(qū)和所述擴(kuò)散區(qū)共同包括表層，其中所述復(fù)合區(qū)的厚度基本為0.015 毫米，并且所述擴(kuò)散區(qū)的厚度基本為0.15毫米，并且所述復(fù)合區(qū)的 硬度基本相當(dāng)于至少HRC50。
4. 一種用于氮碳共滲機(jī)動(dòng)車輛的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的方法，包括以下 步驟鑄造具有相互相對(duì)的第 一和第二轉(zhuǎn)子頰板的鐵質(zhì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子；提供氮碳共滲鹽??；提供氧化鹽浴；將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子預(yù)加熱到第 一預(yù)定溫度；將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子浸入所述氮碳共滲鹽浴，其中所述氮碳共滲 鹽浴處于第二預(yù)定溫度，并且其中所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子放置在所述氮碳 共滲鹽浴中，使得所述第一和第二轉(zhuǎn)子頰板的所有表面與所述氮碳 共滲鹽浴接觸；在第 一 預(yù)定停留時(shí)間后從所述氮碳共滲鹽浴中取出所述制動(dòng)器 轉(zhuǎn)子；將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子浸入所述氧化鹽浴，其中所述氧化鹽浴處于 第三預(yù)定溫度，并且其中所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子放置在所述氧化鹽浴中， 使得所述第一和第二轉(zhuǎn)子頰板的所有表面與所述氧化鹽浴接觸；在第二預(yù)定停留時(shí)間后從所述氧化鹽浴中取出所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子；以及將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子基本冷卻到室溫。
5. —種根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法制成的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述第三預(yù)定溫度低于所述第二預(yù)定溫度，使得通過(guò)將其浸入到所述氧化鹽浴對(duì)所 迷制動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱退火。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述第三預(yù)定溫 度基本至少處于室溫和所述第二預(yù)定溫度之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述第一預(yù)定溫 度預(yù)先選擇并提供第三預(yù)定停留時(shí)間，使得在所述第一浸入步驟之 前所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子沒有濕氣，并且其中所述第一預(yù)定溫度進(jìn)一步將 所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子加熱到至少位于室溫和所述第二預(yù)定溫度中間的溫 度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于預(yù)先協(xié)作選擇所 述氮碳共滲鹽浴的成分，所述第二預(yù)定溫度以及所述第一停留時(shí)間 使得由于所述第一浸入步驟，在所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子中發(fā)生其中碳和氮 擴(kuò)散到所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的化學(xué)反應(yīng)，以便由此提供包括深度基本為 0.015毫米的復(fù)合區(qū)以及深度基本為0.15毫米的擴(kuò)散區(qū)的表層，其中， 所述復(fù)合區(qū)的硬度基本至少相當(dāng)于HRC50。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于 預(yù)先協(xié)作選擇所述氮碳共滲鹽浴的成分，所述第二預(yù)定溫度以及所述第 一停留時(shí)間使得由于所述第 一浸入步驟，所述第 一和第二 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子頰板的所有表面具有主要由s相氮化鐵Fe3N和更少量的 相氮化鐵Fe4N組成的復(fù)合區(qū)，以及所述復(fù)合區(qū)下方的擴(kuò)散區(qū)，所 述擴(kuò)散區(qū)包括擴(kuò)散氮濃度低于所述復(fù)合層的鐵基鐵質(zhì)材料；并且預(yù)先協(xié)作選擇所述氧化鹽浴的成分、所述第三預(yù)定溫度以及所 述第二停留時(shí)間使得由于所述第二浸入步驟，所述復(fù)合區(qū)進(jìn)一步包括氧化物層，所述氧化物層包括FesCV
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述第 一提供步驟為所述氮碳共滲鹽浴提供的成分為重量比 基本在百分之25和百分之57之間的氰酸鹽，以氰酸鹽離子計(jì)算， 重量比基本在百分之0和百分之5之間的氰化物，以氰化物離子計(jì) 算，重量比基本在百分之0和百分之30之間的堿性金屬氯化物以及 鉀離子、鈉離子和碳酸鹽離子形式的平衡物；以及所述第二提供步驟為所述氧化鹽浴提供的成分為重量比基本在百分之2和百分之20之間的硝酸鈉和硝酸鉀中的任意一種形式的 硝酸鹽離子，重量比基本在百分之25和百分之40之間碳酸鈉和碳 酸鉀中的任意 一種形式的碳酸鹽離子，以及氬氧化鈉或氬氧化鉀中 任意一種形式的氫氧化物平衡物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求4所迷的方法，其特征在于所述預(yù)加熱步 驟具有基本為30分鐘的第三停留時(shí)間，并且所述第一預(yù)定溫度為基 本400攝氏度；所述第二預(yù)定溫度基本在538和593攝氏度之間， 而所述第一停留時(shí)間基本在1和2小時(shí)之間；并且所述第三預(yù)定溫 度基本為427攝氏度，而所述第二停留時(shí)間基本為20分鐘。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所逸的方法，其特征在于所述冷卻步驟 具有基本為3分鐘的第四停留時(shí)間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以 下步驟在所述鑄造步驟之后并且在所述第一浸入步驟之前加工所 述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所迷的方法，其特征在于在所述鑄造步 驟之后并且在所述加工步驟之前，對(duì)所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行應(yīng)力消除。
16. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述第一和第 二浸入步驟進(jìn)一步包括通過(guò)鄰4妄其內(nèi)圈同時(shí)在其內(nèi)表面定位所述制 動(dòng)器轉(zhuǎn)子，將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子基本保持在所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的重心平面內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于預(yù)先協(xié)作選擇所述氮碳共滲鹽浴的成分，所述第二預(yù)定溫度以 及所述第 一停留時(shí)間使得由于所述第 一浸入步驟，在所述制動(dòng)器轉(zhuǎn) 子中發(fā)生其中碳和氮擴(kuò)散到所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的化學(xué)反應(yīng)以便由此提 供包括深度基本為0.015毫米的復(fù)合區(qū)以及深度基本為0.15毫米的 擴(kuò)散區(qū)的表層，其中，所述復(fù)合區(qū)的硬度基本至少相當(dāng)于HRC50;預(yù)先協(xié)作選擇所述氮碳共滲鹽浴的成分，所述第二預(yù)定溫度以 及所述第 一停留時(shí)間使得由于所述第 一浸入步驟，所述第 一和第二 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子頰板的所有表面具有主要由s相氮化鐵Fe3N和更少量的 y，相氮化鐵Fe4N組成的復(fù)合區(qū)，以及所述復(fù)合區(qū)下方的擴(kuò)散區(qū)，所 述擴(kuò)散區(qū)包括擴(kuò)散氮濃度低于所述復(fù)合層的鐵基鐵質(zhì)材料；并且預(yù)先協(xié)作選擇所述氧化鹽浴的成分、所述第三預(yù)定溫度以及所 述第二停留時(shí)間使得由于所述第二浸入步驟，所述復(fù)合區(qū)進(jìn)一步包括氧化物層，所述氧化物層包^舌Fe30"以及所述第一和第二浸入步驟進(jìn)一步包括通過(guò)鄰接其內(nèi)圈并同時(shí)在 其內(nèi)表面定位所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子而將所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子基本保持在所述 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的重心平面內(nèi)。
18. —種根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法制成的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子。
19. 一種用于保持制動(dòng)器轉(zhuǎn)子以便浸入鹽浴的固定設(shè)備，包括 轂；連接到所述轂上并從其徑向延伸的第一和第二支持器柱，其中 所述第一和第二支持器柱之間具有預(yù)定角度；并且與所述角度成二等分關(guān)系相對(duì)連接到所述轂上的L形定位器柱， 所述定位器柱具有終端； 其中制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的內(nèi)圈支撐在所述第 一和第二轉(zhuǎn)子柱上，并且 所述定位器柱的終端鄰接所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的帽的內(nèi)表面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的固定設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括 基座；在垂直方向上連接到所述基座的桅桿； 垂直連接到所述桅桿的多個(gè)臂；以及 分別在所述轂連接到各所述臂的至少 一個(gè)支持器； 其中當(dāng)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子分別由各支持器保持時(shí)，在相鄰制動(dòng)器轉(zhuǎn)子 之間提供空間，使得所述鹽浴自由濕潤(rùn)全部所述制動(dòng)器轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提供抗氧化性，良好制動(dòng)器性能并且不存在變形的鑄鐵制動(dòng)器轉(zhuǎn)子的鐵素體氮碳共滲表面處理。加工的制動(dòng)器轉(zhuǎn)子預(yù)先加熱，隨后浸入高溫熔融氮碳共滲鹽浴第一預(yù)定停留時(shí)間。在從氮碳共滲鹽浴取出制動(dòng)器轉(zhuǎn)子后，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子直接浸入溫度低于氮碳共滲鹽浴的氧化鹽浴使得制動(dòng)器轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱退火。在氧化鹽浴內(nèi)第二預(yù)定停留時(shí)間后，制動(dòng)器轉(zhuǎn)子從其中取出并通過(guò)施水熱退火或者在空氣中緩慢冷卻進(jìn)一步冷卻到室溫。固定設(shè)備在放置在鹽浴中的過(guò)程中以最小接觸為制動(dòng)器轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定保持。
文檔編號(hào)C23C8/56GK101096986SQ200710127480
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者D·N·里德, J·R·伊斯特代, M·L·霍利 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司;科倫尼公司