[发明专利]一种金属表面的陶瓷膜层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明具体的涉及一种金属表面的陶瓷膜层及其制备方法。 

背景技术

机动车制动器几乎均为机械摩擦式，即利用旋转元件与固定元件两工作表面间的摩擦产生的制动力矩使汽车减速或停止。摩擦式制动器按其旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类，鼓式制动是由制动蹄片制动鼓构成。相对于鼓式制动器，盘式制动器具有热稳定性较好、水稳定性较好、制动稳定性较好、更加轻便和容易保养等优点。 

盘式制动器的旋转元件是一个垂向安放且以两侧表面为工作面的制动盘，其固定摩擦元件一般是位于制动盘两侧并带有摩擦片的制动块。制动时，当制动盘被两侧的制动块夹紧时，摩擦表面便产生作用于制动盘上的摩擦力矩。盘式制动器常用作汽车和摩托车的车轮制动器，也可用作各种汽车的中央制动器。 

在上述操作中，制动盘是一个重要的部件，其硬度和耐磨度直接影响到安全性和使用寿命，故要求制动盘具硬度高、耐磨性好、使用寿命长的特点。而目前大多数制动盘是由铸铁制成，此制动盘制造成本便宜，但铸铁制动盘耐磨性差，磨损度搞；散热效果不好，导致摩擦系数降低，制动距离延长，制动失效；铸铁制动盘质量大，增加了整车的耗油量，铸铁表面容易生锈。 

国内外一直在寻找更好的解决办法，国内授权公告号为CN201080980Y的实用新型专利，利用镁合金来替代铸铁制作制动盘，但镁合金的旋转弯曲疲劳寿命不稳定且较短。一般而言，频率对金属材料在空气中的疲劳性能影响不大，但是镁合金完全不同。例如，在空气中，在频率范围1～10Hz，对 于挤压AM60，频率越低，疲劳寿命越短。对于挤压镁合金AZ80，频率越低，疲劳裂纹扩展速度越快，氯离子能显著降低镁合金AM60和AZ80的疲劳寿命，而且铸造镁合金的铸造缺陷(如空洞)则往往是疲劳裂纹萌生的地方。Cl^-，Br^-，I^-和四氧化硅负2价离子都会加快镁合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速度。 

美国材料加工研究所IMP(The Institute of Materials Processing)于2005年研制成功了钢包铝制动盘，即以铝合金为基体，制动摩擦表面镶有一层钢，已经申请专利。而专利号为5224752的美国发明专利所涉及的也为轻型制动盘，是在以铝合金基体的制动盘制动表面涂上一层厚度为0.015-0.020英寸(即381微米-508微米)的涂层，涂层是由氧化铝、钛铝和锆酸镁三种中的任何一种或多种组成。上述两种方法都是以铝合金为基体，说明制动盘铝合金基体是发展趋势，但是这两种方法都涉及到铝合金基体和制动表面层的结合问题。两者均不如铝合金基体上进行微弧氧化而生成的氧化铝陶瓷膜，是属于原位生长，冶金结合强度好。 

专利申请200910212580.X，公开了在铝合金基体上进行微弧氧化而生成氧化铝陶瓷膜。 

微弧氧化的优点是金属和陶瓷层原子级结合，缺点是在微弧氧化工艺中，生成的陶瓷层过薄，易破碎，不能胜任恶劣的耐磨环境。因此，由于基于微弧氧化的特性，只能生成200微米以内的陶瓷层，无法满足耐磨性的要求。这也限制了微弧氧化这个技术的应用。 

陶瓷涂层的脆性较高、裂纹倾向大已成为限制激光熔覆制备金属基陶瓷涂层应用的最大障碍，这主要是由于外加陶瓷相(如WC、TiC、TiN、SiC、ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂等)与基体金属的热物性参数差异很大，相容性较差，影响界面结合，往往成为裂纹源。此外，陶瓷与金属基体界面会形成不良反应物和附着物，使该界面成为低强度低韧性的弱界面。在重载荷作用下，陶瓷颗粒有可能剥离金属基体，削弱了整体强化效果。原位自生增强相与金属 基体良好的浸润性能和良好的界面结合性能以及增强相的均匀弥散分布特征，可使复合材料得到强韧化，是解决界面问题的有效途径。 

因此，原位自生金属陶瓷复合材料成为近年来的研究热点，并初见成效。在铝基体上激光熔覆SiO粉，使SiO：与Al反应生成SiO：+AlO复合陶瓷涂层，反应放出的热量又进一步促进反应的进行，得到无裂纹的薄熔覆层(厚度小于0.1mm)，采用自动送粉模式在碳钢表面原位激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层。所制备的TiC金属基陶瓷涂层具有很好的冶金界面和较高的表面质量。 

激光熔覆常见的预置工艺有热喷涂和有机物粘结。与热喷涂相比，镀层的致密度比较高，空隙率较低，可以在复杂表面形成厚度均匀的涂层，没有元素的烧损，消耗的能量较少。与有机物粘结相比，镀层几乎没有有机物的元素污染。