摩擦材料及其制造和使用方法.pdf

本发明涉及摩擦材料及其制造和使用方法。一种变型包括摩擦材料及其制造方法，其中，摩擦材料包括在铁素体氮碳共渗部件上的传送层，其中，传送层可由玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂制成。

权利要求书
1.   一种产品，包括：
旋转构件，其中，所述旋转构件被铁素体氮碳共渗，所述旋转构件包括被配置为与相应的摩擦材料制动接合的摩擦表面和位于所述摩擦表面处的传送层，其中，所述传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。

2.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述旋转构件包括制动鼓、盘式制动盘、盘带鼓式制动器或其组合中的一者。

3.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述旋转构件进一步包括铁、钢或不锈钢。

4.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述传送层展现在0.33和0.36之间的表观摩擦系数。

5.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述传送层具有在1μm和20μm之间的厚度。

6.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述高温树脂进一步包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物或氰酸酯中的至少一种。

7.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述填充物材料进一步包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉或钛酸钾中的至少一种。

8.   根据权利要求1所述的产品，其中，所述磨料进一步包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物或矿物中的至少一种。

9.   一种方法，包括：
提供旋转构件；
氮碳共渗所述摩擦表面，其中，所述摩擦表面形成多孔氧化物层；
提供摩擦材料；
将所述摩擦表面与所述摩擦材料摩擦接合；
其中，摩擦接合会在所述摩擦表面处形成传送层，其中，所述传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。

10.   根据权利要求9所述的方法，其中，所述氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或盐浴氮碳共渗工艺。

说明书摩擦材料及其制造和使用方法
技术领域
本公开总体涉及的领域包括摩擦材料及其制造和使用方法。
背景技术
摩擦材料，诸如与制动盘和制动鼓互相作用的制动片，可用于车辆制动系统。可能期望制动部件结合具有高摩擦系数的摩擦材料，以用于提高的制动系统的输出、耐用性和性能。
发明内容
本发明的一个变型示出一种产品，其包括旋转构件，其中，旋转构件可以被铁素体氮碳共渗，旋转构件包括被配置为与相应的摩擦材料制动接合的摩擦表面和位于摩擦表面处的传送层，其中，传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
本发明的另一个变型示出一种方法，所述方法包括：提供旋转构件；氮碳共渗摩擦表面，其中，摩擦表面包括多孔氧化物层；提供摩擦材料；将摩擦表面与摩擦材料摩擦接合，其中，摩擦接合在摩擦表面处形成传送层，其中，传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
本发明还可包括下列方案。
1. 一种产品，包括：
旋转构件，其中，所述旋转构件被铁素体氮碳共渗，所述旋转构件包括被配置为与相应的摩擦材料制动接合的摩擦表面和位于所述摩擦表面处的传送层，其中，所述传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
2. 根据方案1所述的产品，其中，所述旋转构件包括制动鼓、盘式制动盘、盘带鼓式制动器或其组合中的一者。
3. 根据方案1所述的产品，其中，所述旋转构件进一步包括铁、钢或不锈钢。
4. 根据方案1所述的产品，其中，所述传送层展现在0.33和0.36之间的表观摩擦系数。
5. 根据方案1所述的产品，其中，所述传送层具有在1μm和20μm之间的厚度。
6. 根据方案1所述的产品，其中，所述高温树脂进一步包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物或氰酸酯中的至少一种。
7. 根据方案1所述的产品，其中，所述填充物材料进一步包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉或钛酸钾中的至少一种。
8. 根据方案1所述的产品，其中，所述磨料进一步包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物或矿物中的至少一种。
9. 一种方法，包括：
提供旋转构件；
氮碳共渗所述摩擦表面，其中，所述摩擦表面形成多孔氧化物层；
提供摩擦材料；
将所述摩擦表面与所述摩擦材料摩擦接合；
其中，摩擦接合会在所述摩擦表面处形成传送层，其中，所述传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
10. 根据方案9所述的方法，其中，所述氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或盐浴氮碳共渗工艺。
11. 根据方案9所述的方法，其中，所述旋转构件由灰铸铁、钢或不锈钢形成。
12. 根据方案9所述的方法，其中，所述旋转构件包括制动盘、制动鼓、盘带鼓式制动器或其组合。
13. 根据方案9所述的方法，其中，所述传送层展现在0.33和0.36之间的表观摩擦系数。
14. 根据方案9所述的产品，其中，所述传送层具有大于0μm且小于10μm的厚度。
15. 根据方案9所述的方法，其中，所述高温树脂进一步包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物或氰酸酯中的至少一种。
16. 根据方案9所述的方法，其中，所述填充物材料进一步包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉或钛酸钾中的至少一种。
17. 根据方案9所述的方法，其中，所述磨料进一步包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物或矿物中的至少一种。
18. 根据方案9所述的方法，其中，所述传送层具有在10μm和20μm之间的厚度。
19. 根据方案9所述的方法，其中，所述氧化物层包括氮碳共渗氧化铁，分子式为Fe3O4。
20. 根据方案9所述的方法，其中，通过表面分析以及扫描电镜能谱仪技术来检查传送层的形成，以验证传送层性能。
通过下文提供的详细描述，本发明的其他说明性变型将变得显而易见。应该理解，尽管公开了本发明的可选择的变型，但详细描述和特定例子仅是为了说明目的，并且并非意在限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将更全面地理解本发明的变型的选定例子，在附图中：
图1是包含摩擦材料的盘式制动组件的立体图；
图2是包含摩擦材料的鼓式制动组件的侧视图；
图3是盘带鼓式旋转构件的立体图；
图4是示意性剖视图，示出了在本公开的例子中由显微镜放大的复合层上的传送层；
图5是根据摩擦材料的两个变型的摩擦材料的EDS能谱；
图6是根据摩擦材料的两个变型的摩擦材料的EDS能谱；
图7是示出FNC制动盘上的摩擦材料的两个变型的显微照片；
图8是示出FNC制动盘上的摩擦材料的两个变型的显微照片；
图9是关于本公开的FNC制动盘的4个变型和现有技术的非FNC制动盘的表观摩擦对比停止次数的曲线图。
具体实施方式
对变型的以下描述在本质上仅是说明性的，并且决非意在限制本发明、其应用或用途。
在图1中提供摩擦材料2。这种摩擦材料可用于制动部件。制动器10可以是用于使车辆减速、停止或保持的能量转化系统。在一些实施例中，制动器10可用于相对于地面使带有车轮的车辆的至少一个车轮减速、停止或保持。车辆制动器10可以是盘式制动器20、鼓式制动器50、其组合或者可以是另一种类型的制动器。在盘式制动器20中，如图1所示，旋转构件12可在轮毂40处可拆卸地附接到车轮并可被称作制动盘39。制动盘39可包括单个环形盘部分，或者可包括两个环形盘部分，间隔开的轮叶在两个环形盘部分之间延伸，以产生通风狭缝38，从而提高冷却。当对制动软管34中的液压流体加压时，卡钳28的活塞壳32内的活塞致使卡钳28挤压在制动片36之间的制动盘39。制动片36可包括当盘式制动器20可能接合时与制动盘39的摩擦表面46接触的摩擦材料2。通过制动片36和制动盘39之间的摩擦，移动车辆的动能可转化为热量。一些热能可暂时升高制动盘39的温度。
参照图2，示出了鼓式制动器50。旋转构件12’可以是制动鼓56。制动鼓56可以可拆卸地紧固到车轮，并且包括散热片68以提高冷却并增加制动鼓50的刚度。当对车轮缸体52中的液压流体加压时，活塞54致使制动蹄62相对于制动鼓56的摩擦表面46’按压制动衬片66，从而实现鼓式制动器50的接合。制动衬片66可以是摩擦材料2’。替代性地，通过启动紧急制动杆以致使制动蹄62按压制动鼓56的制动衬片66，可使得鼓式制动器56机械地接合。当接合时，移动车辆的动能可通过制动衬片66和制动鼓56之间的摩擦转化为热量。一些热能可暂时升高制动鼓56的温度。
盘式制动器20可与鼓式制动器结合。如图3所示，盘带鼓式旋转构件12’’可包括在结合体中。在盘带鼓式制动器中，小的制动蹄可作为紧急制动器被机械地/通过缆线启动，而凸缘部分用作典型的盘式制动器。
制动旋转构件12、12’、12’’包括与制动片36或制动蹄62的摩擦材料2、2’接合的摩擦表面46、46’。当制动器可能接合时，机械磨损和热量可致使少量的摩擦表面46、46’和摩擦材料2、2’被磨掉。可通过减小旋转构件摩擦表面46、46’与摩擦材料2、2’之间的摩擦系数来降低旋转构件摩擦表面46、46’或摩擦材料2、2’的磨损率，但是较低的摩擦系数可能会使得制动器在接合方面以及在使车辆减速、停止或保持方面有效性降低。
制动盘29或鼓56可由灰铸铁、不锈钢、钢或其他功能类似的材料或聚合物制成，并且可具有延展性。可以理解，制动盘29或鼓56可以是铸造的、冲压的、锻造的、由粉末状金属形成的或由任何合适的成型工艺形成的。可以理解，在生产制动盘39或鼓46时，可将石墨薄片嵌入摩擦表面46、46’中。石墨薄片可具有可切削性、耐磨性、阻尼能力、凝固期间的低收缩特性，以及在操作期间总体较高的热导率。石墨薄片可能是腐蚀开始的位置，因为其可被移开并导致露出摩擦表面46、46’，从而引起点状腐蚀和粗糙。石墨薄片还可能导致制动片36或制动垫片66的相应摩擦材料2、2’上的腐蚀。可以理解，当被插置在滑动表面之间时，石墨通常具有高润滑性。此外，在制动器接合期间，此润滑性可降低摩擦材料2、2’和摩擦表面46、46’之间的摩擦系数。
铁素体氮碳共渗（FNC）已用于产生可表面硬化且耐腐蚀和磨损的摩擦表面46、46’。 铁素体氮碳共渗可用于在摩擦表面46、46’处在旋转构件12、12’、12’’上设置复合区70，如图4所示。可以理解，旋转构件12、12’、12’’不需要用于制动，而是可以是任何旋转构件。一些变型包括离合器组盘，或能够进行铁素体氮碳共渗的其他部件。基本工艺可包括铸铁制动盘的氮碳共渗。在一个变型中，旋转构件12、12’、12’’可在空气中被预加热，然后被浸入在升高的次临界温度下的熔融氮碳共渗盐浴中达预定时间。接着，可取出旋转构件12、12’、12’’并将其直接浸入比氮碳共渗盐浴温度稍低的氧化盐浴中达第二停延时间。接着，可取出旋转构件12、12’、12’’并利用水应用或在空气中缓慢冷却将其进一步冷却到室温。此复合区70可以是含铁材料的外部，其最初通过含铁材料的铁与可存在于氮碳共渗盐浴中的氮和碳物质之间的反应形成。在美国专利申请2013/0000787A1中可找到铁素体氮碳共渗的变型。在其他变型中，可通过气体氮碳共渗工艺、通过等离子体氮碳共渗工艺来铁素体氮碳共渗旋转构件12、12’、12’’，或可通过其他方式完成。复合区70可包括：氮化铁层74，其包括通过氮碳共渗盐浴、气体工艺或其他工艺产生的ε-氮化铁、Fe3N和较少量的γ’（gamma prime）氮化铁Fe4N；以及在进入氧化盐浴中期间或在其他氧化气氛或环境中可以形成表面氧化物层72，其中，氧化物层72可包括被氧化的氮碳共渗铁、Fe3O4。在许多变型中，复合区70可具有在5至30微米范围内的厚度，并且氧化物层72可具有复合区厚度的10%至50%范围内的厚度。扩散层77可在氮化铁层74下面并且可以是氮化铁层74和旋转构件的未经历铁素体氮碳共渗的部分之间的过渡。氮化铁层74可具有低摩擦系数。扩散层77中的氮浓度可低于在氧化物层72下方的复合区70的氮化铁层74中的氮浓度。氧化物层72可具有比氮化铁层74高的孔隙度。氮化铁层74的表面75可基本没有石墨薄片或者可不具有露出的石墨薄片。
当在制动器接合期间摩擦材料2、2’和旋转构件12、12’、12’’的摩擦表面46、46’接触时，形成对制动性能可有显著影响的复杂摩擦学接触面。摩擦表面46、46’可由于铁素体氮碳共渗而表面硬化并且制动性能可以是选择的摩擦材料2、2’及其与摩擦表面46、46’产生的相互作用的函数。摩擦材料2、2’可由石棉、有机物、陶瓷或半金属材料制成或者可以是其他类型的材料。在某些变型中，陶瓷复合物、铜纤维、芳族聚酰胺纤维或其他聚合材料也可用于摩擦材料2、2’。半金属制动片可包括钢棉或钢丝、铁粉、铜、石墨、无机填充物，或者可包括其他类似功能的材料。非石棉有机物制动片可包括玻璃、橡胶、炭、Kevlar、填充物材料、高温树脂、磨料，或者可包括其他类似功能的材料。这种高温树脂可包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物、氰酸酯或类似功能的材料。这种填充物材料可包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉、钛酸钾或类似功能的材料。这种磨料可包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物、矿物或类似功能的材料。陶瓷制动片可包括陶瓷纤维、非铁填充物材料、粘合剂、金属填充物，或者可包括其他类似功能的材料。摩擦材料2、2’可由侵蚀性的较软化合物制成或者可完全由非侵蚀性且较硬的更耐用化合物制成。可根据个人偏好、驾驶风格、操作温度或制动衰减变化来改变被选择用于摩擦材料的化合物。
在一个变型中，发现的是，用于摩擦材料2、2’中的非侵蚀性非石棉有机物（NAO）衬片可在制动器接合之后在FNC摩擦表面46、46’上产生传送层79。再次参照图4，可早在最初的制动器接合时就产生传送层79。传送层79可包括玻璃、橡胶、炭、Kevlar、填充物材料、高温树脂，或者可包括其他类似功能的材料。更具体地地，图5-6示出了被传送材料的EDS能谱。图7-8示出了FNC摩擦表面46、46’上的传送层79的照片。在许多变型中，传送层79的厚度可以是氮化铁层74的厚度的至少10%。在许多变型中，传送层的厚度可以在氮化铁层74的厚度的10%和50%之间。在许多变型中，传送层79的厚度可以为0-20μm。传送层79可增加FNC摩擦表面46、46’的表观摩擦系数。图9示出了对于具有NAO衬片传送层79的FNC和非FNC制动盘来说的对比表观摩擦系数与从车辆的60英里每小时减速到0英里每小时的停车次数的曲线图。传送层79可将FNC摩擦表面46、46’的表观摩擦系数增加到从0.33至0.36的范围内。
在此公开并在图12中示意性示出了用于增加车辆制动器10的旋转构件12、12’、12’’的有用寿命的方法100。所述方法包括从车辆制动器10的旋转构件12、12’、12’’的摩擦表面46、46’移除石墨薄片的步骤110。可通过包括喷砂、吹砂处理、研磨及其结合去除石墨薄片或者可通过其他方式实现石墨薄片的去除。在已经根据方法100去除石墨之后，在步骤120中可氮碳共渗至少旋转构件12、12’、12’’的摩擦表面46、46’。可以理解，氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或盐浴氮碳共渗工艺。可以理解，在氮碳共渗之前去除石墨薄片可防止石墨使得任何区域免受氮碳共渗。旋转构件12、12’、12’’可具有在步骤130中与摩擦材料2、2’摩擦接合地布置的摩擦表面46、46’。所述方法可在步骤140中在旋转构件12、12’、12’’ 的摩擦表面46、46’处形成传送层79。在许多变型中，可通过表面分析以及扫描电镜能谱仪技术来检查传送层的形成，以验证传送层性能。在许多变型中，传送层79的厚度可以是氮化铁层74的厚度的至少10%。在许多变型中，传送层的厚度可以在氮化铁层74的厚度的10%和50%之间。在许多变型中，传送层79的厚度可以为0-20μm。传送层79可增加FNC摩擦表面46、46’的表观摩擦系数。传送层79可将FNC摩擦表面46、46’的表观摩擦系数增加到从0.33至0.36的范围内。在从停止1次至停止2500次时，此表观摩擦系数保持处于此范围内。
可利用以上方法100通过铁、钢或不锈钢来形成旋转构件12、12’、12’’。可以理解，旋转构件12、12’、12’’可包括制动盘39、制动鼓50、盘带鼓式制动器、其组合，或者可以是另一种类型。一些变型包括离合器组盘或能够铁素体氮碳共渗的其他部件。利用所公开的方法形成的旋转构件12、12’、12’’可具有比没有传送层79的FNC旋转构件12、12’、12’’高的表观摩擦系数。FNC旋转构件12、12’、12’’可保持其相应摩擦材料2、2’的降低的磨损。
本文中示出的数值数据以范围形式出现。可以理解，此范围形式仅是为了方便和简洁而使用的，并且应该被灵活地解释为不仅包括作为范围极限明确列举的数值，还包括范围内包括的各个数值或子范围，仿佛明确列举了每个数值和子范围那样。
变型的以下描述仅说明被认为在本发明的范围内的部件、元件、动作、产品和方法，并且决不意在使此范围受限于具体公开或未明确陈述的内容。如在此描述的部件、元件、动作、产品和方法可以以与本文所明确描述的不同的方式来结合或重新布置，并且它们仍被认为是在本发明的范围内。
变型1可包括一种产品，其包括车辆制动器的旋转构件，其中，对旋转构件进行铁素体氮碳共渗，旋转构件包括被配置为与相应的摩擦材料制动接合的摩擦表面和位于摩擦表面处的传送层，其中，传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
变型2可包括变型1所述的产品，其中，所述旋转构件包括制动鼓、盘式制动盘、盘带鼓式制动器或其组合中的一者。
变型3可包括变型1-2中任何项所述的产品，其中，所述旋转构件进一步包括铁、钢或不锈钢。
变型4可包括变型1-3中任何项所述的产品，其中，所述传送层展现在0.33和0.36之间的表观摩擦系数。
变型5可包括变型1-4中任何项所述的产品，其中，所述传送层具有在1μm和20μm之间的厚度。
变型6可包括变型1-5中任何项所述的产品，其中，所述高温树脂进一步包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物或氰酸酯中的至少一种。
变型7可包括变型1-6中任何项所述的产品，其中，所述填充物材料进一步包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉或钛酸钾中的至少一种。
变型8可包括变型1-7中任何项所述的产品，其中，所述磨料进一步包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物或矿物中的至少一种。
变型9可包括一种方法，所述方法包括：提供旋转构件；氮碳共渗摩擦表面，其中，摩擦表面形成多孔氧化物层；提供摩擦材料；将摩擦表面与摩擦材料摩擦接合，其中，摩擦接合在摩擦表面处形成传送层，其中，传送层包括玻璃、橡胶、炭、芳族聚酰胺纤维、填充物材料、磨料或高温树脂中的至少一种。
变型10可包括变型9所述的方法，其中，通过表面分析以及扫描电镜能谱仪技术来检查传送层的形成，以验证传送层性能。
变型11可包括变型9-10中任何项所述的方法，其中，所述氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或盐浴氮碳共渗工艺。
变型12可包括变型9-11所述的方法，其中，所述旋转构件由灰铸铁、钢或不锈钢形成。
变型13可包括变型9-12中任何项所述的方法，其中，所述旋转构件包括制动盘、制动鼓、盘带鼓式制动器或其结合。
变型14可包括变型9-13中任何项所述的方法，其中，所述传送层展现在0.33和0.36之间的表观摩擦系数。
变型15可包括变型9-14中任何项所述的产品，其中，所述传送层具有大于0μm且小于10μm的厚度。
变型16可包括变型9-15中任何项所述的方法，其中，所述高温树脂进一步包括聚酰亚胺、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、酚类化合物或氰酸酯中的至少一种。
变型17可包括变型9-16中的任何项所述的方法，其中，所述填充物材料进一步包括重晶石、石灰、金属硫化物、钢棉或钛酸钾中的至少一种。
变型18可包括变型9-17中的任何项所述的方法，其中，所述磨料包括黄铜片、烟煤、玻璃纤维、金属氧化物或矿物中的至少一种。
变型19可包括变型9-18中的任何项所述的方法，其中，所述传送层具有在10μm和20μm之间的厚度。
变型20可包括变型9-19中的任何项所述的方法，其中，所述氧化物层包括氮碳共渗氧化铁，分子式为Fe3O4。
变型21可包括变型1和3-8中的任何项所述的产品，其中，旋转构件包括离合器组盘。
变型22可包括变型1-8和21中的任何项所述的产品，其中，旋转构件具有延展性。
变型23可包括变型1-22中的任何项所述的产品，其中，旋转构件可冲压、铸造、锻造形成或由粉末状金属形成。
变型24可包括变型1-8中的任何项所述的产品，其中，旋转构件包括复合区，复合区包括氮化铁层、氧化物层和扩散层。
变型25可包括变型24所述的产品，其中，氮化铁层包括Fe3N和Fe4N。
变型26可包括变型1-25中的任何项所述的方法或方法，其中，传送层包括石棉、陶瓷或半金属材料。
变型27可包括变型24-26中的任何项所述的产品或方法，其中，传送层的厚度可以在氮化铁层厚度的10%和50%之间。
变型28可包括变型24-26中的任何项所述的产品或方法，其中，氧化物层具有比氮化铁层高的孔隙度。
本发明的选定例子的以上描述在本质上仅是示例性的，因此其变型被认为不脱离本发明的精神和范围。