用于在固体基板的表面上形成层的系统和方法及由其形成的产品技术方案

一种用于形成车辆刹车片的方法，该方法包括：在模具中装载成型的金属基板和金属合金组分和陶瓷颗粒的混合物，施加压力的同时加热模具的内容物以熔化合金混合物的至少一种金属组分，从而致密化模具的内容物并在金属基板上形成含陶瓷颗粒的金属基体复合涂层；并冷却得到的涂层产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在固体基板的表面上形成层的系统和方法及由其形成的产品
本专利技术涉及在金属基板上形成基本无孔的耐磨金属陶瓷颗粒复合物、用于形成这种复合层的系统和制成的产品。本专利技术在车辆刹车片方面具有特别的实用性，并且将结合这样的用途进行描述，但是也可以考虑其他用途。
技术介绍
包括汽车、卡车、火车和公共交通系统的陆地车辆使用盘式制动器来减慢和/或停止车辆。盘式制动系统通常包括刹车片(rotor)和制动钳。刹车片安装成与车轮一起转动。制动钳包括被迫与刹车片摩擦接触以减慢和或停止车轮的旋转的制动器摩擦块。传统的铸铁刹车片比较重。这些刹车片在制动过程中会磨损，产生灰尘。传统铸铁刹车片的替代品可以减轻重量，并有助于提高燃油经济性，减少空气和水污染，并提高车辆加速度。相对于铸铁减少重量的材料包括铝和钛；然而，与铸铁相比，它们在摩擦应用中的表面摩擦缺乏用作刹车片的必要性能。已知将陶瓷颗粒添加到金属基体中以增加摩擦力用于提高制动能力并提高耐磨性，其还具有在摩擦应用中产生很少灰尘或不产生灰尘的优点。当应用于形成具有期望特征的刹车片时，许多常规工艺具有缺点。例如，由具有由常规等离子喷涂技术涂覆的陶瓷涂层的铝形成的一些刹车片具有不令人满意的残余孔隙以及对于车辆刹车片应用来说的涂层对刹车片基板的附着力不足。大多数没有孔隙的刹车片使可靠性和良好的传热成为可能。用于生产复合材料特别是铝-陶瓷颗粒复合材料的常规搅拌铸造固有地导致对于大多数车辆刹车片应用而言不可接受的孔隙率。另外，对于具有相对高动量的车辆的高耐磨性和制动性能而言，加入至少30％体积至50％体积的陶瓷颗粒是理想的。仍不清楚常规的搅拌铸造是否能在这种必须高的颗粒负载下产生无孔隙的复合材料。在常规的搅拌铸造中，将陶瓷颗粒引入整个熔融铝合金中。随着不溶性颗粒被搅入液态铝中，混合物的粘度随着所加入的颗粒的体积而增加。粘度的增加也与颗粒的大小有关。通常，颗粒越小，粘度增加越大。然而，为了良好的制动性能，使用精细的粒度，优选低于约50μm。由于搅拌和铸造较高体积的负载和粘度的混合物变得不切实际，因此对刹车片应用而言，将细陶瓷颗粒并入铝基体中的常规搅拌方法被限制为约25％体积，这取决于实际粒度。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种用于形成结合在支撑基板上的基本上无孔隙的金属/陶瓷复合物的方法和设备，其克服了现有技术中的上述和其它问题。根据本专利技术的各个方面，使用本文讨论的系统和方法在基板(例如，车辆刹车片)的表面上形成的复合层基本没有孔隙并且包括具有期望尺寸和复合材料密度的陶瓷颗粒。复合层内相对高密度的陶瓷颗粒具有阻止热量流入核心基板的能力。该层可以包围整个基板表面或者可以形成在基板的外表面的一个或多个选定区域(例如，一个或多个圆形带)中。复合层还可以为基板提供强化，使得与没有该层的基板相比，层和基板的组合提供机械和热性能(例如，摩擦系数、磨损率、热导率、热容量、比热、比重、密度、抗压强度、延展性、刚度)的改善的组合。在本文讨论的涉及车辆刹车片的专利技术的应用中，取决于颗粒体积负荷的层具有较高的摩擦力并且本质上具有比铸铁更高的热容量。较高的热容量提供比铁更大的储热能力，高于约30％体积的陶瓷颗粒负荷提供改进的制动性能，并且低磨损特性导致很少或没有灰尘产生，因此产生比铸铁更少的空气污染。复合摩擦层可以根据陶瓷颗粒的密度或体积进行分级，陶瓷颗粒的密度或体积为从层的外表面到基板的距离的函数。可以形成一个以上的层。例如，当陶瓷颗粒体积从外表面到基板核心变化时，基板的温度可能小于外表面的温度。通过常规手段涂覆在外表面上的包括相对低导热性的陶瓷(例如氧化物)的薄涂层可以提供对基板的热流的优异的热绝缘。铝、铝合金、钛和/或钛合金的基板比铸铁轻得多，并且由于它们的重量轻和高热容量而优选用于车辆刹车片应用。与铝类似，钛不提供适用于车辆刹车片应用的摩擦学表面。一种或多种金属(例如，基板的金属，或者具有比基板熔融温度低的熔点的金属，以及在预期的放热反应中作为反应物的金属)的金属基体中的陶瓷颗粒层可以提供能够承受车辆制动温度极限的耐磨损复合制动表面。在下面的描述中，参考车辆刹车片作为涂覆有金属基体复合层的金属基板的示例。金属基板也被称为芯体。在操作中，该层的外表面提供制动表面。当这种刹车片以如上所述的常规方式安装在轮式车辆上时，制动表面与一个或多个制动器摩擦块之间的摩擦减慢和/或停止车辆。用于在固体金属基板的表面上形成层的系统可以由根据本文公开内容配置的常规手动和/或自动化处理和工艺控制设备和设施来组装。自动化可以通过在设备中安装或链接设备用于访问使用传统编程技术制备的固件和/或软件来完成。在一个实施方式中，系统包括常规设计的腔室、加热器、压力机和真空泵的集成。系统可以是被称为真空热压机的类型。可以使用由加利福尼亚州圣罗莎(SantaRosa)的ThermalTechnologyLLC和康涅狄格州的特里维(Terryville)的FurnaceSourceLLC提供的商用真空热压机，或者定制的系统可以满足生产金属基体复合材料刹车片的目标。腔室包括任何绝缘的壳体以便经济地保持在相对较高的温度和相对较低的大气压力之内，同时位于没有外界环境的条件下。只要使用诸如氩的惰性气体或与制动材料基本上不反应的气体(例如氮气)，炉操作也可以在正压或气流下进行。通常，腔室包括可关闭的开口，模具可以通过该开口放置在腔室中，以在较高的温度和施加的压力下经受期望的时间并且随后从腔室移除。通过壳体的额外通道通常用于支持加热、加压和排空功能；以及仪表装置和控制。腔室可以包括容纳压力机的结构。相反地，腔室可以是可移动的并且可降低或者可选择地升高到具有陶瓷复合材料层的基座上以加工成刹车片。加热器包括提供能量来加热模具内容物的任何装置(例如，电、化学、磁性装置)。热量可以传导进入模具中(例如，将热物体压在模具上，通过模具和/或其内容物的电阻进行电传导，称为放电等离子体烧结也称为场辅助烧结技术(FAST)或电流激活的压力辅助致密化的磁感应和加热类型)和/或朝模具辐射(例如，微波加热、电子束加热、激光加热、腔室内的辐射热源以及在腔室抽空之前通过围绕模具的气体的传导或对流)。加热器可以包括用于加热的能源。加热器可以使用用于加热或能量转换的能源。加热器可以将能量从一种形式转换为另一种形式(例如，到RF的电功率用于磁感应、脉冲功率等)。压力机包括将机械力施加到腔室内的模具上的任何设备。压力机可包括与模具接触以施加力的一个或多个压头(ram)(例如，移动活塞、固定止回器(backstop))。压力机可以包括加热、冷却和/或绝热以减少压力机和模具之间的热变化。真空泵包括从腔室中去除气体的任何机械设备。真空泵也可以用另一种气体更换腔室中的气体。真空泵可以控制模具周围的气体压力。腔室内温度、机械压力和周围气体的程度的集成控制可以通过一个或多个程序控制器来完成。编程可以包括用于处理模具内容物的序列和用于维护人员、设备和模具内容物的安全操作条件的序列。在任何常规编程语言中，序列可以包括定义设定值、改变速率、设定值处的持续时间、完成改变的持续时间、当限制被解除(crossed)时(例如，将腔室返回至环境条件、将腔室返回至已知安全条件、对操作员进行声音警报以进行调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成结合到固体金属基板表面的金属合金层的方法，所述方法包括：将内容物装载到模具中，其中模具的内容物包括基板和优选呈粉末形式的含金属混合物，其中基板的表面在不与含金属混合物接触时在第一温度下熔化，并且其中含金属混合物的组分在小于第一温度的第二温度下熔化；将模具的内容物加热至第一温度与第二温度之间的温度，以使基板的元素与混合物的至少一种组分发生反应；和通过在模具上施加压力一段时间来致密模具的内容物，所述一段时间包括在内容物冷却到环境温度之前的时间；由此将包含混合物的至少一种组分的层结合到基板的表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.21 US 62/258,448;2015.12.10 US 62/265,7651.一种用于形成结合到固体金属基板表面的金属合金层的方法，所述方法包括：将内容物装载到模具中，其中模具的内容物包括基板和优选呈粉末形式的含金属混合物，其中基板的表面在不与含金属混合物接触时在第一温度下熔化，并且其中含金属混合物的组分在小于第一温度的第二温度下熔化；将模具的内容物加热至第一温度与第二温度之间的温度，以使基板的元素与混合物的至少一种组分发生反应；和通过在模具上施加压力一段时间来致密模具的内容物，所述一段时间包括在内容物冷却到环境温度之前的时间；由此将包含混合物的至少一种组分的层结合到基板的表面。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一段时间包括在期间发生放热反应的时间。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将模具的内容物加热至介于第一温度和第二温度之间的温度，以使基板的至少两种元素、粉末的第一组分材料和可能存在的粉末的第二组分材料反应。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中熔体的体积小于基板的体积。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一温度对应于由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组中的元素的熔点，或者对应于包含由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的一种或多种元素的合金的熔点。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应不产生气相产物。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应涉及由铝、硼、钴、铜、铁、镍、钯、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组的反应物。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应包括粉末的第一反应物和粉末的第二反应物。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末包括铝合金和陶瓷颗粒。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：a.基板包含铝；和b.所述粉末包含铝或铝与硅的合金，或铝、硅与镁的合金，或铝与钛的合金，或铝、硅与钛的合金，或选自Ti-Al和Ti-Al-Cr-Nb的预制合金粉末。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述陶瓷颗粒包含碳化硅。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层的外表面的25％至65％，优选35％或更多的所述层的外表面包含陶瓷颗粒。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述层和所述基板包含产物并且所述产物的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末的特征还在于一个或多个以下特征：a.所述粉末不含粘合剂；b.所述粉末包含约61％重量的铝硅合金和约39％重量的碳化硅；c.所述粉末包含约59.5％重量的铝硅合金，约38％重量的碳化硅和任选的约2.5％重量的钛；d.所述粉末包含具有由约5微米的D10、约15微米的D50和约38微米的D90限定的粒度分布的铝硅合金；e.所述粉末包含具有约10微米至20微米的粒度的碳化硅；f.所述粉末包含粒度约为44微米的钛；g.所述粉末包含铝合金356、铝合金4032、铝合金5052或铝合金5083；h.所述粉末包含具有12％重量的硅合金的铝；i.所述粉末包含碳化硅颗粒并且95％的碳化硅颗粒具有小于约50微米的粒度，以及j.可选地热处理所形成的产物。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基板基本上由铝1100或铝合金5052组成。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末平铺在基板的表面上。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粉末以0.001英寸至0.25英寸，优选0.60至0.125英寸，更优选0.40至0.080英寸，最优选约0.050英寸的厚度平铺在基板的表面上。19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过形成固相反应产物来减少一定量的液态熔体。20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括抽空模具。21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基板包括毂盘组件。22.一种用于集成液态金属基体复合物和固态金属基板的方法，所述方法包括：实现涉及液态金属基体复合物的反应；和在至少一部分反应期间致密化液态金属基体复合物和固态金属基板的组合，并且将金属基体复合物从液态冷却到固态，并且可选地热处理形成的产物。23.根据权利要求22所述的方法，还包括在反应的持续时间的至少一部分期间使液态金属基体复合物和固态金属基板的组合致密化。24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其中液态金属基体复合物的体积小于基板的体积。25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中基板具有对应于由铝、钴、铜、铁、镍、钛、钒和锌组成的组的元素的熔点的熔化温度，或铝合金优选包含铝和由钴、铜、铁、镍、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的一种或多种元素。26.根据权利要求22-25中任一项所述的方法，其中所述反应不产生气相产物。27.根据权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述反应涉及选自由铝、硼、钴、铜、铁、镍、钯、钛、钒、锌、铬、镁、锰、铌和硅组成的组中的两种或多种金属的放热反应。28.根据权利要求22-27中任一项所述的方法，其中所述反应包括复合物的液态金属基体的第一反应物和复合物的液态金属基体的第二反应物。29.根据权利要求22-28中任一项所述的方法，其中液态金属基体复合物包含铝合金和陶瓷颗粒，优选为碳化硅。30.根据权利要求22-29中任一项所述的方法，其中：a.基板包含铝；和b.金属基体复合物包括碳化硅，或者铝和硅的合金，或者铝、硅和镁的合金，或者铝和钛的合金，或者铝、硅和钛的合金，或者选自Ti-Al或Ti-Al-Cr-Nb的预制合金粉末。31.根据权利要求22-30中任一项所述的方法，其中所述层的外表面的25％至65％，优选35％或更多的所述层的外表面包含陶瓷颗粒。32.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其中所述层的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。33.根据权利要求22-32中任一项所述的方法，其中所述层和所述基板包含产物并且所述产物的孔隙率小于体积的2％，优选小于体积的1％，更优选小于体积的0.25％。34.根据权利要求22-33中任一项所述的方法，还包括使所述反应在低于环境大气压的情况下进行。35.根据权利要求22-34中任一项所述的方法，其中所述基板包括毂盘组...

【专利技术属性】
技术研发人员：洛里·布拉卡蒙特，詹姆斯·威瑟斯，乔维·阿夫塞德，
申请(专利权)人：ATS材料与电化学研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US