TWI565548B - 煞車圓盤及其製造方法 - Google Patents

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TWI565548B
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狩野泰
阿佐部和孝
坂口篤司
米山三樹男
辰巳佳宏
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公益財團法人鐵道總合技術研究所
新日鐵住金股份有限公司
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Description

煞車圓盤及其製造方法 發明領域
本發明是有關於煞車圓盤及其製造方法。
本申請案是基於2013年09月13日在日本申請之特願2013-191081號而主張優先權，將其內容援用於此。
發明背景
於新幹線等軌道車輛之車輪或車軸設有用於藉由將煞車墊壓上去而獲得制動力之煞車圓盤。在此，該煞車圓盤有著因為於煞車時發生之熱之影響而產生龜裂或變形之問題。於是，有人提倡藉由將煞車圓盤之圓盤本體之表面以耐熱性佳之素材被覆而可抑制由煞車熱造成之龜裂或變形之發生之煞車圓盤。
舉例來說，在專利文獻1所揭示之煞車圓盤，首先是於圓盤本體之表面施加噴擊處理。亦即，由無機質素材所成之粒子以預定之壓力噴射至圓盤本體之表面，藉此，於圓盤本體之表面形成凹凸狀之粗面化處理層。然後，於該粗面化處理層之表面形成了金屬結合層之後，於金屬結合層之表面將耐熱性及靭性佳之氧化鋯等陶瓷熱噴塗，藉 此，於金屬結合層之表面形成耐熱性被覆層。根據如此之煞車圓盤之構成，因為於煞車時發生之熱之往圓盤本體之傳達因耐熱性被覆層而減少，故可抑制在圓盤本體發生龜裂或變形。
在該專利文獻1所揭示之使煞車圓盤之耐熱龜裂性提升之表面處理技術，圓盤本體與耐熱性被覆層是透過粗面化處理層及金屬結合層而強固地結合。因此，專利文獻1所開示之表面處理技術之圓盤本體與耐熱性被覆層之結合強度是比習知之熱噴塗法或鍍敷法等表面處理技術提升，但在高速行駛時之煞車環境(高速旋轉、振動負載、高溫)下還不充分。
話說，關於藉由將煞車圓盤之摩擦面冷卻而抑制熱龜裂之發生之習知技術，雖然存在有在圓盤本體之表面鑄接有鑄鐵材之煞車圓盤(披覆圓盤)，但有著圓盤本體與鑄鐵層之密接強度低之問題。另外，習知之鍛鋼製煞車圓盤雖然有耐熱性及耐龜裂性，但並未進行表面處理。因此，習知之鍛鋼製煞車圓盤有著易於受到煞車時之熱影響之問題。
於下述專利文獻2揭示有將如上述之熱影響之問題解決之煞車圓盤之製造方法。
於專利文獻2所揭示之煞車圓盤之製造方法是進行利用熔接之表面處理手法，為了實現以熱龜裂為代表之熱影響之緩和，於圓盤本體之表面進行移轉式電漿電弧熔接(PTA熔接)。
具體而言，專利文獻2所揭示之煞車圓盤之製造方法是於可安裝於與車軸一體地旋轉之旋轉體之圓盤本體之表面，使用PTA熔接來令將熔點比該圓盤本體還高之高熔點金屬之粒子分散於基質(matrix)材中而成之熔材跨複數層地積層，藉此，製造煞車圓盤。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2009-63072號公報
專利文獻2 日本特開2012-233530號公報
發明概要
話說，由於專利文獻2所揭示之PTA熔接會產生起因於熔接時需要預熱且圓盤本體變得非常高溫之熱應變，故圓盤本體會變形。因此，有需要在熔接施工前實施前加工以令圓盤本體之形狀成為逆錐形形狀之問題。
另外，由於專利文獻2所揭示之PTA熔接是要熔接之對象物越大型或長則熱變形增大，故難以令圓盤本體薄肉化。
另外，採用PTA熔接的情況下，圓盤本體會因為高溫之電漿而朝堆積層內熔出去(熔入量10~20%)。結果，發生堆積層之強度及機能性降低之問題、或是產生具有不定形狀之珠、氣泡、或是凹孔等熔接不良之新問題。
另外，由於要藉由PTA熔接而於圓盤本體之表面形成堆 積層會需要使高溫之電弧放電發生，故亦有運轉成本增大之問題。
本發明是鑑於上述之情形而建構之發明，其目的在於提供可實現圓盤本體之薄化、且可防止堆積層之強度及機能性之降低之煞車圓盤及其製造方法。
本發明是為了達成將上述課題解決之目的而採用以下之手段。
(1)與本發明之一態樣相關之煞車圓盤是藉由煞車墊按壓於表面之行為而將車軸之旋轉制動之煞車圓盤；其具備：圓盤本體，可安裝於與前述車軸一體地旋轉之旋轉體；堆積層，於前述圓盤本體之表面跨複數層地積層；前述堆積層是藉由雷射金屬沉積熔接而積層於前述圓盤本體之表面。
(2)上述(1)記載之煞車圓盤亦可是：前述堆積層是由積層體所構成，該積層體是由在前述圓盤本體之表面跨二層以上地積層之預定之基質所成；前述積層體是由積層於前述圓盤本體上且不含有熔點比前述圓盤本體還高之高熔點金屬粒子之內層、形成於前述內層上之含有前述高熔點金屬粒子之外層所成。
(3)上述(2)記載之煞車圓盤亦可是：前述高熔點金屬粒子包含鉬、鎢、鈮及鉭之至少其中1種。
(4)上述(2)或(3)記載之煞車圓盤亦可是：前述堆積層之前述外層更具有陶瓷粒子；前述外層中之前述陶瓷 粒子之含有量以質量%而言是超過0%、50%以下。
(5)與本發明之一態樣相關之煞車圓盤之製造方法是藉由煞車墊按壓表面之行為而將車軸之旋轉制動之煞車圓盤之製造方法，其包含：堆積層形成步驟，於可安裝於與前述車軸一體地旋轉之旋轉體之圓盤本體之表面，藉由雷射金屬沉積熔接而形成堆積層。
(6)上述(5)記載之煞車圓盤之製造方法亦可是前述堆積層形成步驟具有：第1步驟，於前述圓盤本體之表面照射雷射，並朝前述雷射之照射部位供給第1金屬粉末而使前述第1金屬粉末熔融，藉此於前述圓盤本體之表面形成前述堆積層之內層；第2步驟，於前述內層之表面照射前述雷射，並朝前述雷射之照射部位供給第2金屬粉末而使前述第2金屬粉末熔融，藉此於前述內層之表面形成前述堆積層之外層。另外，亦可是：前述第1金屬粉末是預定之基質之粒子；前述第2金屬粉末是前述基質之粒子與具有比前述圓盤本體之熔點還高之熔點之高熔點金屬粒子之混合粉末。
(7)上述(5)或(6)記載之煞車圓盤之製造方法亦可是：前述高熔點金屬粒子包含鉬、鎢、鈮及鉭之至少其中1種。
(8)上述(5)~(7)之任一項記載之煞車圓盤之製造方法亦可是：前述第2金屬粉末是前述基質之粒子、前述高熔點金屬粒子、陶瓷粒子之混合粉末；前述第2金屬粉末中之前述陶瓷粒子之含有量以質量%而言是超過0%、50%以下。
由於在上述態樣是使用熱影響比習知之PTA熔接還小之雷射金屬沉積熔接(LMD熔接)來於圓盤本體上使堆積層積層，故不需要習知之PTA熔接所必要之預熱，且可壓抑熔接時發生之熱應變，故可抑制圓盤本體之變形。結果，根據上述態樣，可實現圓盤本體之薄化。
另外，上述態樣可藉由使用熱影響比PTA熔接還小之LMD熔接而防止圓盤本體朝堆積層內熔出去。結果，根據上述態樣，可防止堆積層之強度及機能性之降低。另外，由於可抑制在堆積層發生具有不定形狀之珠、氣泡、或是凹孔等熔接不良，故更加地防止堆積層之強度降低成為可能。
另外，由於上述態樣是使用熱影響比習知之PTA熔接還小之LMD熔接來於圓盤本體上使堆積層積層，故可使用熔點較低之陶瓷粒子(例如，氧化鋁)來作為分散於堆積層內之粒子。
另外，在上述態樣，由於在圓盤本體上之堆積層之中之於圓盤本體上積層之內層(第一層)是不含有高熔點金屬粒子之層，故可提高堆積層與圓盤本體之密接性。另外，由於堆積層之外層(第二層、第三層)含有之高熔點金屬粒子是在熔接後亦作為金屬粒子而殘存於外層內，故可於圓盤本體賦予高耐熱性，可防止於熔接後之堆積層產生龜裂。
再者，上述態樣是於可安裝於與車軸一體地旋轉 之旋轉體之圓盤本體之表面，藉由LMD熔接來使分散有熔點比該圓盤本體還高之高熔點金屬之粒子之熔材積層。根據如此之上述態樣，可藉由使用LMD熔接而於圓盤本體上所形成之堆積層，將由行駛時之煞車時之摩擦熱造成之往圓盤本體之淬火抑制而抑制在圓盤本體之表面產生龜裂或變形，可於煞車圓盤賦予耐熱性與耐熱龜裂性之雙方。
10‧‧‧新幹線用制動裝置
11‧‧‧車輪
12‧‧‧車軸
13‧‧‧煞車圓盤
14‧‧‧煞車墊
16‧‧‧固定螺絲
17‧‧‧間隙
20‧‧‧LMD熔接裝置
21‧‧‧熔接矩
22‧‧‧中心孔
23‧‧‧冷卻水供給路
24‧‧‧保護氣體供給路
25‧‧‧熔接材料供給路
26‧‧‧熔材
27‧‧‧噴嘴
28‧‧‧噴嘴
30‧‧‧PTA熔接裝置
31‧‧‧熔接矩
32‧‧‧鎢電極
33‧‧‧主電源
34‧‧‧引導電源
35‧‧‧熔材
111‧‧‧平板部
112‧‧‧輪緣部
113‧‧‧轂部
114‧‧‧軸插通孔
131‧‧‧螺絲插通孔
132‧‧‧缺口部
133‧‧‧圓盤本體
134‧‧‧堆積層
134’‧‧‧堆積層
134A‧‧‧第一堆積層(內層)
134B‧‧‧第二堆積層(外層)
134C‧‧‧第三堆積層(外層)
135‧‧‧摩擦面
136‧‧‧基質
137‧‧‧高熔點金屬粒子
138‧‧‧硬質陶瓷粒子
311‧‧‧電極穴
312‧‧‧第一流路
313‧‧‧第二流路
314‧‧‧第三流路
CG‧‧‧載體氣體
L‧‧‧雷射光
P‧‧‧雷射照射部位
PA‧‧‧電漿電弧
PG‧‧‧引導氣體
RW‧‧‧冷卻水
SG‧‧‧保護氣體
圖1是顯示具備有與本發明之一實施形態相關之煞車圓盤之新幹線用制動裝置之外觀的概略正面圖。
圖2是顯示圖1之A-A線截面的概略截面圖。
圖3是顯示與本實施形態相關之煞車圓盤之表面附近的概略截面圖。
圖4A是顯示在本實施形態使用於堆積層之形成之LMD熔接裝置的概略構成圖。
圖4B是習知之PTA熔接裝置的概略構成圖。
圖5是顯示LMD熔接裝置之熔接條件的表。
圖6是顯示LMD熔接、PTA熔接及電漿熱噴塗之特性比較結果的表。
圖7是顯示自堆積層之表層之距離與維氏硬度之關係的圖表。
圖8是顯示從上方看堆積層之外觀照片(A)與堆積層之截面微照片(B)。
圖9是堆積層之表面之外觀照片(A)與顯示堆積層之表面之滲透探傷結果之照片(B)。
圖10是顯示與本發明之一實施形態相關之煞車圓盤之製造方法的流程圖。
用以實施發明之形態
以下，一面參考圖面一面說明本發明之一實施形態。
圖1是顯示具備與本實施形態相關之煞車圓盤13之新幹線用制動裝置10之外觀的概略正面圖。另外，圖2是顯示圖1之A-A線截面的概略截面圖。
如圖1所示，新幹線用制動裝置10具備略圓形之車輪11(旋轉體)、插通該車輪11之車軸12、安裝在車輪11之端面之煞車圓盤13、接近該煞車圓盤13而配置之煞車墊14。
如圖1及圖2所示，車輪11具有：平板部111，於車輪11之軸方向Y具有一定之厚度；輪緣部112，設在車輪11之徑方向X中之平板部111之外緣部，軸方向Y之厚度比平板部111還厚；轂部113，設在車輪11之徑方向X中之平板部111之中心部，軸方向Y之厚度比平板部111及輪緣部112還厚；軸插通孔114，沿著軸方向Y而貫通轂部113。
如圖1及圖2所示，車軸12是插通車輪11之軸插通孔114而固定於車輪11。該車軸12受未圖示之驅動裝置(馬達等)旋轉驅動，藉此，車輪11與車軸12一體地旋轉。
煞車圓盤13具有藉由煞車墊14按壓而獲得制動力之任務。如圖1所示，該煞車圓盤13是具有略圓環形狀之 平板構件。煞車圓盤13之外徑是比車輪11之輪緣部112之內徑還小。煞車圓盤13之內徑是比車輪11之轂部113之外徑還大。另外，如圖2所示，煞車圓盤13之厚度是略等於輪緣部112之相對於車輪11之平板部111之突出高度。再者，如圖1及圖2所示，於煞車圓盤13是沿著周方向以預定間隔形成有複數之螺絲插通孔131。
圖3是顯示煞車圓盤13之表面附近的概略截面圖。煞車圓盤13具備有圓盤本體133、藉由LMD熔接(雷射金屬沉積熔接)而形成於圓盤本體133之表面之堆積層134。
圓盤本體133是藉由將鍛造用之鋼材、亦即鍛鋼成形為圓環狀所獲得之煞車圓盤13之本體。附帶一提，圓盤本體133之材質並不限定於鍛綱，亦可是成本效益佳之碳鋼、或是熱傳導性及耐磨耗性佳之波來鑄鐵。
堆積層134是藉由積層體構成，該積層體是由與圓盤本體133之表面熔融結合而積層之第一堆積層134A、與該第一堆積層134A之表面熔融結合而積層之第二堆積層134B、與該第二堆積層134B之表面熔融結合而積層之第三堆積層134C所成。
附帶一提，在圓盤本體133上之堆積層134(134A~134C)之中，由第一堆積層134A形成內層，由第二堆積層134B及第三堆積層134C形成外層。
然後，位於最上部之第三堆積層134C之表面是要被煞車墊14按壓之摩擦面135。附帶一提，如圖3所示，因為各堆積層134A~134C間是藉由熔接而熔融結合，故成為無組 織變化之均一之一體化組織。
如圖3所示，第一堆積層134A以預定之基質136形成之層。第一堆積層134A之維氏硬度是220[Hv]以上、270[Hv]以下。第一堆積層134A之厚度是1~5[mm]。
基質136舉例來說是鎳基合金。該鎳基合金舉例來說是赫史特(登錄商標)C合金。在此，以化學成分而言，赫史特C合金是以質量%分別含有鉻(Cr)15%、鉬(Mo)16%、鎢(W)4%、殘餘部分為鎳(Ni)之合金。附帶一提，基質136並不限定於鎳基合金，亦可使用銅及鋁青銅等之銅合金、銀及銀合金、或是、鋁及鋁合金等之熱傳導率高之材料來作為基質136。
於圓盤本體133之表面最初積層之第一堆積層134A不含有後述之高熔點金屬粒子。藉此，可提高第一堆積層134A與圓盤本體133之密接性。
如圖3所示，第二堆積層134B及第三堆積層134C是以基質136形成之層，並含有具有比圓盤本體133之熔點還高之熔點之高熔點金屬粒子137。第二堆積層134B及第三堆積層134C中之基質136具有使高熔點金屬粒子137均質地結合之任務。第二堆積層134B及第三堆積層134C之維氏硬度是220[Hv]以上、270[Hv]以下。在此，在第二堆積層134B及第三堆積層134C中，可以是於基質136中僅分散有高熔點金屬粒子137，但本實施形態是第二堆積層134B及第三堆積層134C含有高熔點金屬粒子137、並含有硬質陶瓷粒子138(例如氧化鋁粒子)。第二堆積層134B及第三堆積層134C 中之硬質陶瓷粒子138之含有量以質量%而言是超過0%、50%以下。
在堆焊之領域，由於需要極力地壓抑堆積層之表面之摩擦係數，故一般是不使堆積層含有陶瓷粒子。然而，在本實施形態是為了獲得於煞車圓盤13要求之煞車力而使第二堆積層134B及第三堆積層134C含有硬質陶瓷粒子138。由平均摩擦係數、摩耗量、陶瓷粒子138與基質136之晶界剝離抑制之觀點，第二堆積層134B及第三堆積層134C中之硬質陶瓷粒子138之含有量宜為超過0%、50%以下。
如此構成之第二堆積層134B是於第一堆積層134A之表面、另外、第三堆積層134C是於第二堆積層134B之表面分別積層1~5mm程度之厚度。附帶一提，第三堆積層134C基本上是與第二堆積層134B同樣之構成。
高熔點金屬粒子137具有於圓盤本體133賦予高耐熱性之任務。該高熔點金屬粒子137是與圓盤本體133相較之下熔點高之金屬之粒子，包含鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)、及鉭(Ta)之至少其中1種。
第二堆積層134B及第三堆積層134C中之高熔點金屬粒子137之含有量以質量%而言是超過0%、80%以下。
另外，高熔點金屬粒子137中，平均粒徑為75μm以上、100μm以下之粒子占全粒子數之70%以上、80%以下，並且平均粒徑為10μm以上、45μm以下之粒子占剩餘之部分。
如以上般地構成之煞車圓盤13是如圖2所示，以令形成有缺口部132之側為朝向車輪11之側之狀態配置於 車輪11之平板部111，藉由插通螺絲插通孔131之固定螺絲16而固定於車輪11。
另外，如上述，煞車圓盤13之外徑比輪緣部112之內徑還小。煞車圓盤13之內徑比轂部113之外徑還大。
所以，如圖2所示，在將煞車圓盤13固定於車輪11之平板部111之狀態下，於煞車圓盤13與轂部113之間形成有預定寬之間隙17。
如圖1所示，煞車墊14是設在車輪11之徑方向X中與煞車圓盤13對向之位置。雖然省略詳細之圖示，但煞車墊14是設成可沿著車輪11之軸方向Y而移動。若煞車墊14往煞車圓盤13移動，則煞車圓盤13之摩擦面135(第三堆積層134C之表面)被煞車墊14按壓。藉此，發生使與煞車圓盤13一體地旋轉之車軸12停止之制動力。另一方面，藉由煞車墊14自煞車圓盤13離開之行為，容許車軸12之旋轉。
接下來，說明與本實施形態相關之煞車圓盤13之作用效果。在與本實施形態相關之煞車圓盤13，堆積層134是藉由LMD熔接而積層於圓盤本體133之表面。所以，在圓盤本體133與第一堆積層134A之界面，因為熔融結合而提升圓盤本體133與第一堆積層134A之密接強度。藉此，可防止堆積層134在高速行駛時之煞車環境下自圓盤本體133之表面剝離。
另外，堆積層134之維氏硬度是220[Hv]以上、270[Hv]以下。如此，堆積層134之維氏硬度是低於一般被視為龜裂是否發生及進展之指標之維氏硬度350[Hv]。藉此， 即便在高速行駛時之煞車環境下，亦難以於堆積層134產生龜裂或變形。
另外，圓盤本體133是因為其製造時之熱處理而被賦予高韌性。若於第一堆積層134A之積層時由LMD熔接造成之熱(雷射光打到圓盤本體133而發生之熱)施加於圓盤本體133，則因為生成淬火層(未圖示)而造成圓盤本體133硬化。
另一方面，於第二堆積層134B之積層時，因為由LMD熔接造成之熱是透過第一堆積層134A來傳達至圓盤本體133，故傳達至圓盤本體133之熱量減少。所以，於第一堆積層134A之積層時所生成之淬火層是因為於第二堆積層134B之積層時施加之熱而回火。藉此，於硬化之圓盤本體133賦予靭性。
再者，於將第三堆積層134C積層之際，因為由LMD熔接造成之熱亦是透過第二堆積層134B及第一堆積層134A來傳達至圓盤本體133，故傳達至圓盤本體133之熱量更加減少。所以，與前述同樣，於第一堆積層134A之積層時所生成之淬火層受到回火，圓盤本體133之靭性更加提升。藉由以上，即便在高速行駛時之煞車環境下亦難以於圓盤本體133產生龜裂或變形。
附帶一提，於該圓盤本體133生成之淬火層會在煞車圓盤13之開始使用後因為煞車時發生之熱而更受到回火，故圓盤本體133之耐龜裂性會更加提升。
接下來，參考圖4A及圖4B來說明為了於圓盤本 體133之表面將堆積層134積層而使用之LMD熔接裝置20。
附帶一提，圖4A是本實施形態之LMD熔接裝置20的正截面圖。圖4B是作為比較例而顯示之PTA熔接裝置30的正截面圖。
如圖4A所示，本實施形態之LMD熔接裝置20具備有：熔接矩21；中心孔22，形成於熔接矩21之中心部，並且由雷射振盪器(省略圖示)供給之雷射光L通過；冷卻水供給路23，分別於中心孔22之周圍同心圓狀地形成；保護氣體供給路24及熔接材料供給路25。
冷卻水供給路23是配置於中心孔22之外側且被供給冷卻水RW之流路。
保護氣體供給路24及熔接材料供給路25是於冷卻水供給路23之外側相互鄰接地配置。保護氣體SG是被供給於保護氣體供給路24。熔材26(金屬粉末)是被供給於熔接材料供給路25。於保護氣體供給路24之前端設有噴嘴27，保護氣體SG由該噴嘴27往圓盤本體133之表面噴射。熔接材料供給路25之前端設有噴嘴28，熔材26由該噴嘴28往圓盤本體133之表面噴射。
雖然詳細是後述，但要形成第一堆積層134A時是使用基質136之粒子、亦即第1金屬粉末來作為熔材26。另外，要形成第二堆積層134B及第三堆積層134C時，是使用基質136之粒子、高熔點金屬粒子137、硬質陶瓷粒子138之混合粉末、亦即第2金屬粉末來作為熔材26。
如上述之熔材26是藉由流動於熔接材料供給路25之載 體氣體CG來搬運。
另外，關於載體氣體CG，使用氬氣、氦氣等惰性氣體。另外，藉由供給於保護氣體供給路24之保護氣體SG而防止圓盤本體133及堆積層134之氧化。
如以上地構成之LMD熔接裝置20是令雷射光L由熔接矩21照射至圓盤本體133之表面，並且藉由載體氣體CG令熔材26(第1金屬粉末或第2金屬粉末)通過熔接材料供給路25而供給至雷射照射部位(在圖4A中以符號P顯示之部位)。
被供給至雷射照射部位P之熔材26是被雷射光L施加大的熱能量而熔融。熔融之熔材26凝固，藉此形成堆積層134。可藉由與雷射光L之照射及熔材26之供給同時地使熔接矩21沿著圓盤本體133之表面以一定速度移動，而於圓盤本體133之表面形成具有一定之厚度之堆積層134。藉由如此地使熔接矩21複數次往復移動，可於圓盤本體133之表面積層具有複數層構造之堆積層134。
附帶一提，在LMD熔接裝置20是對圓盤本體133之入熱量少，因為由雷射振盪器(省略圖示)供給之雷射光L照射於圓盤本體133而發生熱。為了要藉由該熱而獲得必要之熔入量，需要將雷射光L之雷射光徑、及雷射光L之移動速度適切地設定。
在此，參考圖5來說明LMD熔接裝置20之熔接條件。
如圖5所示，作為雷射照射條件，雷射光L之焦點徑設 定為5.4[mm]，調整雷射光L之焦點距離之機器MFO(Manual Focusing Optics)之設定電壓值是設定為0.54[V]，另外，雷射光L之輸出是設定為2700[W]。作為熔材供給條件，保護氣體SG之流量是設定為15[L/min]，熔接矩21之旋轉數設定為10[rpm]，另外，載體氣體CG之流量是設定為4[L/min]。作為其他之條件，熔接速度(熔接矩21之移動速度)是設定為500[mm/min]，間距(pitch)寬是設定為2.3[mm]。
另一方面，如圖4B所示，作為比較例之PTA熔接裝置30是具備：熔接矩31；鎢電極32，***熔接矩31之中心部；主電源33，與鎢電極32及圓盤本體133連接；引導(pilot)電源34，與鎢電極32及熔接矩31連接。
如圖4B所示，於熔接矩31之中心部形成有電極穴311，並以該電極穴311為中心而同心圓狀地形成第一流路312、第二流路313、及第三流路314。於電極穴311是***鎢電極32並被供給引導氣體PG。於第一流路312是被供給冷卻水RW。於第二流路313是被供給熔材35及載體氣體CG。於第三流路314是被供給保護氣體SG。附帶一提，熔材35是基質粒子與高熔點金屬粒子之混合粉末。
如此地構成之PTA熔接裝置30是藉由引導電源34而於鎢電極32與熔接矩31之間施加電壓，藉此在電極穴311內發生電弧放電而引導氣體PG電漿化。若電漿化之引導氣體PG(電漿氣體)被供給於第一流路312之冷卻水RW冷卻，則因為所謂之熱收縮效果而收束。結果，上述電漿氣體是以能量密度高之電漿電弧PA來從電極穴311之前端孔往圓 盤本體133噴射。若該電漿電弧PA到達圓盤本體133，則藉由主電源33而於鎢電極32與圓盤本體133之間施加電壓，藉此，電弧電流(省略圖示)流於圓盤本體133。結果，於圓盤本體133之表面形成熔融池。另一方面，供給於第二流路313之熔材35是被載體氣體CG壓送而送入電漿電弧PA中而熔融。熔材35以熔融之狀態投入圓盤本體133上之熔融池，藉此，形成堆積層134’。
圖6顯示使用圖4A顯示之LMD熔接裝置20而實現之LMD熔接、使用圖4B顯示之PTA熔接裝置30而實現之PTA熔接、作為另一比較例之電漿熱噴塗的特性比較結果。
如圖6所示，採用LMD熔接的情況下，與PTA熔接相比，堆積厚度及堆積量雖然小，但由於熱負載低，故由圓盤本體往堆積層之碳熔入量小。另外，採用LMD熔接的情況下，與電漿熱噴塗相比，圓盤本體與堆積層之密接力高。
另外，採用LMD熔接的情況下，與電漿熱噴塗相比，良率高。再者，電漿熱噴塗之孔隙率(熔接缺陷)是1~3%，但LMD熔接之孔隙率是0%。
接下來，參考圖7來說明自堆積層之表層(表面)之距離[mm]與維氏硬度[Hv]之關係。附帶一提，圖7是使用寬50[mm]、長度150[mm]、厚度19[mm]之試驗片來進行維氏硬度之測定。
圖7是顯示自堆積層之表層之距離[mm]與維氏硬度[Hv]之關係的圖表。圖7之橫軸是顯示自堆積層之表層 往厚度方向之距離，圖7之縱軸是顯示維氏硬度。
附帶一提，圖7中之圓形之點(○)是顯示使用LMD熔接來於圓盤本體上積層第一堆積層的情況。另外，四角形之點(□)是沒有將圓盤本體預熱而使用PTA熔接來積層第一堆積層之比較例。菱形之點(◇)是將圓盤本體預熱成250℃之後使用PTA熔接來積層第一堆積層之比較例。
另外，在圖7中，「熱影響部」的意思是從圓盤本體之表面至約2.8[mm]之深度為止之熔接時之熱之影響所及之範圍。另外，「本體原質部」的意思是圓盤本體之厚度方向整體。
如圖7所示，若將LMD熔接與PTA熔接予以比較，則在熱影響部之領域，由PTA熔接造成之維氏硬度是比由LMD熔接造成之維氏硬度大。
關於其原因，可以舉出的是在使用PTA熔接來形成堆積層的情況下，因為非常高之熱影響造成於圓盤本體生成淬火層，故圓盤本體之硬度變高。相對於此，在使用LMD熔接來形成堆積層的情況下，由LMD熔接造成之熱影響少，熱影響在圓盤本體只及於適度之範圍。所以，在使用LMD熔接來形成堆積層的情況下，圓盤本體是維持高的韌性。
另外，使用LMD熔接來形成堆積層的情況下，自堆積層之表層2[mm]以上之深度之維氏硬度是低於一般被視為龜裂是否發生及進展之指標之350[Hv]。所以，使用LMD熔接來形成堆積層的情況下，難以於圓盤本體產生龜裂或變形。
圖8A是顯示從上方看由LMD熔接裝置20在圓盤本體133之表面形成之堆積層134之外觀照片。圖8B是顯示堆積層134之截面微照片。圖9A是顯示堆積層134之表面之外觀照片。圖9B是顯示堆積層134之滲透探傷結果。
特別是如圖8B及圖9B所示，在以LMD熔接所製造之煞車圓盤13，堆積層134之截面及表面之金屬組織是起因於被LMD熔接所熔融結合而成為無組織變化之均一之一體化組織。
接下來，說明與本實施形態相關之煞車圓盤13之製造方法。
圖10是顯示與本實施形態相關之煞車圓盤13之製造步驟的流程圖。首先，製作圓盤本體133(程序S1)。在該程序S1，具有預定之組成之鑄錠受到鍛造、壓延、或是鑄造，藉此製作圓盤本體133。
接下來，因應需要而實施圓盤本體133之熱處理(程序S2)。在該程序S2，以令在程序S1製作之圓盤本體133之特性成為想要之特性的方式對圓盤本體133熱處理，藉此進行圓盤本體133之組織之調整。
附帶一提，採用習知之PTA熔接的情況下，在上述程序S2之後，實施圓盤本體133之機械加工。亦即，採用PTA熔接的情況下，由於對圓盤本體133之熱影響大，故需要預想在圓盤本體133產生之應變量而以熔接後之堆積層134成為適切之狀態的方式將圓盤本體133之表面之一部分切除，於圓盤本體133預先形成具有預定角度之槽部。
然而，由於本實施形態與PTA熔接不同，是採用對圓盤本體133之熱影響小之LMD熔接，故不需要實施如上述之圓盤本體133之機械加工。
接下來，藉由LMD熔接裝置20在圓盤本體133之表面形成第一堆積層134A(程序S3：相當於本發明之堆積層形成步驟之第1步驟)。在該程序S3，藉由LMD熔接裝置20，於圓盤本體133之表面照射雷射光L，並朝雷射光L之照射部位P供給熔材26(第1金屬粉末)而使熔材26熔融，藉此於圓盤本體133之表面形成第1堆積層134A。
該程序S3之熔材26(第1金屬粉末)是由例如鎳基合金所成之基質136之粒子(粉末)。
接下來，藉由LMD熔接裝置20在第一堆積層134A之表面形成第二堆積層134B(程序S4：相當於本發明之堆積層形成步驟之第2步驟)。在該程序S4，藉由LMD熔接裝置20，於第1堆積層134A之表面照射雷射光L，並朝雷射光L之照射部位P供給熔材26(第2金屬粉末)而使熔材26熔融，藉此於第1堆積層134A之表面形成第2堆積層134B。
該程序S4之熔材26(第2金屬粉末)是基質136(例如鎳基合金)之粒子、高熔點金屬粒子137(例如鉬)、硬質陶瓷粒子138(例如氧化鋁)之混合粉末。
上述之熔材26(第2金屬粉末)中之硬質陶瓷粒子138之含有量以質量%而言是超過0%、50%以下。藉由使用如此之熔材26，第2堆積層134B中之硬質陶瓷粒子138之含有量亦是以質量%而言超過0%、50%以下。
接下來，藉由LMD熔接裝置20在第二堆積層134B之表面形成第三堆積層134C(程序S5：相當於本發明之堆積層形成步驟之第2步驟)。在該程序S5，藉由LMD熔接裝置20，於先前形成之第2堆積層134B之表面照射雷射光L，並朝雷射光L之照射部位P供給與上述同樣之由第2金屬粉末所成之熔材26而使熔材26熔融，藉此於第2堆積層134B之表面形成第3堆積層134C。由於第2堆積層134B與第3堆積層134C是互相熔融結合，故在第2堆積層134B及第3堆積層134C之整體，金屬組織是均一化(參考圖3)。
附帶一提，亦可在藉由LMD熔接而於第2堆積層134B之表面形成第3堆積層134C時令熔材26(第2金屬粉末)中之高熔點金屬粒子137之比例提高。藉此，可更使第3堆積層134C之表面(亦即煞車墊14直接接觸之摩擦面135)之耐熱性提升。
接下來，實施在圓盤本體133之表面形成堆積層134而獲得之煞車圓盤13之機械加工(程序S6)。在該程序S6，煞車圓盤13之外形受到切削加工等而整理成想要之外形。
最後，實施煞車圓盤13之精整加工(程序S7)。在該程序S7，以煞車圓盤13之摩擦面135(第3堆積層134C之表面)成為平滑之面的方式研磨摩擦面135。藉由實施如以上之各步驟(程序S1~S7)而完成煞車圓盤13，煞車圓盤13之製造步驟結束。
如以上，由於本實施形態是使用熱影響比習知之PTA熔接還小之LMD熔接來於圓盤本體133上使堆積層134 積層，故不需要習知之PTA熔接所必要之預熱，且可壓抑熔接時發生之熱應變，故可抑制圓盤本體133之應變變形。結果，根據本實施形態，可實現圓盤本體133之薄化。
另外，本實施形態可藉由使用熱影響比PTA熔接還小之LMD熔接而防止圓盤本體133朝堆積層134內熔出去。結果，根據本實施形態，可防止堆積層134之強度及機能性之降低。另外，由於可抑制在堆積層134發生具有不定形狀之珠、氣泡、或是凹孔等熔接不良，故更加地防止堆積層134之強度降低成為可能。
另外，由於本實施形態是使用熱影響比習知之PTA熔接還小之LMD熔接來於圓盤本體133上使堆積層134積層，故可使用熔點較低之陶瓷粒子(例如，氧化鋁)來作為分散於堆積層134內之粒子。
另外，由於本實施形態之於圓盤本體133之表面最初形成之第1堆積層134A是不含有高熔點金屬粒子137之鎳基合金層，故可提高堆積層134與圓盤本體133之密接性。另外，由於第2堆積層134B及第3堆積層134C含有之高熔點金屬粒子137是具有高熔點，故在熔接後亦作為金屬粒子而殘存於第2堆積層134B及第3堆積層134C內。藉此，可於圓盤本體133賦予高耐熱性，可防止於熔接後之堆積層134產生龜裂。
再者，本實施形態是於可安裝於與車軸一體地旋轉之車輪11(旋轉體)之圓盤本體133之表面，藉由LMD熔接來使分散有熔點比該圓盤本體133還高之高熔點金屬粒子 137之熔材26積層。根據如此之本實施形態，可藉由使用LMD熔接而於圓盤本體133上所形成之堆積層134，將由行駛時之煞車時之摩擦熱造成之往圓盤本體133之淬火抑制而抑制在圓盤本體133之表面產生龜裂或變形，可於煞車圓盤13賦予耐熱性與耐熱龜裂性之雙方。
以上雖然一面參考圖面一面詳細說明本發明之一實施形態，但本發明並不限定於上述實施形態，亦可在不超脫本發明之要旨之範圍改變實施形態。
[產業利用性]
本發明是有關於可在具有被煞車墊壓上去之摩擦面之煞車圓盤防止在熔接時發生之熱應變及由其造成之變形之煞車圓盤及其製造方法。
13‧‧‧煞車圓盤
133‧‧‧圓盤本體
134‧‧‧堆積層
134A‧‧‧第一堆積層(內層)
134B‧‧‧第二堆積層(外層)
134C‧‧‧第三堆積層(外層)
135‧‧‧摩擦面
136‧‧‧基質
137‧‧‧高熔點金屬粒子
138‧‧‧硬質陶瓷粒子

Claims (6)

  1. 一種煞車圓盤，是藉由煞車墊按壓於表面之行為而將車軸之旋轉制動之煞車圓盤；其特徵在於具備：圓盤本體，可安裝於與前述車軸一體地旋轉之旋轉體；堆積層，跨複數層地積層於前述圓盤本體之表面；又，前述堆積層是藉由雷射金屬沉積熔接而積層於前述圓盤本體之表面，前述堆積層是由積層體所構成，該積層體是由跨二層以上地積層在前述圓盤本體之表面之預定之基質(matrix)所成；前述積層體是由積層於前述圓盤本體上且不含有熔點比前述圓盤本體還高之高熔點金屬粒子之內層、及形成於前述內層上之含有前述高熔點金屬粒子之外層所成。
  2. 如請求項1之煞車圓盤，前述高熔點金屬粒子包含鉬、鎢、鈮及鉭之至少其中1種。
  3. 如請求項1或2之煞車圓盤，前述堆積層之前述外層更含有陶瓷粒子；前述外層中之前述陶瓷粒子之含有量以質量%而言是超過0%、50%以下。
  4. 一種煞車圓盤之製造方法，是藉由煞車墊按壓於表面之行為而將車軸之旋轉制動之煞車圓盤之製造方法，其特 徵在於包含：堆積層形成步驟，於可安裝於與前述車軸一體地旋轉之旋轉體之圓盤本體之表面，藉由雷射金屬沉積熔接而形成堆積層，前述堆積層形成步驟具有：第1步驟，於前述圓盤本體之表面照射雷射，並朝前述雷射之照射部位供給第1金屬粉末而使前述第1金屬粉末熔融，藉此於前述圓盤本體之表面形成前述堆積層之內層；第2步驟，於前述內層之表面照射前述雷射，並朝前述雷射之照射部位供給第2金屬粉末而使前述第2金屬粉末熔融，藉此於前述內層之表面形成前述堆積層之外層；前述第1金屬粉末是預定之基質之粒子；前述第2金屬粉末是前述基質之粒子與具有比前述圓盤本體之熔點還高之熔點之高熔點金屬粒子之混合粉末。
  5. 如請求項4之煞車圓盤之製造方法，前述高熔點金屬粒子包含鉬、鎢、鈮及鉭之至少其中1種。
  6. 如請求項4或5之煞車圓盤之製造方法，前述第2金屬粉末是前述基質之粒子、前述高熔點金屬粒子、陶瓷粒子之混合粉末；前述第2金屬粉末中之前述陶瓷粒子之含有量以質 量%而言是超過0%、50%以下。
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