CN101328942A - 一种重载汽车刹车片及制备方法 - Google Patents

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杨力
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Abstract

本发明介绍了一种重载汽车刹车片材料及其制备方法。在此新材料中，高强度的三维陶瓷骨架承担复合材料所受外加载荷，同时承受绝大部分的摩擦剪切力作用；金属合金基体吸收应变能，为陶瓷骨架提供支撑。利用两类材料互为支撑骨架，充分发挥陶瓷高硬度/高耐磨/高耐热、金属合金材料高强度/高韧性的特性，所制成的重载汽车刹车片具有性能稳定、高温摩擦性能好、抗开裂/抗裂纹扩展能力强、制动性能优异、大幅度提高使用寿命等特点，并且制备工艺简单、成本低、易维护。

Description

一种重载汽车刹车片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种制造汽车刹车片的摩擦材料及其制备工艺，尤其是应用在重载汽车上的提供高效刹车力的摩擦材料。
背景技术
摩擦材料是制动离合器、制动器摩擦片的元件材料，广泛应用于汽车、火车、飞机、轮船等交通运输工具以及动力机械的制动系统。刹车系统工作的实质是将刹车时的动能转化为热能，对材料要求高。刹车负荷、温度变化迅速及高抗裂纹扩展能力，因此摩擦材料的性能直接影响到离合器，制动器乃至整机的性能与可靠性。
近几年来，有关重载汽车刹车失灵造成伤亡的事故时有发生，造成刹车失灵的主要原因是制动器的热衰退性不能满足要求，也就是刹车制动效能在连续刹车造成的高温下不能保持恒定。重载汽车作为重要物资、装备、人员、工程机械系统车辆底盘的重要工具，其可靠性对车辆、人员的安全有着直接的影响。
当前重载汽车刹车片普遍使用石棉刹车片和铸造金属刹车片，并采用传统的鼓式刹车装置。鼓式刹车装置散热性能差，容易出现由于过热而导致的刹车失灵情况。石棉除对环境造成污染及有致癌的缺陷外，其导热能力较差，反复使用会使热量累积，刹车盘的连续刹车温度会达到500-600℃甚至更高，制动性能发生改变，易产生“制动萎缩”，并导致制动失灵。金属刹车片也不能彻底解决频繁刹车导致刹车失灵的情况发生，刹车性能不稳，对安全造成严重的威胁，是造成人员伤亡的重要因素。
发明内容
本发明重载汽车刹车片的目的是实现了一种碳化硅/金属三维骨架复合材料新型重载汽车刹车片，该刹车片摩擦系数适中，摩擦性能稳定，刹车响应性能好、使用寿命长、制造工艺简单、成本低、环境适应性好，并提供这种刹车片的制备方法。
本发明重载汽车刹车片的技术方案为：以三维空间分布的、高强度、高硬度的碳化硅陶瓷为骨架，在骨架间隙中复合入金属合金制成陶瓷的金属基复合材料。在此复合材料中，陶瓷与金属组元分别呈空间交叉的三维分布形式，高强度的三维陶瓷骨架承担复合材料所受外加载荷，同时承受绝大部分的摩擦剪切力作用；金属合金基体吸收应变能，为陶瓷骨架提供支撑。通过制坯、整形、烧结、熔渗、加工，得到刹车片的成品。
本发明一种重载汽车刹车片的制备方法包括如下步骤：多孔陶瓷骨架的制备、陶瓷/金属复合材料的制备、最终尺寸加工等
多孔陶瓷骨架的制备：为使碳化硅陶瓷骨架在烧结完成后，加工修整过程简便易行，我们开发出了一种可机加工的多孔碳化硅陶瓷骨架制备技术。该技术以反应烧结技术为基础，结合纳米材料技术，可制备高密度、高纯度、高耐热性多孔碳化硅陶瓷的烧结制备技术—“纳米粉体气相反应辅助的液相反应烧结工艺”。多孔陶瓷骨架的制备采用前驱体法，使用碳化硅、碳化硼、氮化硅、氧化锆、氮化硼等各类陶瓷原料，依据用途、可靠性需求、费效比等灵活选用。混浆时以2～7％的比例加入同质或异质的纳米量级的带有分散剂和稳定剂的微粉，同时可以选用适量的添加同质或异质的纤维。
该“纳米粉体气相反应辅助的液相反应烧结工艺”的特点是：
(1)通过改变原材料成分配比，使得多孔碳化硅陶瓷骨架经预烧过程获得较高的强度。
(2)对陶瓷骨架毛坯进行烧结前机加工，得到接近于最终形状的产品。
(3)对加工后的毛坯进行最终烧结，可以得到变形小、尺寸精确的最终陶瓷骨架产品。
(4)利用这一技术，可以简单、廉价的方法加工制备出曲面、旋转体、多面体等异形多孔陶瓷骨架基材。
陶瓷/金属复合材料制备：采用辅以陶瓷表面防护涂层，通过在极短时间内将金属合金挤压入陶瓷骨架内，并迅速冷却固化的方法，即能有效抑制陶瓷与金属的反应，保证陶瓷骨架结构不受损害，同时又能形成结构致密的复合材料，从而保证陶瓷/金属复合材料能具有优异的综合性能，以及良好的工艺重复性。
最终尺寸加工：通过磨、削、钻等工艺在机床上将得到的毛坯加工到图纸要求的尺寸。
优选地，考虑到成本问题，采用碳化硅/铁合金作为本发明刹车片的材料。本发明重载汽车刹车片的优点：
(1)寿命长：碳化硅是一种硬度仅次于金刚石、高度稳定的耐磨材料，在三维网状陶瓷骨架中复合进高韧性的金属合金，材料抗开裂/抗裂纹扩展能力强，因此大大提高了刹车片的寿命。
(2)刹车效能高、响应快：刹车过程中，陶瓷骨架不仅能保持整体结构稳定，而且对其摩擦对偶能立即产生反作用力或刹车抗力，确保陶瓷/金属合金刹车盘在任何速度下产生较高的刹车效能。
(3)性能稳定：三维网状陶瓷骨架保证了整体结构的稳定，使刹车片在高温下不会软化，保持稳定的刹车性能。
(4)制备工艺简单：材料结构可根据需求迅速调整，生产周期短，设备配置要求也不高，工艺程序少，单项工艺简单，质量控制容易，废品率低，有利于实现大批量生产和推广应用。
(5)易维护：新型复合材料刹车片环境适应性强、寿命长，大大减少了刹车片的换装频率和维护费用。
附图说明
图1汽车刹车盘动片示意图。1为刹车片，2为花键孔，3为轮毂。
图2汽车刹车静片示意图。1为刹车片，2为固定架。
图3是原材料准备与后续各工序关系图
图4是多孔陶瓷骨架制备流程图
图5是陶瓷/金属复合材料制备流程图
具体实施方式
前驱体法制备碳化硅/金属复合材料重载汽车刹车片工艺为：
1、泡沫切割与清洗：平均孔径1mm，闭孔率为8％的聚氨酯泡沫，在50℃下清洗1min。
2、预制体成型：按碳化硅微粉120g、工业酒精1000ml、烧结助剂100g、粘结剂10g配制碳化硅浆料，球磨后机械搅拌20min，挂覆料浆，使预制体密度达到1.36g/cm3，225℃烘干后初整形。
3、热解及高温热解：以5℃/min的速度使热解炉升温至800℃、保温30min，冷却出炉；按碳化硅浆料∶活性剂＝1∶10配制吸注料浆，8℃/min的速度升温至1200℃，通氩气，保温40min；冷却后精磨至设计要求尺寸。
4、碳化硅陶瓷骨架烧结：真空，泡沫陶瓷碳骨架/硅粉以1.12比重组成烧结组元，以10℃/min的升温速率至1350℃，保温60min，冷却后去除残余硅。
5、陶瓷/金属合金复合：陶瓷骨架预热至300℃、复合模具预热10min至300℃，将预热后陶瓷骨架放入模具底模中，浇入金属合金熔液，机械加压55MPa，保压10s后退出，自然冷却。
6、机加成型：粗磨去除多余金属，以热解后修形为原形，钻孔，成型，后精磨、加工钻孔、修边。
根据上述实施方式，得到实施例1-3的碳化硅/金属复合材料刹车片，将所得的刹车片分别进行摩擦性能、力学性能与热学性能试验.
实施例1：前驱体法，碳化硅/金属复合材料刹车片中陶瓷骨架为65wt％，铁合金＝35wt％；骨架中碳化硅＝70wt％，碳化硼＝29wt％，烧结助剂Al2O3＝其他，试验得刹车片性能：摩擦系数0.40，抗压强度≥150MPa，抗弯强度≥100MPa，抗拉强度≥50MPa，抗冲击能力≥30MPa，导热系数≥14W/m.K。
实施例2：前驱体法，碳化硅/金属复合材料刹车片中陶瓷骨架为60wt％，铸铁合金＝40wt％；骨架中碳化硅＝98wt％，烧结助剂Y2O3＝2％，试验得刹车片性能：摩擦系数0.35，抗压强度165MPa，抗弯强度100MPa，抗拉强度60MPa，抗冲击能力35MPa，导热系数17.5W/m.K。
实施例3：混合体法，碳化硅/金属复合材料刹车片中陶瓷骨架为55wt％，45号标准钢＝45wt％；骨架中碳化硅＝98wt％，烧结助剂Y2O3+Al2O3＝2％，试验得刹车片性能：摩擦系数0.30，抗压强度180MPa，抗弯强度150MPa，抗拉强度100MPa，抗冲击能力90MPa，导热系数20W/m.K。

Claims (5)

1、一种重载汽车刹车片及制备方法，其特征在于：以三维空间分布的、高强度、高硬度的碳化硅陶瓷为骨架，在骨架间隙中复合入金属合金制成陶瓷的金属基复合材料。在此复合材料中，陶瓷与金属组元分别呈空间交叉的三维分布形式，高强度的三维陶瓷骨架承担复合材料所受外加载荷，同时承受绝大部分的摩擦剪切力作用；金属合金基体吸收应变能，为陶瓷骨架提供支撑。通过制坯、整形、烧结、熔渗、加工，得到刹车片的成品。
2、根据权利权利要求1所述的重载汽车刹车片及制备方法，其特征在于：制备方法包括如下步骤：多孔陶瓷骨架的制备、陶瓷/金属复合材料的制备、最终尺寸加工等。
3、根据权利权利要求1所述的重载汽车刹车片及制备方法，其特征在于：一种可机加工的多孔碳化硅陶瓷骨架制备技术。该技术以反应烧结技术为基础，结合纳米材料技术，可制备高密度、高纯度、高耐热性多孔碳化硅陶瓷的烧结制备技术一“纳米粉体气相反应辅助的液相反应烧结工艺”。
4、根据权利权利要求3所述的“纳米粉体气相反应辅助的液相反应烧结工艺”，其特征在于：通过改变原材料成分配比，使得多孔碳化硅陶瓷骨架经预烧过程获得较高的强度；对陶瓷骨架毛坯进行烧结前机加工，得到接近于最终形状的产品；对加工后的毛坯进行最终烧结，可以得到变形小、尺寸精确的最终陶瓷骨架产品。
5、根据权利权利要求1所述的重载汽车刹车片及制备方法，其特征在于：陶瓷/金属复合材料制备采用辅以陶瓷表面防护涂层，通过在极短时间内将金属合金挤压入陶瓷骨架内，并迅速冷却固化的方法。
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Assignee: Beijing Junyanyuan Technology Co., Ltd.

Assignor: Yang Li

Contract fulfillment period: 2008.12.3 to 2013.12.2 contract change

Contract record no.: 2008110000183

Denomination of invention: Heavy-load automobile brake block and preparation method thereof

License type: Exclusive license

Record date: 20081210

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2008.12.3 TO 2013.12.2; CHANGE OF CONTRACT

Name of requester: BEIJING JUNYANYUAN SCIENCE CO., LTD.

Effective date: 20081210

C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20081224