CN102128225B - 一种碳陶刹车盘的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳陶刹车盘的制造方法。先制备出碳纤维坯体，通过天然气CVI、石墨化处理、加工、制孔、反应熔融和精磨制备成碳陶复合材料刹车盘。制孔使得刹车盘的盘面上排满若干通孔，各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面。本发明在刹车盘盘面上排满布的通孔使得在熔融渗Si反应中，液态Si能够均匀地渗透至刹车盘的厚度方向，并且能够保证Si在整个摩擦面的渗透均匀性，同时也你有效保证熔融渗Si反应重点发生至厚度方向区域，仅影响厚度方向的尺寸，而在径向圆周方向区域的尺寸基本不受影响，后续碳陶加工只需要加工厚度区域即可，从而使得本发明具有渗Si深度好、渗Si均匀和产品容易加工的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种定向渗Si碳陶刹车盘的制造方法。
背景技术
碳陶复合刹车材料(以下简称碳陶)，是以高强度碳纤维为增强体，以热解碳、碳化硅为基体的两相或多相结合而成的一种新型复合材料，该材料集粉末冶金刹车材料和C/C刹车材料的优点于一体，并有效地克服了上述两种材料的缺点，具有重量轻、比强度高、比热大、摩擦性能稳定、机械性能稳定等优点，尤其是冲击韧性高，耐海水、盐雾腐蚀能力强。
目前碳陶刹车材料的主要制备方法有：粉浆-热压法、CVI法、LPI法、反应熔渗法；但目前真正工程化应用只有反应熔渗法。反应熔渗法是利用液硅渗入C/C制备而得到。该工艺具有制备周期短、成本低等优点，是一种具有市场竞争力的工业化生产技术，但由于刹车盘坯体C/C的厚度一般都在15mm以上，而通过反应熔渗进入的液Si的渗透深度只能达到7～8mm，且在厚度越大越容易出现渗透梯度大，从而使得采用该工艺制造碳陶刹车盘时存在Si渗透不均的缺点；另外，由于反应生成的SiC的硬度较大，采用普通机械加工过的难度和成本都较大。
发明内容
为克服现有技术中存在的在刹车盘厚度方向Si渗透不均以及加工难的问题，本发明提出了一种碳陶刹车盘的制造方法。
本发明采取的技术方案是，先制备出碳纤维坯体，然后通过天然气CVI、石墨化处理、加工、打孔、反应熔融和精磨制备成碳陶复合材料刹车盘，其具体过程如下：
步骤1，制备碳纤维坯体。
用无纬单向碳布与碳纤维网胎复合，以碳布纤维方向0°/60°/120°铺设叠层，形成碳纤维坯体。碳纤维坯体的铺成厚度为(15～25)mm且保证14～16层/cm。碳纤维坯体的体积密度为0.6g/cm3。
步骤2，制备C/C坯体。
将制备的碳纤维坯体装入CVI炉中进行沉积。沉积温度为1000～1020℃，沉积气体为天然气和乙烷，其中天然气的流量为40～80SLM，乙烷的流量为20～40SLM。炉膛压力为2kPa，沉积时间为250～300h，即可制得C/C坯体。
步骤3，石墨化处理。
将获得的C/C坯体放入高温热处理炉中进行石墨化处理，具体过程如下：
Ⅰ对高温热处理炉抽真空至真空计值≤100Pa，保压12h；真空计值为≤1kPa时，则可升温。
Ⅱ高温热处理炉以200℃/h的升温速率升温至1300℃时，充Ar气至炉压(-0.05)MPa～(-0.03)MPa。停Ar气，继续以100℃/h的升温速率升温至2100℃，保温1h～4h。
Ⅲ高温热处理炉降温至150℃以下时出炉，得到石墨化处理后的C/C坯体。
步骤4，机械加工。
通过机械加工的方法将经过石墨化处理的C/C坯体的内径、外径、键槽、台阶和铆钉孔一次性精加工到位，并在C/C坯体上端面和下两端面各留0.3～0.4mm余量。
步骤5，制孔。
在加工好的C/C坯体的盘面上排满有若干Φ3mm通孔。位于刹车盘盘面外边缘和内边缘的通孔的中心距离刹车盘外圆边和内圆边处的距离均为15～20mm，相邻的通孔之间的间距为13～18mm。各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面。
步骤6，反应熔融渗Si。
将上述多孔C/C坯体放入熔融渗Si炉中，抽真空至1000Pa以下，升温至1475℃，保温2h；自然降温至150℃以下出炉，即可制备出碳陶刹车盘。
步骤7，精磨。
将上述碳陶刹车盘的上下两端面精磨0.3～0.4mm，即获得碳陶刹车盘。
本发明通过定向渗Si式反应熔融渗Si工艺，使碳陶刹车盘的反应熔融渗Si均匀，并有效降低产品的加工难度。与传统反应熔融渗Si工艺制备碳陶刹车盘相比，本发明采用了定向渗Si工艺，在渗Si前对C/C坯体厚度方向进行均匀打孔，使得在熔融渗Si反应中，液态Si能够均匀地渗透至刹车盘的厚度方向；其次在刹车盘端面上均匀的通孔，可以保证Si在整个摩擦面的渗透均匀性；另外一方面也可以有效保证熔融渗Si反应重点发生至厚度方向区域，只影响厚度方向的尺寸，而在径向圆周方向区域的尺寸基本不受影响，后续碳陶加工只需要加工厚度区域即可，从而使得本发明具有渗Si深度好、渗Si均匀和产品容易加工的优点。
附图说明
图1是刹车盘打孔示意图；
图2是某型飞机动盘打孔示意图；
图3是某型飞机静盘打孔示意图；
图4是碳陶刹车盘的制造方法的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是制造某型飞机碳陶刹车盘-动盘，其具体过程如下：
步骤1，制备碳纤维坯体；
碳纤维坯体的规格为Φ312mm×Φ192mm×26mm，数量15件。选用12K碳纤维，用无纬单向碳布与碳纤维网胎复合，以碳布纤维方向0°/60°/120°铺设叠层，形成型飞机碳陶刹车盘-动盘的碳纤维坯体。碳纤维坯体的铺成厚度为25mm，且保证16层/cm，体积密度0.6g/cm3。
步骤2，制备C/C坯体
将制备的15件飞机碳陶刹车盘-动盘的碳纤维坯体装入CVI炉中进行沉积。沉积温度为1020℃。沉积气体为天然气和乙烷，其中天然气的流量为80SLM，乙烷的流量为40SLM。炉膛压力为2kPa，沉积时间为300h，即可制得C/C坯体。
步骤3，石墨化处理；
将获得的C/C坯体放入高温热处理炉中进行石墨化处理，具体过程如下：
Ⅰ对高温热处理炉抽真空至真空计值≤100Pa，保压12h；真空计值为≤1kPa时，则可升温。
Ⅱ高温热处理炉以200℃/h的升温速率升温至1300℃时，充Ar气至炉压(-0.05)MPa～(-0.03)MPa。停Ar气，继续以100℃/h的升温速率升温至2100℃，保温4h。
Ⅲ高温热处理炉降温至150℃以下时出炉，得到石墨化处理后的C/C坯体。
步骤4，机械加工；
通过机械加工的方法将经过石墨化处理的C/C坯体的内径、外径、键槽、台阶和铆钉孔一次性精加工到位，并在C/C坯体上端面和下两端面各留0.4mm余量。
步骤5，制孔；
在加工好的C/C坯体上，在刹车盘的盘面上排满有若干Φ3mm通孔，位于刹车盘盘面外边缘和内边缘的通孔的中心距离刹车盘外圆边和内圆边处的距离均为15mm，相邻的通孔之间的间距为15mm。各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面。
步骤6，反应熔融渗Si；
将上述多孔C/C坯体放入熔融渗Si炉中，抽真空至1000Pa以下，升温至1475℃，保温2h；自然降温至150℃以下出炉，即可制备出碳陶刹车盘。
步骤7，精磨；
将上述碳陶刹车盘的上下两端面精磨0.4mm，即获得碳陶刹车盘。
实施例二
本实施例是制造某型飞机碳陶刹车盘-静盘，其具体过程如下：
步骤1，制备碳纤维坯体；
碳纤维坯体的规格为Φ312mm×Φ192mm×25mm，数量12件。选用12K碳纤维，用无纬单向碳布与碳纤维网胎复合，以碳布纤维方向0°/60°/120°铺设叠层，形成型飞机碳陶刹车盘-静盘的碳纤维坯体。碳纤维坯体的铺成厚度为20mm，且保证15层/cm，体积密度0.6g/cm3。
步骤2，制备C/C坯体
将制备的15件飞机碳陶刹车盘-静盘的碳纤维坯体装入CVI炉中进行沉积。沉积温度为1000℃。沉积气体为天然气和乙烷，其中天然气的流量为60SLM，乙烷的流量为30SLM。炉膛压力为2.0kPa，沉积时间为300h，即可制得C/C坯体。
步骤3，石墨化处理；
将获得的C/C坯体放入高温热处理炉中进行石墨化处理，具体过程如下：
Ⅰ对高温热处理炉抽真空至真空计值≤100Pa，保压12h；真空计值为≤1kPa时，则可升温。
Ⅱ高温热处理炉以200℃/h的升温速率升温至1300℃时，充Ar气至炉压(-0.05)MPa～(-0.03)MPa。停Ar气，继续以100℃/h的升温速率升温至2100℃，保温2.5h。
Ⅲ高温热处理炉降温至150℃以下时出炉，得到石墨化处理后的C/C坯体。
步骤4，机械加工；
通过机械加工的方法将经过石墨化处理的C/C坯体的内径、外径、键槽、台阶和铆钉孔一次性精加工到位，并在C/C坯体上端面和下两端面各留0.3mm余量。
步骤5，制孔；
在加工好的C/C坯体上，在刹车盘的盘面上排满有若干Φ3mm通孔，位于刹车盘盘面外边缘和内边缘的通孔的中心距离刹车盘外圆边和内圆边处的距离均为18mm，相邻的通孔之间的间距为13mm。各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面。
步骤6，反应熔融渗Si；
将上述多孔C/C坯体放入熔融渗Si炉中，抽真空至1000Pa以下，升温至1475℃，保温2h；自然降温至150℃以下出炉，即可制备出碳陶刹车盘。
步骤7，精磨；
将上述碳陶刹车盘的上下两端面精磨0.3mm，即获得碳陶刹车盘。
实施例三
本实施例是制造某型飞机碳陶刹车盘-压紧盘，其具体过程如下：
步骤1，制备碳纤维坯体；
步骤1，制备碳纤维坯体；
碳纤维坯体的规格为Φ312mm×Φ192mm×25mm，数量12件。选用12K碳纤维，用无纬单向碳布与碳纤维网胎复合，以碳布纤维方向0°/60°/120°铺设叠层，形成型飞机碳陶刹车盘-静盘的碳纤维坯体。碳纤维坯体的铺成厚度为15mm，且保证14层/cm，体积密度0.6g/cm3。
步骤2，制备C/C坯体
将制备的15件飞机碳陶刹车盘-静盘的碳纤维坯体装入CVI炉中进行沉积。沉积温度为1010℃。沉积气体为天然气和乙烷，其中天然气的流量为40SLM，乙烷的流量为20SLM。炉膛压力为2.0kPa，沉积时间为250h，即可制得C/C坯体。
步骤3，石墨化处理；
将获得的C/C坯体放入高温热处理炉中进行石墨化处理，具体过程如下：
Ⅰ对高温热处理炉抽真空至真空计值≤100Pa，保压12h；真空计值为≤1kPa时，则可升温。
Ⅱ高温热处理炉以200℃/h的升温速率升温至1300℃时，充Ar气至炉压(-0.05)MPa～(-0.03)MPa。停Ar气，继续以100℃/h的升温速率升温至2100℃，保温1h。
Ⅲ高温热处理炉降温至150℃以下时出炉，得到石墨化处理后的C/C坯体。
步骤4，机械加工；
通过机械加工的方法将经过石墨化处理的C/C坯体的内径、外径、键槽、台阶和铆钉孔一次性精加工到位，并在C/C坯体上端面和下两端面各留0.35mm余量。
步骤5，制孔；
在加工好的C/C坯体上，在刹车盘的盘面上排满有若干Φ3mm通孔，位于刹车盘盘面外边缘和内边缘的通孔的中心距离刹车盘外圆边和内圆边处的距离均为20mm，相邻的通孔之间的间距为18mm。各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面。
步骤6，反应熔融渗Si；
将上述多孔C/C坯体放入熔融渗Si炉中，抽真空至1000Pa以下，升温至1475℃，保温2h；自然降温至150℃以下出炉，即可制备出碳陶刹车盘。
步骤7，精磨；
将上述碳陶刹车盘的上下两端面精磨0.35mm，即获得碳陶刹车盘。
Claims (1)
1.一种碳陶刹车盘的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，制备碳纤维坯体；
用无纬单向碳布与碳纤维网胎复合，以碳布纤维方向0°/60°/120°铺设叠层，形成碳纤维坯体；碳纤维坯体的铺成厚度为15～25mm且保证14～16层/cm；碳纤维坯体的体积密度为0.6g/cm3；
步骤2，制备C/C坯体；
将制备的碳纤维坯体装入CVI炉中进行沉积；沉积温度为1000～1020℃，沉积气体为天然气和乙烷，其中天然气的流量为40～80SLM，乙烷的流量为20～40SLM；炉膛压力为2.0kPa，沉积时间为250～300h，即可制得C/C坯体；
步骤3，石墨化处理；
将获得的C/C坯体放入高温热处理炉中进行石墨化处理，具体过程如下：
Ⅰ对高温热处理炉抽真空至真空计值≤100Pa，保压12h；真空计值为≤1kPa时，则可升温；
Ⅱ高温热处理炉以200℃/h的升温速率升温至1300℃时，充Ar气至炉压-0.05MPa～-0.03MPa；停Ar气，继续以100℃/h的升温速率升温至2100℃，保温1h～4h；
Ⅲ高温热处理炉降温至150℃以下时出炉，得到石墨化处理后的C/C坯体；
步骤4，机械加工；
通过机械加工的方法将经过石墨化处理的C/C坯体的内径、外径、键槽、台阶和铆钉孔一次性精加工到位，并在C/C坯体上端面和下两端面各留0.3～0.4mm余量；
步骤5，制孔；
在加工好的C/C坯体的盘面上排满若干Φ3mm通孔；位于刹车盘盘面外边缘和内边缘的通孔的中心距离刹车盘外圆边和内圆边处的距离均为15mm～20mm，相邻的通孔之间的间距为13mm～18mm；各通孔的中心线垂直于刹车盘盘面；
步骤6，反应熔融渗Si；
将上述多孔C/C坯体放入熔融渗Si炉中，抽真空至1000Pa以下，升温至1475℃，保温2h；自然降温至150℃以下出炉，即可制备出碳陶刹车盘；
步骤7，精磨；
将上述碳陶刹车盘的上下两端面精磨0.3～0.4mm，即获得碳陶刹车盘。
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