CN102703771A - 刹车盘用碳化硅／铝合金复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及刹车盘技术领域，具体涉及一种刹车盘用碳化硅／铝合金复合材料的制备方法。其技术方案是：基体合金选用铸造铝合金ZAlSi8MgBe，碳化硅选用α-SiC颗粒，具体制备包括以下步骤：（1）、SiC颗粒整形，（2）、盐酸酸洗，（3）、高温氧化，（4）、硝酸盐敏化，（5）、搅拌铸造，（6）、T6热处理。本发明制备的碳化硅／铝合金复合材料重量轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和抗磨耐磨性，并且制备比较容易、成本低而且增强相在基体内弥散分布且具有各向同性，适用于各种复杂应力状态。
Description
技术领域
本发明涉及刹车盘技术领域，具体涉及一种刹车盘用碳化硅／铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分，其制动性能的好坏直接关系到车辆的行驶安全。目前广泛使用的铸铁刹车盘因制动摩擦发热而使其表面温度高达６００℃，其工作表面温度很高且温度梯度大，易形成热点而产生热裂，并且铸铁刹车盘的耐磨性较差。目前行业内尝试用铝合金来代替铸铁材料铸造刹车盘，尽管其重量轻、导热性能好，但其强度和硬度较低，阻碍了其在刹车盘上的应用。
发明内容
本发明提供一种碳化硅／铝合金复合材料的制备方法，其作为刹车盘的材料，可以解决现有铸铁刹车盘导热性差、耐磨性差、易热裂等缺陷。
本发明是通过以下技术方案实现的：基体合金选用铸造铝合金ZAlSi8MgBe（即ZL116，其各元素的质量分数为：Si= 6.5-7.5%，Mg=0.35-0.55%，Ti=0.1-0.3%，Be=0.15～0.40，余量为Al）；碳化硅选用α-SiC颗粒，具体制备步骤如下：
（1）、SiC颗粒整形：SiC颗粒经破碎机粉碎和涡流式气流分级机分级得到平均粒度为25-35μm的类圆形颗粒，去除SiC颗粒中的一些尖角，因为SiC颗粒带有尖角时，不利于其在铝熔体中均匀分散。制备SiC／Ａ１复合材料时，在SiC颗粒尖角附近基体中存在严重的热残余应变集中，另一方面颗粒形状的不规则导致颗粒内部残余应力分布不规则，在颗粒尖角处应力过大，残余应变不均匀性的集中作用致使材料受到外加载荷时，残余应变集中的颗粒尖角处在较低的应变水平下断裂而形成空洞，降低材料性能。因此，制备SiC／Ａ１合金复合材料之前有必要对SiC颗粒进行整形处理，将不规则的SiC颗粒整形成类球形，既有利于SiC颗粒在Ａ１熔体中均匀分散，又有利于提高SiC／Ａ１合金复合材料的性能。
（2）、盐酸酸洗：将步骤（1）整形得到的SiC颗粒加入到质量分数10-20%的盐酸中，并在25-35℃下浸泡3-6小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；在上述处理过程中SiC颗粒表面的杂质被除掉，使得其表面的粗糙度增加，颗粒表面出现凹凸不同的形貌。
（3）、高温氧化：将步骤（2）烘干得到的SiC颗粒在900-1000℃下氧化4-6小时，冷却后备用；此过程中SiC表面氧化反应生成少量SiO2。
（4）、硝酸盐敏化：将步骤（3）冷却得到的SiC颗粒在质量分数10-30%的硝酸镁溶液中浸泡4-5小时，然后在1-2小时内用质量分数10-20%的氨水滴定溶液PH至为8-9为止，过滤并在380-400℃下烘干备用，此过程生成MgO并附着在SiC颗粒表面的凹处，形成活化点。
（5）、搅拌铸造：首先向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入其重量2-2.5%的镁粉，混合后加热至680-700℃熔化，然后将步骤（4）烘干得到的SiC颗粒预热至220-250℃，并加入到4-5倍重量上述的熔化铸造铝合金ZAlSi8MgBe中，控温690-700℃在氮气保护下搅拌1-2小时,树脂砂型浇筑得到复合材料；铸造时，由于SiC颗粒表面存在SiO2和MgO，熔体中的Al与二者发生反应，使得熔体进入SiC颗粒表面的凹处，接触时发生界面反应，从而改善SiC与Al之间的润湿性，铝合金液顺利浸渗到SiC颗粒中，从而利于均一复合材料的形成；铸造时通入氮气可以排除炉内空气，隔绝空气与铝液的接触，大大较少高温条件下铝液的氧化；铝合金中加入的镁粉也可以提高铝合金液的渗透性。
（6）、T6热处理：在500-520℃固熔处理10-12小时，淬火，然后在150-160℃时效处理4-5小时后得到碳化硅／铝合金复合材料。
上述步骤进一步改进为：所述的步骤（1）中SiC平均粒度为30μm；所述步骤（2）中盐酸的质量分数为15%，浸泡温度为30℃，时间为4小时；所述步骤（3）中氧化温度为950℃，时间为5小时；所述步骤（4）中硝酸镁溶液浓度为20%，时间为4.5小时。
本发明制备的碳化硅／铝合金复合材料重量轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和抗磨耐磨性，并且制备比较容易、成本低而且增强相在基体内弥散分布且具有各向同性，适用于各种复杂应力状态。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
（1）、SiC颗粒整形：SiC颗粒经破碎机粉碎和涡流式气流分级机分级得到平均粒度为25μm的类圆形颗粒；
（2）、盐酸酸洗：将步骤（1）整形得到的SiC颗粒加入到质量分数10%的盐酸中，并在25℃下浸泡6小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；
（3）、高温氧化：将步骤（2）烘干得到的SiC颗粒在900℃下氧化6小时，冷却后备用；
（4）、硝酸盐敏化：将步骤（3）冷却得到的SiC颗粒在质量分数10%的硝酸镁溶液中浸泡5小时，然后在2小时内用质量分数10%的氨水滴定溶液PH至为8-9为止，过滤并在380-400℃下烘干备用。
（5）、搅拌铸造：首先向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入其重量2-2.5%的镁粉，混合后加热至680-700℃熔化，然后将步骤（4）烘干得到的SiC颗粒预热至220-250℃，并加入到4倍重量上述的熔化铸造铝合金ZAlSi8MgBe（即SiC颗粒占ZAlSi8MgBe重量的25%）中，控温690-700℃在氮气保护下搅拌1小时,树脂砂型浇筑得到复合材料；
（6）、T6热处理：在500-520℃固熔处理11小时，淬火，然后在150-160℃时效处理4小时后得到碳化硅／铝合金复合材料。
实施例2
（1）、SiC颗粒整形：SiC颗粒经破碎机粉碎和涡流式气流分级机分级得到平均粒度为30μm的类圆形颗粒；
（2）、盐酸酸洗：将步骤（1）整形得到的SiC颗粒加入到质量分数15%的盐酸中，并在30℃下浸泡4小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；
（3）、高温氧化：将步骤（2）烘干得到的SiC颗粒在950℃下氧化5小时，冷却后备用；
（4）、硝酸盐敏化：将步骤（3）冷却得到的SiC颗粒在质量分数20%的硝酸镁溶液中浸泡5小时，然后在1小时内用质量分数20%的氨水滴定溶液PH至为8-9为止，过滤并在380-400℃下烘干备用。
（5）、搅拌铸造：首先向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入其重量2-2.5%的镁粉，混合后加热至680-700℃熔化，然后将步骤（4）烘干得到的SiC颗粒预热至220-250℃，并加入到4.5倍重量上述的熔化铸造铝合金ZAlSi8MgBe（即SiC颗粒占ZAlSi8MgBe重量的22.2%）中，控温690-700℃在氮气保护下搅拌2小时,树脂砂型浇筑得到复合材料；
（6）、T6热处理：在500-520℃固熔处理12小时，淬火，然后在150-160℃时效处理5小时后得到碳化硅／铝合金复合材料。
实施例3
（1）、SiC颗粒整形：SiC颗粒经破碎机粉碎和涡流式气流分级机分级得到平均粒度为25-35μm的类圆形颗粒；
（2）、盐酸酸洗：将步骤（1）整形得到的SiC颗粒加入到质量分数20%的盐酸中，并在25℃下浸泡3小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；
（3）、高温氧化：将步骤（2）烘干得到的SiC颗粒在1000℃下氧化6小时，冷却后备用；
（4）、硝酸盐敏化：将步骤（3）冷却得到的SiC颗粒在质量分数30%的硝酸镁溶液中浸泡4小时，然后在1-2小时内用质量分数15%的氨水滴定溶液PH至为8-9为止，过滤并在380-400℃下烘干备用。
（5）、搅拌铸造：首先向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入其重量2-2.5%的镁粉，混合后加热至680-700℃熔化，然后将步骤（4）烘干得到的SiC颗粒预热至220-250℃，并加入到5倍重量上述的熔化铸造铝合金ZAlSi8MgBe（即SiC颗粒占ZAlSi8MgBe重量的20%）中，控温690-700℃在氮气保护下搅拌2小时,树脂砂型浇筑得到复合材料；
（6）、T6热处理：在500-520℃固熔处理10小时，淬火，然后在150-160℃时效处理4.5小时后得到碳化硅／铝合金复合材料。
将实施例1-3制备的复合材料取样，经金相显微组织照片观察，SiC颗粒均匀地分布在铝合金机体中，SiC颗粒显暗灰色，铝合金基体呈白色，铝基体被众多的SiC颗粒分割，成为成为细小的连续的空间网络，在铝基体中分布着Ｓｉ相及Ｍｇ：ｓｉ相，这种组织有利于力学性能的提高。经试验验证，实施例1-3制备的复合材料抗拉强度和屈服强度均能达到420MPa左右，硬度平均为200-210(5/250/30)HBS, 相比于ZAlSi8MgBe，强度提高25%以上，硬度提高125％以上。并且复合材料重量较铸铁减轻40-60%，在100-300℃导热率大约是160-180W/(m.k),约为铸铁（HT250）的5-6倍，与铸铁相比，导热性大大提高；并且在刹车工况摩擦试验条件下，复合材料比铸铁材料摩擦表面温度低，摩擦系数稳定；台架试验表明，在高速频繁制动条件下，相对于铸铁刹车盘，复合材料刹车盘具有较大的制动力矩和较高的刹车稳定性，能明显提高制动性。
Claims (2)
1.一种刹车盘用碳化硅／铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，基体合金选用铸造铝合金ZAlSi8MgBe，碳化硅选用α-SiC颗粒，具体制备步骤如下：（1）、SiC颗粒整形：SiC颗粒经破碎机粉碎和涡流式气流分级机分级得到平均粒度为25-35μm的类圆形颗粒；（2）、盐酸酸洗：将步骤（1）整形得到的SiC颗粒加入到质量分数10-20%的盐酸中，并在25-35℃下浸泡3-6小时，过滤并水洗SiC颗粒至PH为6-7为止，烘干后备用；（3）、高温氧化：将步骤（2）烘干得到的SiC颗粒在900-1000℃下氧化4-6小时，冷却后备用；（4）、硝酸盐敏化：将步骤（3）冷却得到的SiC颗粒在质量分数10-30%的硝酸镁溶液中浸泡4-5小时，然后在1-2小时内用质量分数10-20%的氨水滴定溶液PH至为8-9为止，过滤并在380-400℃下烘干备用；（5）、搅拌铸造：首先向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入其重量2-2.5%的镁粉，混合后加热至680-700℃熔化，然后将步骤（4）烘干得到的SiC颗粒预热至220-250℃，并加入到4-5倍重量上述的熔化铸造铝合金ZAlSi8MgBe中，控温690-700℃在氮气保护下搅拌1-2小时,树脂砂型浇筑得到复合材料；（6）、T6热处理：在500-520℃固熔处理10-12小时，淬火，然后在150-160℃时效处理4-5小时后得到碳化硅／铝合金复合材料。
2.根据权利要求1所述的刹车盘用碳化硅／铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中SiC平均粒度为30μm；所述步骤（2）中盐酸的质量分数为15%，浸泡温度为30℃，时间为4小时；所述步骤（3）中氧化温度为950℃，时间为5小时；所述步骤（4）中硝酸镁溶液浓度为20%，时间为4.5小时。
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