CN103074509A

CN103074509A - 碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN103074509A
Application number: CN2013100087265A
Authority: CN
Inventors: 商好峰; 李广全; 宋立伟
Original assignee: SHANDONG ZHENGNUO MACHINERY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANDONG ZHENGNUO MACHINERY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: CN103074509B

Abstract

本发明涉及刹车盘技术领域，具体涉及一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，其技术方案是：复合材料的原料由硅铝合金、镁合金为基体，通过浸润碳化硅颗粒和氧化锆颗粒增强；碳化硅颗粒浸润前需要进行化学镀铜处理。本发明制备的铝基复合材料重量轻、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。

Description

碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及刹车盘技术领域，具体涉及一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基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，并且铸铁刹车盘的重量重且耐磨性较差。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-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，可以解决现有铸铁刹车盘重量重、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：所述复合材料的原料包括基体硅铝镁合金以及增强颗粒；所述的基体硅铝镁合金由三种合金熔炼而成，第一种的化学成分重量百分比为：Si：26-28%，余量为Al；第二种的化学成分重量百分比为Si:8.84%、Mg：0.33%、Fe：0.18%、Mn：0.18%、Ti：0.09%、Zn：0.01%，余量为Al；第三种化学成分重量百分比为Al：8.8%，Zn：0.86%，Mn：0.25%，Si：0.032%、Cu：0.012%、Ni：0.007%、Fe：0.0020%，余量为Mg；所述的复合材料的制备步骤为：（1）、称取第一种合金9-10kg、第二种合金6.5-7kg以及第三种合金1.1-1.2kg分别加入到电阻炉中预热至420-425℃；（2）、称取PM磷盐变质剂250-270g和精炼剂110-120g分别加入到电阻炉中预热至180-185℃；所述的精炼剂为六氯乙烷或者无机复合精炼剂，所述无机复合精炼剂由13-17重量份硝酸钠、14-18重量份氯化钠、24-26重量份硝酸钾、6-7重量份Na₂SiF₆ 、7-12重量份Na₃AlF₆、4-6重量份氟化钙、6-12重量份石墨以及2-4重量份碳酸钠混合而成；（3）、将预热好的第一种合金和第二种合金混合后开始升温熔炼；（4）、升温至715-720℃时，加入第三种合金；（5）、升温至760-765℃，加入一半预热的精炼剂进行精炼并打渣；（6）、升温至780-790℃，加入预热的PM磷盐变质剂，（8）、升温至830-835℃，加入另一半的预热的精炼剂进行精炼并打渣；（9）、降温至740-750℃，加入提前预热至200-220℃的增强颗粒并搅拌均匀，所述的增强颗粒由3-3.5kg碳化硅颗粒和0.6-0.8kg的氧化锆颗粒混合而成，且所述的碳化硅颗粒的平均粒径为10-15μm，所述的氧化锆颗粒的平均粒径为3-5μm；（10）、降温浇筑得到复合材料，然后在500-510℃固熔处理5-7小时，淬火，然后在170-175℃时效处理4-6小时后得到碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料。

上述步骤进一步改进为：所述碳化硅颗粒需要进行化学镀铜预处理，处理步骤为：（1）、将碳化硅颗粒放入电阻炉加热升温至210-220℃，保温1-1.5小时，然后加热升温至420-425℃，保温1小时，继续升温至900-950℃，在无气氛保护下焙烧1小时，然后降温至200-300℃保温2小时，降温至室温；（2）、取上述碳化硅颗粒10重量份，加入到质量分数为6-8%的氢氧化钠溶液中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（3）、将10体积份的质量分数为37%的盐酸、10体积份的氢氟酸与100体积分的蒸馏水混合后，将碳化硅颗粒加入其中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（4）、将碳化硅颗粒加入到敏化液中，超声波分散10-15分钟，然后磁力搅拌10分钟，然后过滤、水洗、干燥，所述的敏化液按照氯化亚锡4-5g、质量分数37%的盐酸10-12 ml以及蒸馏水150ml的比例混合而制得；（5）、将敏化后的碳化硅加入到活化剂中磁力搅拌25-30分钟，然后过滤、水洗、干燥，所述的活化剂按照PdCl₂0.025-0.03g、质量分数37%的盐酸8-9ml以及蒸馏水180ml的比例混合而制得；（6）、按照以下配料比例配置化学镀液：称取8-10g五水硫酸铜加水溶解后，然后加入15-18ml质量分数37%的甲醛混合制得溶液A,同时称取8-10g无水碳酸钠加水溶解后，然后加入35-40g酒石酸甲钠并溶解后制得溶液B，将A溶液缓慢加入到B溶液中，并加入蒸馏水稀释至1000ml即得到化学镀液；将活化后的碳化硅加入到化学镀液中，其中碳化硅与化学镀液中Cu元素的质量比为3.5-3.8:1，并加入10%的氢氧化钠溶液调节PH为12.5-13,30-40℃反应30-45分钟后过滤干燥；（7）、将镀铜后的碳化硅在205-210℃下通入氢气还原1-1.5小时后备用。

所述步骤（6）镀铜反应中加入稳定剂，所述的稳定剂为a，a′联吡啶、亚铁氰化钾，2，9二甲基邻菲罗林、硫脲、2－巯基苯骈噻唑以及甲醇中的一种或者任意几种的混合。

所述的稳定剂为亚铁氰化钾和甲醇的混合，且保持二者在化学镀液中的含量分别为130mg/L和80ml/l。

本发明制备的铝基复合材料重量轻、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

一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，复合材料的原料包括基体硅铝镁合金以及增强颗粒；基体硅铝镁合金由三种合金熔炼而成，第一种的化学成分重量百分比为：Si：26-28%，余量为Al；第二种的化学成分重量百分比为Si:8.84%、Mg：0.33%、Fe：0.18%、Mn：0.18%、Ti：0.09%、Zn：0.01%，余量为Al；第三种化学成分重量百分比为Al：8.8%，Zn：0.86%，Mn：0.25%，Si：0.032%、Cu：0.012%、Ni：0.007%、Fe：0.0020%，余量为Mg；复合材料的制备步骤为：（1）、称取第一种合金9-10kg、第二种合金6.5-7kg以及第三种合金1.1-1.2kg分别加入到电阻炉中预热至420-425℃；（2）、称取PM磷盐变质剂250-270g和精炼剂110-120g分别加入到电阻炉中预热至180-185℃；精炼剂可以为六氯乙烷或者无机复合精炼剂，无机复合精炼剂由13-17重量份硝酸钠、14-18重量份氯化钠、24-26重量份硝酸钾、6-7重量份Na₂SiF₆ 、7-12重量份Na₃AlF₆、4-6重量份氟化钙、6-12重量份石墨以及2-4重量份碳酸钠混合而成；（3）、将预热好的第一种合金和第二种合金混合后开始升温熔炼；（4）、升温至715-720℃时，加入第三种合金；（5）、升温至760-765℃，加入一半预热的精炼剂进行精炼并打渣；（6）、升温至780-790℃，加入预热的PM磷盐变质剂，（8）、升温至830-835℃，加入另一半的预热的精炼剂进行精炼并打渣；（9）、降温至740-750℃，加入提前预热至200-220℃的增强颗粒并搅拌均匀，增强颗粒由3-3.5kg碳化硅颗粒和0.6-0.8kg的氧化锆颗粒混合而成，且碳化硅颗粒的平均粒径为10-15μm，所述的氧化锆颗粒的平均粒径为3-5μm；（10）、降温浇筑得到复合材料，然后在500-510℃固熔处理5-7小时，淬火，然后在170-175℃时效处理4-6小时后得到碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料。

实施例2

一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，在实施例1的基础上，碳化硅颗粒在与氧化锆颗粒混合前需要进行化学镀铜预处理，处理步骤为：（1）、将碳化硅颗粒放入电阻炉加热升温至210-220℃，保温1-1.5小时，然后加热升温至420-425℃，保温1小时，继续升温至900-950℃，在无气氛保护下焙烧1小时，然后降温至200-300℃保温2小时，降温至室温；（2）、取上述碳化硅颗粒10重量份，加入到质量分数为6-8%的氢氧化钠溶液中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（3）、将10体积份的质量分数为37%的盐酸、10体积份的氢氟酸与100体积分的蒸馏水混合后，将碳化硅颗粒加入其中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（4）、将碳化硅颗粒加入到敏化液中，超声波分散10-15分钟，然后磁力搅拌10分钟，然后过滤、水洗、干燥，所述的敏化液按照氯化亚锡4-5g、质量分数37%的盐酸10-12 ml以及蒸馏水150ml的比例混合而制得；（5）、将敏化后的碳化硅加入到活化剂中磁力搅拌25-30分钟，然后过滤、水洗、干燥，活化剂按照PdCl₂0.025-0.03g、质量分数37%的盐酸8-9ml以及蒸馏水180ml的比例混合而制得；（6）、按照以下配料比例配置化学镀液：称取8-10g五水硫酸铜加水溶解后，然后加入15-18ml质量分数37%的甲醛混合制得溶液A,同时称取8-10g无水碳酸钠加水溶解后，然后加入35-40g酒石酸甲钠并溶解后制得溶液B，将A溶液缓慢加入到B溶液中，并加入蒸馏水稀释至1000ml即得到化学镀液；将活化后的碳化硅加入到化学镀液中，其中碳化硅与化学镀液中Cu元素的质量比为3.5-3.8:1，并加入10%的氢氧化钠溶液调节PH为12.5-13,30-40℃反应30-45分钟后过滤干燥；（7）、将镀铜后的碳化硅在205-210℃下通入氢气还原1-1.5小时后备用。

实施例3

一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，在实施例2的基础上，化学镀铜预处理步骤（6）中镀铜反应中加入稳定剂，所述的稳定剂为a，a′联吡啶、亚铁氰化钾，2，9二甲基邻菲罗林、硫脲、2－巯基苯骈噻唑以及甲醇中的一种或者任意几种的混合，比如稳定剂为亚铁氰化钾和甲醇的混合，且保持二者在化学镀液中的含量分别为130mg/L和80ml/l。

镀铜处理后碳化硅表面为均匀的黄红色 (铜膜)，经扫描电镜观察碳化硅颗粒的大小以及形状较为均匀；从电子显微镜观察处理前碳化硅颗粒表面光滑，而处理后大部分碳化硅表面有细小的颗粒分布，通过能谱分析，细小颗粒覆盖的区域，铜元素含量丰度较大，从而使得碳化硅颗粒与基体合金之间的浸润性得到改善，改善增强体与机体之间的结合强度。

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颗粒均匀地分布在硅铝合金基体中，碳化硅和基体材料的截面非常清晰，二者的过渡区域基本消除，实现良好的浸润和结合；

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440MPa左右，硬度平均为210-220(5/250/30)HBS,热膨胀系数平均为15.5-16.2×10^-6℃^-1，相比于铝合金比如ZAlSi9Mg，强度提高26%以上，硬度提高125％以上，热膨胀系数也大大降低；并且复合材料重量较铸铁减轻40-60%，在100-300℃导热率大约是150-170W/(m.k),约为铸铁（HT250）的4-5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，且磨损量较小；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。

以下是几种材料制造的刹车盘和本发明复合材料制造的刹车盘在台架模拟试验后的对比。

高碳灰铸铁， C：3.7%，Si：1.78%, Mn：0.72%，P：0.09% , S：0.1% ，Cu：0.42%，Cr：0.32%，Mo：0.52%，余量为Fe；

钼锑球墨铸铁，C：3.7%，S：12.4%,，Mn：0.32%，P：0. 04% , S：0. 015% ，Mg：0. 037%,，Re：0. 03%，Mo：0.55%, Sb：0. 013%，余量为Fe；

材质	断裂特点
		高碳灰铸铁	第1次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，第二次循环结束裂纹扩展，第3次循环到一半有一条裂纹扩。
钼锑球墨铸	第3次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，随循环次数的增加，裂纹长度扩展缓慢，至第12次循环结束，发现贯通裂纹出现。
		实施例1-3制备的复合材料	第14次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，随循环次数的增加，裂纹长度扩展缓慢，至第25次循环结束，仍未发现贯通裂纹出现。

Claims

1.一种碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料的原料包括基体硅铝镁合金以及增强颗粒；所述的基体硅铝镁合金由三种合金熔炼而成，第一种的化学成分重量百分比为：Si：26-28%，余量为Al；第二种的化学成分重量百分比为Si:8.84%、Mg：0.33%、Fe：0.18%、Mn：0.18%、Ti：0.09%、Zn：0.01%，余量为Al；第三种化学成分重量百分比为Al：8.8%，Zn：0.86%，Mn：0.25%，Si：0.032%、Cu：0.012%、Ni：0.007%、Fe：0.0020%，余量为Mg；所述的复合材料的制备步骤为：（1）、称取第一种合金9-10kg、第二种合金6.5-7kg以及第三种合金1.1-1.2kg分别加入到电阻炉中预热至420-425℃；（2）、称取PM磷盐变质剂250-270g和精炼剂110-120g分别加入到电阻炉中预热至180-185℃；所述的精炼剂为六氯乙烷或者无机复合精炼剂，所述无机复合精炼剂由13-17重量份硝酸钠、14-18重量份氯化钠、24-26重量份硝酸钾、6-7重量份Na₂SiF₆ 、7-12重量份Na₃AlF₆、4-6重量份氟化钙、6-12重量份石墨以及2-4重量份碳酸钠混合而成；（3）、将预热好的第一种合金和第二种合金混合后开始升温熔炼；（4）、升温至715-720℃时，加入第三种合金；（5）、升温至760-765℃，加入一半预热的精炼剂进行精炼并打渣；（6）、升温至780-790℃，加入预热的PM磷盐变质剂，（8）、升温至830-835℃，加入另一半的预热的精炼剂进行精炼并打渣；（9）、降温至740-750℃，加入提前预热至200-220℃的增强颗粒并搅拌均匀，所述的增强颗粒由3-3.5kg碳化硅颗粒和0.6-0.8kg的氧化锆颗粒混合而成，且所述的碳化硅颗粒的平均粒径为10-15μm，所述的氧化锆颗粒的平均粒径为3-5μm；（10）、降温浇筑得到复合材料，然后在500-510℃固熔处理5-7小时，淬火，然后在170-175℃时效处理4-6小时后得到碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅颗粒需要进行化学镀铜预处理，处理步骤为：（1）、将碳化硅颗粒放入电阻炉加热升温至210-220℃，保温1-1.5小时，然后加热升温至420-425℃，保温1小时，继续升温至900-950℃，在无气氛保护下焙烧1小时，然后降温至200-300℃保温2小时，降温至室温；（2）、取上述碳化硅颗粒10重量份，加入到质量分数为6-8%的氢氧化钠溶液中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（3）、将10体积份的质量分数为37%的盐酸、10体积份的氢氟酸与100体积分的蒸馏水混合后，将碳化硅颗粒加入其中，通过超声波进行清洗10-15分钟，然后进行过滤并干燥碳化硅颗粒；（4）、将碳化硅颗粒加入到敏化液中，超声波分散10-15分钟，然后磁力搅拌10分钟，然后过滤、水洗、干燥，所述的敏化液按照氯化亚锡4-5g、质量分数37%的盐酸10-12 ml以及蒸馏水150ml的比例混合而制得；（5）、将敏化后的碳化硅加入到活化剂中磁力搅拌25-30分钟，然后过滤、水洗、干燥，所述的活化剂按照PdCl₂0.025-0.03g、质量分数37%的盐酸8-9ml以及蒸馏水180ml的比例混合而制得；（6）、按照以下配料比例配置化学镀液：称取8-10g五水硫酸铜加水溶解后，然后加入15-18ml质量分数37%的甲醛混合制得溶液A,同时称取8-10g无水碳酸钠加水溶解后，然后加入35-40g酒石酸甲钠并溶解后制得溶液B，将A溶液缓慢加入到B溶液中，并加入蒸馏水稀释至1000ml即得到化学镀液；将活化后的碳化硅加入到化学镀液中，其中碳化硅与化学镀液中Cu元素的质量比为3.5-3.8:1，并加入10%的氢氧化钠溶液调节PH为12.5-13,30-40℃反应30-45分钟后过滤干燥；（7）、将镀铜后的碳化硅在205-210℃下通入氢气还原1-1.5小时后备用。

3.根据权利要求2所述的碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）镀铜反应中加入稳定剂，所述的稳定剂为a，a′联吡啶、亚铁氰化钾，2，9二甲基邻菲罗林、硫脲、2－巯基苯骈噻唑以及甲醇中的一种或者任意几种的混合。

4.根据权利要求3所述的碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的稳定剂为亚铁氰化钾和甲醇的混合，且保持二者在化学镀液中的含量分别为130mg/L和80ml/L。