CN103418768A

CN103418768A - 一种离心铸造颗粒增强刹车盘的方法

Info

Publication number: CN103418768A
Application number: CN2013103883242A
Authority: CN
Inventors: 翟彦博; 刘军; 马秀腾; 陈红兵; 代荣
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，包括制备熔浆，预热铸型，浇注充型，离心成型，脱模冷却和机械加工步骤，所述铸型为不导磁材料，所述离心成型步骤在磁场下进行，所述离心成型步骤中离心转速为800～3000r/min，所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行，所述恒稳磁场的强度为0.01T～0.8T。本发明离心铸造过程中加有磁场，可以使凝固前沿处熔体与已凝固部分产生转速差，熔体不断冲刷凝固前沿，从而避免增强颗粒的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度，进而提高刹车盘的综合力学与热学性能。

Description

一种离心铸造颗粒增强刹车盘的方法

技术领域

本发明涉及一种铸造方法，特别涉及一种离心铸造颗粒增强刹车盘的方法。

背景技术

刹车盘是汽车关键零部件，工作时，刹车盘承受着高摩擦和剧烈温度变化。目前，乘用车中普遍使用的铸铁刹车片。铸铁刹车盘具有技术成熟、成本低廉的优点，但是，其热传导系数较低，耐磨性较差，使用时容易发生热疲劳，从而降低了使用寿命，在实际使用过程中，一般行驶2万公里左右就需要更换刹车盘。因此，开发新型、轻质、高性能的铝复合材料刹车盘就迫在眉睫（铝的热传导系数为237W/mK，铁的热传导系数为80W/mK）。

目前，SiC颗粒增强的铝基刹车盘已见报道。这种刹车盘采用离心铸造方法成型，利用离心力将密度大于铝液的增强颗粒（SiC）聚集在刹车盘摩擦区，利用SiC的高硬度（SiC的显微硬度：HV2800—3300）、高耐磨性与高导热性（SiC的热传导系数：360—490W/mK）来提高刹车盘的性能。

下面结合附图对此作进一步说明，如图2所示，离心铸型高速旋转时，密度大于铝熔体的增强颗粒7受到远离轴心的离心力F1的作用，在离心力F1的作用下不断向铸型5运动，并最终聚集在刹车盘摩擦区；而密度小于铝熔体的夹杂气泡8受到指向铸型轴心的离心浮力F2的作用，在离心浮力F2的作用下向铸型轴心运动，最终聚集在刹车盘聚渣区，从而达到了分离增强颗粒7和夹杂气泡8的目的。这种生产刹车盘的方法具有工艺简单，成本低廉的优点，但是这种方法得到的刹车盘摩擦区的增强颗粒常出现粘结团聚现象，严重影响其性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，该方法铸造的刹车盘的增强颗粒不团聚，内层无夹渣、缩孔、疏松。

本发明离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：

（1）、制备熔浆：以Al-Si合金和SiC颗粒为原料采用搅拌法制备复合熔浆，经过精炼、变质处理后保温待用；

（2）、预热铸型：浇注前在200-350℃预热铸型；

（3）、浇注充型：将步骤（1）制备的熔浆浇注到步骤（2）预热的铸型中，浇注时离心转速逐渐增加；

（4）、离心成型：本步骤在外加磁场中进行，熔浆在磁场和离心力的共同用下凝固成型，步骤（3）浇注充型结束时开启外加磁场，该外加磁场的强度为0.01～0.8T，方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行；

（5）、脱模冷却：取出步骤（4）所得产品空冷冷却即得刹车盘毛坯；

（6）、机械加工：取步骤（5）所得毛坯，去除夹渣区即得成品。

进一步，所述预热铸型步骤中的铸型由不导磁材料制成。

进一步，所述浇注充型步骤中熔浆浇注温度为680—780℃。

进一步，所述离心成型步骤中离心转速为800～3000r/min。

进一步，所述外加颗粒体积分数为复合熔浆的10-20%。

进一步，所述SiC颗粒粒径为10-80μm

本发明的有益效果在于：本发明离心铸造方法添加的增强颗粒密度大于铝熔体，在离心过程中向外层运动，而复合熔浆中的夹杂气泡的密度小于铝熔体，在离心过程中向内层运动；两种方向不同的运动实现了夹杂气泡与增强颗粒的分离。本发明离心铸造过程中所加外磁场可以使凝固前沿处熔体与已凝固部分产生转速差，熔体不断冲刷凝固前沿，从而避免增强颗粒的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度，进而提高刹车盘的综合力学及热学性能。另外，这种相对运动也可以细化基体中的共晶组织，避免板条状和团簇状的共晶组织出现，进一步提高刹车盘的综合力学与热学性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；

图1为本发明离心铸造设备结构图；

图2为现有技术离心铸造原理图；

图3为本发明离心铸造原理图；

图4为本发明离心铸造产品毛坯结构图；

其中：1为上模，2为下模，3为浇口，4为型腔，5为铸型，6为熔浆，7为增强颗粒，8为夹杂气泡，9为团聚增强颗粒，10为凝固前沿，11为已凝固部分，ω为离心旋转角速度，H为磁场方向，F1为离心力，F2为离心浮力，F3为电磁力，a为摩擦区型腔；b为装配区型腔；c为聚渣区型腔，A为刹车盘摩擦区；B为刹车盘装配区；C为刹车盘聚渣区。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1是本发明离心铸造设备结构图，本发明铸造设备由上模1、下模2、浇口3和型腔4构成，其中型腔4分为摩擦区型腔a，装配区型腔b和聚渣区型腔c。本发明铸型外设有可以覆盖整个铸型的外磁场，图1中外磁场方向H平行于铸型的轴心，当然，根据需要，外磁场方向也可以是垂直于铸型轴心或其他可能方向。为减少离心旋转阻力，本发明铸型5由非导磁性材料如不锈钢、铜合金、石墨制成。

图3为本发明离心铸造原理图，下面结合图1和图3对本发明离心铸造原理作详细说明。

熔浆6由浇口3进入型腔4，在离心速度ω的作用下，型腔4中密度大于铝熔体的增强颗粒7受离心力F1的作用迅速运动至摩擦区型腔a；密度小于铝熔体的夹杂气泡8受到离心浮力F2的作用，运动至聚渣区型腔c，从而实现了分离增强颗粒7与夹杂气泡8的目的。本发明的离心铸造方法离心成型时加有磁场，凝固前沿10从摩擦区型腔a推进到聚渣区型腔c过程中，熔浆6受到与铸型离心速度ω方向相反的电磁力F3，在电磁力F3的作用下，熔浆6与已凝固部分11产生转速差。这种转速差使凝固前沿10不断受到熔浆6的冲刷，从而打散凝固前沿的团聚增强颗粒9，提高颗粒与基体的结合强度；另外，这种相对运动也可以细化基体中的共晶组织，避免板条状和团簇状的共晶组织出现。

图4为本发明离心铸造产品毛坯结构图，其中图4b为图4a的俯视图。与图1相对于，本发明产品毛坯包括刹车盘摩擦区A；刹车盘装配区B；刹车盘聚渣区C。

实施例1：

本实施例离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为60-80μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为10%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为680—700℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为300℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到800r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为800r/min，磁场强度为0.01T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得刹车盘毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除夹渣区即得产品。

本实施例所制得的刹车盘，摩擦区域中增强颗粒的体积分数约为20%。颗粒分布均匀，无颗粒团聚和气孔夹渣。

实施例2：

本实施例离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为40-60μmμm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为15%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为700—720℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为350℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到1500r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为1500r/min，磁场强度为0.1T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得刹车盘毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除夹渣区即得产品。

本实施例所制得的刹车盘，摩擦区域中增强颗粒的体积分数约为25%。颗粒分布均匀，无颗粒团聚和气孔夹渣。和实施例1相比，本实施例的刹车盘擦区域中增强颗粒体积分数提高，粒径降低，硬度、耐磨性与导热性均提高。

实施例3：

本实施例离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为20-40μmμm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为15%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720—740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为400℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到2000r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为2000r/min，磁场强度为0.3T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得刹车盘毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除夹渣区即得产品。

本实施例所制得的刹车盘，摩擦区域中增强颗粒的体积分数约为30%。颗粒分布均匀，无颗粒团聚和气孔夹渣。和实施例2相比，本实施例的刹车盘擦区域中增强颗粒体积分数进一步提高，粒径进一步降低，硬度、耐磨性与导热性均提高。

实施例4：

本实施例离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为10-20μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为15%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为740—760℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为400℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到2500r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为2500r/min，磁场强度为0.5T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得刹车盘毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除夹渣区即得产品。

本实施例所制得的刹车盘，摩擦区域中增强颗粒的体积分数约为35%。颗粒分布均匀，无颗粒团聚和气孔夹渣。和实施例3相比，本实施例的刹车盘擦区域中增强颗粒体积分数进一步提高，粒径进一步降低，硬度、耐磨性与导热性均提高。

实施例5：

本实施例离心铸造外加颗粒增强刹车盘的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为10-80μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为20%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为760—780℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为400℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到3000r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为3000r/min，磁场强度为0.8T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得刹车盘毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除夹渣区即得产品。

本实施例所制得的刹车盘，摩擦区域中增强颗粒的体积分数约为45%。颗粒分布均匀，无颗粒团聚和气孔夹渣。和实施例4相比，本实施例的刹车盘擦区域中增强颗粒体积分数进一步提高，粒径范围扩大，摩擦区域的硬度、耐磨性与导热性均提高，但由于体积分数过高，强度下降。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员可以向基体中添加微量合金元素（如Cu、Ti、Ni、Mn等）以进一步增强刹车盘的性能；也可以根据需要进行热处理，使刹车盘的各种性能达到最佳匹配。以上各种改变，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（2）、预热铸型：浇注前在200-350℃预热铸型；

2.如权利要求1所述离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：所述预热铸型步骤中的铸型由不导磁材料制成。

3.如权利要求1所述离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：所述浇注充型步骤中熔浆浇注温度为680—780℃。

4.如权利要求1所述离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：所述离心成型步骤中离心转速为800～3000r/min。

5.如权利要求1-4任意一项所述离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：所述外加颗粒体积分数为复合熔浆的10-20%。

6.如权利要求1-4任意一项所述离心铸造颗粒增强刹车盘的方法，其特征在于：所述SiC颗粒粒径为10-80μm。