CN103628005B - 一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金材质的刹车盘，特别涉及一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法。所述刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料是采用铝-硅-铜系铝合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为铝合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法而成的。本发明与现有技术相比，通过碳纤维增强，提高了材料的耐疲劳性能和耐磨损性能，刹车效果好、使用寿命长，可应用于各种机动车辆的刹车盘。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材质的刹车盘，特别涉及一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法。
背景技术
当前，刹车盘材料以铸铁（钢）材质为主，铸铁刹车盘最大的弊端是散热慢，在高速状态下刹车或长时间刹车时容易造成刹车盘温度过高，进而导致摩擦力降低而导致刹车失效，因此对于高速轨道交通工具如轻量化汽车、轻轨等的刹车盘已经开始铝合金材质的刹车盘，比铸铁制动盘的散热快四倍以上，可有效减少因制动过程产生的摩擦热量累积，可大大提高汽车的热态制动性能，缩短刹车距离，延长刹车盘寿命，且铝合金的刹车盘重量比铸铁材质的刹车盘可减轻50%以上，基本解决了现有铸铁制动盘耐磨性差、散热效果不好、质量大、摩擦力高温热衰减等问题，成为铸铁制动盘的更新换代产品。
但现有技术中铝合金材质的刹车盘在强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等方面仍有待提高；申请号:CN200810027189.8，一种碳化硅颗粒增强铝金属基复合材料的轻型汽车制动盘，提出采用碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，申请号200610137913.3提出采用硼化钛和碳化硅作增强相的铝基复合材料制动盘，目前颗粒增强的铝基复合材料作制动盘存在的突出问题是由于颗粒相体积分数大，分散均匀性差，导致材料的强度、耐磨性及抗疲劳等性能的稳定性需要提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法，提高铝合金材质刹车盘的强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等性能，解决目前采用铸铁、铝合金及颗粒增强铝基复合材料存在的问题。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料及制备方法，其特征在于：采用铝-硅-铜系铝合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为铝合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料。
具体而言：
1）所用铝基体合金成分（质量%）为：铜(Cu)2.0-4.0，硅(Si)10.0-12.0，锌(Zn)≤1.0，铁(Fe)≤1.0，镁(Mg)≤0.5，锰(Mn)≤0.5，镍(Ni)≤0.5，锡(Sn)≤0.3，余量为铝(Al)；
2）所用微纳米级别的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；
3）微纳米碳纤维的加入量为铝-硅-铜系铝合金重量分数的0.3-3%。
本发明的刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备过程特征分如下步骤：
a、碳纤维与铝粉按质量比1:10—1:2配料，经充分混合均匀，在真空下压块，制备含碳纤维的块体，需要指出的是本步骤制备含碳纤维的铝基块体时，碳纤维与金属铝粉按质量比在1:10—1:2的范围内，压块所需要的真空度要求气体压力不超过0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为2×2×2—4×4×4cm3；
b、铝基体合金的熔炼，调整铜、硅、锌、镁、铁、锰、镍、锡成分到规定范围，即铝基体合金成分（质量%）为：铜(Cu)2.0-4.0，硅(Si)10.0-12.0，锌(Zn)≤1.0，铁(Fe)≤1.0，镁(Mg)≤0.5锰(Mn)≤0.5，镍(Ni)≤0.5，锡(Sn)≤0.3，余量为铝(Al)；
c、铝基体合金的温度控制在650℃-700℃，加入含碳纤维的块体，采用机械搅拌，熔化均匀即可浇铸，制备本发明的刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明的用于刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料与铸铁（钢）材质相比，重量减轻50~60%，实现轻量化；同时，碳纤维增强的铝基复合材料导热性能提高，缩短刹车距离，延长刹车盘寿命。
2）本发明与现有的铝合金材质刹车盘相比，加入碳纤维作增强相，显著提高了铝合金的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性能。
3）本发明与现有的颗粒增强铝基复合材料材质的刹车盘相比，大幅度降低了增强相的比例，克服了大量颗粒存在导致的团聚导致的问题，同时，碳纤维与颗粒增强相相比，由于颗粒增强相属陶瓷相，影响散热和材料性能，而本发明的碳纤维，具有良好的导热性，可以提高刹车盘的散热效果，另外，本发明的碳纤维增强相体积分数低，分散好，材料的硬度、强度、耐磨性和抗疲劳等性能都显著提高；
因此，本发明与现有技术相比，通过碳纤维增强，提高了材料的强度、硬度、耐疲劳性能和耐磨损性能，刹车效果好、使用寿命长，可应用于各种机动车辆的刹车盘。
具体实施方式
实施实例1
1)采用的基体铝合金的化学成分（质量%）为：
铜3.0，硅11.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝83.7。
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-10纳米(nm)的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-10范围内；微纳米碳纤维加入量（质量%）为0.5%。
实施步骤为：
a、碳纤维与铝粉按质量比1:9的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的铝基块体，压块时的真空度为0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为3×3×3cm3；
b、铝基体合金的熔炼，调整铜、硅、锌、镁、铁、锰、镍、锡成分到规定范围，即，铜3.0，硅11.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝83.7；
c、铝基体合金的温度控制在650℃，加入含碳纤维的铝基块体，含碳纤维的铝基块体的加入量为铝基合金熔体质量分数的5%，采用机械搅拌，熔化均匀即可浇铸，采用压铸成型制备本发明的刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料。
实施实例2
1)采用的基体铝合金的化学成分（质量%）为：
铜4.0，硅10.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝83.7。
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100纳米(nm)的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；微纳米碳纤维加入量（质量%）为3%。
实施步骤为：
a、碳纤维与铝粉按质量比3:7的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的铝基块体，压块时的真空度为0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为2×2×2cm3；
b、铝基体合金的熔炼，调整铜、硅、锌、镁、铁、锰、镍、锡成分到规定范围，即，铜4.0，硅10.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝83.7；
c、铝基体合金的温度控制在670℃，加入含碳纤维的铝基块体，含碳纤维的铝基块体的加入量为铝基合金熔体质量分数的10%，采用机械搅拌，熔化均匀即可浇铸，采用压铸成型制备本发明的刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料。
实施实例3
1)采用的基体铝合金的化学成分（质量%）为：
铜2.0，硅10.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝85.7；
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-50纳米(nm)的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-50范围内；微纳米碳纤维加入量（质量%）为1.5%；
实施步骤为：
a、碳纤维与铝粉按质量比3:7的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的铝基块体；压块时的真空度为0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为4×4×4cm3；
b、铝基体合金的熔炼，调整铜、硅、锌、镁、铁、锰、镍、锡成分到规定范围，即，铜2.0，硅10.0，锌0.80，铁0.5，镁0.2，锰0.3，镍0.2，锡0.3，余量为铝85.7；
c、铝基体合金的温度控制在700℃，加入含碳纤维的铝基块体，含碳纤维的铝基块体的加入量为铝基合金熔体质量分数的5%，采用机械搅拌，熔化均匀即可浇铸，采用压铸成型制备本发明的刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料。
对实施例1-3制备的碳纤维增强铝基复合材料进行机械性能分析，并在其他条件完全相同的状态下用现有技术中用高硅铝硅合金材质制备的材料性能进行对比，对比例采用的高硅铝硅合金的成分为：硅17~35%、铜1~3%、镁0.3~2%、镍或铬1~2%，余量为铝；同时将上述三个实施例中的合金，在不加入碳纤维的情况下，也作为对比例，对比例1-4采用的合金成分见表1
表1对比例的合金成分（质量%）
| 硅 | 铜 | 镁 | 铁 | 锌 | 镍 | 锡 | 铝 | |
| 对比例1 | 30 | 2 | 1 | - | 1.5 | - | 余量 | |
| 对比例2 | 11 | 3 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 0.2 | 0.3 | 余量 |
| 对比例3 | 10 | 4 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 0.2 | 0.3 | 余量 |
| 对比例4 | 10 | 2 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 0.2 | 0.3 | 余量 |
注：“-”表示无此项。
本发明的实施例制备的刹车盘材料的性能与对比例的比较结果见表2.
表2性能比较结果
| 性能 | 硬度/（HBS） | 抗拉强度/（MPa） | 延伸率/（%） | 弹性模量/（kMPa） | 100km/h下刹车距离 |
| 实施例1 | 166 | 478 | 5.1 | 109 | 20.1m |
| 实施例2 | 168 | 484 | 6.5 | 111 | 19.5m |
| 实施例3 | 165 | 482 | 5.1 | 108 | 20.6m |
| 对比例1 | 89 | 240 | 2.9 | 80 | 21.5 |
| 对比例2 | 99 | 249 | 3.0 | 78 | 22.3 |
| 对比例3 | 102 | 254 | 3.0 | 80 | 22.1 |
| 对比例4 | 98 | 250 | 2.9 | 78 | 22.6 |
由以上对比结果可知：
本发明与现有技术中用铝合金相比，材料的硬度、抗拉强度、延伸率和弹性模量等机械性能指标均大幅度提高，特别是强度和延伸率提高约40-50%，材料硬度也显著提高约60%，所制备的刹车盘的在同等使用条件下的刹车距离缩短，其使用寿命提高约一倍左右。
Claims (5)
1.一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，所述刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料是采用铝-硅-铜系铝合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为铝合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法而成的，其特征在于包括如下步骤，
（1）碳纤维与铝粉经充分混合均匀，在真空下压块，制备含碳纤维的铝基块体；
（2）铝基体合金的熔炼，调整铜、硅、锌、镁、铁、锰、镍、锡成分到规定范围；
（3）加入含碳纤维的铝基块体，采用机械搅拌，熔化均匀即可浇铸，制备刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料；
所述步骤（1）中碳纤维与金属铝粉质量比在1:10-1:2的范围内；制备含碳纤维的铝基块体时，压块所需要的真空度要求气体压力不超过0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2；所用铝基体合金成分按照质量百分数计算为：铜(Cu)2.0-4.0，硅(Si)10.0-12.0，锌(Zn)≤1.0，铁(Fe)≤1.0，镁(Mg)≤0.5，锰(Mn)≤0.5，镍(Ni)≤0.5，锡(Sn)≤0.3，余量为铝(Al)。
2.如权利要求1所述的一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：制得的压块的尺寸为2×2×2—4×4×4cm3。
3.如权利要求1所述的一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：加入含碳纤维的铝基块体时，铝基体合金的温度控制在650℃-700℃。
4.如权利要求1所述的一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所用微纳米级别的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内。
5.如权利要求1所述的一种刹车盘用碳纤维增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：碳纤维的加入量为铝-硅-铜系铝合金质量分数的0.3-3%。
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