CN104084560B

CN104084560B - 一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法

Info

Publication number: CN104084560B
Application number: CN201410305219.2A
Authority: CN
Inventors: 任淑彬; 许慧; 洪庆楠; 何新波; 曲选辉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104084560A

Abstract

一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法，属于金属基复合材料领域。将金刚石微粉、氧化铝纤维、鳞片状石墨粉以及聚乙烯醇溶液按照体积比为10～15％，5～7％，15～28％，50～70％的比例进行混合均匀，然后压制成环形，环形内径和高度应与最终刹车鼓的内径和宽度一致，将环形坯烘干后置于熔渗炉石墨模具中进行预热，然后将Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中进行加压，加压完成后得到由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及鳞片状石墨局部增强的层状结构铝基复合材料刹车鼓毛坯，然后按照最终尺寸进行加工得到成品。本发明制备的刹车鼓质量轻、耐磨性能好，二维散热功能强，有效提高了车辆的刹车稳定性和安全性。

Description

一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法。

背景技术

轻量化是车辆装备发展的一个重要趋势。刹车鼓是作为车轮端部组件中的一个部件，属于非簧载重量。车辆装备的减重指的是减轻簧载重量，减轻1Kg非簧载重量就相当于减轻3～5Kg的簧载重量。因此，刹车鼓材料的轻量化是实现车辆有效减重最重要的途径之一。此外，刹车鼓通过与制动器闸瓦配合实现制动的功能，当制动器闸瓦与刹车鼓的摩擦表面接触时，刹车鼓不仅要承受严酷的摩擦磨损和很大的扭矩载荷，而且摩擦产生的大量热量使刹车鼓的温度升高到260℃左右。因此，要求刹车鼓材料既要有良好的综合力学性能(足够的强度和刚度)以承受高的扭矩载荷，又要有优异的摩擦磨损性能以实现高效制动功能，同时还要有高的导热性能以释放摩擦产生的大量热量。目前我国中型或重型车辆广泛使用的刹车鼓材质均是铸铁材料，如民用大型汽车起重机、混凝土搬运车和垃圾搬运车以及军用轮式装甲车等的刹车鼓均采用铸铁，其散热能力差，连续制动时有可能会因为刹车鼓温度的大幅升高而导致刹车失灵，而且材料比重大(～7.8g/cm3)，不符合轻量化要求。而采用轻质的铝合金或铝基复合材料替换传统的铸铁材料将起到很好的减重效果(减重40％以上)，但是刹车鼓苛刻的使用要求是单一铝合金或单一铝基复合材料都难以满足的，如单一铝合金(如锻造铝合金和超硬铝合金)的局部耐磨性能不足，单一铝基复合材料(MetalMatrixComposites，MMC)缺乏足够的韧性和疲劳强度。此外，单一铝基复合材料难以进行钻孔及其它机加工处理的性质也大大限制了它的应用范围。通过科学的结构设计和合理的制备工艺，将高强铝合金和耐磨陶瓷相增强铝基复合材料结合起来，组成一种由铝合金基体和增强体构成的层状结构铝基复合材料，这样就可以充分发挥两种材料在热物理性能、力学性能、摩擦磨损性能和可加工性能等方面的优异特性，克服了各自的缺点，同时还保留了铝合金轻量化的重要优势，对于促进重型车辆的轻量化，提高车辆的有效载重能力和机动性将发挥重要的作用，具有显著的民用和军事意义。

发明内容

本发明目的是设计一种层状结构的铝基复合材料，解决现有铸铁材料密度过大、单一铝合金材料耐磨性能差等技术问题。

一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法，即先根据刹车鼓内径尺寸和耐磨层的厚度要求设计需压制成形的增强体坯体尺寸和压制模具，然后将平均粒径为5-10μm金刚石微粉、直径为5-10μm的氧化铝纤维、直径为40-50μm的鳞片状石墨粉以及浓度为5～10％的聚乙烯醇溶液按照体积比为10～15％，5～7％，15～28％，50～70％的比例进行混合均匀，并压制成环形，环形内径和高度应与最终刹车鼓的内径和宽度一致，环形厚度应为最终刹车鼓截面厚度尺寸的20～25％，将环形坯烘干后置于熔渗炉石墨模具中进行预热，预热温度为400～450℃，环形坯心部应采用石墨进行填充，然后将温度为750～780℃的Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中进行加压，加压压力为5～10MPa，加压速度为3～5mm/min，加压完成后得到由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及鳞片状石墨局部增强的层状结构铝基复合材料刹车鼓毛坯，然后按照最终尺寸进行加工得到成品。

采用上述工艺获得的刹车鼓材料由于添加了鳞片状石墨，其在坯体压制成形过程中能够自动平行取向排列，借助于石墨鳞片在二维平面方向的优异散热性，使得最终复合材料层(也就是耐磨层)在刹车鼓的径向方向散热功能较为突出，能够有效将摩擦产生的热量散发出去。此外，复合材料中加入的金刚石颗粒和氧化铝纤维能够大幅度提高复合材料层的耐磨性能，尤其是金刚石的加入还能够进一步提高复合材料层的导热率，进一步增强刹车鼓的散热效果，最终能够全面提高车辆制动过程的稳定性和安全性。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图，

图2为刹车鼓的示意图，

图3为复合材料层显微组织，黑色条状为鳞片状石墨。

具体实施方式:

(1)制备复合材料层尺寸为Φ300mm(内径)×5mm(复合材料层厚)×150mm(复合材料层高)，铝层厚度为20mm刹车鼓

首先按金刚石、氧化铝纤维和鳞片状石墨在最终复合材料中体积占比分别为10％、5％、15％进行原料粉末混合，所采用的金刚石粒度为5μm，氧化铝纤维直径5μm，鳞片状石墨直径40μm，三种原料的质量分别为252克，140克和378克，原料混合均匀后倒入盛有5050毫升的5％聚乙烯醇溶液中混合均匀，然后将混合料置于钢模中进行压制成形，压制压力为3-5MPa，成形坯尺寸为Φ300mm(内径)×5mm(厚)×150mm(高)。将成形坯置于50℃烘箱中烘干5小时，然后将环形坯置于熔渗炉石墨模具中进行预热，预热温度为400℃，环形坯心部采用石墨进行填充，然后将温度为750℃的Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中进行加压熔渗，加压压力为5MPa，加压速度为3mm/min，加压完成后得到由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及鳞片状石墨局部增强的层状结构铝基复合材料刹车鼓毛坯，毛坯中纯铝合金层厚度应控制在20mm，然后按照最终尺寸进行加工得到成品。

(2)制备复合材料层尺寸为Φ200mm(内径)×2mm(复合材料层厚)×100mm(复合材料层高)，铝层厚度为8mm刹车鼓

首先按金刚石、氧化铝纤维和鳞片状石墨在最终复合材料中体积占比分别为15％、7％、28％进行原料粉末混合，所采用的金刚石粒度为10μm，氧化铝纤维直径10μm，鳞片状石墨直径50μm，三种原料的质量分别为66克，34克和124克，原料混合均匀后倒入盛有63.5毫升的5％聚乙烯醇溶液中混合均匀，然后将混合料置于钢模中进行压制成形，压制压力为3-5MPa，成形坯尺寸为Φ200mm(内径)×2mm(厚)×100mm(高)。将成形坯置于50℃烘箱中烘干5小时，然后将环形坯置于熔渗炉石墨模具中进行预热，预热温度为450℃，环形坯心部采用石墨进行填充，然后将温度为780℃的Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中进行加压熔渗，加压压力为5MPa，加压速度为5mm/min，加压完成后得到由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及鳞片状石墨局部增强的层状结构铝基复合材料刹车鼓毛坯，毛坯中纯铝合金层厚度应控制在8mm，然后按照最终尺寸进行加工得到成品。

Claims

1.一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法，其特征是将平均粒径为5-10μm的金刚石微粉、直径5-10μm的氧化铝纤维、直径40-50μm的鳞片状石墨粉以及浓度为5～10％的聚乙烯醇溶液按照体积比为10～15％，5～7％，15～28％，50～70％的比例进行混合均匀，然后压制成环形，环形内径和高度应与最终刹车鼓的内径和宽度一致，将环形坯烘干后置于熔渗炉石墨模具中进行预热，预热温度为400～450℃，环形坯心部应采用石墨进行填充，然后将温度为750～780℃的Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中进行加压，加压压力为5～10MPa，加压速度为3～5mm/min，加压完成后得到由金刚石颗粒、氧化铝纤维以及鳞片状石墨局部增强的层状结构铝基复合材料刹车鼓毛坯，毛坯中复合材料层与纯铝合金层的厚度比例应控制为1：4～1：5范围内，然后按照最终尺寸进行加工得到成品。