CN104235237A

CN104235237A - 一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法

Info

Publication number: CN104235237A
Application number: CN201410195034.0A
Authority: CN
Inventors: 房殊; 喻亮; 房明
Original assignee: SHIJIAZHUANG DONGDA HUITONG NEW MATERIAL Co Ltd
Current assignee: SHIJIAZHUANG DONGDA HUITONG NEW MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: CN104235237B; WO2015169024A1; CN106536963A

Abstract

本发明公开了一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法。本碳化硅泡沫陶瓷骨架增强铝合金制动盘的盘体采用铝合金或纳米陶瓷颗粒或纳米碳管等强化的铝合金材料；制动盘两对称摩擦面上一体铸有碳化硅泡沫陶瓷骨架，可铸或不铸有散热槽、通风孔。非摩擦面圆周方向上铸有若干散热筋，盘体有安装孔。本制造方法为：碳化硅泡沫陶瓷骨架制备→骨架预处理→制动盘铸造模具的设计与制作→制动盘的低压铸造→制动盘热处理→制动盘精密加工→成品入库。本发明制动盘的制作工艺简单、质量轻、摩擦系数高而稳定、导热性好、寿命长，适用于现有公路车辆。

Description

一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法

技术领域

本发明属于制动盘制造技术领域，尤其与一种用于公路车辆的Al/SiC_foam（即碳化硅泡沫陶瓷/铝合金）复合材料制动盘及其制备方法有关。

背景技术

随着能源紧缺及车辆速度的不断提高，以节能、减重为目的的车辆轻量化技术开发备受关注目前绝大多数的汽车制动盘(鼓)材料仍采用铸铁或铸钢，其主要缺陷是密度大，不利于减轻车重；导热性差，造成制动时摩擦表面温升过高；温度梯度大，易形成热斑、产生热裂纹；凡此种种均为影响行车安全、增加油耗及缩短制动盘寿命的不利因素与传统钢铁材料相比，铝基陶瓷复合材料因质量轻且具有较高的比强度比刚度及良好的热稳定性和耐磨性等特点，引起了各国摩擦材料领域深入开展铝基陶瓷复合材料汽车制动盘研发的浓厚兴趣。但这些研究和发明都集中于利用颗粒、晶须、纤维及空间非连续结构等物相增强铝合金复合材料上。近年来，将颗粒、晶须、纤维及空间非连续结构等物相用做铝基复合材料增强相生产汽车制动盘的报道很多，如专利Patent US5765667，专利Patent US6536564，专利Patent US6585089，专利CN03127145，专利CN 200610137913，专利CN 201220269503，专利CN201310593025.2，专利CN 201310008726.5，专利CN201310008715.7等然而这些专利所述的方法在不同程度存在着以下缺点：在制备复合材料过程中颗粒和晶须容易团聚；连续或非连续纤维增强体与基体合金材料的比重、润湿等物理、化学参数差别较大，难以与基体合金材料均匀融合在一起；采用激光熔覆，离子喷涂等工艺难以在铝基制动盘表面制备出厚度5~10mm的摩擦层，严重影响制动盘的力学性能和使用。

为了克服这些专利所述方法的缺点，人们发明了一种三维网络结构的（three dimensional network structure reinforced metal matrix composites）泡沫陶瓷增强金属基复合材料(3DNSRMMCs)。这种复合材料具有特殊的拓扑几何特性，增强相和基体相互缠结和盘绕，相互贯穿、复合成既完整统一又相对独立的新型材料，并且在陶瓷和金属界面形成过渡层。3DNSRMMCs具有质量轻、比模量高、比强度高、耐疲劳、抗热震性优良、热胀系数低等优点，在航空航天、交通、机械制造等工业领域，特别是在摩擦材料领域展示了广泛的应用前景。文献分析表明，泡沫结构增强体制备方法很多，有发泡法、溶胶-凝胶法、自蔓延高温合成法和有机前驱体烧蚀-烧结法等。其中有机前驱体烧蚀-烧结法是制备泡沫结构增强体最简便而有效的方法。同时，制备3DNSRMMCs复合材料的方法很多，有粉末冶金法(PM)、搅拌铸造法(SC)、原位反应法(In situ)、高温自蔓延法(SHS)、热扩散反应法(XDTM)和熔体浸渗法(MITM)等等。而熔体浸渗技术是制备高体积分数3DNSRMMCs复合材料的主要方法之一。根据熔体浸渗动力的不同，熔体浸渗技术又分为3类:即压力浸渗技术(PIM)、真空浸渗技术(VDI)及无压浸渗技术(PRIMEXTM)。总的来说，目前制备3DNSRMMCs复合材料主要存在以下3个问题：（1）增强体与铝合金这两相既不应各自完全独立而降低相互之间的作用力，又不能发生完全的化学反应，恶化增强效果，因此需要对泡沫结构增强体表面进行修饰以获得最佳的复合界面显微结构，而现有研究普遍缺少对其表面进行预处理的研究；（2）真空浸渗、压力浸渗技术生产成本过高，工艺、装备复杂，难以制备优质的大尺寸铸件，实现低成本工业化生产；（3）无压浸渗技术因压力不足难以克服泡沫陶瓷骨架的表面张力而不能制备出优质的大尺寸铸件，或产品中含有大量的缩松、缩孔、疏松、冷隔和浇不足等铸造缺陷。

发明内容

本发明针对公路车辆用铸钢、铸铁制动盘质量大、导热性差、抗热疲劳性能差、寿命短等缺点，提供了一种质量小、生产周期短、散热快、热稳定性好、制动平稳、噪音低、服役寿命长、变形小、拆卸方便的各种高速、重载公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法。

为达到上述目的，本发明制动盘采用以下技术方案予以实现：一种公路车辆用Al/SiC_foam复合材料制动盘，其关键技术在于：所述制动盘包括摩擦层以及散热筋；所述摩擦盘与制动块抵触的摩擦面上一体铸有碳化硅泡沫陶瓷骨架；所述碳化硅泡沫陶瓷骨架占摩擦盘的体积百分比为10~50 %，占制动盘整体的体积百分比为5~30 %；所述制动盘中铸入的碳化硅泡沫陶瓷骨架的厚度为5~15 mm；所述制动盘非摩擦面的圆周方向上铸有若干散热筋；所述散热筋的形状为圆柱状、椭圆柱状、板条状、T字形、工字形中的一种或几种的组合；所述制动盘的盘体有安装孔。

所述制动盘的摩擦盘采用的金属材料的材质为ZLXXX、7XXX、6XXX、5XXX、4XXX、2XXX或1XXX系列铝合金；制动盘的摩擦面上可铸或不铸有散热槽、通风孔。

所述散热筋的具体规格如下：

当采用圆柱状散热筋时，其直径为5~25 mm；

当采用椭圆柱状散热筋时，其长轴长为10~30 mm，短轴长为5~20 mm；

当采用T字形或工字形散热筋时，T字形、工字形散热筋的长边长为20~40 mm，短边长为4~10 mm；

当采用板条状散热筋时，其为矩形的或弧线形条状，长边长为20~120 mm，短边长为3~30 mm。

上述的公路车辆用Al/SiC_foam复合材料制动盘，其制备方法具体步骤如下：

1）碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备，

2）步骤1）所制得的碳化硅泡沫陶瓷骨架的预处理，

3）制动盘铸造模具的设计与制作，

4）低压铸造，

5）热处理，

6）精密加工

7）成品入库。

所述碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备具体方法为：

采用模板注浆法、前驱体浸渍法、凝胶—注模法、发泡法或三维打印方法中的一种，先制备出泡沫陶瓷坯体，再采用无压烧结方法：烧结温度1950~2280℃，保温0.5~3h，制得长度为10~400 mm，宽度为10~400 mm，厚度为3~15 mm的碳化硅泡沫陶瓷片，然后将碳化硅泡沫陶瓷片切割成所需尺寸得到碳化硅泡沫陶瓷骨架。

所述碳化硅泡沫陶瓷骨架的气孔率为40~90%，网孔直径1~8 mm，碳化硅泡沫陶瓷骨架中碳化硅所占质量百分比70~99%，密度2.6~3.2 g/cm³，维氏硬度18~30 GPa，抗折强度2~15 MPa，抗压强度2~20 MPa，热传导率80~180 W/(mK)。

所述碳化硅泡沫陶瓷骨架的表面处理包括如下四种方式：

①将碳化硅泡沫陶瓷骨架置于800~950℃氧化气氛炉内，保温0.5~12h，进行氧化处理；

②或在碳化硅泡沫陶瓷骨架的表面喷涂一层用纳米碳管、石油焦、炭黑或石墨含碳的原料或导电炭浆、印刷用的油墨制成的含有碳或石墨的浆料，经烘干获得厚度20~500 μm的碳或石墨层；

③或采用表面活性剂对碳化硅泡沫陶瓷骨架进行表面活化处理，在陶瓷骨架的表面覆盖上氧化铬、氧化钇、稀土氧化物、或碱土氧化物薄膜中的一种，厚度10~500 μm；或Ni、Cu、Ti、Cr等金属薄膜，厚度为100～800 μm；

④或对碳化硅泡沫陶瓷骨架不作任何的处理。

所述的铸造模具的设计与制作方法：根据用户要求及所提供图纸，先进行计算机铸造模具的建模及模拟计算。依据计算机建模、模拟计算数据及实际生产情况，设计、制作一种在Al/SiC_foam复合材料制动盘的摩擦层能一体铸有5~10mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架的钢—砂芯复合铸造模具。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，在铸造模具及砂芯中加了一套压紧陶瓷骨架的顶杆装置。

所述低压铸造具体为：所述的Al/SiC_foam制动盘在钢模具温度为200~500℃，铝合金熔液温度为630~780℃时，将碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯放入钢模具的型腔中固定，然后开始低压铸造；升液阶段，加压时间0.5~12s；充型阶段，金属液面上升速度0.5~10 mm/s，铝合金熔液充型的速度为0.5~10 kg/s，充型时间1~20s，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间3~60s；保压凝固阶段，时间为20~300s。

所述制动盘采用T5、T6、T61、T63或T7等热处理工艺进行热处理，或者根据选用的不同铝合金盘体材料采用相应的热处理工艺。

所述铝合金制动盘可采用加入如下材料进行强化：

平均粒径为20~100 nm，占金属体积百分比为0.1~5 V%的纳米碳管、石墨烯等一维或二维的碳材料进行强化和韧化；

或平均粒径20~300 nm，占金属体积百分比为0.1~5 %的纳米陶瓷颗粒进行强化和韧化；所述纳米陶瓷颗粒为碳化硅(SiC)碳化钛(TiC)碳氮化钛(TiCN)氧化铝(Al₂O₃)、氧化铜(CuO)、氧化硅(SiO₂)中的一种或多种组合。

③与电磁场联合；④或采用与超声波联合。

所述步骤1）中在制作碳化硅泡沫陶瓷骨架时，可在碳化硅浆料中加入一定量的二硼化钛（TiB₂）或Ti₃SiC或二硼化锆（ZrB₂）或二硅化钼（MoSi₂）。

采用上述技术方案所产生的有益效果为：

（1）采用本方法制备的Al/SiC_foam复合材料制动盘能显著减轻车辆制动系统的重量，与钢或铸铁的制动盘相比，减重超过50%以上。

（2）低压铸造工艺可实现大型铝合金制动盘铸件的连续生产，生产周期短，极大降低了生产成本。低压铸造中的加压凝固过程能够强化铝合金在结晶期间的补缩能力，极大提高了铸件致密度，保证了Al/SiC_foam复合材料的宏观结构和微观显微结构的均匀性。

（3）制动盘的摩擦层采用Al/SiC_foam复合材料，充分利用了铝合金导热性能好等优势，获得了更好的抗热衰退能力。在制动过程中碳化硅陶瓷骨架形成硬的微突起并起到承载作用，抑制了铝合金的塑性变形和高温软化，提高了抗热疲劳性能。

（4）碳化硅陶瓷骨架表面覆盖的碳层作为润滑组元可起到调整摩擦系数，减少制动噪音作用。长期服役过程中在制动盘的摩擦表面会形成坚固而稳定的摩擦机械层，显著提高复合材料的高温摩擦性能，提高制动盘使用寿命。在陶瓷骨架表面覆盖的表面活化层可提高陶瓷骨架与金属基体的润湿能力，提高陶瓷/金属的界面强度。

（5）采用本专利设计的Al/SiC_foam复合材料制动盘，能有效避免发生在传统的铸钢、铸铁制动盘及颗粒、晶须、纤维等非连续结构陶瓷相增强铝合金制动盘中的龟裂和裂纹扩展。

（6）采用本方法设计的Al/SiC_foam复合材料制动盘适用范围广，可与在用的所有材质、类型的制动片，如粉末冶金制动片、合成制动片、半金属制动片、碳/碳制动片、碳/陶瓷制动片等组成摩擦副。

附图说明

图1是本发明Al/SiC_foam复合材料制动盘的结构示意图；

图2是切割成需要形状的碳化硅泡沫陶瓷骨架示意图；

图3是碳化硅泡沫陶瓷骨架表面的纳米碳管的显微结构示意图；

图4-1是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL111铝基复合材料制动盘示意图；

图4-2是图4-1的侧视示意图；

图4-3是图4-1的A-A剖视示意图；

图5是T6热处理后碳化硅泡沫陶瓷和铝合金界面的宏观结构照片；

图6是制动盘盘体ZL111铝合金材料的显微结构；

图7-1是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强7075铝基复合材料制动盘示意图；

图7-2是图7-1的A-A剖视示意图；

图7-3是图7-1的立体示意图；

图8-1是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强5083铝基复合材料制动盘示意图；

图8-2是图8-1的A-A剖视示意图；

图8-3是图8-1的左视图；

图9-1是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强A359铝基复合材料制动盘示意图；

图9-2是图9-1的右视图；

图9-3是图9-1的A-A剖视示意图；

图9-4是图9-1的立体示意图；

图10-1是本实施例5所述制动盘的示意图；

图10-2是图10-1的A-A剖视示意图；

图11是制动盘在30~200 km/h实施制动时的摩擦曲线；

图11-a）是不同压力下摩擦系数；

图11-b）是扭矩和摩擦次数的关系；

图11-c）是时速160km/h摩擦曲线；

图11-d）是时速200km/h摩擦曲线；

图12是制动摩擦后制动盘表面的显微结构图。

其中，1、制动盘；2、摩擦层；3、碳化硅泡沫陶瓷骨架；4、散热筋；5、散热槽；6、通风孔；7、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图1~图12对本发明的具体实施方式进行详细描述。

参见附图1，本发明用于公路车辆的Al/SiC_foam复合材料制动盘结构如下：盘体采用的金属材料的材质为ZLXXX、7XXX、6XXX、5XXX、4XXX、2XXX或1XXX系列铝合金；制动盘的摩擦层一体铸有碳化硅泡沫陶瓷骨架；碳化硅泡沫陶瓷骨架占碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合摩擦层材料的体积百分比为10~50 %，占制动盘整体的体积百分比为5~30 vol.%；制动盘中铸入的碳化硅泡沫陶瓷骨架的厚度为5~15 mm；制动盘非摩擦面的圆周方向上铸有若干散热筋，散热筋的形状有圆柱状、椭圆柱状、板条状、T字形、工字形等几何形状中的一种或几种的组合；所述制动盘的摩擦层可一体铸有散热槽、通风孔，也可不铸散热槽、通风孔。该形状散热筋的一种或多种的组合与传统板状散热筋相比，散热效率更高，能有效减少制动时热斑及热裂纹的产生。

上述制动盘的生产方法具体如下：

具体步骤如下：

步骤1：碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备：采用模板注浆法、前驱体浸渍法、凝胶-注模法、发泡法、三维打印法等成形方式，将按照一定比例配好的碳化硅浆料，制备成碳化硅陶瓷素坯，烘干、修整外形、烧结，切割获得碳化硅泡沫陶瓷骨架。优选的方案为：碳化硅泡沫陶瓷骨架的气孔率45~65%，网孔平均直径2.0~3.5 mm，碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅所占质量百分比约97%，密度2.7~3.0g/cm³，维氏硬度(Hv)20~23 GPa，抗折强度约12MPa，抗压强度约20MPa，热传导率约为130 W/(mK)。

步骤2：碳化硅泡沫陶瓷骨架的表面预处理：①制备多壁碳纳米管水溶液：将多壁碳纳米管、分散剂、蒸馏水和粘结剂经高剪切分散和研磨处理后，得到多壁碳纳米管的水溶液。该多壁碳纳米管水溶液具有不易沉降，易储存、稳定性好等优点。在碳化硅陶瓷骨架的表面用喷涂或喷淋工艺覆盖上述多壁碳纳米管水溶液并烘干。优选方案：选用工业级多壁碳纳米管，外径＞50 nm，长度10~20 μm，纯度＞90%。②或采用表面活性剂对碳化硅泡沫陶瓷骨架进行表面活化处理。优选方案：在陶瓷骨架的表面覆盖上或氧化铬、或氧化钇、或稀土氧化物、或碱土氧化物薄膜，厚度10~500 μm；或Ni、Cu、Ti、Cr等金属薄膜，厚度400～800 μm③或对陶瓷骨架氧化处理。优选方案：将陶瓷骨架置于800~950℃氧化气氛炉内，保温0.5~12h，得到厚50～800 μm 的SiO₂薄膜。④或对骨架不作任何的处理。

步骤3：制动盘及其铸造模具的设计、制作：根据用户要求及所提供图纸，设计制造铸造模具。然后在Al/SiC_foam复合材料制动盘的摩擦层一体铸有5~10mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架，摩擦层可铸或不铸散热槽、通风孔，盘体的非摩擦面一体铸有多个散热筋。优选方案：利用固定在钢模具中的砂芯，制备出长边长度20~120 mm，短边宽度3~30 mm的板条状散热筋；该板状散热筋在盘体的圆周方向间隔5~30°均匀分布。板状散热筋与盘体的内侧面之间均采用圆弧面过渡。所述散热槽的宽度4~15 mm，通风孔直径5～15mm，散热槽和通风孔均具有拔模斜度。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，铸造模具中可加一套防止陶瓷骨架移动的顶杆装置。

模具根据用户要求及所提供图纸，先进行计算机铸造模具的建模及模拟计算。依据计算机建模、模拟计算数据及实际生产情况，制作一种能在Al/SiC_foam复合材料制动盘的摩擦层一体铸有5~10mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架的钢—砂芯复合铸造模具。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，在铸造模具及砂芯中加了一套压紧陶瓷骨架的顶杆装置。

步骤4：制动盘的低压铸造：将碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯按照设计要求固定在钢制模具的型腔内，将铝合金熔化、精炼、变质处理后倒入低压铸造机的熔池式保温炉内。在模具温度200~500℃，铝合金熔液温度630~780℃时开始低压铸造；升液阶段，加压时间0.5~12s；充型阶段，金属液面上升速度0.5~10 mm/s，铝合金熔液充型的速度为0.5~10 kg/s，充型时间1~20s，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间为3~60s；保压凝固阶段，时间为20~300s。从而将碳化硅泡沫陶瓷骨架与铝合金复合为一体获得Al/SiC_foam复合材料制动盘。脱模冷却后去除砂芯。

步骤5：制动盘的热处理和表面处理：采用T61，T63等热处理工艺对Al/SiC_foam复合材料制动盘进行热处理。采用阳极氧化对Al/SiC_foam复合材料制动盘的表面进行表面处理。

步骤6：制动盘的精密加工：所述的Al/SiC_foam复合材料制动盘摩擦面的表面粗糙度要求达到Ra 3.2以上，摩擦面经过磨削、抛光后可见均匀分布的碳化硅泡沫陶瓷骨架，制动盘和连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.05 mm，经探伤检测无裂纹、疏松、缩孔、冷隔、浇不足等缺陷，并满足动平衡要求。

步骤7：成品入库:将所述的制动盘逐个检验，分别包装、入库。

本发明的Al/SiC_foam复合材料制动盘1的摩擦层2材料采用铝合金或纳米陶瓷颗粒或纳米碳管等强化的铝合金；制动盘1对称摩擦面2上一体铸有碳化硅泡沫陶瓷骨架3，非摩擦面圆周方向上铸有若干散热筋4，制动盘的摩擦面上铸有若干散热槽5、通风孔6，也可不铸散热槽5、通风孔6，制动盘盘体有安装孔7。

下面通过具体实施进行进一步的说明。

实施例 1

碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL111铝基复合材料制动盘

步骤1：碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备：采用前驱体浸渍法将按照一定比例配好的碳化硅浆料，以8~15ppi的聚氨酯泡沫前驱体为模板，制备出碳化硅陶瓷素坯并烘干。将碳化硅陶瓷素坯放入1950~2280℃的烧结炉内，保温0.5~3h，无压烧结得到长度为400 mm，宽度为400 mm，厚度为5~15 mm的碳化硅泡沫陶瓷块，将其切割成需要形状（见附图2）作为摩擦层的增强体。碳化硅泡沫陶瓷的气孔率40~60%，网孔直径1.5~4 mm，碳化硅泡沫陶瓷骨架中碳化硅的质量百分比为90~99%，其余为碳化硼和碳。陶瓷骨架的体积密度2.6~3.2/cm³，维氏硬度(Hv)30 GPa，抗折强度0.5~15 MPa，抗压强度1.5~20 MPa，热传导率80~100 W/(mK)。作为优化方案，可以在碳化硅浆料中加入一定量的二硼化钛（TiB₂），或Ti₃SiC₂，或二硼化锆（ZrB₂），或二硅化钼（MoSi₂）等陶瓷中的一种或者多种来增加碳化硅骨架的润滑能力。其中碳化硅占泡沫陶瓷骨架的质量百分比为85~95%。

步骤2：碳化硅泡沫陶瓷骨架的预处理:将烧结后的碳化硅泡沫陶瓷骨架进行清洗。用喷涂工艺将购于深圳纳米港公司的多壁纳米碳管为原料制备的纳米碳管水溶液覆盖到骨架的表面，待自然晾干后置于箱式炉中，在100~150℃保温30~60 min，获得干燥的纳米碳管层。碳层厚度为50~300μm，碳化硅泡沫陶瓷骨架上的多壁纳米碳管显微结构见附图3。

步骤3：制动盘及其铸造模具的设计：根据用户要求及所提供图纸，先进行计算机建模及模拟计算。依据计算机建模、模拟计算数据及实际生产情况，设计、制作模具，在Al/SiC_foam复合材料制动盘一体铸有5~10mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架复合材料摩擦层，盘体的非摩擦面一体铸有多个板状散热筋的钢制铸造模具。板状散热筋的长边长度20~120 mm，短边长度3~20 mm。在圆周方向间隔18°，共20条散热筋均匀分布于盘体的非摩擦面上。摩擦层一体铸有3~4mm宽的散热槽，盘体上均匀分布有若干安装孔。板状散热筋与盘体的非摩擦面之间均采用圆弧面过渡，圆角半径为2~40 mm。所述散热槽和通风孔的侧面均具有4度的拔模斜度。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，模具中加了一套顶杆装置来压紧陶瓷骨架。

步骤4：制动盘的低压铸造：将碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯按照设计要求放置在钢模具的型腔内，在模具温度200℃，铝合金(ZL111，即ZAlSi9Cu2Mg，合金成分重量百分比Si 8.0～10.0%，Cu 1.3～1.8%，Mg 0.4～0.6%，Mn 0.10～0.35%，Ti 0.10～0.35%，余量为Al)熔液温度700~750℃时开始低压铸造。在升液阶段，加压时间0.5~2s；在充型阶段，金属液面上升速度10 mm/s，充型速度5 kg/s，充型时间0.5~2s，充型增压速度0.030 MPa/s；在增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.035 MPa，保压时间20s；在保压凝固阶段，时间为150~300 s。将碳化硅泡沫陶瓷骨架与铝合金复合为一体获得制动盘，脱模冷却后去除砂芯。碳化硅泡沫陶瓷占铝合金复合材料复合摩擦层的体积百分比为10~50 %，占制动盘总体积的百分比为5~25 %。作为优化制动盘显微结构的工艺之一，可在铝合金熔液中加入质量百分比为0.1%~5%的过渡族元素、稀土元素来提高铝合金的屈服强度和碳化硅与铝合金的界面强度。作为提高制动盘延伸率和抗拉强度的优化工艺之二，还可以用平均粒径20~100 nm的纳米碳管和石墨烯等一维，二维的碳材料进行强化。附图4-1、4-2、4-3为碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL111铝基复合材料制动盘的示意图。该制动盘材料避免了材料密度不同产生的沉降、成份不均匀造成的性能不稳、生产工艺难控制等缺陷。与目前在用的铸钢、铸铁制动盘相比，比强度及散热性远远高于铸钢、铸铁材料，并克服了铸钢、铸铁制动盘摩擦制动时易生成裂纹、热斑等缺陷，长时间坡道制动时温度降低明显，保证了汽车的安全性和制动的有效性。

步骤5；制动盘的热处理：所述的制动盘采用T6热处理工艺，热处理后，铝基体抗拉强度达到355 MPa，300℃时抗拉强度230 MPa。附图5为T6热处理后碳化硅泡沫陶瓷和ZL111铝合金复合材料宏观结构照片。附图6是制动盘盘体铝合金材料的显微结构照片。

步骤6：制动盘的精密加工：所述的制动盘摩擦面及盘环表面粗糙度要达到Ra 3.2以上，制动盘及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.05 mm，经过探伤检测无裂纹、疏松、缩孔、冷隔、浇不足等缺陷，并满足动平衡要求。

步骤7：成品入库：将所述的制动盘逐个检验，分别包装、入库。

按照标准进行1：1台架测试，网络陶瓷增强铝合金制动盘与粉末冶金刹车片组成的摩擦副在时速160 km/h实施下坡制动后，制动盘摩擦面最高温度为300~350 ℃，热应力70 MPa，温度梯度小，平均摩擦系数约0.36，刹车时间6.7s，摩擦表面无粘结，也没有热裂纹及热斑产生，制动平稳，噪音低，磨损率低，表现出良好的摩擦、磨损性能。

实施例 2

碳化硅泡沫陶瓷骨架增强7075铝基复合材料制动盘

步骤1：碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备:采用凝胶-注模成形方式将按照一定比例配好的浆料制备成陶瓷素坯并烘干。采用烧结温度2000~2250 ℃，保温1~3h的无压烧结方法，得到长度为300 mm，宽度为300 mm，厚度为5~7 mm的碳化硅泡沫陶瓷块，经激光切割成需要的增强体形状。碳化硅泡沫陶瓷的气孔率65%，网孔直径3~6 mm，碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅所占质量百分比96~99%，陶瓷骨架的密度2.6~2.8 g/cm³，维氏硬度(Hv)18 GPa，抗折强度10 MPa，抗压强度5 MPa，热传导率130 W/(mK)。

步骤2：网络陶瓷骨架的预处理：将烧结后的碳化硅陶瓷骨架进行清洗。将少量炭黑和石油焦加入购于深圳市美蒂幔丝印公司、碳的固含量大约50 wt %的丝网印刷用导电炭浆中混合后进行研磨，当炭浆料中碳的固含量达到约60 wt %后，用喷淋工艺将其覆盖在碳化硅陶瓷骨架的表面，待自然晾干后置于箱式炉中，在100~150 ℃保温30~60 min，获得厚度为100~500 μm的干燥碳和石墨层。作为优化工艺，可将网络陶瓷骨架先在氧化气氛炉中于800℃保温3~5h，待表面生成薄层氧化硅后，再在步骤2所述炭浆料中浸泡30~60min后取出烘干。

步骤3：制动盘及其铸造模具的设计：根据用户要求及所提供图纸，先进行计算机建模及模拟计算。依据计算机建模、模拟计算数据及实际生产情况，设计、制作在Al/SiC_foam复合材料制动盘一体铸有5~7mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架复合材料摩擦层的钢制铸造模具，摩擦层圆周方向间隔15°均匀分布有5~6mm宽的散热槽。盘体上均匀分布有若干安装孔。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，模具中加了一套压紧陶瓷骨架的顶杆装置。

步骤4：制动盘的低压铸造：将碳化硅泡沫陶瓷骨架和覆膜砂砂芯按照设计要求放置在钢模具的型腔内，在模具温度300℃，铝合金(7075，合金成分重量百分比Si0.4%，Cu 1.2～2.0%，Mg 2.1～2.9%，Mn 0.35%，Ti 0.1~0.5%，Zn 5.1~6.1%，Cr 0.18~0.28%，余量为Al)熔液温度700~750℃时开始低压铸造。在升液阶段，加压时间1~2s；在充型阶段，金属液面上升速度1 mm/s，充型为1 kg/s，充型时间10~15s，充型增压速度为0.005~0.006MPa/s；在增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010 MPa，保压时间为15~20s；在保压凝固阶段，时间为50~300s，将泡沫陶瓷骨架与铝合金复合为一体获得制动盘。碳化硅泡沫陶瓷占铝合金复合材料的体积百分比为10~50 %。作为提高制动盘延伸率和抗拉强度的工艺之一，采用平均粒径为20~300 nm的纳米陶瓷颗粒强化和韧化，陶瓷颗粒为碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCN)、氧化铝(Al₂O₃)，氧化铜(CuO)、氧化硅(SiO₂)等之一种或多种。作为改善铸件显微结构的优化工艺之二，采用与电磁场、超声波等外场联合起来的复合铸造技术细化晶粒，减少铸造产生的偏析。

步骤5：制动盘的热处理：所述的制动盘采用T6热处理工艺，热处理后，铝基抗拉强度达到415 MPa，300℃时抗拉强度300 MPa，采用纳米陶瓷颗粒增强的铝合金的热膨胀系数比不采用增强相的降低30%，延伸率提高3%。

步骤6：制动盘的精密加工：所述的制动盘摩擦面及盘环表面粗糙度要达到Ra 3.2以上，制动盘及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.05 mm，经过探伤检测无裂纹、疏松、缩孔、冷隔、浇不足等缺陷，并满足动平衡要求。附图7-1、7-2、7-3为碳化硅泡沫陶瓷骨架增强7075铝基复合材料制动盘示意图。

以本发明专利所述方法制作的外径400mm碳化硅泡沫陶瓷增强铝合金复合材料制动盘按照SAE J2430-1999标准进行1：1台架测试。试验数据表明：该摩擦副在时速160 km/h实施下坡制动时，制动盘摩擦面最高温度为220 ℃，热应力降低到30 MPa；在180km/h制动时，摩擦表面最高温度约250℃，最大程度的降低了制动盘的温升及温度梯度。试验后，摩擦表面无粘结、热斑产生，未产生可见热裂纹，平均摩擦系数0.37，制动时间4.8 s，制动平稳，噪音低，磨损率低，表现出良好的摩擦、磨损性能，为行车安全提供了更可靠的保障。

实施例 3

碳化硅泡沫陶瓷骨架增强5083铝基复合材料制动盘

步骤1：碳化硅泡沫陶瓷骨架的制备:采用三维打印成形方式将按照一定比例配好的浆料，制备成陶瓷素坯进行烘干，修整外形。采用无压烧结方法，烧结温度2200 ℃，保温3h，得到长度为300 mm，宽度为300 mm，厚度为25 mm的碳化硅泡沫陶瓷块，经激光切割成需要的增强体形状。碳化硅泡沫陶瓷的气孔率约为60~70%，网孔直径2~5 mm，碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅所占质量百分比97%，陶瓷骨架的密度2.9g/cm³，维氏硬度(Hv)20GPa，抗折强度8～10MPa，抗压强度45～50 MPa，热传导率120～130 W/(mK)。

步骤2：陶瓷泡沫骨架的预处理：将烧结后的碳化硅泡沫陶瓷骨架进行清洗、烘干后，利用电镀的方法在骨架的表面镀上厚度为80～400 μm的Ni、Cu、Ti、Cr等金属薄膜，然后将炭黑和石油焦加入到印刷用的油墨里长时间研磨，当碳浆料中碳的固含量达到大约60 wt %后，用喷淋工艺覆盖到骨架的表面，待自然晾干后置于箱式炉中，在100~150℃保温30~60 min，获得干燥的、厚度300~500 μm的碳和石墨层。

步骤3：制动盘及其铸造模具的设计：根据用户要求及所提供图纸，先进行计算机建模及模拟计算。依据计算机建模、模拟计算数据及实际生产情况，设计、制作一体铸有7mm厚碳化硅泡沫陶瓷骨架/铝合金复合材料摩擦层的钢制铸造模具，非摩擦面上的散热筋间隔5度沿周向阵列均布。摩擦层一体铸有散热槽和通风孔，散热槽宽度4~6 mm，通风孔的直径3～5 mm。非摩擦面散热筋可以是板条、圆柱状、椭圆柱状、T字形、工字形中的一种或几种形状的组合。为了防止网络陶瓷骨架在铸造过程中漂移，加入了一套用于压紧陶瓷骨架的顶杆装置。附图8-1、8-2和8-3为碳化硅泡沫陶瓷骨架增强5083铝基制动盘的示意图。

步骤4：制动盘的低压铸造：将碳化硅泡沫陶瓷骨架和覆膜砂砂芯按照设计要求放置在钢模具的型腔内，在模具温度350~450℃，铝合金(选用5083铝合金)熔液温度680~720℃时开始低压铸造。在升液阶段，加压时间12s；在充型阶段，金属液面上升速度1 mm/s，充型速度为1 kg/s，充型时间20s，充型增压速度为0.004 MPa/s；在增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010 MPa，保压时间20s；在保压凝固阶段，时间为250~300s。将网络陶瓷骨架与铝合金复合为一体获得制动盘。作为优化工艺之一，可在铝合金熔液中加入质量百分比0.1~5%的过渡族或稀土等元素来提高碳化硅与铝合金的界面强度，并加入实施例2所述的占铝合金体积百分比0.1~5 %纳米陶瓷颗粒提高铝合金的强度。

步骤5：制动盘的热处理：所述的制动盘采用T61热处理工艺，热处理后，铝盘的拉伸强度达到420 MPa，屈服强度达到340 MPa，伸长率4%。

步骤6：制动盘的精密加工:制动盘的摩擦面及盘环表面粗糙度Ra 0.8~1.6，盘环盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.01 mm，经过探伤检测无裂纹、疏松、缩孔、冷隔、浇不足等缺陷，满足动平衡要求。

经按SAE J2430-1999标准测试，制动盘与刹车片组成的摩擦副在30~200 km/h实施制动后，制动盘最高温度为320~350 ℃，热应力90 MPa，未产生可见热裂纹，表现出良好的摩擦性能。

实施例 4

碳化硅泡沫陶瓷骨架增强A359铝基复合材料制动盘

所述碳化硅泡沫陶瓷骨架增强A359铝基复合材料制动盘制作步骤中第一步和第二步同实施例1的第一步和第二步。或在第二步中对骨架不作任何的处理。

第三步同实施例3和实施例4的第三步，与之有差别的是，本实施例的碳化硅陶瓷骨架的厚度是8～10 mm，特征是散热筋是板条状、梯形、工字形中一种，或者几种形式的组合，散热筋的宽度为10~25mm，长度为30~50mm，周向阵列均布，使得盘体具有最佳的导热能力，盘体具有通风孔，直径5～7 mm。所述的铝合金盘体的材料为A359，作为优化选择，盘体材料可为ZLXXX7XXX6XXX5XXX4XXX2XXX或1XXX系列。碳化硅泡沫陶瓷骨架增强A359铝基复合材料制动示意图见附图9-1、9-2、9-3、9-4。步骤5同实施例3。与实施例1,2,3不同的是步骤6中制动盘采用T5、T6、T61、T63或T7等热处理工艺进行热处理，或者根据选用的不同铝合金盘体材料采用相应的热处理工艺。步骤7同实施例1，2，3。

所述的制动盘作为配套产品，可以与现役所有在用的粉末冶金制动片、合成制动片、半金属制动片、碳/碳制动片、碳/陶瓷制动片等组成摩擦副，以适应国内外不同速度，不同车型的需要。

实施例 5

作为实施例1，例2，例3和例4的补充，在第一步中采用发泡法，模板注浆法先制备出碳化硅泡沫陶瓷坯体；再采用无压烧结：烧结温度1950~2200℃，保温0.5~3h，得到长度为10~400 mm，宽度为10~400 mm，厚度为3~15 mm的碳化硅泡沫陶瓷片，然后将碳化硅泡沫陶瓷片切割成所需尺寸得到碳化硅泡沫陶瓷骨架。

作为实施例1，例2，例3和例4的补充，在第二步中采用表面活性剂对碳化硅泡沫陶瓷骨架进行表面活化处理。优选方案：采用电化学法在陶瓷骨架的表面覆盖上或氧化铬、或氧化钇、或稀土氧化物、或碱土氧化物等薄膜，厚度10~500 μm；也可以采用电化学法镀上Ni、Cu、Ti、Cr等金属薄膜，厚度为400～800 μm或在第二步中采用氧化方法对陶瓷骨架进行处理。优选方案：将陶瓷骨架置于800~950℃氧化气氛炉内，保温0.5~12h，得到厚50～800 μm 的SiO₂薄膜。

作为实施例1，例2，例3和例4的补充，在第四步中模具温度为200~500℃，铝合金熔液温度为630~780℃时，将碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯放入钢模具的型腔中固定，然后开始低压铸造；升液阶段，加压时间0.5~12s；充型阶段，金属液面上升速度0.5~10 mm/s，铝合金熔液充型的速度为0.5~10 kg/s，充型时间1~20s，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间3~60s；保压凝固阶段，时间为20~300s。在第四步中可以采用与电磁场联合超声波联合等外场联合起来的复合铸造技术制备Al/SiC_foam复合材料制动盘，这类制动盘在室温下，铝合金盘体材料的断裂强度大于350 MPa，延伸率大于5%。400℃，铝合金盘体材料的断裂强度大于200MPa，延伸率大于3%。因为制动盘的强度很高，故在盘体上不需要开散热槽和通风孔，制动盘的示意图见附图10-1、10-2。按照SAE J2430-1999标准经过测试，制动盘与粉末冶金制动片组成的摩擦副在30~200 km/h实施制动时，制动盘最高温度为300~350 ℃，热应力~90 MPa，摩擦系数~0.35，扭矩平稳，摩擦面未产生可见热裂纹，表现出良好的摩擦性能。附图11（（a）、（b）、（c）、（d））（即附图说明中的11-a）、11-b）、11-b）、11-d））为制动盘在30~200 km/h实施制动时的摩擦曲线。附图12为摩擦后制动盘表面的显微结构照片，箭头代表摩擦方向。由图可以看出摩擦过程中发生剥离磨损而产生的细小磨屑为纳米颗粒，能填充陶瓷增强体和金属基体间的空隙，生成机械混合摩擦层。三维空间连续分布的陶瓷相和金属相在受力时，将集中在点或面上的热应力、剪切力、压应力迅速向各个方向分散和传递，可以阻碍空穴和微裂纹形成。即使在长期服役过程中，因热疲劳形成的空穴和微裂纹的扩展及合并也受到碳化硅泡沫陶瓷骨架的阻碍，不能形成连续的裂纹，使得这种复合材料具有更高的承载或抗冲击能力，材料失效的危险性大大降低。

本发明利用低压铸造原理制备公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料（Al/SiC_foam）制动盘及方法。其具有下述突出的特点：

第一，对泡沫陶瓷骨架进行表面处理，解决了陶瓷和铝合金的润湿问题，使得增强体与铝合金基体有很好的润湿性，界面有轻微的化学反应发生，有良好的、厚度适中的界面过渡层，从而实现理想的强化效果。

第二，采用低压铸造工艺实现了低成本大尺寸Al/SiC_foam复合材料制动盘的工业化生产、制备。

第三，优化了Al/SiC_foam复合材料制动盘的结构及性能，降低了陶瓷和金属界面处的应力集中、制动盘的热应力、热损伤和制动时摩擦表面的温度，克服了摩擦表面的热斑和热裂纹的产生。本发明公开的碳化硅泡沫陶瓷骨架增强铝合金新型制动盘与铸铁制动盘相比，减重超过50%，加之兼有优异的摩擦磨损性能，不但能对各类高速、重载的公路车辆实行安全、有效的制动，还达到了车辆轻量化及节能、减重的目的和要求。

本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的指导性的而不是限制性的。如采用不同种类的网络碳化硅复相陶瓷骨架作为金属的增强相；采用化学组成成分略有不同的铝合金等金属材料作为盘体材料；采用工艺参数略有不同的铸造工艺来制备泡沫陶瓷骨架增强铝基复合材料制动盘。

Claims

1.一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘，其特征在于：所述制动盘（1）包括摩擦层（2）以及散热筋（4）；所述摩擦层（2）与制动块抵触的摩擦面上一体铸有碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）；所述碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）占碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合摩擦层材料的体积百分比为10~50 %；所述制动盘（1）中铸入的碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）的厚度为5~15 mm；所述制动盘（1）非摩擦面的圆周方向上一体铸有若干散热筋（4）；所述散热筋（4）的形状为圆柱状、椭圆柱状、板条状、T字形、工字形中的一种或几种的组合；所述制动盘（1）的盘体有安装孔（7）。

2.根据权利要求1所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘，其特征在于：所述制动盘（1）的摩擦层（2）采用的金属材料的材质为ZLXXX、7XXX、6XXX、5XXX、4XXX、2XXX或1XXX系列铝合金；制动盘（1）的摩擦层（2）上铸有散热槽（5）、通风孔（6）。

3.根据权利要求1或2所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘，其特征在于：所述散热筋（4）的具体规格如下：

当采用圆柱状散热筋时，其直径为5~25 mm；

4.权利要求1所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1）碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）的制备，

2）步骤1）所制得的碳化硅泡沫陶瓷骨架的预处理，

3）制动盘铸造模具的制作，

4）低压铸造，

5）热处理，

6）精密加工。

5.根据权利要求4所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：所述碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）的制备具体方法为：

采用模板注浆法、前驱体浸渍法、凝胶—注模法、发泡法或三维打印方法中的一种，先制备出泡沫陶瓷坯体，再采用无压烧结方法：烧结温度1950~2280℃，保温0.5~3h，制得气孔率为40~90%，网孔直径1~8 mm的碳化硅泡沫陶瓷片，然后将碳化硅泡沫陶瓷片切割成所需尺寸得到碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）；碳化硅泡沫陶瓷骨架中碳化硅所占质量百分比70~99%，长度为10~400 mm，宽度为10~400 mm，厚度为3~15 mm。

6.根据权利要求5所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）的预处理采用如下四种方式进行：

①将碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）置于800~950℃氧化气氛炉内，保温0.5~12h，进行氧化处理；

②或在碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）的表面喷涂一层用纳米碳管、石油焦、炭黑或石墨这些含碳的原料或导电炭浆、印刷用的油墨制成的含有碳或石墨的浆料，经烘干获得厚度20~500 μm的碳或石墨层；

③或采用表面活性剂对碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）进行表面活化处理，在陶瓷骨架的表面覆盖上氧化铬、氧化钇、稀土氧化物或碱土氧化物薄膜中的一种，厚度10~500 μm；或Ni、Cu、Ti、Cr等金属薄膜，厚度为100～800 μm；

④或对碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）不作任何的处理。

7.根据权利要求5所述公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：制备泡沫陶瓷坯体的碳化硅浆料中添加有二硼化钛、Ti₃SiC₂、二硼化锆或二硅化钼。

8.根据权利要求4所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中的低压铸造具体为：所述的Al/SiC_foam制动盘在钢模具温度为200~500℃，铝合金熔液温度为630~780℃时，将碳化硅泡沫陶瓷骨架（3）和砂芯放入钢模具的型腔中固定，然后开始低压铸造；升液阶段，加压时间0.5~12s；充型阶段，金属液面上升速度0.5~10 mm/s，铝合金熔液充型的速度为0.5~10 kg/s，充型时间1~20s，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间3~60s；保压凝固阶段，时间为20~300s。

9.根据权利要求4所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：所述制动盘采用T5、T6、T61、T63或T7热处理工艺进行热处理，或者根据选用的不同铝合金盘体材料采用相应的热处理工艺。

10.根据权利要求2所述的公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：制动盘可采用如下四种方法进行强化：

①加入平均粒径为20~100 nm，占金属体积百分比为0.1~5%的纳米碳管、石墨烯等一维或二维的碳材料进行强化和韧化；

②或加入平均粒径20~300 nm，占金属体积百分比为0.1~5%的纳米陶瓷颗粒进行强化和韧化；所述纳米陶瓷颗粒为碳化硅､碳化钛､碳氮化钛､氧化铝、氧化铜、氧化硅中的一种或多种组合；

③或与电磁场联合；

④或采用与超声波联合。