CN106670473B - 一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法，属于刹车盘技术领域。本发明通过采用在铝合金表面直接覆盖耐磨层的方式载入耐磨层，同时通过在耐磨层与铝基盘片之间增加中间层，中间层由陶瓷和金属颗粒复合而成，并且通过对陶瓷层进行了预刻蚀处理，使金属与陶瓷之间构成间隙，使金属颗粒在表层与中间层之间的缓冲应力效果更好，提高表面的耐磨性。

Description

一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法
技术领域
本发明涉及一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法，属于刹车盘技术领域。
背景技术
由于全球节能环保意识的觉醒，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6～8%。为了减轻汽车重量，越来越多的钢铁零部件改用轻质材料制造，例如镁、铝、工程塑料、陶瓷和各种复合材料。乘用车的制动系统通常采用前轮刹车盘，后轮刹车鼓。由于刹车盘的制动效果更好，前后轮都采用刹车盘已渐成趋势。目前刹车盘和与其配套的卡钳基本上都是由铸铁制造，汽车行业一直希望能减轻制动系统的重量。到目前为止，三种刹车盘轻量化技术已经开始了有限的商业化应用：例如：碳/碳刹车盘、陶瓷刹车盘、铝基复合材料刹车盘。由于多种原因，这三种技术并不适合乘用车广泛使用，因此有必要研发能被多数乘用车采用的轻质刹车盘。
铝是价格相对低廉、资源丰富的轻质材料，又适合用铸造、锻造、焊接和机械加工的方法制造零部件，生产成本低。与铸铁相比，铝基材料具有重量轻、耐腐蚀、韧性好、相同或更高的强度、高导热率、高比热，是制造轻质刹车盘的优选材料。但是铝合金不耐磨、不能承受高温。为了解决这些缺陷，陶瓷颗粒增强的铝基复合材料刹车盘曾经经历过大量的研究。使用过的陶瓷颗粒有SiC、Al2O3和粉煤灰，体积占比10～30%，最常见20%。该类研究解决了多项技术难题包括：高速机械搅拌液态铝加入陶瓷颗粒，避免陶瓷颗粒在液态铝中因比重差别而产生偏析，改善陶瓷颗粒表面与液态铝的侵润。
但是采用上述方法制备得到的铝刹车盘直接将陶瓷颗粒加入，导致了其重量较重，因此有必要对铝基刹车盘的制备进行轻量化改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：解决铝基刹车盘中加入耐磨颗粒导致的刹车盘重量增加的问题。本发明通过采用在铝合金表面直接覆盖耐磨层的方式载入耐磨层，同时通过在耐磨层与铝基盘片之间增加中间层，中间层由陶瓷和金属颗粒复合而成，并且通过对陶瓷层进行了预刻蚀处理，使金属与陶瓷之间构成间隙，使金属颗粒在表层与中间层之间的缓冲应力效果更好，提高表面的耐磨性。
技术方案是：
一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法，包括如下步骤：
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末30～40份、氧化钛粉末12～15份、粘合剂7～10份混合均匀，进行球磨，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2～3份缓慢加入至水200～240份中，进行水解反应，再升温，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.5～1.5份，并加入硝酸调节pH至3.5～4.0之间，30～40℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为20～35%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂按照重量比20：1～3混合，作为表层涂料，涂覆于盘毂得到的盘毂上，再将其在氢气气氛中烧结，最后对表面进行微弧氧化处理，得到刹车盘。
所述的第1步中，打磨步骤是采用400～800目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗。
所述的第2步和第6步中，粘合剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油或者硬酯酸中的一种或者几种混合。
所述的第2步中，球磨采用星行球磨机，球磨时间2～4h，转速为200～550r/min。
所述的第2步中，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为30～80mm，喷涂功率为60～120kW，氩气流速为25～50L/min，氢气流速为8～12L/min，送料速率保持为10～12g/min，喷涂得到的涂层厚度20～30μm。
所述的第3步中，烧结过程参数是：以4～10/min速率升温至300～450℃，再保持2～4h，自然放冷。
所述的第4步中，刻蚀温度是75～85℃，刻蚀时间是3～5min。
所述的第5步中，升温是指升温至85～90℃。
所述的第6步中，涂覆使表层涂层厚度50～80μm；烧结过程参数是：以8～12/min速率升温至450～550℃，再保持2～4h，自然放冷。
所述的第6步中，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间45 ～50min；电解液配比是：偏铝酸钠12～14g/L，氢氧化钠0.6～3g/L，六偏磷酸钠4～6g/L，电流密度为5 ～14A/dm2；操作参数是：频率400～600HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为15～20%。
有益效果
本发明通过采用在铝合金表面直接覆盖耐磨层的方式载入耐磨层，同时通过在耐磨层与铝基盘片之间增加中间层，中间层由陶瓷和金属颗粒复合而成，并且通过对陶瓷层进行了预刻蚀处理，使金属与陶瓷之间构成间隙，使金属颗粒在表层与中间层之间的缓冲应力效果更好，提高表面的耐磨性。
具体实施方式
本发明的制备的刹车盘是以铝合金材料作为内部基材，首先，在其表面形成由碳化硅粉末和氧化钛粉末的中间涂层，通过氢气气氛下烧结使氧化钛转变为钛单质，再通过碳酸钠溶液的刻蚀处理，使碳化硅形成微孔结构，通过这样的手段可以使金属钛在与表层结合之后更好地释放应用，使表层的应力转移至中间层，提高耐磨性；接下来，再在中间层的表面构成含铝和陶瓷的表面层，通过氢气气氛烧结可以使铝溶胶中的氢氧化铝转变为铝单质，再通过微弧氧化处理使其转变为耐磨性能更好的氧化铝。
实施例1
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理，打磨步骤是采用400目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末30份、氧化钛粉末12份、粘合剂聚乙烯醇7份混合均匀，进行球磨，球磨采用星行球磨机，球磨时间2h，转速为200r/min，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为30mm，喷涂功率为60kW，氩气流速为25L/min，氢气流速为8L/min，送料速率保持为10g/min，喷涂得到的涂层厚度20μm；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质，烧结过程参数是：以4/min速率升温至300℃，再保持2h，自然放冷；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理，刻蚀温度是75℃，刻蚀时间是3min；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2份缓慢加入至水200份中，进行水解反应，再升温至85℃，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.5份，并加入硝酸调节pH至3.5之间，30℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为20%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂硬酯酸按照重量比20：1混合，作为表层涂料，涂覆于第4步得到的盘毂上，使表层涂层厚度50μm，再将其在氢气气氛中烧结，烧结过程参数是：以8/min速率升温至450℃，再保持2h，自然放冷，最后对表面进行微弧氧化处理，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间45min；电解液配比是：偏铝酸钠12g/L，氢氧化钠0.6g/L，六偏磷酸钠4g/L，电流密度为5 A/dm2；操作参数是：频率400HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为15%，得到刹车盘。
实施例2
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理，打磨步骤是采用800目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末40份、氧化钛粉末15份、粘合剂聚乙烯醇10份混合均匀，进行球磨，球磨采用星行球磨机，球磨时间4h，转速为550r/min，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为80mm，喷涂功率为120kW，氩气流速为50L/min，氢气流速为12L/min，送料速率保持为12g/min，喷涂得到的涂层厚度30μm；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质，烧结过程参数是：以10/min速率升温至450℃，再保持4h，自然放冷；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理，刻蚀温度是85℃，刻蚀时间是3～5min；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝3份缓慢加入至水240份中，进行水解反应，再升温至90℃，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末1.5份，并加入硝酸调节pH至4.0之间， 40℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为35%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂硬酯酸按照重量比20： 3混合，作为表层涂料，涂覆于第4步得到的盘毂上，使表层涂层厚度80μm，再将其在氢气气氛中烧结，烧结过程参数是：以12/min速率升温至550℃，再保持4h，自然放冷，最后对表面进行微弧氧化处理，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间50min；电解液配比是：偏铝酸钠14g/L，氢氧化钠3g/L，六偏磷酸钠6g/L，电流密度为14A/dm2；操作参数是：频率600HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为20%，得到刹车盘。
实施例3
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理，打磨步骤是采用600目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末35份、氧化钛粉末13份、粘合剂聚乙烯醇8份混合均匀，进行球磨，球磨采用星行球磨机，球磨时间3h，转速为450r/min，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为50mm，喷涂功率为70kW，氩气流速为30L/min，氢气流速为9L/min，送料速率保持为11g/min，喷涂得到的涂层厚度24μm；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质，烧结过程参数是：以7/min速率升温至350℃，再保持3h，自然放冷；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理，刻蚀温度是78℃，刻蚀时间是4min；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2份缓慢加入至水230份中，进行水解反应，再升温至88℃，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.9份，并加入硝酸调节pH至3.8之间，36℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为25%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂硬酯酸按照重量比10：1混合，作为表层涂料，涂覆于第4步得到的盘毂上，使表层涂层厚度70μm，再将其在氢气气氛中烧结，烧结过程参数是：以9/min速率升温至480℃，再保持3h，自然放冷，最后对表面进行微弧氧化处理，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间48min；电解液配比是：偏铝酸钠13g/L，氢氧化钠0.2g/L，六偏磷酸钠5g/L，电流密度为12A/dm2；操作参数是：频率500HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为18%，得到刹车盘。
对照例1
与实施例3的区别在于：未在中间层中加入碳化硅，其用量以氧化钛粉末代替。
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理，打磨步骤是采用600目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将氧化钛粉末48份、粘合剂聚乙烯醇8份混合均匀，进行球磨，球磨采用星行球磨机，球磨时间3h，转速为450r/min，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为50mm，喷涂功率为70kW，氩气流速为30L/min，氢气流速为9L/min，送料速率保持为11g/min，喷涂得到的涂层厚度24μm；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质，烧结过程参数是：以7/min速率升温至350℃，再保持3h，自然放冷；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理，刻蚀温度是78℃，刻蚀时间是4min；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2份缓慢加入至水230份中，进行水解反应，再升温至88℃，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.9份，并加入硝酸调节pH至3.8之间，36℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为25%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂硬酯酸按照重量比10：1混合，作为表层涂料，涂覆于第4步得到的盘毂上，使表层涂层厚度70μm，再将其在氢气气氛中烧结，烧结过程参数是：以9/min速率升温至480℃，再保持3h，自然放冷，最后对表面进行微弧氧化处理，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间48min；电解液配比是：偏铝酸钠13g/L，氢氧化钠0.2g/L，六偏磷酸钠5g/L，电流密度为12A/dm2；操作参数是：频率500HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为18%，得到刹车盘。
对照例2
与实施例3的区别在于：中间层未进行刻蚀处理。
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理，打磨步骤是采用600目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末35份、氧化钛粉末13份、粘合剂聚乙烯醇8份混合均匀，进行球磨，球磨采用星行球磨机，球磨时间3h，转速为450r/min，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面，等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为50mm，喷涂功率为70kW，氩气流速为30L/min，氢气流速为9L/min，送料速率保持为11g/min，喷涂得到的涂层厚度24μm；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质，烧结过程参数是：以7/min速率升温至350℃，再保持3h，自然放冷；
第4步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2份缓慢加入至水230份中，进行水解反应，再升温至88℃，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.9份，并加入硝酸调节pH至3.8之间，36℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第5步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为25%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂硬酯酸按照重量比10：1混合，作为表层涂料，涂覆于第3步得到的盘毂上，使表层涂层厚度70μm，再将其在氢气气氛中烧结，烧结过程参数是：以9/min速率升温至480℃，再保持3h，自然放冷，最后对表面进行微弧氧化处理，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间48min；电解液配比是：偏铝酸钠13g/L，氢氧化钠0.2g/L，六偏磷酸钠5g/L，电流密度为12A/dm2；操作参数是：频率500HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为18%，得到刹车盘。
将刹车材料按照GB228测试其室温拉伸性能，采用导热率测试仪测定其导热率（200℃下）。采用MM-1000 摩擦试验机测试本发明的摩擦制动材料的刹车性能，测试条件为：惯量3.8kgf·cm·s2，比压100N/cm2，线速度25m/s。
硬度/HBS 导热率 /W/(m·K) 刹车面上出现均布疲劳细纹的循环次数 100km/h下刹车距离 线磨损率 μm/面·次
实施例1 240 183 14次 19.1m 1.00
实施例2 245 174 15次 20.2m 1.02
实施例3 265 195 18次 18.3m 0.75
对照例1 255 155 8次 24.5m 1.68
对照例2 260 167 8次 25.3m 1.79
从上表中可以看出，本发明提供的刹车盘具有较好的刹车性能，具有较短的刹车距离和较小的线磨损率。实施例3相对于对照例2来说，通过对碳化硅材料进行刻蚀处理，可以使金属钛能够更有效地释放表层应用，提高耐磨和刹车性能。

Claims (9)

1.一种轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，对铝合金表面进行预处理：依次采用打磨、清洗对铝合金盘毂进行处理；
第2步，制备中间涂层材料：按重量份计，将碳化硅粉末30～40份、氧化钛粉末12～15份、粘合剂7～10份混合均匀，进行球磨，再通过等离子喷涂方法喷涂于盘毂表面；
第3步，中间层的烧结处理：将第2步得到盘毂在氢气气氛下烧结，使氧化钛转变为钛单质；
第4步，中间层的刻蚀处理：将第3步得到的盘毂置于30wt%以上的碳酸钠溶液中刻蚀处理；
第5步，铝溶胶的制备：按重量份计，将异丙醇铝2～3份缓慢加入至水200～240份中，进行水解反应，再升温，蒸出醇类物质，再加入二硼化钛粉末0.5～1.5份，并加入硝酸调节pH至3.5～4.0之间，30～40℃陈化至少24h，得到铝溶胶；
第6步，表层涂料的涂覆：将铝溶胶减压蒸发，至固含量为20～35%，作为浓缩后的铝溶胶，再将浓缩的铝溶胶与粘合剂按照重量比20：1～3混合，作为表层涂料，涂覆于盘毂上，再将其在氢气气氛中烧结，最后对表面进行微弧氧化处理，得到刹车盘。
2.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第1步中，打磨步骤是采用400～800目的砂纸打磨，清洗步骤是采用丙酮清洗。
3.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第2步和第6步中，粘合剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油或者硬酯酸中的一种或者几种混合。
4.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第2步中，球磨采用星行球磨机，球磨时间2～4h，转速为200～550r/min；等离子喷涂的工艺参数是：喷枪与金属基体间距离为30～80mm，喷涂功率为60～120kW，氩气流速为25～50L/min，氢气流速为8～12L/min，送料速率保持为10～12g/min，喷涂得到的涂层厚度20～30μm。
5.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第3步中，烧结过程参数是：以4～10/min速率升温至300～450℃，再保持2～4h，自然放冷。
6.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第4步中，刻蚀温度是75～85℃，刻蚀时间是3～5min。
7.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第5步中，升温是指升温至85～90℃。
8.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第6步中，涂覆使表层涂层厚度50～80μm；烧结过程参数是：以8～12/min速率升温至450～550℃，再保持2～4h，自然放冷。
9.根据权利要求1所述的轻量化的铝基刹车盘的制备方法，其特征在于，所述的第6步中，微弧氧化操作中采用恒定电流供电，处理时间45 ～50min；电解液配比是：偏铝酸钠12～14g/L，氢氧化钠0.6～3g/L，六偏磷酸钠4～6g/L，电流密度为5 ～14A/dm2；操作参数是：频率400～600HZ，正负脉冲数3∶1，占空比为15～20%。
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