CN106812837B - 一种铝基复合材料刹车制动盘及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝基复合材料刹车制动盘，包括盘体，所述盘体包括由盘芯和覆盖在所述盘芯上的摩擦层构成的复合结构，所述盘芯为铝合金材料，所述摩擦层为颗粒增强铝基复合材料。该刹车制动盘非摩擦面部位(盘芯)由塑韧性较好的铝合金铸造成型，摩擦面（摩擦层）由颗粒增强铝基复合材料在盘芯的基础之上铸造成型，最终形成里面由铝合金材料，表面由颗粒增强铝基复合材料制备而成的刹车制动盘。该刹车制动盘具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等优点，而且提高制动盘在装配时的强韧性，降低加工制造成本，并提高了制动盘使用的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于刹车制动盘，具体涉及一种铝基复合材料刹车制动盘及制备方法。
技术背景
在交通技术领域，制动盘对于车辆有效制动极为关键。国外制动盘的传统材料为HT20-40、HT25-47、HT30-54。国外先后研制并试用了蠕墨铸铁盘、合金铸钢和锻钢制动盘。国内在制动盘材料的研制方面起步较晚，先后采用过普通铸铁、Ni-Cr-Mo合金铸铁、HT20-40、HT30-54、QT40-10、Cr-Mo铸铁、特种铸铁等材料。由于交通业的发展及轻量化要求，世界各国对制动盘的材料的研究已经从普通铸铁、普通碳钢、低合金铸铁等，逐渐发展到了合金铸钢、锻钢、蠕墨铸铁、复合材料等。
铝基复合材料制动盘相比传统钢铁材料制动盘具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等一系列优点，采用铝基复合材料制动盘替代传统的钢铁材料制动盘，可以减少制动盘重量的40-60%，使用传统的铸铁和铸钢材料制造的制动盘，由于自身制动惯量大，盘面温度升高快，容易产生热疲劳龟裂而引起制动盘报废。采用铝基复合材料制造的制动盘则可以克服这些缺点，而且由于铝基复合材料的密度小，一定程度上能有效降低制动盘本身的制动惯量。鉴于颗粒增强铝基复合材料具有很多的优良性能，目前，其已被认为是制造制动盘的新一代理想替代材料。但由于铝基复合材料中含有高体积分数的陶瓷颗粒；使这种材料塑性差、成形性差，机械加工困难，制作成本高，尤其不适合制造大尺寸、形状复杂的部件，这些都成为制约制动盘广泛应用成为制造制动盘的主要障碍。
中国专利ZL201210572460.2涉及一种具有热涂覆的、减小磨损的表面涂层的灰口铸铁制动盘，所述表面涂层具有碳化铬和/ 或碳化钨。增加表面涂层可以提高制动盘的耐磨性能，加工难度小，但是涂层的厚度受限，而且涂层致密度差。
中国专利CN201510854685.0公开了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘，该发明提供了一种提供一种复合材料，包括以下成分：75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，锰：0 .02％-1 .2％，≤ 0 .5％的铁，0 .4％-2 .0％的镁，0 .05％-1％的钛。其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以铝硅合金和碳化硅颗粒两种形式存在。碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。还提供一种利用上述的复合材料制造的轨道交通车辆的制动盘。该制动盘相比传统钢铁材料制动盘具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等一系列优点，但整体采用该材料存在脆性大（延伸率几乎为零），加工难度大，制造成本很高，这也是一直限制该材料在民用交通工具上大量使用的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝基复合材料刹车制动盘及制备方法,以提高刹车制动盘装配时的强韧性，降低其加工制造成本和提高其使用的可靠性。
实现本发明目的采用的技术方案如下：
本发明提供的铝基复合材料刹车制动盘，包括盘体，所述盘体包括由盘芯和覆盖在所述盘芯上的摩擦层构成的复合结构，所述盘芯为铝合金材料，所述摩擦层为颗粒增强铝基复合材料。
所述盘芯的铝合金材料为铸造铝合金A356、A357、A319中之一。
所述摩擦层的颗粒增强铝基复合材料由所述铝合金材料和颗粒增强体材料组成。
所述颗粒增强体材料为SiC、Al2O3、B4C、AlN中的一种或两种以上。
所述颗粒增强体材料的颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布，颗粒增强体材料占所述颗粒增强铝基复合材料重量的百分比含量为10-35%。
所述盘体的摩擦层面设有凹槽加强结构。
本发明提供的铝基复合材料刹车制动盘制备方法如下：
先用铝合金材料铸造成型盘芯，在成型后的盘芯基础上用由所述铝合金材料和颗粒增强体材料组成的颗粒增强铝基复合材料铸造成型摩擦层，形成里面由铝合金材料盘芯，表面由颗粒增强铝基复合材料摩擦层构成复合结构的盘体。
所述盘体的制备方法包括以下步骤：先用铝合金材料铸造成型盘芯，在成型后的盘芯基础上用由所述铝合金材料和颗粒增强体材料组成的颗粒增强铝基复合材料铸造成型摩擦层，形成里面由铝合金材料盘芯，表面由颗粒增强铝基复合材料摩擦层构成复合结构的盘体。
所述的铝基复合材料刹车制动盘的制备方法，其特征是所述盘体的制备包括以下步骤：
（1）制备盘芯：采用铝合金铸造方法制作盘芯，然后机加工成所需形状；
（2）制备颗粒增强铝基复合材料：首先对颗粒增强体材料进行预处理，然后在真空条件下熔化铝合金材料，熔化温度为所选铝合金材料熔点以上50-150℃；将颗粒增强体材料加热到300℃以上，将其加入到铝合金熔体中的同时充分搅拌得到复合材料，最后在铝合金材料熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭；
（3）盘体成型铸造：将所述盘芯放入盘体成型模具中，抽真空处理，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在近液相线附近进行半固态搅拌，将颗粒增强铝基复合材料浆料浇注到已装有盘芯的制动盘盘体成型模具中形成摩擦层，冷却、脱模后，将成型好的制动盘盘体进行热处理。
所述盘体的制备方法步骤（1）中的铝合金铸造方法为半固态铸造、低压铸造、高压铸造、砂型铸造。
所述盘体的制备方法步骤（2）中的颗粒增强体材料的预处理包括研磨、筛选、清洗、烘干或焙烧；搅拌温度控制在铝合金熔点以下20-50℃，搅拌速度为500-1500rpm，搅拌时间为40-100min。
本发明的有益效果
本发明根据制动盘的使用状况，在盘体作为摩擦面的摩擦层上使用颗粒增强铝基复合材料，在非摩擦面的盘芯采用具有较好强韧性的铝合金，将两种材料复合在一起，从而不仅提高制动盘在装配时的强韧性，降低加工制造成本，而且提高了制动盘使用的可靠性。
本发明刹车制动盘具有密度小、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、导热性能好以及优异的耐磨性能等优点，而且提高制动盘在装配时的强韧性，降低加工制造成本，并提高了制动盘使用的可靠性。
本发明刹车制动盘与铁质制动盘相比，具有以下特点：
此外，本发明刹车制动盘，经热处理T6处理后，盘芯的性能：抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥200MPa，延伸率≥8%；界面结合强度≥200MPa。因此，采用本发明刹车制动盘综合性能既优于钢铁材料的制动盘也优于纯SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是本发明铝基复合材料刹车制动盘的结构示意图。
图2是本发明中盘体的结构示意图。
图3是碳化硅颗粒增强铝基复合材料摩擦面上的组织图。
图4是碳化硅颗粒增强铝基复合材料摩擦面上的组织图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供的铝基复合材料刹车制动盘，包括由散热柱3连接的两个盘体1，盘体1包括由盘芯102和覆盖在盘芯102上的摩擦层101构成的复合结构，所述盘芯102为铝合金材料，所述摩擦层101为颗粒增强铝基复合材料，其中盘芯102作为非摩擦面，摩擦层101作为摩擦面，盘体1的摩擦层面设有楔形凹槽2，该结构可以加强盘芯102和摩擦层101的结合强度，楔形凹槽2可设计6-12条，具体条数与制动盘盘体直径大小有关。
所述铝合金材料为A356、A357、A319铸造铝合金。
所述颗粒增强铝基复合材料由所述铝合金材料和颗粒增强体材料组成，所述颗粒增强体材料为SiC、Al2O3、B4C、AlN中的一种或两种以上，颗粒增强体材料的颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布，颗粒增强体材料占所述颗粒增强铝基复合材料重量的百分比含量为10-35%。
本发明提供的铝基复合材料刹车制动盘制备方法如下：
实施例1
首先利用铝合金A356用半固态铸造的方式制成铝合金盘芯，接着对碳化硅（SiC）颗粒进行预处理（研磨、筛选、清洗、烘干），再将碳化硅颗粒放入电炉中在1000-1100℃进行焙烧100分钟后自然冷却，将铝合金A356加热到665℃熔化，将碳化硅颗粒加热到350℃，边加入到铝合金熔体边搅拌得到复合材料，碳化硅颗粒范围3μm-25μm，呈正态分布，重量百分比含量为颗粒增强铝基复合材料的23%，搅拌温度控制在580℃左右，搅拌速度1000rpm，搅拌时间为60分钟，在铝合金熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭，再将盘芯放入制动盘盘体成型模具中，在真空条件下，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在620℃左右进行半固态搅拌，搅拌速度300rpm，将颗粒增强铝基复合材料浆料浇注到制动盘盘体成型模具中形成摩擦层，冷却、脱模后，将成型好的制动盘盘体进行热处理，制成碳化硅颗粒增强铝基复合材料刹车制动盘盘体。摩擦面上的组织如图3所示。
实施例2
首先利用铝合金A357高压铸造的方式制成铝合金盘芯，接着对碳化硅（SiC）颗粒进行预处理（研磨、筛选、清洗、烘干及1100℃焙烧），将铝合金A357加热到700℃熔化，将碳化硅颗粒加热到325℃，边加入到铝合金熔体边搅拌得到复合材料，碳化硅颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布；重量百分比含量为颗粒增强铝基复合材料的20%。搅拌温度控制在590℃左右，搅拌速度1200rpm，搅拌时间为80分钟；在铝合金熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭，最后将盘芯放入制动盘盘体成型模具中，在真空条件下，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在610℃左右进行半固态搅拌，同时将复合材料浆料浇注到制动盘盘体成型模具中形成摩擦层，冷却、脱模后，将成型好的制动盘进行热处理，制成碳化硅颗粒增强铝基复合材料刹车制动盘盘体。摩擦面上的组织如图4所示。
实施例3
首先利用铝合金A319低压铸造的方式制成铝合金盘芯，接着对氧化铝（Al2O3）颗粒进行预处理（研磨、筛选、清洗、烘干），将铝合金A319加热到700℃熔化，将氧化铝颗粒加热到400℃，边加入到铝合金熔体边搅拌得到复合材料，氧化铝颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布；重量百分比含量为颗粒增强铝基复合材料的35%。搅拌温度控制在590℃左右，搅拌速度1500rpm，搅拌时间为100分钟；在铝合金熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭，最后将盘芯放入制动盘盘体成型模具中，在真空条件下，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在615℃左右进行半固态搅拌，同时将复合材料浆料浇注到制动盘盘体成型模具中，冷却、脱模后，将成型好的制动盘进行热处理，制成氧化铝颗粒增强铝基复合材料刹车制动盘盘体。
实施例4
首先利用铝合金A356砂型铸造的方式制成铝合金盘芯，接着对碳化硼（B4C）颗粒进行预处理（研磨、筛选、清洗、烘干），将铝合金A356加热到690℃熔化，将碳化硼颗粒加热到300℃，边加入到铝合金熔体边搅拌得到复合材料，碳化硼颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布；重量百分比含量为颗粒增强铝基复合材料的10%。搅拌温度控制在590℃左右，搅拌速度500rpm，搅拌时间为40分钟；在铝合金熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭，将盘芯放入制动盘盘体成型模具中，在真空条件下，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在620℃左右进行半固态搅拌，同时将复合材料浆料浇注到制动盘盘体成型模具中，冷却、脱模后，将成型好的制动盘进行热处理，制成碳化硼颗粒增强铝基复合材料刹车制动盘盘体。
实施例5
首先利用铝合金A319低压铸造的方式制成铝合金盘芯，接着分别对氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）颗粒进行预处理（筛选、清洗、烘干），氧化铝颗粒范围5μm -25μm，氮化铝颗粒范围5μm-8μm，呈正态分布；氧化铝与氮化铝的配比为2∶1，混合后氧化铝和氮化铝两种陶瓷粉末的重量百分比含量为颗粒增强铝基复合材料的30%；将铝合金A319加热到690℃熔化，将混合陶瓷粉末加热到300℃，边加入到铝合金熔体边搅拌得到复合材料，搅拌温度控制在600-610℃左右，搅拌速度800-1000rpm，搅拌时间为70分钟；在铝合金熔附近（620-630℃）将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭，将盘芯放入制动盘盘体成型模具中，在真空条件下，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在600-610℃左右进行半固态搅拌，同时将复合材料浆料浇注到制动盘盘体成型模具中，冷却、脱模后，将成型好的制动盘进行热处理，制成氧化铝+氮化铝颗粒增强铝基复合材料刹车制动盘盘体。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种铝基复合材料刹车制动盘的制备方法，其特征是：包括盘体，所述盘体（1）包括由盘芯（102）和覆盖在所述盘芯上的摩擦层（101）构成的复合结构；盘芯的两个表面由散热柱（3）连接；盘芯表面设置有多条楔形凹槽（2）；所述盘芯为铝合金材料，铝合金材料为铸造铝合金A356、A357、A319中之一；所述摩擦层为颗粒增强铝基复合材料，其中颗粒增强材料为SiC、Al2O3、B4C、AlN中的一种或两种以上；所述楔形凹槽的条数为6-12条；所述颗粒增强材料的颗粒范围3μm-30μm，呈正态分布，颗粒增强材料占所述颗粒增强铝基复合材料重量的百分比含量为10-35%；所述制备方法包括：
先用铝合金材料铸造成型盘芯，在成型后的盘芯基础上用由所述铝合金材料和颗粒增强材料组成的颗粒增强铝基复合材料铸造成型摩擦层，形成里面由铝合金材料盘芯、表面由颗粒增强铝基复合材料摩擦层构成的复合结构的盘体；进一步包括以下步骤：
（1）制备盘芯：采用铝合金铸造方法制作盘芯，然后机加工成所需形状及楔形凹槽；
（2）制备颗粒增强铝基复合材料：首先对颗粒增强材料进行预处理，然后在真空条件下熔化铝合金材料，熔化温度为所选铝合金材料熔点以上50-150℃；将颗粒增强材料加热到300℃左右，将其加入到铝合金熔体中的同时充分搅拌得到复合材料，最后在铝合金材料熔点附近将搅拌好的复合材料迅速浇注到模具中冷却得到颗粒增强铝基复合材料铸锭；
（3）盘体成型铸造：将所述盘芯放入盘体成型模具中，抽真空处理，将制备好的颗粒增强铝基复合材料铸锭重新熔化，在近液相线附近进行半固态搅拌，将颗粒增强铝基复合材料浆料浇注到已装有盘芯的制动盘盘体成型模具中，冷却、脱模后，将成型好的制动盘盘体进行热处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述盘体的制备方法步骤（1）中的铝合金铸造方法为半固态铸造、低压铸造、高压铸造、砂型铸造。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是：所述盘体的制备方法步骤（2）中的颗粒增强材料的预处理包括研磨、筛选、清洗、烘干或焙烧；搅拌温度控制在所述铝合金熔点以下20-50℃，搅拌速度为500-1500rpm，搅拌时间为40-100min。
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