CN107000249A - 陶瓷预制件和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了陶瓷预制件、制备陶瓷预制件的方法、包含陶瓷预制件的MMC以及制备MMC的方法。制备陶瓷预制件的方法一般包括制备增强纤维、制备陶瓷复合物和将复合物形成为所需形状以产生陶瓷预制件。在某些实施方案中，所述陶瓷复合物形成为盘或环用于制动盘金属基质复合材料。金属基质复合材料一般包括陶瓷预制件，其渗透有熔融金属以形成制动盘金属基质复合材料。所述制备金属基质复合材料的方法一般包括加热陶瓷预制件，将所述陶瓷预制件置于压铸模具的模具腔中，和将熔融金属引入模具腔，渗透陶瓷预制件以形成制动盘金属基质复合材料。

Description

陶瓷预制件和方法
相关申请的交叉引用
本申请是美国非临时申请，其要求2014年10月20日提交的名称为"陶瓷预制件和方法"的美国临时专利申请No.62/066,057的优先权，该临时专利申请在此通过引用将其全部内容并入。
背景技术
金属基质复合材料(MMC)通常通过将增强材料加入金属基质来制造。例如，MMC可包括渗透有金属的陶瓷预制件。MMC通常具有可能依应用而需要的不同于金属的性质和物理特性。用于制造MMC以用于制动转子的其它方法受限于产品的高制造成本和材料成本和增强的制动转子在高温下较差的性能。还需要具有增加的强度以承受用于金属渗透的处理的陶瓷预制件。
运载工具可包括鼓式制动器和/或盘式制动器。鼓式制动器通常包括旋转鼓形部分，称为制动鼓。鼓式制动器的闸皮或衬块压靠在制动鼓的内表面以引起摩擦从而产生热，减少制动鼓的旋转。盘式制动器通常包括旋转制动盘或转子。​具有制动衬块的卡钳挤压制动盘的外部和内部以产生摩擦，降低制动盘的旋转。在运载工具制动事件期间，通常存在高能量传递到制动鼓或制动盘的摩擦面，其可导致温度升高，对于重型运载工具如大型卡车或军用运载工具，有时高达700℃。
发明概述
本申请公开了陶瓷预制件，陶瓷预制件的制造方法，包括陶瓷预制件的MMC，和制造MMC的方法。
在某些实施方案中，陶瓷预制件的制造方法包括以下步骤：将增强纤维的团块去缠结以将增强纤维分离​成单独的股线，制备陶瓷复合物，将陶瓷复合物形成为所需的形状以形成陶瓷预制件。陶瓷复合物包括分离的增强纤维股线、陶瓷颗粒、短效(fugitive)孔隙生成组份、淀粉、低温有机粘结剂、胶体二氧化硅和水。
在某些实施方案中，陶瓷预制件包括形成为盘或环用于制动盘金属基质复合材料的陶瓷复合物。陶瓷复合物包含约41重量%至约47重量%的陶瓷颗粒；约9重量%至约15重量%的碱土金属铝硅酸盐增强纤维，其直径大于3.5微米；约4.5重量%至约5.5重量%的短效孔隙生成组份；约3重量%至约4重量%的淀粉；约1.5重量%至约2重量%的低温有机粘结剂；约4.5重量%至约11重量%的胶体二氧化硅；和约17重量%至约38重量%的水。
在某些实施方案中，金属基质复合材料包括陶瓷预制件，其用熔融高温性能铝合金渗透以形成制动盘金属基质复合材料。制备金属基质复合材料的方法包括以下步骤：加热陶瓷预制件至预热温度，将所述陶瓷预制件置于压铸模具的模具腔中，将熔融金属引入模具腔，使得金属渗透陶瓷预制件以形成制动盘金属基质复合材料。陶瓷预制件的预热温度大于熔融金属的温度。
这些和其它实施方案在下面的详细描述中将变得显而易见。
附图的简要说明
在结合于此并构成说明书的一部分的附图中，本申请的实施方案被示出，其连同上文给出的发明概述，以及下面给出的详细描述，用于示例本发明的原理。
图1示出了根据本申请的实施方案的陶瓷预制件的制造方法。
图2示出了根据本申请的实施方案的陶瓷复合物的制造方法。
图3A和3B分别是根据本申请的实施方案的陶瓷预制件坯料的顶部和侧面横断面视图，陶瓷预制件环可以由所述坯料切出。
图4A和4B分别是根据本申请的实施方案的陶瓷预制件的顶部和侧面横断面视图。
图5A是根据本申请的实施方案的金属基质复合材料制动盘的顶视图。
图5B是图5A的金属基质复合材料制动盘的侧面横断面视图。
图6A是根据本申请的实施方案的金属基质复合材料制动盘的顶视图。
图6B是图6A的金属基质复合材料制动盘的侧面横断面视图。
实施方案的描述
本申请公开了陶瓷预制件，陶瓷预制件的制造方法，包括陶瓷预制件的MMC，和制造MMC的方法。本申请的MMC通常密度较低，较轻，在较高温度下更强，并提供比用于制动鼓和制动盘的某些金属非复合材料更高的耐磨性。例如，本申请的铝MMC通常具有比铸铁更大的耐磨性和硬度(即，抗变形性)。因此，本申请的MMC可用于其中高耐磨性、重量轻及强度是有利的应用中。
本申请的MMC可以形成为制动鼓、制动盘或转子或其任何部件以用于运载工具。例如，本申请的陶瓷预制件可以渗透有金属，例如，铝合金及某些特殊的高温铝合金、镁、钛或铜，形成制动鼓或制动盘的至少一部分。特别地，本申请的MMC通常形成制动鼓或制动盘的制动表面的至少一部分。制动鼓的制动表面通常位于接触鼓式制动器闸皮或衬块的制动鼓的内表面上。盘式制动器的制动表面通常位于接触制动衬块的制动盘的表面上。本申请的制动鼓和制动盘可用于几乎任何运载工具，包括但不限于飞机、卡车、火车、货车、汽车、军用运载工具、建筑运载工具、摩托车、混合动力运载工具、SUV、ATV以及XUV。然而，本申请的MMC可以形成为各种其他物件，例如，轴承、活塞、缸套、活塞环、连杆、航空航天部件、铠装等。
本申请所述MMC制动鼓和制动盘通常具有比常规铸铁制动鼓或制动盘更大的耐磨性和更小的重量。一种示例性的制造MMC制动鼓或制动盘的方法是将本申请的陶瓷预制件插入直接挤压铸造机中。然后当模具半部闭合时，熔融的金属(例如，铝)在高压下被挤压。熔融金属会渗透该多孔和/或吸收性陶瓷预制件并填充压模以生产MMC制动鼓、盘或转子。在常规MMC制动鼓或盘制造工艺中发现的一个困难是产生具有足够的强度的预制件，以使其不会在处理过程中、机器加工过程中或当高压熔融金属注射填充预制件和压模时断裂。在本申请中所描述的形成陶瓷预制件的方法和装置产生比通过常规方法制备的陶瓷预制件更强的和更加尺寸稳定的部件。
在某些实施方案中，本申请的陶瓷预制件包括陶瓷复合物，该陶瓷复合物已经捏合、冲压、轧制和成型为实心盘或环形形状的预制件。在某些实施方案中，本申请金属基质复合材料包括形成为环的形状的陶瓷预制件。金属基质复合材料可以形成为制动盘或制动鼓且所述陶瓷预制件可形成制动盘制动表面的至少一部分。
在某些实施方案中，陶瓷预制件的制造方法产生多孔陶瓷预制件，具有约60%-65%的孔隙率，并具有改进的强度以便在金属渗透期间处理该预制件。高温铝合金通过直接挤压铸造被引入预制件。所述制动转子的预制件渗透部分构成由卡钳上的制动衬块压缩以停止运载工具的制动转子的表面。
图1示出了根据本申请的实施方案制造陶瓷预制件的示例性方法100。如图所示，方法100包括以下步骤：纤维去缠结；制备陶瓷复合物；压制、轧制和形成陶瓷复合物；干燥；热处理以烧去粘结剂；以及热处理以将陶瓷复合物进行无机粘结剂的固定或烧结。这些步骤在下文中更详细地描述。
用于制造本申请陶瓷预制件的陶瓷复合物可包括陶瓷颗粒、增强纤维、短效孔隙生成组份、淀粉、有机低温粘结剂、胶体二氧化硅悬浮液和水。下面的表1示出了本申请示例性陶瓷复合物的各种组份的典型重量百分比。
表1：示例性陶瓷复合物
所述复合物的陶瓷颗粒通常提供陶瓷预制件的耐磨性和硬度。陶瓷颗粒可以包括多种材料，例如，碳化硅、氧化铝、碳化硼或者它们的组合或混合物。在某些实施方案中，陶瓷颗粒包括360目的碳化硅颗粒。
陶瓷复合物的增强纤维或晶须可以包括短纤维或长纤维并可包括多种材料，例如，碳、碳化硅、金属或陶瓷纤维、晶须，或短切长丝。所述碳纤维可以是短切碳带或碳纳米管形式。在某些实施方案中，陶瓷复合物的增强纤维是碱土铝硅酸盐纤维，例如在下面的表2中那些标记为纤维D和E的纤维。
陶瓷复合物的增强纤维可在将纤维引入陶瓷复合物组份批料之前制备(见例如图1中的纤维去缠结步骤)。例如，当碱土金属铝硅酸盐耐火纤维用作增强纤维时，所述纤维可以在将该纤维引入批料前制备。碱土金属铝硅酸盐耐火纤维是由熔融高纯度矿石(例如在电弧炉中熔融)纺制的。该纤维通常在从制造商处收到时相互连接在一起成团块(例如，耐火纤维团块状缠结球)并包括由熔融纺丝工艺留下的丸粒(shot)玻璃珠。在将纤维引入批料之前可能需要纤维的至少一些预处理，使得纤维被分离成个别的股线，并将丸粒玻璃珠去除。在本申请的复合物中使用的碱土金属铝硅酸盐纤维也可以是氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)含量高的组合物类别，并且在从制造商处收到时可不包含丸粒。碱土金属玻璃纤维的直径通常大于3.5微米，其大约为通常的铝硅酸盐玻璃纤维的直径(见例如以下表2的纤维A)。碱土金属铝硅酸盐玻璃纤维也是能以节省成本的价格市售得到的，使这里描述的方法的总成本在商业上有吸引力。
几种示例性的增强纤维的组成和纤维直径示于下面的表2中。表2的标记为纤维D和纤维E的列中的配方为上文所讨论的碱土金属铝硅酸盐纤维。
表2：示例性陶瓷纤维化学组合物，重量%
名称 纤维A 纤维B 纤维C 纤维D 纤维E
组合物类别 氧化铝-二氧化硅纤维 氧化铝-二氧化硅-氧化锆纤维 氧化铝-二氧化硅-氧化铬纤维 碱土金属铝硅酸盐纤维 碱土金属铝硅酸盐纤维
SiO2 56 50 54.3 38-43 40-50
Al2O3 44 34.9 42.6 18-23 10-16
CaO + MgO 0.5 0.09 0.1 23-28 20-35
ZrO2 15.2
Cr2O3 2.8
Fe2O3 + TiO2 0.15 0.15 0.15
FeO 4.5-8.0
K2O + Na2O 0.1 0.1 0.1 4.5
其它 6.0 6-10
纤维直径, µm 3.5 3.5 3.5 5.5 5-6
为了使陶瓷预制件被熔融金属渗透，有利的是具有高度互连的孔隙，其产生连续路径以供熔融金属流动。陶瓷复合物的短效孔隙生成组份允许陶瓷预制件具有高度互连的孔隙。例如，在某些实施方案中，孔隙生成组份是碳质材料，其将在热处理过程中从模制的陶瓷制品中烧去(见例如图1中的粘结剂烧去和烧结步骤)。示例性碳质材料包括但不限于石墨、炭黑、石墨烯或具有高的碳含量的有机材料，例如核桃壳粉、山胡桃壳粉、稻壳和锯末。
在某些实施方案中，陶瓷预制件复合物的低温有机粘结剂是甲基纤维素。当使用甲基纤维素时，它通常被热活化。此外，可以使用的其它粘结剂包括但不限于瓜耳胶和黄原胶。陶瓷复合物模制并暴露于例如约49至60℃ (或约120至140℉)的温度后，所述陶瓷预制件显现生坯强度，生坯强度在处理过程中保持其形状。
陶瓷复合物的胶体二氧化硅溶液通常用淀粉，如阳离子玉米淀粉絮凝，以在陶瓷预制件中提供高温粘结系统。例如，在某些实施方案中，胶体二氧化硅溶液包括具有负表面电荷的胶体二氧化硅颗粒。阳离子淀粉带正电荷，使得存在静电吸引导致絮凝出现。这种絮凝粘结系统用来粘结陶瓷复合物的耐火纤维和颗粒，有助于陶瓷预制件的生坯强度。存在高度负载的陶瓷体和最小量(例如，约15-30%)的水时絮凝的效果是明显的。如在下面详细讨论的那样，添加第一水量，接着用胶体二氧化硅溶液添加第二水量，可有助于絮凝的粘结系统的有效性。
图1示出了根据本申请的实施方案制备预制件复合物的方法100。如图所示，方法100开始于纤维的预处理步骤，导致纤维的去缠结。例如，大块纤维陶瓷材料的液体分散体可被分离和去缠结成单独的纤维供引入陶瓷复合物。
在某些实施方案中，碱土金属铝硅酸盐纤维以缠结和聚集的块的形式从制造商处得到。将缠结的碱土金属铝硅酸盐纤维分离成单独纤维的一种示例性方法包括首先将一定量加入容器中，并添加包括蒸馏水和1.0-2.5体积%的浓度的烷醇氨基酰胺添加剂的水溶液。容器内的纤维材料和溶液保持在高于70℉的温度受控环境。然后将容器的内容物轻轻搅拌最小时间，例如18小时。然后将添加剂溶液倾析或倒出容器，在容器的底部和侧面留下处理过的纤维材料。随后将纤维用水洗涤以除去任何残留的添加剂溶液。该容器可以用水回填，使得沉降出的陶瓷纤维变得被重新分散在水中，而不在容器的底部上结块。洗涤过程通常执行至少五次，给出足够的时间，通常1小时，使陶瓷纤维沉降出来，从而使得洗涤水可以被倾析而不损失悬浮的纤维。加入水来润湿纤维，水量为向批料的第一水添加所需的量(例如批料组合物的约14重量%-约27重量%)，以使其能够作为水洗分散纤维悬浮液被添加到其他批料成分。
图2示出了陶瓷复合物的制备方法的步骤。如图所示，干燥粉末例如碳化硅颗粒、烧去材料、淀粉和有机粘结剂被加入并混合。例如，在某些实施方案中，碳化硅颗粒与核桃壳粉、淀粉和甲基纤维素在转鼓混合器或其它合适的混合器内干式混合一段时间(例如，大约30分钟)。具有封闭的圆柱形容器的型号755的US Stoneware滚筒辗粉机可用于这种干翻滚步骤。
如图2中所示，将水加入混合物一般分成两部分，第一水添加和第二水添加。如以上所讨论的，第一水添加(例如，批料组合物的约14重量%-约27重量%)用于形成去缠结的纤维悬浮液，与上述翻滚的干燥粉末一起置于混合器中(例如，Hobart混合器)。将混合物用桨式混合器叶片混合一段时间(例如，约20分钟)。这么长的湿混时间通常确保淀粉在批料中完全润湿。在第二水添加中，一定量的水(例如，批料组合物的约3.5重量%至约9重量%)与胶体二氧化硅混合，并添加到混合器中并混合一段时间(例如，约1-2分钟)。这样，批料结块在一起。将混合器上的叶片从桨叶变为面团钩(dough hook)。用面团钩将陶瓷复合物混合约1分钟，捏合批料。还可以理解，市售设备如购自Charles Ross & Sons，Inc的捏合机/挤出机可用于处理批料并将陶瓷复合物挤出为所需厚度的连续带，然后在传送带上输送，供连续成型操作。
陶瓷复合物可用如图1所示的通常包括压制、轧制和成型复合物的方法模制以形成制动鼓或制动盘预制件。在某些实施方案中，市售的捏合机/挤出机可用于处理批料和挤出直径约为6英寸的圆柱形部分。6英寸直径的圆柱形部分被挤出到传送带上，传送带将该挤出的部分移动到压制步骤。压制增加了陶瓷复合物的直径，并减少了陶瓷复合物的厚度，例如从直径约6英寸达到直径约10英寸和高度约1英寸。
如图1中所示，该用于形成制动鼓或制动盘预制件的方法的下一步骤为轧制陶瓷复合物。轧制步骤从陶瓷复合物去除气穴并有助于材料的均匀性。轧制过程进一步增加陶瓷复合物直径和减少其高度，例如达到约14英寸的直径和约0.5英寸的高度。
如图1所示，陶瓷复合物被成型(例如，通过冲压或切割)，用于MMC制动鼓或制动盘。在某些实施方案中，冲模或压模被用来将陶瓷复合物形成为圆柱形、盘形或环形。例如，在陶瓷复合物压制和轧制后，陶瓷复合物可形成为盘用作制动盘或转子预制件。图3A和3B示出了根据本申请实施方案的盘形陶瓷复合物300。通过由陶瓷复合物形成所需尺寸的盘形制成盘形的陶瓷预制件300。在某些实施方案中，复合物被压制、轧制和冲压后，所述盘形预制件300的外径(OD)是约9英寸至约16英寸，并且高度(H)为约1/8英寸至约2英寸。
陶瓷复合物也可以形成为环，以用作制动盘或转子预制件。例如，冲模或压模可以用来由陶瓷复合物冲压或切割环形预制件。图4A和4B示出了根据本申请实施方案的环形陶瓷复合物400。通过由陶瓷复合物形成所需尺寸的环形制成环形陶瓷预制件400。在某些实施方案中，环形预制件300的外径(OD)是约9英寸至约16英寸；内径(ID)是约5英寸至约12.5英寸；高度(H)是约1/8英寸至约2英寸。
冲压的预制件的尺寸通常大于所需的尺寸一定量(例如，大2%-4%)以便可能实现制动鼓或制动盘或转子预制件所需的最终尺寸，其用熔融金属渗透以形成MMC。冲压的预制件的过大的尺寸允许陶瓷复合物在进一步的处理步骤和预制件机器加工中收缩成所需尺寸以便预制件的金属渗透。
如图1中所示，在由陶瓷复合物形成陶瓷预制件后，所述陶瓷预制件经过进一步的处理步骤：干燥、粘结剂烧去和热处理。所述陶瓷预制件通常在干燥箱中在一定温度(例如，约60℃或约140℉)干燥一段时间。干燥箱干燥时间的长度通常基于陶瓷预制件水含量和部件的尺寸变化。当由于水从部件除去而导致的重量损失为约20重量%-约35重量%时，陶瓷预制件通常被认为是干燥的。
在示于图1的粘结剂烧去步骤中，进行低温热处理以从陶瓷预制件除去有机物或挥发性组分。在某些实施方案中，这些有机物包括核桃壳粉、淀粉和甲基纤维素。低温热处理周期通常为约1小时升至一定的温度(例如，约260℃或约500℉)，保持在约相同的温度约2小时。
烧结是高温热处理，用于将胶体二氧化硅产生的陶瓷粘结密封。高温热处理通常在某一温度(例如，约985℃或约1800℉)保持约2小时。在某些实施方案中，在高温热处理后，所述胶体二氧化硅颗粒保留在陶瓷预制件中，陶瓷预制件包括碳化硅颗粒、耐火纤维和碳化硅颗粒与耐火纤维之间的硅酸盐粘结。在这些实施方案中，烧去材料、淀粉和甲基纤维素在低温和高温热处理后都从多孔陶瓷预制件体除去。在烧结步骤后，陶瓷预制件可切割成型和/或机器加工以达到最终尺寸要求，以便将陶瓷预制件接纳到制动鼓或盘制动转子高压铸造模具中。
在一个示例性实施方案中，通过由陶瓷复合物冲压所需尺寸的形状制成盘形的陶瓷预制件。通过组合43.2重量%碳化硅360目颗粒(Washington Mills Carborex 360)、8.6重量%碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、7体积%纤维(Fibrox Technology LP Fibrox 300D)、4.9%核桃壳粉-100目(Echo-Shell, Inc.)、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉(WesbondWestar +3)、1.6 重量%羟丙基甲基纤维素(Dow Chemical MethocelTM A4M)、24.1重量%第一水添加、4.1重量%的第二水添加和10.1重量%胶体二氧化硅溶液(Wesbond Bindzil®1440)，制成陶瓷复合物制剂。该陶瓷复合物中的纤维浓度为7体积%。用2.105重量%的烷醇氨基酰胺(Altana Disperbyk-109)在蒸馏水中的含水混合物完成碱土金属铝硅酸盐纤维的纤维去缠结。
在另一示例性实施方案中，通过由陶瓷复合物冲压所需尺寸的形状制成盘形的陶瓷预制件。通过组合41.5重量%的碳化硅360目颗粒(Washington Mills Carborex 360)、11.8重量%碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、10体积%纤维(Lapinus Rockseal® RS480-Roxul®1000)、4.9%核桃壳粉-100目(Echo-Shell, Inc.)、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉(Wesbond Westar +3)、1.7重量%羟丙基甲基纤维素(Dow Chemical MethocelTM A4M)、23.8重量%第一水添加、4.0重量%第二水添加和9.0重量%胶体二氧化硅溶液(Wesbond Bindzil® 1440)制成所述陶瓷。将陶瓷复合物进行捏合、压制、轧制和冲压形成预制件，该预制件直径约为14英寸，厚约1/2英寸。将陶瓷部件干燥、烧制以烧去粘结剂，并烧结。所得成品部件重量为约1256gm，测得直径14.3英寸，厚0.564英寸。最终部件的组成为72.9重量%的碳化硅、20.7重量%碱土金属铝硅酸盐纤维和6.4重量%硅酸盐粘结剂。
本申请的陶瓷预制件可以用金属渗透，例如铝、镁、钛或铜，以形成本申请的MMC。例如，陶瓷预制件可以被引入到铸造模具中用于渗透能够被压铸的金属，例如铝、镁或铜，以形成本申请的MMC。某些高温性能的铝合金可用于渗透。高温性能的铝合金具有相比356或A356压铸合金改进的高温拉伸性能和蠕变性能。这些高温性能铝合金通常用于普通轨道柴油机气缸盖。组合物类别是铝/硅/铜合金(AlSi7Cu)，具有不同量的镁、锰、钒、锆、钛和铁(Mg、Mn、V、Zr、Ti和Fe)。在某些实施方案中，高温性能铝合金包括
AlSi7Cu3.5Mg0.15Mn0.15V0.12Zr0.12Ti0.12，其中Fe <0.15%。
压铸模具通常包括两个压模部件：第一压模部件，即下部或上型，其通常是静止的，并结合到压铸机非移动台板；和第二压模部件，即上部或下型，其可相对于第一压模部件移动且一般结合到压铸机的移动台板。在压模部件内为模具腔，其接收注入的熔融金属。模具腔代表最终产品形状，并将收缩计算在内，且加入斜度以帮助部件脱离。在某些实施方案中，收缩量是约.07%-约2.19%。空腔通常还包括嵌套区域，用于将陶瓷预制件接纳并定位于模具腔内。
对于在直接挤压铸造工艺中引入熔融金属，当两个压模部件打开时，所述熔融金属从预制件上方引入。预热的陶瓷预制件放置在模具下型部分的模具腔内。熔融金属在预制件的顶部引入。两个压模部件上型与下型闭合，将压力施加到被渗透的部件。熔融金属在挤压过程中渗透预制件。在挤压铸造过程中，该预制件通常温度高于熔融金属。如果熔融金属触及温度低于金属的预制件，所述金属在接触预制件的表面时凝固，并不渗透。
这些压模部件通常用各种处理由工具钢机器加工以改善耐久性。还可在整个压模部件添加加热和冷却回路以帮助获得和保持用于铸造工艺的最佳温度。这些回路可以使用各种流体将温度转移进入或离开模具的预定区域，通常放置在靠近模具腔，但不进入模具腔。
所述陶瓷预制件放置在压铸模具的模具腔内。所述陶瓷预制件可被预热至一定温度，然后将其引入模具腔。例如，陶瓷预制件可被预热至温度高于被注射到模具腔中的熔融金属(例如，铝)的温度。在某些实施方案中，陶瓷预制件加热到高于被注射进入模具腔的熔融金属的温度至少50℉。在其它实施方案中，陶瓷预制件加热到高于被注射进入模具腔的熔融金属的温度至少100℉。
将熔融金属以低的速度注射到模具腔中并渗透所述陶瓷预制件的多孔体。熔融金属的速度使得陶瓷预制件在注入熔融金属期间不变形。熔融金属基本上渗透整个壁厚。此外，在某些实施方案中，熔融金属基本上渗透具有2英寸或更小壁厚的陶瓷预制件。
在一个实施例中，4×4英寸的预制件用熔融金属渗透以形成Al-MMC。该4×4英寸的预制件通过本文描述的方法制备，含有7体积%表2的纤维E(Fibrox纤维)和碳化硅颗粒，用高温性能的铝压铸合金渗透。预制件温度为约1500℉，金属温度为约1420℉。合金的组成为6.83%硅、0.125%铁、3.46%铜、0.0082%锰、0.344%镁、0.129%钛、0.114%锆、0.114%钒和余量的铝。在挤压铸造过程中对样品施加的压力为12570磅每平方英寸，停留时间为9秒。所述预制件样本用金属完全渗透。渗透样品的预制件边缘的尖锐的角被保持，表明在挤压铸造期间预制件没有变形。在941℉(505℃)用溶液热处理5小时，然后用水骤冷，引起高温合金微观结构产生。随后，将预制件在空气中于室温下静置24小时，然后在392℉(200℃)老化热处理5小时。
图5A和5B示出了根据本申请实施方案的MMC制动盘500。如图所示，使用具有与MMC制动盘大致相同形状的环形的陶瓷预制件502形成MMC制动盘500。每个陶瓷预制件例如在这里所讨论的直接挤压压铸工艺中用金属(例如，铝)渗透以形成MMC制动盘500。陶瓷预制件502和MMC制动盘500可以有多种大小和形状用于多种不同的运载工具。例如，在某些实施方案中，MMC制动盘500的直径为约9英寸至约16英寸，厚约1/8英寸至约2英寸。
图6A和6B示出了根据本申请实施方案的MMC制动盘600。如图所示，MMC制动盘包括具有通气孔且具有翅片的制动盘设计，该制动盘设计具有突起的中心部分或帽604和便于冷却盘式制动器的通道606。此外，如图6B所示，MMC制动盘600具有两个增强的陶瓷表面，使用具有与MMC制动盘大致相同的形状的两个环形的陶瓷预制件602形成。这些陶瓷表面由制动器卡钳接合以使运载工具停止。每个陶瓷预制件602例如在这里所讨论的压铸工艺中用金属(例如，铝)渗透以形成MMC制动盘600。陶瓷预制件602和MMC制动盘600可以有多种大小和形状用于多种不同的运载工具。例如，在某些实施方案中，MMC制动盘600的直径为约9英寸至约16英寸，厚约1英寸至约2.0英寸。
陶瓷预制件的强度有利于制备陶瓷预制件放置在压铸模具中所需的处理。本文公开的陶瓷预制件相对于使用不同的成型方法制成的类似类型预制件具有提高的强度。
例如，生产了不同组成的五个陶瓷预制件，测量了每个预制件的容积密度、孔隙率和抗压强度。下面的表3显示了五个陶瓷预制件(预制件1-5)按照ASTM C830测量的容积密度和孔隙率及按照ASTM C133测量的抗压强度。五个陶瓷预制件中的四个(预制件2-5)使用这里描述的和图1和2中所示的相同的方法制成。
对于预制件2，通过组合43.2重量%的碳化硅360目颗粒、8.6重量%纤维D、纤维直径为约5.5微米的碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、4.9%核桃壳粉-100目、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉、1.6重量%羟丙基甲基纤维素、24.1重量%的第一水添加、4.1重量%的第二水添加以及10.1重量%胶体二氧化硅溶液，制成陶瓷预制件制剂。在该陶瓷复合物中的纤维的浓度为7体积%。用2.105重量%的烷醇氨基酰胺在蒸馏水中的含水混合物完成碱土金属铝硅酸盐纤维的纤维去缠结。
对于预制件3，通过组合43.2重量%的碳化硅360目颗粒、8.6重量%纤维E、纤维直径总体上为5-6微米的碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、4.9%核桃壳粉-100目、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉、1.6重量%羟丙基甲基纤维素、24.1重量%的第一水添加、4.1重量%的第二水添加以及10.1重量%胶体二氧化硅溶液，制成陶瓷预制件制剂。在该陶瓷复合物中的纤维的浓度为7体积%。用2.0重量%的烷醇氨基酰胺在蒸馏水中的含水混合物完成碱土金属铝硅酸盐纤维的纤维去缠结。
对于预制件4，通过组合41.5重量%的碳化硅360目颗粒、11.8重量%纤维D、纤维直径为约5.5微米的碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、4.9%核桃壳粉-100目、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉、1.7重量%羟丙基甲基纤维素、23.8重量%的第一水添加、4.0重量%的第二水添加以及9.0重量%胶体二氧化硅溶液，制成陶瓷预制件制剂。在该陶瓷复合物中的纤维的浓度为10体积%。用2.0重量%的烷醇氨基酰胺在蒸馏水中的含水混合物完成碱土金属铝硅酸盐纤维的纤维去缠结。
对于预制件5，通过组合41.5重量%的碳化硅360目颗粒、11.8重量%纤维E、纤维直径总体上为5-6微米的碱土金属铝硅酸盐耐火纤维、4.9%核桃壳粉-100目、3.3重量%片状阳离子玉米淀粉、1.7重量%羟丙基甲基纤维素、23.8重量%的第一水添加、4.0重量%的第二水添加以及9.0重量%胶体二氧化硅溶液，制成陶瓷预制件制剂。在该陶瓷复合物中的纤维的浓度为10体积%。用2.0重量%的烷醇氨基酰胺在蒸馏水中的含水混合物完成碱土金属铝硅酸盐纤维的纤维去缠结。
预制件1为通过组合47.63重量%碳化硅360目颗粒、9.53重量%锤磨并筛分的纤维A、纤维直径为3.5微米的铝硅酸盐耐火纤维、5.4重量%的核桃壳粉-100目、3.63重量%片状阳离子玉米淀粉、1.77重量%羟丙基甲基纤维素、11.3重量%的第一水添加、9.64重量%的第二水添加以及11.1重量%的胶体二氧化硅溶液制成的陶瓷预制件。制备纤维以引入批料的方法包括将从制造商得到的纤维锤磨并筛分的步骤。锤磨后，纤维包含较少的丸粒，由长度小于约6mm的团块组成。然后将纤维团块压制，以进一步破碎团块。压制的纤维然后进行筛分(例如，通过500微米的丝网筛)以除去松散的丸粒(例如，具有大于500微米的直径的丸粒)。再将留在网筛上面的纤维加入陶瓷复合物组份的批料。在该预处理后加入批料的纤维为未完全去缠结的小纤维团块的形式。
下面的表3显示了五个陶瓷预制件1-5按照ASTM C830测得的容积密度和孔隙率，和按照ASTM C133测得的抗压强度。平行和垂直于陶瓷预制件的施压方向测量抗压强度。如表所示，通过本文公开的方法并使用纤维D和纤维E制成的制剂(即预制件2-5)比使用纤维A的制剂强度增加至约4倍。
表3：各种陶瓷预制件的容积密度、孔隙率和强度
据信由于预制件2-5的陶瓷制剂内良好分散的纤维具有比预制件1更大的纤维直径(5-6微米与3.5微米相比)，预制件2-5的强度大于预制件1。预制件2-5中单独分离的较大直径的纤维能够在纤维和碳化硅颗粒之间产生很强的互锁结构。这种互锁的强网络由硅酸盐粘结保持在一起。纤维A的预处理是费力的、昂贵的和浪费的，因为得到的纤维的一半用作陶瓷制剂中的原料。纤维A包含50重量%可用纤维和50重量%丸粒。丸粒是用于制动盘或转子或制动鼓的陶瓷预制件中不可接受的，因为当丸粒颗粒处于制动表面上时可能破坏制动事件。使用在预制件2-5的处理中加入的烷醇氨基酰胺添加剂的用于纤维的水性去缠结方法是简单的，使其适于可放大规模的生产过程，并且是成本有效的。
如本文中所描述的，当一个或多个组件被描述为连接、结合、固定、偶联、附接或以其它方式相互连接时，这样的相互连接可以直接存在于所述组件之间，或者可以是间接的，例如通过使用一个或多个中间组件。此外如在此所描述的，所提及的"部件"、"组件"或"部分"不应限于单个结构部件、组件或元件，而是可包含组件、部件或元件的集合。
虽然本发明已经通过对其实施方案的描述进行说明，尽管这些实施方案已经被相当详细地描述，但是申请人的意图不是限制或以任何方式限定本发明的范围到这样的细节。另外的优点和修改将容易地显现给本领域技术人员。例如，当组件可释放地或可拆除地连接或附接在一起，任何类型的可释放的连接都可以是合适的，包括例如锁定连接、紧固连接、舌和槽连接等。此外，组件的几何结构、形状和尺寸可以被修改而不改变组件的整体的作用或功能。因此，本发明的构思在其更广泛的方面并不限于示出和描述的特定细节、代表性装置以及说明性的实施例。因此，可以偏离这种细节而不脱离申请人的总的发明构思的精神或范围。
虽然在示例性的实施方案中本发明的各种发明方面、构思和特征可在本文描述和说明为组合的方案，这些各种方面、构思和特征可单独或以多种组合及其亚组合用在许多备选的实施方案中。除非在本文中明确排除，所有这样的组合和亚组合都是在本发明的范围内​。此外，虽然本文可能描述了本发明各种方面、构思和特征的各种备选实施方案，例如备选的材料、结构、配置、方法、装置和组件，形式、配合和功能的备选等，这样的描述并非意在穷举或穷尽可行的备选实施方案，无论这些备选实施方案是现在已知的还是以后出现的。本领域技术人员可以很容易地将一个或多个发明方面、构思或特征用于本发明范围内的另外的实施方案和应用，即使这些实施方案没有在本文明确地公开。另外，即使本发明一些特征、构思或方面可在本文中描述为优选的设置或方法，这种描述不旨在暗示这样的特征是必要的或必须的，除非已经明确地这样表述。此外，可包括示例性或代表性的数值和范围以帮助理解本发明的公开，然而，这种数值和范围不应在限制的意义上解释，只有在明确陈述的情况下才是指关键的数值或范围。此外，虽然各种方面、特征和构思可在本文中明确地表示为发明性的或形成发明的部分，这样的表示并不是排他性的，而是可能有发明性的方面、构思和特征在本文充分描述而没有明确表示为发明性的或特定发明的部分，而本发明在所附的权利要求中提出。示例性方法或过程的描述并不限于包括在所有情况下需要的所有步骤，所呈现的步骤的顺序也不应被解释为必须的或者必要的，除非明确这样指出。权利要求中使用的词汇具有其全部普通的含义，不以任何方式被说明书中实施方案的描述所限制。

Claims (24)

1.一种制备陶瓷预制件的方法，包括以下步骤：
将增强纤维的团块去缠结以将增强纤维分离成单独的股线；
制备陶瓷复合物，该陶瓷复合物包括分离的增强纤维股线、陶瓷颗粒、短效(fugitive)孔隙生成组份、淀粉、低温有机粘结剂、胶体二氧化硅和水；和
将陶瓷复合物形成为所需的形状以产生陶瓷预制件。
2.权利要求1的方法，其中所述陶瓷复合物包含：约41重量%至约47重量%的陶瓷颗粒；约9重量%至约15重量%的增强纤维；约4.5重量%至约5.5重量%的短效孔隙生成组份；约3重量%至约4重量%的淀粉；约1.5重量%至约2重量%的低温有机粘结剂；约4.5重量%至约11重量%的胶体二氧化硅；和约17重量%至约38重量%的水。
3.权利要求2的方法，其中所述增强纤维是碱土金属铝硅酸盐增强纤维，所述陶瓷颗粒是碳化硅颗粒。
4. 权利要求1的方法，其中所述增强纤维是碱土金属铝硅酸盐增强纤维，其包含约38重量%至约43重量% SiO2、约18重量%至约23重量% Al2O3和约23重量%至约28重量%的CaO +MgO。
5. 权利要求1的方法，其中所述增强纤维是碱土金属铝硅酸盐增强纤维，其包含约40重量%至约50重量% SiO2、约10重量%至约16重量% Al2O3和约20重量%至约35重量%的CaO +MgO。
6.权利要求1的方法，其中所述去缠结步骤包括：
将增强纤维的团块放入容器中，添加包含蒸馏水和1.0至2.0重量%浓度的烷醇氨基酰胺添加剂的水溶液；
搅拌容器内容物；
倾析水溶液；
用水洗涤增强纤维以除去残留的添加剂；
倾析洗涤水；和
添加约14重量%至约27重量%第一水至洗涤的增强纤维以形成去缠结的纤维悬浮液。
7.权利要求6的方法，其中制备陶瓷复合物包括：
混合陶瓷复合物的干燥粉末，所述干燥粉末包括陶瓷颗粒、短效孔隙生成组份、淀粉和低温有机粘结剂；
将混合的干燥粉末和去缠结的纤维悬浮液混合在一起以形成第一混合物；
将胶体二氧化硅和约3.5重量%至约9重量%的第二水混合在一起以形成第二混合物；和
将第一混合物和第二混合物混合在一起以形成陶瓷复合物。
8.权利要求1的方法，该方法还包括压制和轧制陶瓷复合物。
9.权利要求1的方法，其中所述陶瓷复合物形成为盘或环用于制动盘金属基质复合材料。
10.权利要求1的方法，该方法还包括：
在烘箱中干燥陶瓷预制件，直至由于从陶瓷预制件除去水造成的重量损失百分比为约20%至约70%；
在足以从陶瓷预制件除去短效孔隙生成组份、淀粉和低温有机粘结剂的温度热处理陶瓷预制件；和
在足以将由胶体二氧化硅产生的陶瓷粘结密封的温度热处理陶瓷预制件。
11.权利要求1的方法，其中所述增强纤维具有大于3.5微米的直径。
12.权利要求11的方法，其中所述增强纤维的直径为5-6微米。
13.一种陶瓷预制件，包括陶瓷复合物，所述陶瓷复合物形成为盘或环用于制动盘金属基质复合材料，所述陶瓷复合物包含：约41重量%至约47重量%的陶瓷颗粒；约9重量%至约15重量%的碱土金属铝硅酸盐增强纤维，其直径大于3.5微米；约4.5重量%至约5.5重量%的短效孔隙生成组份；约3重量%至约4重量%的淀粉；约1.5重量%至约2重量%的低温有机粘结剂；约4.5重量%至约11重量%的胶体二氧化硅；和约17重量%至约38重量%的水。
14.权利要求13的陶瓷预制件，其中所述陶瓷颗粒是碳化硅颗粒。
15. 权利要求13的陶瓷预制件，其中所述碱土金属铝硅酸盐增强纤维包含约38重量%至约43重量% SiO2、约18重量%至约23重量% Al2O3和约23重量%至约28重量%的CaO + MgO。
16. 权利要求13的陶瓷预制件，其中所述碱土金属铝硅酸盐增强纤维包含约40重量%至约50重量% SiO2、约10重量%至约16重量% Al2O3和约20重量%至约35重量%的CaO + MgO。
17.权利要求13的陶瓷预制件，其中所述碱土金属铝硅酸盐增强纤维的直径为5-6微米。
18.权利要求13的陶瓷预制件，其中所述陶瓷预制件包含制动盘金属基质复合材料的制动表面的至少一部分。
19.一种制备金属基质复合材料的方法，包括以下步骤：
加热权利要求13的陶瓷预制件至预热温度；
将所述陶瓷预制件置于压铸模具的模具腔中；和
将熔融金属引入模具腔，使得金属渗透陶瓷预制件以形成制动盘金属基质复合材料，其中预热温度大于熔融金属的温度。
20.权利要求19的方法，其中使用直接挤压铸造方法将熔融金属引入模具腔。
21.权利要求19的方法，其中所述熔融金属是高温性能铝合金。
22.权利要求19的方法，其中所述陶瓷预制件包含制动盘金属基质复合材料的制动表面的至少一部分。
23.一种金属基质复合材料，包含：权利要求13的陶瓷预制件，其用熔融高温性能铝合金渗透以形成制动盘金属基质复合材料。
24.权利要求23的金属基质复合材料，其中所述陶瓷预制件包含制动盘金属基质复合材料的制动表面的至少一部分。
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