CN107598158A - 一种铝基复合材料制动盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝基复合材料制动盘的制备方法，属于金属基复合材料领域。选用BN粉末、MoS2粉末、以及镀钛的金刚石微粉作为增强体，纯铝作为基体，通过球磨先将BN粉末与Al粉进行混合，使得BN粉末均匀分布在Al粉中形成复合粉末，然后再将复合粉末与MoS2粉末和镀钛的金刚石微粉按一定比例混合均匀后进行压制预成形，压制过程中通过控制填粉方式使得环形制动盘预成形坯内侧1/4宽度为(BN+Al)复合粉末，外侧为(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元混合粉末，最后将压制预成形的毛坯置于真空热压炉中进行热压烧结，最终获得致密的铝基复合材料制动盘。采用上述方法所制备的摩托车制动盘其质量更轻、散热性及耐磨性能更好，可以全面提高制动盘工作的稳定性和可靠性。

Description

一种铝基复合材料制动盘的制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种铝基复合材料制动盘的制备方法。
背景技术
轻量化正成为21世纪摩托车行业的研究前沿和热点之一，在保证安全性能和使用性能的前提下，如何降低摩托车车身的重量，提高使用寿命、降低使用成本成为目前发展的技术核心问题。有资料表明，对于燃油经济性的提高，减轻车轮的重量比减轻摩托车其它部件的重量更为有效。除了摩托车车轮本身的轻量化外，摩托车制动盘作为摩托车车轮端部的重要部件，其轻量化也不可忽视。此外，摩托车在刹车过程中，由于摩擦力的作用使制动盘与刹车片的温度瞬间升高，因此要求制动盘具有良好的散热性能。目前摩托车制动盘所广泛采用的制动盘材质为铸铁或钢，二者均存在比重高的问题，另外为了增加制动盘的散热性能，在制动盘上布置了大量的通风孔，这也研制影响了制动盘整体的力学性能。尽管目前有报道采用陶瓷摩擦盘来替代钢制摩擦盘，但是由于成本高，很难在普通摩托车上进行推广应用。因此研制轻质、高散热性的制动盘来替代传统的钢制盘成为摩托车轻量化研究的一个重要方向。
发明内容
本发明的目的制备一种兼顾密度、导热及摩擦性能的摩托车制动盘材料，解决目前钢质制动盘存在的不足，从而进一步提升摩托车的综合性能。
本发明综合利用金属铝的高导热、密度低以及陶瓷颗粒的耐磨、低密度等特性，并针对摩托车制动盘的特定工况环境，对制动盘进行一定的材料结构设计，最终制备出具有高导热、高耐磨、低密度、高可靠性等优异综合性能的摩托车制动盘。
一种铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：选用BN粉末、MoS2粉末、以及镀钛的金刚石微粉作为增强体，纯铝作为基体，通过球磨先将BN粉末与Al粉进行混合，使得BN粉末均匀分布在Al粉中形成复合粉末，然后再将复合粉末与MoS2粉末和镀钛的金刚石微粉按一定比例混合均匀后进行压制预成形，压制过程中通过控制填粉方式使得环形制动盘预成形坯内侧1/4宽度为(BN+Al)复合粉末，外侧为(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元混合粉末，最后将压制预成形的毛坯置于真空热压炉中进行热压烧结，最终获得致密的铝基复合材料制动盘。
具体制备步骤如下：
1、破碎混磨：选用粒径小于50微米的BN粉末置于球磨机中球磨破碎，球磨转速为250-350转/分，球料重量比10：1，球磨时间25-35分钟，然后再将平均粒径为50-100微米的球形铝粉置于球磨机中继续球磨，加入铝粉后球磨转速320～350转/分，球磨时间0.5-1.5小时，此时BN粉末能够完全嵌入到Al粉中形成复合粉末；在BN与铝粉球磨完成后，在球磨罐中继续加入MoS2粉末和镀钛金刚石粉末，混合过程中球磨转速为150-250转/分，球磨时间0.5-1.5h，最终在(BN+Al)复合粉末的基础上获得均匀分布的(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末；
2、压制成形：将混合均匀的(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末置于模压模具中进行压制成形，通过设计模压模具使得四元粉末压制成形位于环形制动盘的外侧，其宽度为制动盘宽的3/4，然后内侧1/4宽度采用(BN+Al)复合粉末进行填充并压制成形，两次压制压力均控制在100-150MPa；
3、烧结：将压制坯体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷至室温，然后按照最终制动盘的尺寸进行加工得到成品。
进一步的，步骤1)中铝粉与BN粉的体积比为(97～94)：(3-6)。
进一步的，步骤1)MoS2粉末和镀钛金刚石在(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末中体积占比分别为15-20％和15-20％，MoS2粉末粒度控制在5-10微米，镀钛金刚石粒度控制在10-15微米，钛镀层厚度0.1-0.5微米。
进一步的，步骤3)中烧结温度控制在700-730℃、压力20-25MPa，保温保压时间为30-40min。
采用上述工艺制备的铝基复合材料摩托车制动盘，主要优点在于：(1)采用BN颗粒通过球磨使其弥散分布在纯Al粉中，热压烧结后可以大幅度提高Al基体的强度，同时BN颗粒本身具有良好的导热性，对基体Al本身的导热影响较小；另外采用较大粒径的BN颗粒，预先球磨破碎后呈多角状，有助于其后续球磨过程中嵌入到Al粉末颗粒内部；(2)添加MoS2颗粒，有助于提高制动盘摩擦面的摩擦稳定性；(3)添加镀钛的金刚石颗粒，制动盘的耐磨性能、尺寸稳定性，尤其是导热率得到大幅度提高，可以显著增加制动盘工作时的散热能力；(4)通过对制动盘不同部位采用不同的组分，即内侧1/4部位采用BN和Al两种组元复合，剩下靠外侧3/4部位采用(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元组合，内侧部分比外侧部分具有更好的塑性，这样有助于降低摩擦过程中制动盘与车轮连接处的应力，从而提高制动盘的可靠性和使用寿命。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图：
图2为制动盘的示意图。
具体实施方式:
实施例1、
制备尺寸为Φ300mm(外径)×200mm(内孔)×5mm(厚)的制动盘毛坯
首先选用粒径小于50微米的BN粉末15g置于球磨机中球磨破碎，球磨转速为300转/分，球料重量比10：1，球磨时间30分钟，然后再将平均粒径为74微米的球形铝粉360g置于球磨机中继续球磨，同时再加入3600g磨球，加入铝粉后球磨转速320转/分，球磨时间1小时，球磨完毕后从球磨罐中取出混合粉末110g用以填充制动盘内侧1/4部分的原材料，然后向球磨罐中继续加入135gMoS2和97g镀钛金刚石微粉，MoS2粉末粒度控制在5-10微米，镀钛金刚石粒度控制在10-15微米，混入后，球磨转速降为200转/分，球磨时间1h，然后将(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)混合粉末从罐中取出，置于模压模具中进行压制成形，通过设计模压模具使得四元粉末压制成形位于环形制动盘的外侧，其宽度为37.5mm，然后内侧12.5mm宽度部分采用之前取出的110g(BN+Al)复合粉末进行填充并压制成形，两次压制压力均控制在100MPa。将压制坯体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，热压烧结模具根据最终制动盘的尺寸进行设计，烧结时温度700℃、压力20MPa，保温保压时间为40min，烧结完成后随炉冷至室温，得到尺寸为Φ300mm(外径)×200mm(内孔)×5mm(厚)的制动盘毛坯。
实施例2
制备尺寸为Φ300mm(外径)×200mm(内孔)×5mm(厚)的制动盘毛坯
首先选用粒径小于50微米的BN粉末15g置于球磨机中球磨破碎，球磨转速为300转/分，球料重量比10：1，球磨时间30分钟，然后再将平均粒径为100微米的球形铝粉360g置于球磨机中继续球磨，同时再加入3600g磨球，加入铝粉后球磨转速350转/分，球磨时间1小时，球磨完毕后从球磨罐中取出混合粉末110g用以填充制动盘内侧1/4部分的原材料，然后向球磨罐中继续加入135gMoS2和97g镀钛金刚石微粉，MoS2粉末粒度控制在5-10微米，镀钛金刚石粒度控制在10-15微米，混入后，球磨转速降为200转/分，球磨时间1h，然后将(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)混合粉末从罐中取出，置于模压模具中进行压制成形，通过设计模压模具使得四元粉末压制成形位于环形制动盘的外侧，其宽度为37.5mm，然后内侧12.5mm宽度部分采用之前取出的110g(BN+Al)复合粉末进行填充并压制成形，两次压制压力均控制在150MPa。将压制坯体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，热压烧结模具根据最终制动盘的尺寸进行设计，烧结时温度730℃、压力25MPa，保温保压时间为40min，烧结完成后随炉冷至室温，得到尺寸为Φ300mm(外径)×200mm(内孔)×5mm(厚)的制动盘毛坯。

Claims (4)

1.一种铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于选用BN粉末、MoS2粉末、以及镀钛的金刚石微粉作为增强体，纯铝作为基体，通过球磨先将BN粉末与Al粉进行混合，使得BN粉末均匀分布在Al粉中形成复合粉末，然后再将复合粉末与MoS2粉末和镀钛的金刚石微粉按一定比例混合均匀后进行压制预成形，压制过程中通过控制填粉方式使得环形制动盘预成形坯内侧1/4宽度为(BN+Al)复合粉末，外侧为(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元混合粉末，最后将压制预成形的毛坯置于真空热压炉中进行热压烧结，最终获得致密的铝基复合材料制动盘；
具体制备步骤如下：
1)破碎混磨：选用粒径小于50微米的BN粉末置于球磨机中球磨破碎，球磨转速为250-350转/分，球料重量比10：1，球磨时间25-35分钟，然后再将平均粒径为50-100微米的球形铝粉置于球磨机中继续球磨，加入铝粉后球磨转速320～350转/分，球磨时间0.5-1.5小时，此时BN粉末能够完全嵌入到Al粉中形成复合粉末；在BN与铝粉球磨完成后，在球磨罐中继续加入MoS2粉末和镀钛金刚石粉末，混合过程中球磨转速为150-250转/分，球磨时间0.5-1.5h，最终在(BN+Al)复合粉末的基础上获得均匀分布的(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末；
2)压制成形：将混合均匀的(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末置于模压模具中进行压制成形，通过设计模压模具使得四元粉末压制成形位于环形制动盘的外侧，其宽度为制动盘宽的3/4，然后内侧1/4宽度采用(BN+Al)复合粉末进行填充并压制成形，两次压制压力均控制在100-150MPa；
3)烧结：将压制坯体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷至室温，然后按照最终制动盘的尺寸进行加工得到成品。
2.如权利要求1所述一种铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于步骤1)中铝粉与BN粉的体积比为(97～94)：(3-6)。
3.如权利要求1所述一种摩托车制动盘材料的制备方法，其特征在于步骤1)MoS2粉末和镀钛金刚石在(BN+Al+MoS2+镀钛金刚石)四元粉末中体积占比分别为15-20％和15-20％，MoS2粉末粒度控制在5-10微米，镀钛金刚石粒度控制在10-15微米，钛镀层厚度0.1-0.5微米。
4.如权利要求1所述一种铝基复合材料制动盘的制备方法，其特征在于步骤3)中烧结温度控制在700-730℃、压力20-25MPa，保温保压时间为30-40min。
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