CN107760894B - 一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法 - Google Patents

一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，步骤包括：1)增强体颗粒预处理；2)复合熔铸；3)机加工与热处理。本发明所述铝基复合材料中陶瓷增强体的体积含量较高(20％‑45％)，且可通过复合熔铸方法实现铝基复合材料汽车制动盘的近终成型。本发明方法工艺简单高效，制备成本低廉，可实现批量化，制备得到的铝基复合材料汽车制动盘相对铸铁制动盘减重50‑60％，热导率提高2倍以上，高温耐磨性能良好。该种制动盘装车实验行驶20000公里后磨损量只有0.33‑0.36mm，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力。

Description

一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法
技术领域
本发明涉及汽车制动盘领域，特别涉及一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法。
背景技术
随着汽车工业的飞速发展，在给人类生活带来方便和舒适的同时，也产生了能源与环境问题。汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。汽车轻量化的重要方法是使用铝基、镁基等轻质材料替换原有的钢铁材料。
汽车制动盘是汽车制动系统的重要组成部分，目前大多使用铸铁制成。一方面，铸铁的密度高，不利于轻量化；另一方面，铸铁热导率低，在刹车过程中产生的热量难以及时散出，进而导致其表面与内部温度梯度高，易产生热裂，从而降低安全性。与铸铁相比，铝基材料具有重量轻、热导率高、比热高、耐腐蚀和韧性好等优点，是轻质刹车盘的优选材料。但是，铝合金不耐磨且不能承受高温，而陶瓷颗粒增强铝基复合材料的耐磨性能和耐高温性能均强于铝合金，因此，研究人员在汽车刹车盘用铝基复合材料上做了大量的研究工作。
目前，汽车刹车盘用铝基复合材料使用的陶瓷增强体主要有碳化硅和氧化铝等，使用的制备方法多为成本较低的复合熔铸法，增强体的体积分数通常在20％或以下。
经对现有技术进行检索，中国专利CN102703771“刹车盘用碳化硅/铝合金复合材料的制备方法”给出了一种刹车盘用碳化硅/铝合金复合材料的制备方法，其碳化硅体积分数约为17％，制成的铝基复合材料较铸铁轻40％-60％，热导率也获得提高。但是，该种碳化硅铝基复合材料只改善了铝合金的低温耐磨性能，并没有解决耐高温的问题。因此，低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料虽然比铸铁轻且热导率高，但其耐热性和高温耐磨性均有待提高。一种有效的方法是提高铝基复合材料中耐高温、耐磨的陶瓷颗粒的体积含量。但是，随着陶瓷颗粒的含量的提高，其在铝液中的分散和复合熔铸时液体的流动性都将成为难题，进而使得难以制备满足要求的中高陶瓷含量铝基复合材料及其制动盘构件。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种中高陶瓷含量铝基复合材料汽车制动盘的复合熔铸制备方法，该方法工艺简单、制备成本低廉，可实现批量化，制备得到的铝基复合材料汽车制动盘相对铸铁制动盘减重50-60％，热导率提高2倍以上，高温耐磨性能良好。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
1)增强体预处理
所述增强体采用陶瓷颗粒，对陶瓷颗粒进行预处理，去除陶瓷颗粒中脏物以及增强体表面的杂质；
2)复合熔铸
根据材料配比计算铝合金和陶瓷颗粒的质量，将计算质量的铝合金加入到坩埚中，将温度升至铝合金的熔点以上；待铝完全熔化，加入计算质量的陶瓷颗粒并开始搅拌，控制搅拌速度和搅拌温度，搅拌一段时间；搅拌结束后，将温度提高到浇铸温度，浇注到预热模具中，以实现铸造成型；随模具迅速冷却至室温，脱模后获得铝基复合材料汽车制动盘半成品；
3)热处理与机加工
将通过2)所获得的汽车制动盘半成品在400-500℃之间进行均匀化处理，将均匀化处理后的汽车制动盘半成品机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
优选地，所述增强体为碳化硅或氧化铝颗粒，或者二者球磨混合均匀的复合增强体。
更优选地，所述增强体为碳化硅颗粒，则预处理采用：将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，用去离子水清洗、抽滤；然后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于100-200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到800-1200℃，保温1-2小时，随炉冷却至室温；
更优选地，所述增强体为氧化铝颗粒，则预处理采用：用氢氟酸水溶液清洗后，用去离子水清洗干净，然后置于干燥箱中于100-200℃下干燥；
更优选地，所述的碳化硅,颗粒的尺寸在10-200μm。
优选地，2)中，所述的铝合金包括但不限于A356、LD2、LD10、LC4、LC9、LY12铝合金。
优选地，2)中，所述的碳化硅颗粒的体积分数20％-45％之间。
优选地，2)中，所述的搅拌温度控制在600-750℃之间。
优选地，2)中，所述的搅拌速度在500-2000rpm之间。
优选地，2)中，所述的搅拌时间为1-2小时。
优选地，2)中，所述的浇铸温度为搅拌温度以上20-50℃。
优选地，2)中，将温度升至铝合金的熔点以上10-100℃。
本发明中，所述的增强体预处理的目的是：去除增强体中脏物以及增强体表面的杂质。对于碳化硅增强体，清洗干净后还需高温煅烧在碳化硅表面预先形成一层氧化层，以减少碳化硅与铝之间的有害反应；在复合熔炼中，由于碳化硅体积分数高，搅拌过程需要较高的搅拌速度和搅拌温度以保证陶瓷颗粒的均匀分散；浇铸过程中，高体积分数流动性差，需要使用较高的浇注温度，以保证充模完全；铸造以后，复合材料需要快速冷却，以减少高温时间，减少复合材料界面有害反应物的生成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明使用复合熔铸，能够制备出较高体积分数(20％-45％)陶瓷增强铝基复合材料，能够实现其汽车制动盘近终成型，生产成本低，工艺简单高效，易批量化；
(2)含较高体积分数陶瓷的铝基复合材料的高温稳定性和高温耐磨性良好，是良好的汽车制动盘材料，该种材料制动盘装车实验行驶20000公里后磨损量只有0.33-0.36mm，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力；
(3)可实现多种金属基体和陶瓷颗粒的复合，进而为汽车制动盘的设计提供足够的材料选择。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的设计、制备、加工以及测试流程图；
图2为本发明一实施例的碳化硅体积分数为45％的碳化硅铝基复合材料的扫描电镜照片；
图3为本发明一实施例的铝基复合材料制动盘的设计图和最终零件图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例面对制动盘的复合材料设计，其中：增强体颗粒主要是碳化硅颗粒和氧化铝颗粒，基体合金主要有A356、LD10、LC9铝合金。经过高效、低成本复合工艺设计，通过：增强体预处理、复合熔铸、热处理与机加工，得到铝基复合材料汽车制动盘。复合材料的微观组织由金相显微镜和扫描电镜表征，复合材料的密度由阿基米德排水法测定，复合材料的室温、高温摩擦系数和磨损率由定速摩擦实验、台架实验和装车实验给出。
实施例1
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于100℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到800℃，保温1小时，随炉冷却至室温。
将5Kg A356铝合金加入到坩埚中，将温度升至620℃，待铝全部熔化，加入1.5Kg平均粒径为10μm碳化硅颗粒，开始搅拌，搅拌温度为600℃，搅拌速度为500rmp，搅拌时间持续1小时；搅拌结束后，将温度提高20℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得碳化硅铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在480℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
通过上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.38，磨损率为0.28×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.39，磨损率为0.78×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.45，磨损率为1.5×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例2
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到1200℃，保温2小时，随炉冷却至室温。
将5Kg A356铝合金加入到坩埚中，将温度升至710℃，待铝全部熔化，加入4.8Kg平均粒径为30μm碳化硅颗粒，开始搅拌，搅拌温度为750℃，搅拌速度为2000rmp，搅拌时间持续2小时；搅拌结束后，将温度提高30℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得碳化硅铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在500℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.45，磨损率为0.23×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.48，磨损率为0.36×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.53，磨损率为0.6×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80-160km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例3
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到1200℃，保温1小时，随炉冷却至室温。
将5Kg A356铝合金加入到坩埚中，将温度升至700℃，待铝全部熔化，加入3.2Kg平均粒径为30μm碳化硅颗粒，开始搅拌，搅拌温度为680℃，搅拌速度为2000rmp，搅拌时间持续2小时；搅拌结束后，将温度提高50℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得碳化硅铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在500℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.42，磨损率为0.28×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.44，磨损率为0.38×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.50，磨损率为0.8×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80-160km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例4
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到1200℃，保温1小时，随炉冷却至室温。
将5Kg LD10铝合金加入到坩埚中，将温度升至700℃，待铝全部熔化，加入3Kg平均粒径为200μm碳化硅颗粒，开始搅拌，搅拌温度为680℃，搅拌速度为1500rmp，搅拌时间持续2小时；搅拌结束后，将温度提高50℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得碳化硅铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得汽车制动盘半成品在450℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.40，磨损率为0.25×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.42，磨损率为0.34×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.48，磨损率为0.74×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80-160km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例5
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到1200℃，保温1小时，随炉冷却至室温。
将5Kg LC9铝合金加入到坩埚中，将温度升至700℃，待铝全部熔化，加入3Kg平均粒径为100μm碳化硅颗粒，开始搅拌，搅拌温度为700℃，搅拌速度为1500rmp，搅拌时间持续2小时；搅拌结束后，将温度提高50℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得碳化硅铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在400℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.44，磨损率为0.24×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.48，磨损率为0.31×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.50，磨损率为0.64×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80-160km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例6
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将氧化铝加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后置于干燥箱中于200℃下干燥。
将5Kg A356铝合金加入到坩埚中，将温度升至700℃，待铝全部熔化，加入1.8Kg平均粒径为80μm氧化铝颗粒，开始搅拌，搅拌温度为680℃，搅拌速度为1000rmp，搅拌时间持续1小时；搅拌结束后，将温度提高30℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得氧化铝铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在500℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.25，磨损率为0.31×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.28，磨损率为0.83×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.32，磨损率为1.4×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
实施例7
本实施例提供一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，包括如下步骤：
将平均粒径为30μm的碳化硅加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到1200℃，保温1小时，随炉冷却至室温。将平均粒径为80μm氧化铝加入氢氟酸水溶液中，然后用去离子水清洗、抽滤；其后置于干燥箱中于200℃下干燥。将碳化硅和氧化铝粉粉按质量比1:1球磨混合均匀。
将5Kg A356铝合金加入到坩埚中，将温度升至700℃，待铝全部熔化，加入3.6Kg上述混合颗粒，开始搅拌，搅拌温度为680℃，搅拌速度为2000rmp，搅拌时间持续2小时；搅拌结束后，将温度提高50℃，浇注到预热模具中，实现铸造成型，随模具迅速冷却至室温，脱模后获得氧化铝铝基复合材料汽车制动盘半成品。
将所获得的汽车制动盘半成品在500℃之间进行均匀化处理；将热处理后的汽车制动盘机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
经上述步骤制备得到的铝基复合材料汽车制动盘：
100℃摩擦系数约为0.34，磨损率为0.21×10-7cm3/(N.m)；
200℃摩擦系数约为0.35，磨损率为0.37×10-7cm3/(N.m)；
300℃摩擦系数约为0.41，磨损率为0.83×10-7cm3/(N.m)。
台架实验显示80-160km/h连续10次制动，制动盘温度在300℃以内，制动盘摩擦系数基本保持不变。
如图2所示，为实施例2对应的碳化硅体积分数为45％的碳化硅铝复合材料的扫描电镜照片，从图中可以看出：碳化硅颗粒体积分数较高且均匀分布在铝基体中。
如图3所示，为铝基复合材料汽车制动盘的设计图和最终零件图。所述铝基复合材料汽车制动盘相对于铸铁制动盘减重50-60％，热导率提高2倍以上，高温耐磨性能良好，装车实验行驶20000公里后磨损量只有0.33-0.36mm。
因此，本实施例提供的制备方法可以制备汽车用铝基复合材料制动盘，并且其性能具有很好的竞争力，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力。
本发明利用复合熔铸这种工艺简单易批量化的方法制备出了较高体积分数陶瓷增强铝基复合材料汽车制动盘。以上为本发明的部分优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他的实施方式，比如改变上述实施例中的材料配比以及参数取值等，这对本领域的技术人员来说是很容易实现的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
1)增强体预处理
所述增强体采用陶瓷颗粒，对陶瓷颗粒进行预处理，去除陶瓷颗粒中脏物以及增强体表面的杂质；所述增强体为碳化硅颗粒，颗粒的尺寸在30-200μm；
2)复合熔铸
根据材料配比计算铝合金和陶瓷颗粒的质量，将计算质量的铝合金加入到坩埚中，将温度升至铝合金的熔点以上；待铝完全熔化，加入计算质量的陶瓷颗粒并开始搅拌，控制搅拌速度和搅拌温度，搅拌结束后，将温度提高到浇铸温度，浇注到预热模具中，以实现铸造成型；随模具迅速冷却至室温，脱模后获得铝基复合材料汽车制动盘半成品；所述的碳化硅颗粒，体积分数为20％-45％之间；所述的搅拌，温度控制在600-750℃之间；所述的搅拌，速度在500-2000rpm之间；所述的搅拌时间为1-2小时；所述的浇铸温度为搅拌温度以上20-50℃；
3)热处理与机加工
将通过2)所获得的汽车制动盘半成品在400-500℃之间进行均匀化处理，将均匀化处理后的汽车制动盘半成品机加工至成品尺寸，最终获得铝基复合材料汽车制动盘成品。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述增强体为碳化硅颗粒，预处理为：将碳化硅加入氢氟酸水溶液中，用去离子水清洗、抽滤；然后加入到氢氧化钠溶液中碱洗，用去离子水清洗、抽滤，最后置于干燥箱中于100-200℃下干燥；将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到800-1200℃，保温1-2小时，随炉冷却至室温。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种铝基复合材料汽车制动盘的制备方法，其特征在于，2)中，所述的铝合金为A356、LD2、LD10、LC4、LC9、LY12铝合金中至少一种。
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