CN110657175B - 一种复合材料制动鼓及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开车用制动鼓技术领域的一种复合材料制动鼓及其制备方法。该复合材料制动鼓包括制动鼓本体，所述制动鼓本体采用低合金铸钢整体浇注而成，所述制动鼓本体的内表面设置有复合层，所述复合层包括，C 3.3‑3.6％；Si 2.2‑2.7％；Mn 0.4‑0.7％；S≤0.015％；P≤0.020％；Cr 0.6‑1.1％；Mo 0.12‑0.25％。本发明复合材料制动鼓以低合金钢材作为基体材料，具有高的抗拉强度和冲击韧性，在使用过程中不易开裂，安全性能高；动鼓内表面的复合层材质接近于灰铸铁，使得复合材料制动鼓具有自润滑作用，耐磨性好；同时制动鼓内表面由于低合金钢材中的合金成分，同等制动力条件下磨耗仅是灰铸铁的一半，制动鼓的使用寿命更长；由复合材料替代灰铸铁，制动鼓性能更好，结构更轻便，产品质量稳定。

Description

一种复合材料制动鼓及其制备方法
技术领域
本发明涉及车用制动鼓技术领域，具体涉及一种复合材料制动鼓及其制备方法。
背景技术
鼓式制动器也叫块式制动器，是一种常用的制动器产品，可以使运动部件减速、停止或保持停止状态，起到保护行车安全的作用。鼓式制动器利用制动传动机构使制动蹄将制动摩擦片压紧在制动鼓内侧，从而产生制动力，根据需要使车轮减速或在最短的距离内停车，以确保行车安全，并保障汽车停放可靠不能自动滑移。
鼓式制动器的主流是内张式，其制动块(刹车蹄)位于制动轮内侧，在刹车时制动块向外张开，摩擦制动轮的内侧，达到刹车的目的。鼓式制动器造价便宜，符合传统设计。鼓式刹车有良好的自刹作用，对于重型车来说，由于车速不高，刹车蹄的耐用程度也比盘式制动器高，因此许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。
与盘式制动器相比，鼓式制动器的制动效能和散热性能差。鼓式制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不易于掌控。鼓式制动器的散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量，制动块和制动鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。目前常用的制动鼓材质为灰铸铁(HT250)，其高温疲劳性能较差，在反复受热和淋水时易发生开裂和炸开，危及人员和车辆安全。制动鼓的使用寿命因道路条件不同、超载与否、驾驶员操作习惯以及制造厂家不同有很大差异。一般而言，卡车原厂配置可达3-5万公里，配件市场的鼓则大多在3万公里以下，甚至不足1万公里；灰铸铁材质卡车制动鼓的失效形式，开裂和龟裂占“破坏”总数的90％以上，而磨损(正常磨损和非正常磨损的总和)只占总数的1.3％。因此，解决制动鼓开裂对于提高鼓式制动器的安全性有着非常重要的意义。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种复合材料制动鼓及其制备方法。
一种复合材料制动鼓，包括制动鼓本体，其特征在于，所述制动鼓本体采用低合金铸钢整体浇注而成，所述制动鼓本体的内表面设置有复合层，所述复合层包括，
Figure BDA0002198791320000011
Figure BDA0002198791320000021
所述复合层还包括Li和/或Ca。
所述复合层的厚度，根据需要，一般在0.5-3.0mm之间，满足功能需要。
所述制动鼓本体包括摩擦体和基座，所述摩擦体上均匀分布地并列设置6-16组通风排屑孔，每组通风排屑孔均平行于复合材料制动鼓中心轴。
所述每组通风排屑孔的数量为5-8个；所述摩擦体的壁厚为5.5-16.5mm。
一种复合材料制动鼓的制备方法，包括如下步骤，
制备型腔和砂芯；
将渗碳剂涂覆在所述砂芯表面；
将低合金铸钢溶液浇注所述型腔，冷却；
其中，以所述渗碳剂的总质量计，所述渗碳剂包括，
石墨粉40-45wt％、硅铁粉18-20wt％、粘结剂2-4wt％、悬浮稳定剂2-8wt％、助剂0.5wt％和乙醇28-35wt％。
所述石墨粉的粒径为600-800目；
所述硅铁粉的粒径为800-1000目；
所述粘结剂为酚醛树脂和/或低熔点玻璃粉；
所述悬浮稳定剂为锂变性膨润土和/或钙基膨润土；
所述助剂包括增稠剂和助溶剂。
所述悬浮稳定剂为钙基膨润土，所述钙基膨润土4-8wt％；
优选地，所述悬浮稳定剂为锂变性膨润土，所述锂变性膨润土2-5wt％；
所述增稠剂为改性丙烯酸碱；
所述助溶剂为异辛醇和/或失水山梨醇聚氧乙烯脂肪酸酯，优选地，所述助溶剂为异辛醇和失水山梨醇聚氧乙烯脂肪酸酯的复合有机溶剂。
所述砂芯为树脂砂或水玻璃砂。
以所述低合金铸钢的总质量计，所述低合金铸钢包括，
Figure BDA0002198791320000022
Figure BDA0002198791320000031
所述低合金铸钢溶液的温度为1580-1620℃，浇注时间为40-55s。
采用保温冒口补缩的方式实现顺序冷却。具体地，通过铸型结构设计,对于重要部位优化结构，采用冷铁等措施，采用优先凝固原则，在最后凝固部位添加冒口补缩，既实现了顺序凝固，又避免缺陷产生。
上述的制备方法，还包括热处理和机加工。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的复合材料制动鼓，制动鼓本体采用低合金铸钢整体浇注而成，制动鼓本体的内表面设置有复合层，复合层的成分接近于灰铸铁。
一方面，本发明复合材料制动鼓以低合金钢材作为基体材料，低合金钢材的抗拉强度是灰铸铁的2-3倍，弹性模量大于灰铸铁，延伸率是铸铁的10倍以上，导热性与灰铸铁相当，因此，该复合材料制动鼓具有高的抗拉强度和冲击韧性，基体材料延伸率超过8％，热疲劳性能优于灰铸铁制动鼓，在使用过程中不易开裂，安全性能高。低合金钢材基体刚度大，其真圆精度较灰铸铁高，因此刹车平稳性能佳，可减轻刹车抖动现象。
另一方面，制动鼓内表面的复合层材质接近于灰铸铁，使得复合材料制动鼓具有自润滑作用，耐磨性好；同时制动鼓内表面由于低合金钢材中的合金成分，同等制动力条件下磨耗仅是灰铸铁的一半，制动鼓的使用寿命更长；由复合材料替代灰铸铁，制动鼓性能更好，结构更轻便，产品质量稳定。
2、本发明制动鼓本体的周壁上设置有通风排屑孔结构，该复合材料制动鼓比灰铸铁制动鼓减重10-30％，惯性阻力减小，安全性能高，在降低制动鼓制作成本的同时更可以降低油耗；通风排屑孔结构有利于制动过程中刹车片产生的碎屑的排出，且散热性能更好；发动机负荷与发动机的寿命呈负相关，由于复合材料制动鼓的质量减轻，延长了发动机寿命。
3、本发明复合材料制动鼓强度高、防腐蚀、耐磨性能优于灰铸铁，可以提供更大的制动力矩，对于改善车辆的制动性能、轮胎寿命和制动系统的运动平稳性，尤其是在提高安全性方面起到了较大的作用。复合材料制动鼓的高强度和轻量化提高了尺寸稳定性和刹车稳定性，增加了驾驶乐趣。
4、本发明采用铸渗工艺制备复合材料制动鼓，利用浇注金属的凝固余热，使渗碳剂在制动鼓内表面形成复合层，复合层过度均匀，复合材料的结合致密性高，使用过程中不易掉块。本发明将铸造和表面处理结合起来并一次完成，具有工艺简单、生产周期短、能耗低等优点，适合工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明复合材料制动鼓的生产工艺流程图；
图2是本发明复合材料制动鼓的结构示意图；图2-1为复合材料制动鼓的侧视图；
图2-2为复合材料制动鼓的俯视图；图2-3为复合材料制动鼓的剖面图；图2-4为复合材料制动鼓的主视图；
图3是本发明复合材料制动鼓的结构图；
附图标记说明：
1-基座；2-排屑孔；3-复合层；4-摩擦体。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例1
本实施例提供的复合材料制动鼓如图2和3所示，制动鼓本体包括摩擦体4和基座1，摩擦体4上均匀分布地并列设置12组排屑孔2，每组排屑孔2的数量为6个，每组排屑孔2均平行于复合材料制动鼓中心轴，摩擦体的壁厚为16mm。
复合材料制动鼓的生产工艺流程如图1所示。
采用ANSYS结构优化和强度校核，设计出芯盒和型腔模型。
选取制动化造型设备制作浇注型腔，采用射芯机制作砂芯。
以ZG35CrMoV合金钢(强度≥800MPa)作为制动鼓基体材料。
采用适当的融化设备提前进行合金钢熔炼，所得合金钢溶液备用。
选择合适的渗碳剂备用，石墨粉45wt％、硅铁粉20wt％、粘结剂4wt％、悬浮稳定剂2wt％、助剂0.5wt％和乙醇28.5wt％。
将上述渗碳剂涂敷在砂芯表面(砂芯表面与制动鼓内表面接触)。
采用重力法成型工艺，将合金铸钢溶液浇入型腔，钢水浇注温度1620℃，浇注时间55秒，采用保温冒口补缩的方式实现顺序冷却。具体地，通过铸型结构设计,对于重要部位优化结构，采用冷铁等措施，采用优先凝固原则，在最后凝固部位添加冒口补缩，既实现了顺序凝固，又避免缺陷产生。
取出制动鼓，经过热处理、机加工(落砂-抛丸-粗加工-调质-精加工)，得到最终的复合材料制动鼓。
复合材料制动鼓内表面复合层采用火花式直读光谱仪，即原子发射光谱仪直接激发复合材料表面，测定其成分，包括，
Figure BDA0002198791320000051
实施例2
本实施例复合材料制动鼓的生产工艺流程如图1所示。
采用ANSYS结构优化和强度校核，设计出芯盒和型腔模型。
选取制动化造型设备制作浇注型腔，采用射芯机制作砂芯。
以ZG35CrMoV合金钢(强度≥800MPa)作为制动鼓基体材料。
采用适当的融化设备提前进行合金钢熔炼，所得合金钢溶液备用。
选择合适的渗碳剂备用，石墨粉40wt％、硅铁粉18wt％、粘结剂2wt％、悬浮稳定剂4.5wt％、助剂0.5wt％和乙醇35wt％。
将上述渗碳剂涂敷在砂芯表面(砂芯表面与制动鼓内表面接触)。
采用重力法成型工艺，将合金铸钢溶液浇入型腔，钢水浇注温度1580℃，浇注时间40s，采用保温冒口补缩的方式实现顺序冷却。具体地，通过铸型结构设计,对于重要部位优化结构，采用冷铁等措施，采用优先凝固原则，在最后凝固部位添加冒口补缩，既实现了顺序凝固，又避免缺陷产生。
取出制动鼓，经过热处理、机加工(落砂-抛丸-粗加工-调质-精加工)，得到最终的复合材料制动鼓。
复合材料制动鼓内表面复合层采用火花式直读光谱仪，即原子发射光谱仪直接激发复合材料表面，测定其成分，包括，
Figure BDA0002198791320000061
实施例3
本实施例复合材料制动鼓的生产工艺流程如图1所示。
采用ANSYS结构优化和强度校核，设计出芯盒和型腔模型。
选取制动化造型设备制作浇注型腔，采用射芯机制作砂芯(砂芯表面与制动鼓内表面接触)。
以ZG35CrMoV合金钢(强度≥800MPa)作为制动鼓基体材料。
采用适当的融化设备提前进行合金钢熔炼，所得合金钢溶液备用。
选择合适的渗碳剂备用，石墨粉45wt％、硅铁粉20wt％、粘结剂4wt％、悬浮稳定剂2wt％、助剂0.5wt％和乙醇28.5wt％。
将上述渗碳剂涂敷在砂芯表面(砂芯表面与制动鼓内表面接触)。
采用重力法成型工艺，将合金铸钢溶液浇入型腔，钢水浇注温度1596℃，浇注时间45秒，采用保温冒口补缩的方式实现顺序冷却。具体地，通过铸型结构设计,对于重要部位优化结构，采用冷铁等措施，采用优先凝固原则，在最后凝固部位添加冒口补缩，既实现了顺序凝固，又避免缺陷产生。
取出制动鼓，经过热处理、机加工(落砂-抛丸-粗加工-调质-精加工)，得到最终的复合材料制动鼓。
复合材料制动鼓内表面复合层采用火花式直读光谱仪，即原子发射光谱仪直接激发复合材料表面，测定其成分，包括，
Figure BDA0002198791320000071
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种复合材料制动鼓的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
制备型腔和砂芯；
将渗碳剂涂覆在所述砂芯表面；
将低合金铸钢溶液浇注所述型腔，冷却；
其中，以所述渗碳剂的总质量计，所述渗碳剂包括，
石墨粉40-45wt%、硅铁粉18-20wt%、粘结剂2-4wt%、悬浮稳定剂2-8wt%、助剂0.5wt%和乙醇28-35wt%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨粉的粒径为600-800目；
所述硅铁粉的粒径为800-1000目；
所述粘结剂为酚醛树脂和/或低熔点玻璃粉；
所述悬浮稳定剂为锂变性膨润土和/或钙基膨润土；
所述助剂包括增稠剂和助溶剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮稳定剂为锂变性膨润土；
所述增稠剂为改性丙烯酸碱；
所述助溶剂为异辛醇和/或失水山梨醇聚氧乙烯脂肪酸酯。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述砂芯为树脂砂或水玻璃砂。
5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，以所述低合金铸钢的总质量计，所述低合金铸钢包括，
C 0.32～0.40wt%
Si 0.17～0.37wt%
Mn 0.40～0.70wt%
S ≤0.020wt%
P ≤0.015wt%
Cr 0.80～1.10wt%
Mo 0.15～0.25wt% 。
6.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述低合金铸钢溶液的温度为1580-1620℃，浇注时间为40-55s。
7.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，采用保温冒口补缩的方式实现顺序冷却。
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