CN111656040A - 用于制造制动盘的方法和用于盘式制动器的制动盘 - Google Patents

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Abstract

用于制造包括制动带和钟形件的制动盘的方法，包括以下操作步骤：a)提供具有内部腔体的模具，该内部腔体包括形状与待制作的制动盘的制动带相对应的第一部分和形状与待制作的制动盘的钟形件相对应的第二部分，其中所述内部腔体的第一和第二部分彼此连通；b)提供由多孔陶瓷材料制成的预成型件，该预成型件具有待制作的制动盘的制动带的形状；c)将所述预成型件放置在模具内、处于所述内部腔体的第一部分处；e)将液态或半固态的铝合金引入模具的整个内部腔体内，以便：使多孔陶瓷材料的预成型件被所述铝合金渗入，在第一部分获得限定待制作的制动盘的制动带的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料；并且使第二部分被所述铝合金填充，获得与由金属基质复合材料制成的制动带一体连接并限定待制作的制动盘的钟形件的铝合金铸件。

Description

用于制造制动盘的方法和用于盘式制动器的制动盘
技术领域
本发明涉及用于制造制动盘的方法以及用这种方法制作的制动盘。
背景技术
车辆的盘式制动系统的制动盘包括环形结构或制动带，并且包括被称为钟形件的中央紧固元件，通过该中央紧固元件，盘被固定至车辆的悬挂系统的旋转部分，例如轮毂。制动带被设置有适于与摩擦元件(制动垫)协作的相反的制动表面，摩擦元件容纳在至少一个夹持器本体中，该夹持器本体被放置成跨骑于所述制动带并且与车辆悬挂系统的非旋转部件成一体。在相反的制动垫与制动带的相反的制动表面之间的受控相互作用由于摩擦而引起制动作用，该制动作用允许车辆减速或停止。
通常，制动盘由灰铸铁或钢制成。实际上，这些材料允许以相对低的成本获得良好的制动性能(特别是在限制磨损方面)。由碳或碳陶瓷材料制成的盘提供显著较好的性能，但成本显著较高。
作为灰铸铁或钢制盘的替代，已经提出由铝制成的盘以减轻盘的重量。铝制盘被设置有保护涂层。防护涂层一方面用于减少盘的磨损并因此确保类似于铸铁制盘的性能，另一方面用于保护铝基底免受制动过程中产生的远高于铝的软化温度(200-400℃)的温度的影响。
现今可用的并且施加在铝制盘上的保护涂层尽管提供耐磨性，但是经常会经受脱落，其使保护涂层与盘本身分离。这使盘的生产过程复杂化。实际上，盘必须经受表面抛光处理，并且还必须准备好与钟形件的连接。
根据前述明显的是，具有保护涂层的铝或铝合金制盘目前不能完全替代钢或灰铸铁制盘。
然而，铝与钢和灰铸铁两者相比的较低密度在制动系统领域使操作者就作为钢和灰铸铁的优异替代物而言对铝保持非常高的兴趣。
因此，在相关领域中，需要具有下述铝基制动盘，该铝基制动盘一方面允许利用源自铝的(首先，归因于其较低的密度的)操作特性，另一方面具有与钢或铸铁制盘相当的机械和耐磨特性。还需要以尽可能简单且有成本效益的生产过程来制作这样的盘。
发明内容
通过根据权利要求1的用于制造制动盘的方法和根据权利要求15的用于盘式制动器的制动盘满足了以下需要：具有下述铝基制动盘的需要，该铝基制动盘一方面允许利用源自铝的(首先，源自较低的密度的)操作特性，另一方面表现出与钢或灰铸铁制盘相当的机械和耐磨特性；以及同时这样的铝基制动盘能以尽可能简单且有成本效益的生产过程来获得的需要。
根据本发明的用于制造制动盘(包括制动带和钟形件)的方法包括以下操作步骤：
a)提供具有内部腔体的模具，该内部腔体包括第一部分和第二部分，该第一部分的形状与待制作的制动盘的制动带相对应，该第二部分的形状与待制作的制动盘的钟形件相对应，其中内部空腔的第一部分和第二部分彼此连通；
b)提供由多孔陶瓷材料制成的预成型件，其具有待制作的制动盘的制动带的形状；
c)将所述预成型件放置在模具内、处于内部腔体的第一部分处；以及
d)将液态或半固态的铝合金引入模具的整个内部腔体内，以便：
-使由多孔陶瓷材料制成的预成型件被所述铝合金渗入，在第一部分处获得限定待制作的制动盘的制动带的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料，并且
-使第二部分被所述铝合金填充以获得铝合金熔合体，该铝合金熔合体与由金属基质复合材料制成的制动带一体连接并且限定待制作的制动盘的钟形件。
将铝合金引入模具内的步骤b)可以根据下述来实施：
-在液态状态下进行渗入的技术；
-挤压铸造技术；
-在半固态状态下进行渗入的技术；或者
-通过重力进行渗入的技术。
优选地，通过使表面上涂覆有聚合物粘合剂组合物的许多陶瓷材料颗粒依次经受成型、脱粘和烧结，来获得由多孔陶瓷材料制成的所述预成型件。
优选地，所述陶瓷材料选自由下述构成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。
有利地，以单轴或等渗压(isostatic，均衡)方式实施成型。
优选地，在空气流动条件下、在低于700℃的温度处进行所述脱粘，直到存在于在成型后的许多陶瓷材料颗粒中的有机相完全消除。
优选地，在惰性气氛中、在不低于1,600℃的温度处进行所述烧结。
有利地，由多孔陶瓷材料制成的预成型件具有均一的密度和均一的孔隙率。
有利地，限定待制作的制动盘的制动带的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料具有下述铝合金基质，所述铝合金基质的结构与陶瓷预成型件的孔隙率相对应地均匀分布在所述陶瓷预成型件内。
特别地，限定待制作的制动盘的制动带的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料由下述构成：按重量计占35％至60％的源自所述预成型件的陶瓷增强材料，以及按重量计占40％至65％的铝合金金属基质。
优选地，所述铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
根据本发明的用于盘式制动器的制动盘包括制动带和连接至所述制动带的钟形件。制动带由用陶瓷材料增强的铝基金属基质复合材料构成。
前述复合材料是通过使铝合金渗入由多孔陶瓷材料制成的预成型件来获得的，该预成型件具有与制动带相对应的形状。
所述钟形件与制动带一体连接，并且由铝合金与构成制动带的金属基质复合材料的共熔体构成。
有利地，铝合金基质的结构均匀分布在所述复合材料内。
特别地，所述复合材料由按重量计占35％至60％的陶瓷增强材料和按重量计占40％至65％的铝合金金属基质构成。
优选地，铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
优选地，所述陶瓷材料选自由下述构成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。
特别地，构成所述制动带的复合材料具有在2.8至3.1g/cm3之间的密度，并且具有在140至175GPa之间的弹性模量。
附图说明
根据以下对本发明的优选的非限制性实施方式的描述，本发明的另外的特征和优点将更加清楚，其中：
图1示出了用于制造根据本发明的制动盘的模具的示意图，该制动盘具有铝基MMC制动带和与制动带共熔的铝合金钟形件；
图2示出了陶瓷预成型件的立体图，该陶瓷预成型件限定根据本发明的由MMC制成的最终制动带的增强结构；以及
图3示出了在根据本发明的制动盘的直径平面上的正交截面图，该制动盘具有铝基MMC制动带和与制动带共熔的铝合金钟形件。
在下文用相同的附图标记指代所描述的实施方式共同的元件或元件的部分。
具体实施方式
参照上述附图，附图标记1总体上表示根据本发明的制动盘。
根据本发明的总体实施方式，如附图所示，制动盘1包括制动带2，其被设置有两个相反的制动表面2a和2b，每个制动表面至少部分地限定盘的两个主面中之一。
制动盘1还包括连接至制动带2的钟形件3。
根据本发明的第一方面，制动带由用陶瓷材料增强的铝基金属基质复合材料构成。
总体上，上述复合材料属于本领域中称为MMC(Metal Matrix Composite，金属基质复合材料)的复合材料的类别。
在制动带2中使用这种铝基MMC复合材料允许机械和化学物理特性与铝的那些机械和化学物理特性(特别是密度，并因此质轻)保持一致，并且允许同时(与铝或其合金的简单铸造相比)添加针对重型应用的功能特性，诸如制动系统所需的特性，而无需在制动表面上的保护涂层。
更详细地，与铝或其合金相比，陶瓷材料的增强的存在实际上允许获得较大的硬度、较大的刚度、较高的摩擦系数和较大的耐磨性。所有这些特性使得具有陶瓷增强的铝基铝基质复合材料适合用作制动盘。
以此方式，可以制作具有铝的有利特性(特别地，与钢和铸铁相比密度较低)的制动带，同时避免了为制动表面提供保护涂层的需要，保护涂层在生产和操作上都有相对的限制和缺点。
优选地，制成增强物的所述陶瓷材料选自由下述组成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。甚至更优选地，上述陶瓷材料是碳化硅或氧化铝。
如将在以下接着描述的，形成制动盘1的制动带2的MMC复合材料是通过使多孔陶瓷预成型件被铝合金渗入而获得的。有利地，以上列出的陶瓷材料能够耐受熔融金属渗入的步骤，而不会改变它们的物理化学结构，并且不会以任何方式在宏观和微观上受到损坏。而且出于此原因，它们特别适合于制作上述复合材料。
优选地，铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
特别地，铝合金选自3xx.x和4xx.x组(根据IADS-国际合金名称系统的命名法)，或选自4xxxx和5xxxx组(根据欧洲名称EN-1780-1的命名法)。
更详细地，在3xx.x组(IADS)或4xxxx组(EN-1780-1)的合金中，主要合金元素是锰。通常，锰赋予的优点是增加了加工合金的机械强度，并降低了对晶间腐蚀和应力腐蚀的敏感性。
在4xx.x组(IADS)或5xxxx组(EN-1780-1)的合金中，主要合金元素是硅。硅的重要性归因于流动性的增加以及归因于由少量这种合金化剂的添加所赋予的热膨胀系数的降低，这是铸造技术中非常有用的特性。
以特别优选的方式，铝合金选自由下述构成的组：硅合金，特别是4xx.x组(IADS)或5xxxx组(EN-1780-1)的合金。
有利地，铝合金的基质的结构均匀分布在复合材料内。如将在下面接着描述的，这可以通过使在整个体积上具有均一孔隙率的多孔陶瓷材料预成型件被铝合金渗入来实现。由于渗入过程，铝合金渗透到陶瓷材料的孔隙中，创建均质的结构。
优选地，所述复合材料由按重量计占35％至60％的陶瓷增强材料和按重量计40％至65％的铝合金金属基质构成。
有利地，构成制动带2的MMC复合材料具有：
-在2.8至3.1g/cm3之间的密度；
-在0％和5％之间的残留孔隙率，以及
-在140至175GPa之间的弹性模量。
根据本发明的另一方面，所述钟形件3与制动带2一体地连接，并且由铝合金与构成制动带2的金属基质复合材料的共熔体构成。
如将在以下描述中继续说明的，钟形件3在相同模具中获得，其中使用相同的铝合金对陶瓷材料的预成型件进行铝合金渗入。以此方式，在相同的操作步骤中，形成了复合材料并且铸造出钟形件，从而获得两种材料的完全结合。
制造与制动带共熔合的钟形件允许显著简化生产过程。实际上，防止了必须准备专用于生产钟形件的生产线和将钟形件组装在带上的组装线。
本发明的以上两个基本方面的组合允许具有铝基制动盘，其一方面允许利用源自铝的(首先，源自较低的密度的)操作特性，另一方面具有与钢或灰铸铁制盘相当的机械和耐磨特性，同时能利用简单且有成本效益的生产过程获得。
***
为了简化处理，现在将结合根据本发明的方法来描述制动盘1。制动盘1优选但非必需地由现在将描述的根据本发明的方法制成。
根据本发明的方法的大体实施方式，该方法包括第一操作步骤a)：提供具有内部腔体11的模具10，该内部腔体包括第一部分11a和第二部分11b，该第一部分具有的形状与待制作的盘式制动器1的制动带2相对应，该第二部分具有的形状与待制作的制动盘1的钟形件3相对应。
这样的内部腔体11的第一部分11a和第二部分11b彼此连通，如图1所示，该图示意性地示出了可以在根据本发明的方法中使用的模具的示例。
有利地，如图1所示，模具包括用于将铝合金直接注入模具10的内部腔体11的第一部分中的多个第一开口12。这些第一开口12围绕形状与制动盘的制动带2相对应的第一部分11a的轴向延伸部在径向上延展。模具包括用于将铝合金直接注入模具10的内部腔体11的第二部分中的第二开口13。所述第二开口13与形状和待制造的制动盘1的钟形件3相对应的第二部分11b的周向延伸部同轴地延展。因此，在操作上，铝合金的注入可以从若干点进行，从而防止合金向第一部分11a中的引入对合金向模具的第二部分11b中的引入造成影响。
该方法包括第二操作步骤b)：提供由多孔陶瓷材料制成的预成型件20，该预成型件具有待制作的制动盘1的制动带2的形状。
该方法还包括以下操作步骤：
-c)将所述预成型件20放置在模具内、处于所述内部腔体11的第一部分11a处；以及
-d)将液态或半固态的铝合金引入到模具10的整个内部腔体内。
实施铝合金的引入，以便：使由多孔陶瓷材料制成的预成型件20被所述铝合金渗入，从而在第一部分11a处获得通过所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料，该铝基金属基质复合材料限定待制作的制动盘的制动带2；并且使第二部分11b被所述铝合金填充，从而获得与由金属基质复合材料制成的制动带2一体连接并限定待制作的制动盘1的钟形件3的铝合金熔合体。
有利地，将铝合金引入模具内的步骤b)可以根据适合于该目的的任何技术来实施。
特别地，可以如下来实施步骤b)：
-根据在液态状态下进行渗入的技术；
-根据挤压铸造技术；
-根据重力进行渗入的技术，或
-根据在半固态状态下进行渗入的技术。
前述渗入技术是本领域技术人员公知的，因此在此将不进行描述。
优选地，将铝合金引入模具内的步骤b)是根据在半固态状态下进行渗入的技术实施的。实际上，已经证实该技术较适合于对陶瓷预成型件进行渗入，使得在该过程结束时，所得的MMC材料盘贯穿其整个结构均具有均一特性。同时，该技术适合在同一过程中形成钟形件。
更详细地，在半固态阶段的渗入在所使用铝合金的液相线和固相线之间的温度处发生，合金处于半固态状态。由于半固态物质的低粘度，在模具中进行注入的过程和渗入容易发生，且湍流较小。产生的所得微观结构包括通过熔融材料在凝固前的混合而形成的圆形晶粒(小球)。由于在模具中以及在多孔陶瓷材料的预成型件的孔隙内开始固化的合金已经部分固化的事实，收缩减小，因此其孔隙也减小。
根据该方法的优选实施方式，通过使在表面上涂覆有粘合聚合物组合物的许多陶瓷材料颗粒依次经受以下操作步骤来获得上述多孔陶瓷材料的预成型件20：成型、脱粘和烧结。
有利地，上述陶瓷材料颗粒是被认为“准备好压制”的粉末颗粒。在市场上可得的这种类型的粉末允许在成型后获得“净形(net shape，网状)成型”产品，而不需要除粉末本身之外的其他成分或添加剂。
优选地，颗粒制成的所述陶瓷材料选自由下述构成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。甚至更优选地，上述陶瓷材料是碳化硅或氧化铝。
有利地，如上所强调的，上面列出的陶瓷材料能够耐受铝的渗入步骤，而不会改变它们的物理化学结构，并且不会以任何方式在宏观和微观上受到损坏。因此，这些材料允许陶瓷预成型件20在渗入步骤期间不改变。
优选地，涂覆陶瓷材料颗粒的粘合聚合物组合物选自由热塑性聚合物和热固性聚合物构成的组。
优选地，通过单轴或等渗压途径，或允许获得具有这种尺寸和形状的预成型件的任何其他技术，来进行许多陶瓷材料颗粒的成型。
在成型结束时，获得前述陶瓷材料颗粒的聚集体，其通过由粘合聚合物组合物的相应涂层产生的陶瓷连接微观结构彼此连接。该聚集体包含源自颗粒涂层的有机残留物。这些有机残留物在脱粘步骤中被去除。
有利地，在空气流动条件下、在低于700℃的温度处进行脱粘，直到存在于成型后的许多陶瓷材料颗粒中的有机相完全消除。
在脱粘步骤结束时，获得了基本由陶瓷材料构成的坯体。然后，使该坯体经受烧结步骤，该烧结步骤将坯体转变成通过在各个陶瓷颗粒之间形成桥[我们可以使用表述“连接结构/桥”代替“桥”吗，或者表述“桥”具有特定值吗？]而获得的连续结构。结果是本体贯穿整个结构具有均一特性。
优选地，烧结在惰性气氛中在不低于1,600℃的温度处进行。
有利地，由此获得的由多孔陶瓷材料制成的预成型件20在其整个体积上具有均一的密度和均一的孔隙率。这些特性使得预成型件适合于制造由于其被所述合金渗入得到的均质分布的铝合金基质。
优选地，预成型件20具有在35％至60％之间的平均孔隙率。
***
有利地，限定在渗入步骤d结束时获得的制动带2)的铝基金属基质复合材料(由陶瓷预成型件20增强)具有铝合金基质，该铝合金基质具有在陶瓷预成型件20内与陶瓷预成型件20的孔隙率相对应的均匀分布的结构。
优选地，由上述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料包括：
-按重量计占35％至60％的源自预成型件20的增强陶瓷材料；和
-按重量计占40％至65％的铝合金金属基质。
优选地，铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
特别地，铝合金选自3xx.x组和4xx.x组(根据IADS-国际合金名称系统的命名法)，或选自4xxxx组和5xxxx组(根据欧洲名称EN-1780-1的命名法)。
以特别优选的方式，铝合金选自由下述构成的组：硅合金，特别是4xx.x组(IADS)或5xxxx组(EN-1780-1)的合金。
为了简洁起见，不再报告与前述合金有关的信息，这意味着在描述根据本发明的制动盘1时已经提供的信息是有效的。
***
从以上描述可以看出，根据本发明的制动盘和用于制作这种制动盘的方法允许克服现有技术的缺点。
本领域技术人员可以对上述的盘和盘式制动器进行若干改变和调整，以满足特定的和偶发性的需要，所有这些都落入所附权利要求所限定的保护范围内。

Claims (20)

1.一种用于制造制动盘的方法，所述制动盘包括制动带(2)和钟形件(3)，所述方法包括以下操作步骤：
a)提供具有内部腔体(11)的模具(10)，所述内部腔体包括第一部分(11a)和第二部分(11b)，所述第一部分的形状与待制作的制动盘(1)的制动带(2)相对应，所述第二部分的形状与待制作的制动盘(1)的钟形件(3)相对应，其中所述内部腔体(11)的所述第一部分(11a)和第二部分(11b)彼此连通；
b)提供由多孔陶瓷材料制成的预成型件(20)，所述预成型件具有待制作的制动盘(1)的制动带(2)的形状；
c)将所述预成型件(20)放置在所述模具内、处于所述内部腔体(11)的所述第一部分(11a)处；以及
d)将液态或半固态的铝合金引入所述模具(11)的整个内部腔体(11)内，以便：使由多孔陶瓷材料制成的所述预成型件(20)被所述铝合金渗入，在所述第一部分(11a)处获得限定待制作的制动盘的制动带(2)的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料；以及使所述第二部分(11b)被所述铝合金填充，获得与由金属基质复合材料制成的制动带(2)一体连接的并限定待制作的制动盘(1)的钟形件(3)的铝合金熔合体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据在液态状态下进行渗入的技术来实施将所述铝合金引入所述模具内的步骤b)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据挤压铸造技术来实施将所述铝合金引入所述模具内的步骤b)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据在半固态状态下进行渗入的技术来实施将所述铝合金引入所述模具内的步骤b)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，根据通过重力进行渗入的技术来实施将所述铝合金引入所述模具内的步骤b)。
6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，通过使表面上涂覆有聚合物粘合剂组合物的许多陶瓷材料颗粒依次经受成型、脱粘和烧结，来获得由多孔陶瓷材料制成的所述预成型件(20)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述陶瓷材料选自由下述构成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，以单轴或等渗压方式实施所述成型。
9.根据权利要求6至8中的一项或多项所述的方法，其中，在空气流动条件下、在低于700℃的温度处进行所述脱粘，直到存在于在成型后的许多陶瓷材料颗粒中的有机相完全消除。
10.根据权利要求6至9中的一项或多项所述的方法，其中，在惰性气氛中、在不低于1,600℃的温度处进行所述烧结。
11.根据权利要求6至10中的一项或多项所述的方法，其中，由多孔陶瓷材料制成的所述预成型件(20)具有均一的密度和均一的孔隙率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，限定待制作的制动盘的制动带(2)的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料具有下述铝合金基质，所述铝合金基质的结构与所述陶瓷预成型件(20)的孔隙率相对应地均匀分布在所述陶瓷预成型件(20)内。
13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，限定待制作的制动盘的制动带(2)的、由所述陶瓷预成型件增强的铝基金属基质复合材料由下述构成：按重量计占35％至60％的源自所述预成型件(20)的陶瓷增强材料，以及按重量计占40％至65％的铝合金金属基质。
14.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
15.一种用于盘式制动器的制动盘，包括制动带(2)和连接至所述制动带(2)的钟形件(3)，其特征在于，所述制动带(2)由用陶瓷材料增强的铝基金属基质复合材料构成，所述复合材料是通过使多孔陶瓷材料的预成型件被铝合金渗入来获得的，所述预成型件具有与所述制动带相对应的形状，
并且其中，所述钟形件(3)与所述制动带(2)一体连接，并且由铝合金与构成所述制动带(2)的金属基质复合材料的共熔体构成。
16.根据权利要求15所述的制动盘，其中，铝合金基质的结构均匀分布在所述复合材料内。
17.根据权利要求15或16所述的制动盘，其中，所述复合材料由按重量计占35％至60％的陶瓷增强材料和按重量计占40％至65％的铝合金金属基质构成。
18.根据权利要求15至16中的一项或多项所述的制动盘，其中，所述铝合金选自由下述构成的组：与锰的合金，以及与硅的合金。
19.根据权利要求15至18中的一项或多项所述的制动盘，其中，所述陶瓷材料选自由下述构成的组：碳化硅、氧化铝、碳化硼、碳化钨、氮化硼和氮化铝，或它们的混合物。
20.根据权利要求15至19中的一项或多项所述的制动盘，其中，构成所述制动带(2)的复合材料具有在2.8至3.1g/cm3之间的密度并且具有在140至175GPa之间的弹性模量。
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