CN113930645A - 一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金/铝合金‑陶瓷组合的车用制动盘，属于汽车零件复合材料技术领域，该制动盘具有质量轻、安全性高、耐磨性好的特点；包括制动盘主体及镶铸于制动盘主体刹车面的耐磨层，所述的制动盘主体为铝合金基体材料，所述的铝合金基体材料由以下百分比的材料组成：铝70～92％，硅0.1～8％，铜0.1～2.6％，镁0.1～3.0％，锌0.1～6％，锰0.1～0.5％，铬0.1～0.5％，镍0～0.5％，铒0.1～0.5％，锆0.1～0.5％，所述的耐磨层由以下百分比材料组成：铝合金基体70～95％，陶瓷相5～30％。发明还公开了该种铝合金/铝合金‑陶瓷组合的车用制动盘的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零件复合材料的技术领域，更具体地说，尤其涉及一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘；本发明还涉及该种制动盘的制备方法。
背景技术
轨道交通、新能源汽车已成为我国的重要高新技术产业，这些交通工具都需要使用到制动盘。目前现有的制动盘主要采用铸铁产品，存在重量大、浪费能源、易生锈龟裂、安全性不够等缺点。制动盘作为新能源汽车减重节能的重要零部件，如何将轻量化不易生锈并高耐磨的铝合金陶瓷复合材料应用到制动盘中是未来制动盘发展的新方向，日本、欧美等很多国家也正在积极的开发铝—陶瓷复合材料的制动盘。传统汽车也都采用铸铁的刹车盘，对其进行轻量化改进也同样具有重大意义。
目前主要的技术研究方向是直接将铝合金和陶瓷材料混合搅拌后铸造成型，由于陶瓷与基体铝合金之间的比重差异，造成了陶瓷颗粒很难均匀分散，陶瓷与铝合金基体的结合强度不高，热摩擦工况下易疲劳脱落，铝合金陶瓷复合材料的制动盘结构强度和量产质量的可靠性不理想。面对目前世界各国对制动盘材料的研究，我国对制动盘材料轻量化迭代升级的技术研究也十分迫切。因此，亟待设计一种能将陶瓷和铝合金更好结合的制动盘，以解决上述问题。
发明内容
本发明的前一目的在于提供一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，该制动盘具有质量轻、安全性高、耐磨性好的特点。本发明的后一目的在于提供该种制动盘的制备方法，利用该制备方法制备的制动盘质量稳定，生产效率高。
本发明的前一技术方案如下：
一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体，其中，所述制动盘主体的刹车面镶铸设有耐磨层，所述的制动盘主体为铝合金基体材料，所述的铝合金基体由以下百分比的材料组成：铝70～92％，硅0.1～8％，铜0.1～2.6％，镁0.1～3.0％，锌0.1～6％，锰0.1～0.5％，铬0.1～0.5％，镍0～0.5％，铒0.1～0.5％，锆0.1～0.5％，所述的耐磨层由以下百分比材料组成：铝合金基体70～95％，陶瓷相5～30％，总原来百分比总和为100％。
进一步的，所述的陶瓷相为六肽酸钾晶须、碳化硅纤维和碳化硅陶瓷颗粒中的一种或者多种组合而成。
进一步的，所述的耐磨层是一体环或者多块拼接组成的环，其厚度为5～10mm。
本发明的后一技术方案如下：
上述一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，并将其熔炼、精炼、气雾化制粉后得铝合金粉末；
(2)按比例取步骤(1)所得铝合金粉末、陶瓷相混合得复合粉体；
(3)将步骤(2)所得复合粉体放入铝合金包套中焊封，再进行热真空除气得真空粉末包套；
(4)将步骤(3)所得内真空粉末包套热挤压成型，切割及加工外围尺寸后得耐磨层，将多片耐磨层按尺寸组合得耐磨环；
(5)将步骤(4)所得耐磨层嵌放入车用制动盘热压模具的模腔中对应的刹车面上，按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，混合熔炼、精炼后压铸入已放置了耐磨层的车用制动盘热压模具的模腔中，铸模得压铸盘；
(6)将步骤(5)所得压铸盘热处理后得一体盘坯件；
(7)将步骤(6)所得一体盘坯件按装配尺寸精加工后即得。
进一步的，在所述的步骤(1)中，熔炼温度为680～750℃，所得铝合金粉末粒度为-100目。
进一步的，所述的步骤(2)中，混合时使用陶瓷球作为球磨介质，球磨时间为2～6小时。
进一步的，所述步骤(4)中，热压温度为380～480℃，挤压比为6～12：1，挤压方式为正挤压或者反挤压。
进一步的，所述步骤(6)中，热处理包括固溶、淬火和时效三个过程，所述的固溶温度为450～480℃，保温时间为2小时，所述的淬火温度为55～65℃，所述的时效温度为125℃，时间为12～24小时。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体，所述制动盘主体的刹车面镶铸设有耐磨层，发明的车用制动盘质量轻，其重量为原铸铁制动盘重量1/3,轻量化节能。
2.本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘克服了铝合金陶瓷复合材料整体压铸成型陶瓷相分布不均、陶瓷相结合不牢固、材料强度低的不足的问题，本发明制动盘主体结构材料采用铸造铝合金(无陶瓷相材料)压铸性能好，使制动盘主体有理想的强度和便于复杂的散热设计，而耐磨层采用热挤压成型工艺陶瓷相与铝合金基体材料结合强度大大提高，克服了陶瓷相易脱落的问题，实现了全铝合金制动盘的商业化生产要求。
3.本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘中制动盘主体的铝合金与刹车耐磨层基体铝合金成份一致，镶铸成型后热处理工艺一致，结合性能好，无异质材料界面腐蚀问题，不易生锈，运行安全性可靠。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1的结构示意图1；
图2是本发明实施例1的结构示意图2；
图3是本发明实施例2的结构示意图1；
图4是本发明实施例2的结构示意图2。
附图标记说明：1-制动盘主体；2-耐磨层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
参照图1所示，本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体1，其中，所述制动盘主体1的刹车面设有耐磨层2，所述的制动盘主体1为铝合金基体材料，所述的铝合金基体由以下百分比的材料组成：铝70～92％，硅0.1～8％，铜0.1～2.6％，镁0.1～3.0％，锌0.1～6％,锰0.1～0.5％，铬0.1～0.5％，镍0.05～0.5％，铒0.1～0.5％，锆0.1～0.5％。所述的耐磨层2由以下百分比材料组成：铝合金基体70～95％，陶瓷相5～30％，总原料百分比总和为100％。在制动盘主体1的刹车面设置耐磨层2，耐磨层2使用铝合金和陶瓷相复合材料，可以增加耐磨性，以获得结构复杂、散热高效、摩擦工作面耐磨耐蚀的轻量化铝合金--陶瓷复合结构制动盘。
进一步的，所述的陶瓷相为六肽酸钾晶须、碳化硅纤维和碳化硅陶瓷颗粒中的一种或者多种组合而成。六肽酸钾晶须的晶须直径小于50纳米，径长比为1：50～100，碳化硅纤维的纤维直径为500纳米，径长比为1：50～100，碳化硅陶瓷颗粒的粒度为10～20μm。
所述的耐磨层是一体环或者多块拼接组成的环，其厚度为5～10mm。
本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，并将其熔炼、精炼、气雾化制粉后得铝合金粉末。
其中，熔炼温度为680～750℃，所得铝合金粉末粒度为-100目。(2)按比例取步骤(1)所得铝合金粉末、陶瓷相混合得复合粉体。其中，混合时使用陶瓷球作为球磨介质，球磨时间为2～6小时，混合时为真空密闭环境。
(3)将步骤(2)所得复合粉体放入铝合金包套中焊封，再进行热真空除气得真空粉末包套。
(4)将步骤(3)所得内真空粉末包套热挤压成型，再切割及加工外围尺寸后得耐磨层(2)。其中，热压温度为380～480℃，挤压比为6～12，挤压方式为正挤压或者反挤压。压制时先将混合颗粒预压成圆柱胚，再进一步压制成一体圆环型或者半圆环或者扇形或者其他形状的胚材，再将胚材根据设计要求精加工成一定尺寸的耐磨层2，耐磨层2厚度为5～10mm，耐磨层2可以是一体的，也可以是多片组合成刹车面圆环。
(5)将步骤(4)所得耐磨层(2)嵌放入车用制动盘热压模具的模腔中对应的刹车面上，按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，混合熔炼、精炼后压铸入已放置了耐磨层(2)的车用制动盘热压模具的模腔中，铸模得压铸盘。
(6)将步骤(5)所得压铸盘热处理后得一体盘坯件。
其中，热处理包括固溶、淬火和时效三个过程，所述的固溶温度为450～480℃，保温时间为2小时，所述的淬火温度为55～65℃，所述的时效温度为125℃，时间为12～24小时。
(7)将步骤(6)所得一体盘坯件按装配尺寸精加工后即得。其中，精加工包括对内外圆的精加工，平面的精加工合装配位的精加工。
实施例1
参照图1和2所示，本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体1，制动盘主体1的刹车面设有耐磨层2，制动盘主体1为铝合金基体材料，耐磨层2由以下百分比材料组成：铝合金基体80％，陶瓷相20％。
其中，所述的铝合金基体由以下百分比的材料组成：铝91.7％，硅6.5％，铜0.25％，镁0.25％，锌0.3％，锰0.35％，铬0.1％，镍0.1％，铒0.2％，锆0.25％。
所述的陶瓷相由以下百分比的材料组成：六肽酸钾晶须20％，碳化硅纤维30％，碳化硅陶瓷颗粒50％。六肽酸钾晶须的直径小于50纳米，径长比为1：50，碳化硅纤维的纤维直径为500纳米，径长比为1：50，碳化硅陶瓷颗粒的粒度为D50:15μm。
所述的耐磨层2的厚度为6mm，所述的车用制动盘由制动盘主体1与耐磨层2镶铸一体成型，耐磨层2由4块均匀分布的耐磨片拼接组成的圆环。
本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按上述铝合金基体材料比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，并将其熔炼、精炼、气雾化制粉后得铝合金粉末。
其中，熔炼温度为710℃，所得铝合金粉末粒度为-100目。
(2)按比例取步骤(1)所得铝合金粉末、陶瓷相混合得复合粉体。其中，混合时使用陶瓷球作为球磨介质，球磨时间为3小时。
(3)将步骤(2)所得复合粉体放入铝合金包套中焊封，再进行热真空除气得真空粉末包套。
(4)将步骤(3)所得内真空粉末包套热挤压成型，再切割及加工外围尺寸后得耐磨层2。其中，热挤压温度为420℃，挤压比为6.5，挤压方式为正挤压，挤压型材形状为扇形，挤压材料根据设计尺寸要求精加工成耐磨层2，耐磨层2厚度为6mm，耐磨层2是4片组合成刹车面圆环。
(5)将步骤(4)所得耐磨层2嵌放入车用制动盘热压模具的模腔中对应的刹车面上，按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，混合熔炼、精炼后压铸入已放置了耐磨层2的车用制动盘热压模具的模腔中，铸模得压铸盘。
其中，压铸熔体温度为750℃，热处理包括固溶、淬火和时效三个过程，所述的固溶温度为470℃，保温时间为2小时，所述的淬火温度为60℃，所述的时效温度为125℃，时间为12小时。
(6)将步骤(5)所得压铸盘热处理后得一体盘坯件。
(7)将步骤(6)所得一体盘坯件按装配尺寸精加工后即得。精加工包括对内外圆的精加工，平面的精加工合装配位的精加工。
实施例2
参照图3和4所示，本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体1，制动盘主体1的刹车面设有耐磨层2，制动盘主体1为铝合金基体材料，耐磨层2由以下百分比材料组成：铝合金基体80％，陶瓷相20％。
其中，所述的铝合金基体由以下百分比的材料组成：铝89.75％，硅0.1％，铜1.4％，镁1.5％，锌6.5％，锰0.1％，铬0.1％，镍0.1％，铒0.2％，锆0.25％。
所述的陶瓷相由以下百分比的材料组成：六钛酸钾晶须10％，碳化硅纤维20％，碳化硅陶瓷颗粒70％。六肽酸钾晶须的直径小于50纳米，径长比为1：50，碳化硅纤维的纤维直径为500纳米，径长比为1：50，碳化硅陶瓷颗粒的粒度为D50:15μm。
所述的耐磨层2的厚度为8mm，所述的车用制动盘由制动盘主体1与耐磨层2镶铸一体成型，耐磨层2由16块均匀分布的耐磨片拼接组成的圆环。
本发明的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按上述铝合金基体材料比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，并将其熔炼、精炼、气雾化制粉后得铝合金粉末。
其中，熔炼温度为730℃，所得铝合金粉末粒度为-100目。
(2)按比例取步骤(1)所得铝合金粉末、陶瓷相混合得复合粉体。其中，混合时使用陶瓷球作为球磨介质，球磨时间为3小时。
(3)将步骤(2)所得复合粉体放入铝合金包套中焊封，再进行热真空除气得真空粉末包套。
(4)将步骤(3)所得内真空粉末包套热挤压成型，再切割及加工外围尺寸后得耐磨层2。其中，热压温度为440℃，挤压比为12，挤压方式为反挤压。挤压型材形状为扇形，再将挤压材根据设计尺寸要求精加工成耐磨层2，耐磨层2厚度为8mm，耐磨层2是8片组合成刹车面圆环。
(5)将步骤(4)所得耐磨层2嵌放入车用制动盘热压模具的模腔中对应的刹车面上，按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，混合熔炼、精炼后压铸入已放置了耐磨层2的车用制动盘热压模具的模腔中，铸模得压铸盘。
其中，压铸熔体温度为750℃。
(6)将步骤(5)所得压铸盘热处理后得一体盘坯件。其中，热处理包括固溶、淬火和时效三个过程，所述的固溶温度为475℃，保温时间为2小时，所述的淬火温度为60℃，所述的时效温度为130℃，时间为12小时。
(7)将步骤(6)所得一体盘坯件按装配尺寸精加工后即得。精加工包括对内外圆的精加工，平面的精加工合装配位的精加工。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，包括制动盘主体(1)，其特征在于，所述制动盘主体(1)的刹车面镶铸设有耐磨层(2)，所述的制动盘主体(1)为铝合金基体材料，所述的铝合金基体由以下百分比的材料组成：铝70～92％，硅0.1～8％，铜0.1～2.6％，镁0.1～3.0％，锌0.1～6％，锰0.1～0.5％，铬0.1～0.5％，镍0～0.5％，铒0.1～0.5％，锆0.1～0.5％，所述的耐磨层(2)由以下百分比材料组成：铝合金基体70～95％，陶瓷相5～30％，总原来百分比总和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，其特征在于，所述的陶瓷相为六钛酸钾晶须、碳化硅纤维和碳化硅陶瓷颗粒中的一种或者多种组合而成。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘，其特征在于，所述的耐磨层(2)是一体环或者多块拼接组成的环，其厚度为5～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，并将其熔炼、精炼、气雾化制粉后得铝合金粉末；
(2)按比例取步骤(1)所得铝合金粉末、陶瓷相混合得复合粉体；
(3)将步骤(2)所得复合粉体放入铝合金包套中焊封，再进行热真空除气得真空粉末包套；
(4)将步骤(3)所得内真空粉末包套热挤压成型，切割及加工外围尺寸后得耐磨层(2)，将多片耐磨层(2)按尺寸组合得耐磨环；
(5)将步骤(4)所得耐磨层(2)嵌放入车用制动盘热压模具的模腔中对应的刹车面上，按权利要求1所述的铝合金基体比例取铝、硅、铜、镁、锌、锰、铬、镍、铒和锆，混合熔炼、精炼后压铸入已放置了耐磨层(2)的车用制动盘热压模具的模腔中，铸模得压铸盘；
(6)将步骤(5)所得压铸盘热处理后得一体盘坯件；
(7)将步骤(6)所得一体盘坯件按装配尺寸精加工后即得。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，熔炼温度为680～750℃，所得铝合金粉末粒度为-100目。
6.根据权利要求4所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，混合时使用陶瓷球作为球磨介质，球磨时间为2～6小时。
7.根据权利要求5所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，热压温度为380～480℃，挤压比为6～12，挤压方式为正挤压或者反挤压。
8.根据权利要求5所述的一种铝合金/铝合金-陶瓷组合的车用制动盘的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，热处理包括固溶、淬火和时效三个过程，所述的固溶温度为450～480℃，保温时间为2小时，所述的淬火温度为55～65℃，所述的时效温度为125℃，时间为12～24小时。
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