CN114087301A - 热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法及估算系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法及估算系统，该估算方法通过陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的质量百分含量、热压整形制备制动盘过程中的温度值、制动盘烧结粗坯的质量以及散热筋的最大高宽比，即可快速计算得到热压整形制备制动盘过程中的压力值、加压速率和保压时间，简单、快捷，避免了大量工艺参数的摸索实验，节约了实验成本，缩短了生产周期，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是涉及一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法及估算系统。
背景技术
轨道交通车辆正朝着智能化快速发展，然而大量智能设备的使用增加了车辆重量，严重限制了其绿色化、轻量化发展，因此车辆减重成为各主机厂迫切需要解决的问题。制动盘是轨道交通车辆的关键部位，采用轻金属基复合材料制备制动盘替代传统铸铁、铸钢制动盘对轨道车辆的轻量化发展具有重要促进作用。
陶瓷增强铝基复合材料具有密度小、热稳定性好、耐磨损等优势，是制备轨道交通车辆轻量化制动盘的热门材料。行业内已采用搅拌铸造制备出铝基陶瓷增强体复合材料制动盘，并实现了商业应用。但由于搅拌铸造工艺中过量的陶瓷增强体难以在铝基体中分布均匀，陶瓷增强体的含量通常难以超过25wt％,且制动盘不可避免的会存在气孔等微观缺陷，使得制动盘的耐磨性能难以大幅度提升，难以满足更高速率等级的轨道车辆应用需求。
相比之下，如采用粉末冶金工艺(即混粉-冷压-烧结-热压整形)制备铝基复合材料制动盘，在成分设计上更为灵活，增强体的质量分数可远超20％，且更容易控制复合材料的均匀性，可有效提升制动盘耐磨性能及质量一致性。但铝基复合材料粉末冶金成形能力相对较差，具有复杂结构的铝基复合材料零部件直径通常在200mm以内，而轨道交通车辆制动盘的直径达到640mm,且设计有大量复杂筋条结构，成形过程极易出现裂纹。因此，大尺寸制动盘的复杂结构成形是推动粉末冶金铝基复合材料制动盘发展的关键点。
CN 111250698 A公开了一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法。CN 111390175 A公开了一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法。上述专利充分利用铝基复合材料烧结后高温状态下具有良好变形能力的特征，将制动盘复杂结构由传统冷压工序实现，调整到烧结后的热压整形工序实现。这充分说明热压整形是制备铝基复合材料制动盘的关键工序，上述专利公布了铝基复合材料制动盘热压整形工序非常宽广的工艺(热压压力、加压速率、保压时间)范围，但并未公布热压工艺参数的具体设计方法。
虽然轨道交通车辆制动盘的外径、内径、盘体高度一般为固定尺寸，但制动盘的性能需求与其服役环境紧密相关，使得不同型号铝基复合材料制动盘的增强体含量、毛坯重量、筋条特征及热压整形过程中所需的温度值存在差别，这些因素又与热压整形过程中的压力值、加压速率及保压时间紧密相关。
为了提高生产效率、降低生产成本，实际热压整形制备制动盘过程中希望采用最小的压力值、最快的加压速率以及最短的保压时间进行生产，但压力值过小易导致制动盘致密度不够，压力值过大易造成模具磨损，加压速率过度易引发筋条裂纹，保压时间过短易导致制动盘致密度不够。由于影响热压整形工艺的因素较多、关系复杂，无法通过简单多次试验获得合理的工艺参数，且试验成本高、周期长、效率低，有必要开发一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法。
发明内容
基于此，有必要提供一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，通过该估算方法可以快速地得到热压整形制备制动盘过程中的压力值、加压速率和保压时间，避免了大量工艺参数的摸索实验，节约了实验成本，缩短了生产周期，提高了生产效率，具体方案如下：
一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，所述制动盘由陶瓷增强铝基复合材料通过粉末冶金工艺制备而成，所述制动盘的散热面沿周向均布有散热筋，所述估算方法包括以下步骤：
获得所述陶瓷增强铝基复合材料的配方；
根据所述配方，获得所述陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的质量百分含量；
根据所述配方，获得热压整形制备制动盘过程中的温度值；
获得所述制动盘的烧结粗坯；
获得所述烧结粗坯的质量；
获得所述制动盘各散热筋的轴向高度和周向宽度，算出每条散热筋的轴向高度与周向宽度的比值，获得最大高宽比；
根据以下公式估算热压整形制备制动盘过程中的压力值：
其中，
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
在其中一个实施例中，所述估算方法还包括以下步骤：
根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率：
其中，
v为所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率，单位为mm/s，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
在其中一个实施例中，所述估算方法还包括以下步骤：
根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间：
0.055P+2≤t，
其中，
t为所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间，单位为s；
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa。
在其中一个实施例中，所述w的取值范围为10～75。
在其中一个实施例中，所述m的取值范围为20～35。
在其中一个实施例中，所述n的取值范围为3.5～4.2。
在其中一个实施例中，所述T的取值范围为500～600。
可以理解，热压整形制备制动盘过程中的温度值即为陶瓷增强铝基复合材料的软化温度，而陶瓷增强铝基复合材料的软化温度根据该材料配方即可确定，此为现有技术，这里不再赘述。
在其中一个实施例中，所述制动盘的烧结粗坯由以下方法制备：
提供陶瓷增强铝基复合材料；
将所述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到所述制动盘的烧结粗坯。
在其中一个实施例中，以质量百分含量计，所述陶瓷增强铝基复合材料的组成如下：
在其中一个实施例中，所述主要合金元素选自镁、铜、铁、硅及镍中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述微量元素选自锶、铈及锡中至少一种。
在其中一个实施例中，所述陶瓷颗粒选自碳化硅、氮化硅及氧化铝中的至少一种。
需要说明的是，本申请的估算方法不限于以上陶瓷增强铝基复合材料制备的制动盘。
此外，本申请还提供一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，具体方案如下：
一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，所述制动盘由陶瓷增强铝基复合材料通过粉末冶金工艺制备而成，所述制动盘的散热面沿周向均布有散热筋，所述估算系统包括：
数据采集模块，用于采集所述陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的质量百分含量、热压整形制备制动盘过程中的温度值、所述制动盘烧结粗坯的质量以及所述制动盘上散热筋的最大高宽比；
压力值估算模块，用于接受所述数据采集模块采集到的数据，并根据以下公式估算热压整形制备制动盘过程中的压力值：
其中，
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
在其中一个实施例中，所述估算系统还包括加压速率估算模块，所述加压速率估算模块用于接受所述数据采集模块采集到的数据，并根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率：
其中，
v为所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率，单位为mm/s，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
在其中一个实施例中，还包括保压时间估算模块，所述保压时间估算模块用于接受所述压力值估算模块估算得到的数据，并根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间：
0.055P+2≤t，
其中，
t为所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间，单位为s；
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa。
在其中一个实施例中，所述w的取值范围为10～75。
在其中一个实施例中，所述m的取值范围为20～35。
在其中一个实施例中，所述n的取值范围为3.5～4.2。
在其中一个实施例中，所述T的取值范围为500～600。
上述热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，通过陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的体积含量、热压整形制备制动盘过程中的温度值、制动盘烧结粗坯的质量以及散热筋的最大高宽比，即可快速计算得到热压整形制备制动盘过程中的压力值、加压速率和保压时间，简单、快捷，避免了大量工艺参数的摸索实验，节约了实验成本，缩短了生产周期，提高了生产效率。
采用上述估算方法得到的工艺参数对制动盘烧结粗坯进行热压整形，散热筋成形好，产品尺寸接近成品图纸尺寸，可大大减少后续的机加工成本，提高制动盘的生产效率；制备得到的制动盘与烧结粗坯相比，致密度和机械性能都得到了很大的提升，满足制动盘的性能要求；模具不易磨损，延长了模具的使用寿命。
上述热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，通过数据采集模块采集相应数据，再通过压力值估算模块、加压速率估算模块和保压时间估算模块即可计算出相应值，更加便捷，可与热压整形设备联动，进一步实现智能控制。
附图说明
图1为实施例1制备的制动盘的产品图；
图2为实施例2制备的制动盘的产品图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
(1)提供制动盘成品图纸，根据该成品图纸，获得散热筋的最大高宽比n为4.1。
(2)获得制备上述制动盘的陶瓷增强铝基复合材料的配方：4.5wt％的Mg、3.5wt％的Fe、1.5wt％的Si、0.2w％的Sr、0.3wt％的Ce、35wt％的SiC及余量的铝粉，根据该材料配方可知SiC的质量含量w为35％，热压整形制备制动盘过程中的温度值为540℃。
(3)将上述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到制动盘的烧结粗坯，经称量，该烧结粗坯的质量m为29kg。
(4)将w、T、m和n的数值代入以下公式：
(5)将w、T和m的数值代入以下公式：
(6)将P的数值代入以下公式：
0.055P+2≤t，经计算，t≥12.8。
(7)根据(4)、(5)、(6)计算的结果，将步骤(3)得到的烧结粗坯进行热压成形，热压成形的温度设置为540℃，热压成形的压力设置为190MPa，加压速率设置为3.2mm/s，保压时间设置为13s，得到制动盘。
如图1所示，实施例1制备的制动盘散热筋成形好，且产品尺寸精度满足要求。经检测，实施例1制备的制动盘抗拉强度为284MPa，断后延伸率为2.5％，硬度为162HV，致密度为99.6％。
实施例2
(1)提供制动盘成品图纸，根据该成品图纸，获得散热筋的最大高宽比n为3.5。
(2)获得制备上述制动盘的陶瓷增强铝基复合材料的配方：1.5wt％的Cu、1.5％的Fe、1.5wt％的Ni、0.3wt％的Sn、35wt％的Si3N4及余量的铝粉，根据该材料配方可知Si3N4的质量含量w为35％，热压整形制备制动盘过程中的温度值为530℃。
(3)将上述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到制动盘的烧结粗坯，经称量，该烧结粗坯的质量m为29.4kg。
(4)将w、T、m和n的数值代入以下公式：
(5)将w、T和m的数值代入以下公式：
(6)将P的数值代入以下公式：
0.055P+2≤t，经计算，t≥10.97。
(7)根据步骤(4)、(5)、(6)计算的结果，将步骤(3)得到的烧结粗坯进行热压成形，热压成形的温度设置为530℃，热压成形的压力设置为170MPa，加压速率设置为3.6mm/s，保压时间设置为12s，得到制动盘。
如图2所示，实施例2制备的制动盘散热筋成形好，且产品尺寸精度满足要求。经检测，实施例2制备的的制动盘抗拉强度为273MPa，断后延伸率为3.5％，硬度为154HV，致密度为99.5％。
实施例3
(1)提供制动盘成品图纸，根据该成品图纸，获得散热筋的最大高宽比n为4.1。
(2)获得制备上述制动盘的陶瓷增强铝基复合材料的配方：5.5wt％的Mg、4.5wt％的Si、0.5％的Sn、0.5wt％的Ce、65wt％的Al2O3及余量的铝粉，根据该材料配方可知Al2O3的质量含量w为60％，热压整形制备制动盘过程中的温度值为595℃。
(3)将上述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到制动盘的烧结粗坯，经称量，该烧结粗坯的质量m为32.3kg。
(4)将w、T、m和n的数值代入以下公式：
(5)将w、T和m的数值代入以下公式：
(6)将P的数值代入以下公式：
0.055P+2≤t，经计算，t≥13.35。
(7)根据(4)、(5)、(6)计算的结果，将步骤(3)得到的烧结粗坯进行热压成形，热压成形的温度设置为595℃，热压成形的压力设置为198MPa，加压速率设置为3.1mm/s，保压时间设置为14s，得到制动盘。
经观察和测量，实施例3制备的制动盘散热筋成形好，且产品尺寸精度满足要求，制动盘抗拉强度为317MPa，断后延伸率为2.1％，硬度为182HV，致密度为99.3％。
实施例4
(1)提供制动盘成品图纸，根据该成品图纸，获得散热筋的最大高宽比n为3.8。
(2)获得制备上述制动盘的陶瓷增强铝基复合材料的配方：4.5wt％的Mg、4.0wt％的Si、1.0％的Ni、0.2wt％的Sr、0.3％的Sn、45wt％的SiC及余量的铝粉，根据该材料配方可知SiC的质量含量w为45％，热压整形制备制动盘过程中的温度值为560℃。
(3)将上述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到制动盘的烧结粗坯，经称量，该烧结粗坯的质量m为29.8kg。
(4)将w、T、m和n的数值代入以下公式：
(5)将w、T和m的数值代入以下公式：
(6)将P的数值代入以下公式：
0.055P+2≤t，经计算，t≥11.87。
(7)根据(4)、(5)、(6)计算的结果，将步骤(3)得到的烧结粗坯进行热压成形，热压成形的温度设置为560℃，热压成形的压力设置为185MPa，加压速率设置为3.2mm/s，保压时间设置为15s，得到制动盘。
经观察和测量，实施例4制备的制动盘散热筋成形好，且产品尺寸精度满足要求。经检测，实施例4制备的制动盘抗拉强度为288MPa，断后延伸率为3.1％，硬度为166HV，致密度为99.5％。
实施例5
(1)提供制动盘成品图纸，根据该成品图纸，获得散热筋的最大高宽比n为3.7。
(2)获得制备上述制动盘的陶瓷增强铝基复合材料的配方：4.5wt％的Mg、3.5wt％的Fe、1.5wt％的Ni、0.2wt％的Sr、0.3wt％的Ce、55％的Si3N4及余量的铝粉，根据该材料配方可知Si3N4的质量含量w为55％，热压整形制备制动盘过程中的温度值为570℃。
(3)将上述陶瓷增强铝基复合材料压制成形后烧结，得到制动盘的烧结粗坯，经称量，该烧结粗坯的质量m为30kg。
(4)将w、T、m和n的数值代入以下公式：
(5)将w、T和m的数值代入以下公式：
(6)将P的数值代入以下公式：
0.055P+2≤t，经计算，t≥11.89。
(7)根据(4)、(5)、(6)计算的结果，将步骤(3)得到的烧结粗坯进行热压成形，热压成形的温度设置为570℃，热压成形的压力设置为185MPa，加压速率设置为3.2mm/s，保压时间设置为12s，得到制动盘。
经观察和测量，实施例5制备的制动盘散热筋成形好，且产品尺寸精度满足要求。经检测，实施例5制备的制动盘抗拉强度为292MPa，断后延伸率为2.6％，硬度为171HV，致密度为99.4％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，所述制动盘由陶瓷增强铝基复合材料通过粉末冶金工艺制备而成，所述制动盘的散热面沿周向均布有散热筋，其特征在于，所述估算方法包括以下步骤：
获得所述陶瓷增强铝基复合材料的配方；
根据所述配方，获得所述陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的质量百分含量；
根据所述配方，获得热压整形制备制动盘过程中的温度值；
获得所述制动盘的烧结粗坯；
获得所述烧结粗坯的质量；
获得所述制动盘各散热筋的轴向高度和周向宽度，算出每条散热筋的轴向高度与周向宽度的比值，获得最大高宽比；
根据以下公式估算热压整形制备制动盘过程中的压力值：
其中，
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
2.根据权利要求1所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率：
其中，
v为所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率，单位为mm/s，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
3.根据权利要求1所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间：
0.055P+2≤t，
其中，
t为所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间，单位为s；
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa。
4.根据权利要求1～3任一项所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，所述w的取值范围为10～75。
5.根据权利要求1～3任一项所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，所述m的取值范围为20～35。
6.根据权利要求1～3任一项所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，所述n的取值范围为3.5～4.2。
7.根据权利要求1～3任一项所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算方法，其特征在于，所述T的取值范围为500～600。
8.一种热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，所述制动盘由陶瓷增强铝基复合材料通过粉末冶金工艺制备而成，所述制动盘的散热面沿周向均布有散热筋，其特征在于，所述估算系统包括：
数据采集模块，用于采集所述陶瓷增强铝基复合材料中陶瓷增强相的质量百分含量、热压整形制备制动盘过程中的温度值、所述制动盘烧结粗坯的质量以及所述制动盘上散热筋的最大高宽比；
压力值估算模块，用于接受所述数据采集模块采集到的数据，并根据以下公式估算热压整形制备制动盘过程中的压力值：
其中，
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
9.根据权利要求8所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，其特征在于，还包括加压速率估算模块，所述加压速率估算模块用于接受所述数据采集模块采集到的数据，并根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率：
其中，
v为所述热压整形制备制动盘过程中的加压速率，单位为mm/s，
T为所述热压整形制备制动盘过程中的温度值，单位为℃，
w为所述陶瓷增强相的质量百分含量，单位为％，
m为所述烧结粗坯的质量，单位为kg，
n为所述最大高宽比。
10.根据权利要求9所述的热压整形制备制动盘过程中工艺参数的估算系统，其特征在于，还包括保压时间估算模块，所述保压时间估算模块用于接受所述压力值估算模块估算得到的数据，并根据以下公式估算所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间：
0.055P+2≤t，
其中，
t为所述热压整形制备制动盘过程中的保压时间，单位为s；
P为所述热压整形制备制动盘过程中的压力值，单位为MPa。
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