CN114318035B - 轻量化复合制动鼓制备方法 - Google Patents

Abstract

轻量化复合制动鼓制备方法，属于汽车配件制造技术领域。采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁，通过离心复合铸造成一体。铝合金的化学组成为0.74‑0.87％Cu，4.20‑4.63％Zn，4.76‑4.95％Mg，0.61‑0.79％Cr，0.33‑0.46％Mn，1.15‑1.27％Ni，0.17‑0.23％Cd，0.08‑0.12％Ti，0.09‑0.14％Ca，0.14‑0.21％Zr，0.12‑0.17％Sc，0.053‑0.068％B，余量为Al和不可避免的杂质。本发明复合制动鼓内层灰铸铁中石墨数量多，导热性好，制动鼓内表面具有优异的耐磨性。

Description

轻量化复合制动鼓制备方法

技术领域

本发明公开了复合制动鼓制备方法，特备涉及轻量化复合制动鼓制备方法，属于汽车配件制造技术领域。

背景技术

随着汽车技术的不断进步和道路交通状况的改善，汽车行驶速度加快，车辆承载能力加大，与此同时行车环境也变得越来越复杂，制动和紧急制动变得越来越频繁。现代人对汽车使用性能的要求普遍提高，出于对汽车安全性能和使用寿命的考虑，对制动鼓质量的要求也不断提高。普通制动鼓产品在高速、重载、频繁制动条件下使用，逐渐暴露出制动鼓材质硬度偏低，耐磨性差，导致制动鼓磨损加剧，以及制动鼓材质硬度过高，制动时打滑、有异响或尖叫等问题。上述问题的存在不仅使制动鼓制动效果变差，使用寿命降低，而且严重影响汽车的刹车安全性，难以满足在高速、重载、频繁制动条件下，实现使用寿命超过3万公里的要求。为了提高制动鼓性能，延长其使用寿命，中国发明专利CN113458363A公开了一种双金属铁铁复合制动鼓及其制造方法，铁铁复合制动鼓的外层采用高强度球铁或者高强度蠕墨铸铁，内层采用耐磨灰铸铁；且二者采用冶金结合，具体包括以下步骤：(1)双金属铁铁复合制动鼓的外层高强度度球铁或高强度蠕墨铸铁采用壳型铸造或静压铸造；(2)铸造出外层的铁壳后，用离心浇注复合内层耐磨灰铸铁，离心浇注前在铁壳的内层喷洒一层熔合剂，采用冶金结合；为了进一步增加制动鼓整体强度、刚度，尽可能增加高强度球铁/蠕铁层的厚度，设置内层耐磨灰铸铁的厚度3-10mm。中国发明专利CN 112524178A还公开了一种复合制动鼓，包括外壳基体以及内层强化体，内层强化体沿周向设于外壳基体的内壁上，且外壳基体采用合金钢板材质，内层强化体为蠕墨铸铁复合层。该复合制动鼓及其制备方法，改变了现有的制动鼓结构，采用外壳基体和内层强化体复合强化，且内层强化体采用蠕墨铸铁复合层，使其特有石墨结构和性能，并具有与钢法兰外壳相近的膨胀系数，从而有更好的抗疲劳性能，并公开了复合制动鼓的制备方法，通过在外壳基体即钢法兰外壳的内侧以离心铸造的方式复合蠕墨铸铁复合层，使其与传统的复合制动鼓相比更不易脱层或开裂，使用寿命更长。中国发明专利CN112855808A还公开了特殊钢、耐热疲劳纳米材料复合制动鼓的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：①法兰部分的加工：采用旋压工艺制作制动面以上的法兰部分，并将旋压后的法兰端面加工焊接坡口；②复合制动面毛坯的加工：Ⅰ.浇注外层：根据型筒长度，计算浇注外层所需钢水的质量，准确称量后，将钢水一次浇入高速旋转的型筒内，钢水浇注温度为1560-1610℃；Ⅱ.浇注中间摩擦层得到复合制动面毛坯：对钢水的内表面进行防氧化保护，待钢水降温至1350-1450℃时，浇注中间摩擦层的金属液，浇注后完成外层和中间摩擦层的复合，得到复合制动面毛坯；Ⅲ.粗加工复合制动面毛坯，同时其一端面加工收口斜面和焊接坡口；③焊接成型：将步骤①的法兰部分和步骤②的复合制动面毛坯焊接得到复合毛坯；④将步骤③的复合毛坯进行成品加工制成复合制动鼓。中国发明专利CN110814672A还公开了新型双金属复合一体式制动鼓的制备工艺,包括以下步骤：上部法兰部分加工和下部桶体部分加工；将上部法兰部分和下部桶体部分焊接成一体得到复合制动鼓外层钢壳精旋坯料；将复合制动鼓外层钢壳精旋坯料进行滚型形成复合制动鼓外层钢壳；将复合制动鼓外层钢壳夹装于离心机上，浇入一定成分、温度等合格的铁水，得到双金属复合一体式制动鼓毛坯；将双金属复合一体式制动鼓毛坯进行机加工得到双金属复合一体式制动鼓成品。本发明采用焊接式钢壳，可有效解决原钢壳材料利用率低、强度偏低以及生产过程能耗及工装消耗高等问题，在降低成本的同时，提高钢壳强度，提高双金属复合一体式制动鼓使用寿命。中国发明专利CN106736301A还公开了一种压配型双金属复合制动鼓的成型方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)、用冷拔拉伸的方法将壁厚为7mm的低碳钢钢管，制成一个壁厚为4mm、高度为330mm，最大外直径为483mm的低碳钢外壳，作为制动鼓外套；(2)、将铁水熔化，并使铁水在1280～1290℃下保温，利用卧式离心铸造机将铁水铸造成一个铸铁管；其中，铸造过程中卧式离心铸造机的转速为600～750r/min；(3)、把铸造完成的铸铁管加工成内径为460mm、厚度为8mm、高为300mm，使铸铁管的外径大于低碳钢外壳的内径，并在铸铁管的外壁上加工出若干凹槽；(4)、把低碳钢外壳固定在液压机上，在铸铁管的外壁上以及凹糟内涂覆环氧树脂粘接剂，并用液压机把铸铁管压入到低碳钢外壳内；(5)、待铸铁管被完全压入后，铸铁管与低碳钢外壳结合为一体形成所述双金属复合制动鼓，将制动鼓取下并放置24小时后，即可装机使用。但是，采用上述方法生产的钢铁复合制动鼓，尽管强度高，使用性能较好，但是钢铁材料密度高，复合制动鼓重量大，汽车使用过程中，消耗的动力多，造成了能源的巨大浪费。

中国发明专利CN106624657A公开了一种复合制动鼓整体钢圈的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：a.选取钢板厚度根据复合制动鼓外层钢圈最厚处的尺寸选取钢板厚度；b.确定圆形坯料的尺寸利用套裁的下料方式对钢板进行下料，将钢板下料成具有一定直径大小的圆形坯料，圆形坯料的直径根据外层钢圈的体积大小，计算出相应的直径，并留出5-10mm的加工余量；圆形坯料的直径按下式计算：上式中：D为圆形坯料的直径；V为外层钢圈的体积；δ为系数；c.加工定位工艺孔在圆形坯料的中心位置处加工一定位工艺孔，定位工艺孔直径

d.两次粗旋加工以中心定位工艺孔为基准，将圆形坯料置于粗旋模芯上并加以固定，在粗旋模芯与圆形坯料高速旋转的同时，将粗旋旋轮沿着粗旋模芯的外形轮廓逐渐下压，分两次完成对圆形坯料的粗旋加工，以形成具有外层钢圈初始形状的钢圈半成品；e.两次精旋加工以中心定位工艺孔为基准，将具有外层钢圈初始形状的钢圈半成品置于精旋模芯上并加以固定，在精旋模芯与钢圈半成品高速旋转的同时，将精旋旋轮沿着精旋模芯的外形轮廓逐渐下压，分两次完成对钢圈半成品的精旋加工，以形成具有不同截面形状及不同截面壁厚的精旋坯料；f.对辊滚型采用上下凹凸槽相配合的上、下辊，将精旋坯料置于下辊上并压紧，在上、下辊高速旋转的同时，将上辊下压，完成对精旋坯料的滚型，以形成制动面中部具有凹凸槽形状的整体钢圈。中国发明专利CN110295321A还公开了一种复合制动鼓用高塑性钢带，其质量百分配比为：C：0.05～0.08％，Si：≤0.10％，Mn：0.09～1.20％，P：≤0.012％，S≤0.006％，Al：0.020～0.060％，其余为Fe和不可避免杂质。该发明还提供了一种复合制动鼓用高塑性钢带的生产方法，包括板坯加热、粗轧、精轧、层流冷却。该发明生产的钢带屈服强度310～350MPa，抗拉强度400～440MPa，伸长率≥32％，韧脆转变点低于-40℃，具有低碳、高塑性，利于旋压变形，可以避免复合制动鼓制造过程的开裂。中国实用新型专利ZL 201220449509.0还公告了一种分体焊接式汽车制动鼓钢壳及钢铁复合制动鼓，其包括：由法兰钢壳及外制动壁组成的制动鼓钢壳和内层灰铁结构，所述法兰钢壳焊接连接于所述外制动壁，所述内层灰铁结构以离心铸造成型于外制动壁内侧，所述内层灰铁结构面向圆心的一个内环面为制动面。由于采用法兰钢壳和外制动壁各自成型之后，再焊接的方式将两部分连接在一起，相对于现有技术中外层钢壳一体成型的方式，降低了加工外制动壁时的加工深度，能尽量避免深度方向的变形，能降低加工难度以提高产品合格率，且减小了模具从而减少成本。还采用离心铸造的方法铸造该制动鼓内层灰铁结构，使其结合面牢固、耐磨。中国实用新型专利ZL201620909571.1还公告了一种球墨铸铁复合制动鼓，其特征在于，包括灰铸铁制动鼓环面和安装于其上的安装法兰面，所述安装法兰面由球墨铸铁制成，所述安装法兰面的外边缘均匀设有若干矩形槽。该实用新型提供的球墨铸铁复合制动鼓解决了铸铁制动鼓的质量大和所需的安装空间大的问题，解决了钢板复合制动鼓因需法兰面安装平面度、跳动等形位公差的要求而带来的额外加工工序及设备投入，提高了生产效率。中国发明专利CN104588608A还公开了一种离心机，它包括支座、离心铸造室、翻转机构，所述的翻转机构包括翻转架、变速机和传动机构，所述的翻转架设置在支座上，电机通过传动机构和变速机驱动翻转架相对支座翻转，所述的离心铸造室内部设置有锁紧整形块、离心铸造机构和转动机构，转动机构包括传动机构和变速机，主电机通过传动机构和变速机驱动锁紧整形块和离心铸造机构相对离心铸造室转动。该发明还包括采用上述离心机制造防裂型复合制动鼓的工艺。但是，采用上述复合方法生产的制动鼓，由于外层是碳含量较低的低碳钢，熔点高，与内层灰铸铁结合效果差，使用中复合层易分层、开裂，严重影响复合制动鼓的安全使用。

为了实现汽车复合制动鼓的轻量化，提高汽车的节能减排效果，中国发明专利CN106438778A公开了一种铝铁复合制动鼓，特征是制动鼓本体外圆面上复合一层铝合金散热结构层，铝合金散热结构层与制动鼓本体之间有复合界面，铝合金散热结构层与制动鼓本体为同体。制动鼓本体是铸铁，铝合金散热结构层是高强度的铝合金材料。优点是：既保持铸铁的耐磨、摩擦系数高等特性，也利用了铝合金的密度小、强度高、导热性好的特性，具有显著的散热效果。中国发明专利CN111979381A还公开了一种防止铝铁复合铸造轮毂淬火裂纹的热处理方法，特征是将铝铁复合铸造轮毂带着铸芯一并脱模后，用硅酸铝棉板包覆轮毂内圆部分，放入60℃-90℃的水中淬火2-5min；保留铸芯，只取下包覆的硅酸铝棉板后将含有铸芯的铝铁复合铸造轮毂在525℃—545℃保温3—5h；然后再次将含有铸芯的铝铁复合铸造轮毂用硅酸铝棉板包覆后在60℃-90℃的水中淬火2-5min；最后取下铸芯和包覆的硅酸铝棉板，将铝铁复合轮毂在190—210℃保温3—5h后空冷至常温。该发明方法减少了因冷却收缩在铝铁复合界面上产生的拉应力，解决了铝铁复合铸造轮毂铝铁复合界面热处理易开裂的问题，可将铝铁复合铸造轮毂的剪切性能提升到46.12MPa，满足铝铁复合铸造汽车轮毂的使用需求和规模化生产需求。但是，采用上述方法生产的铝铁复合制动鼓，由于铝铁复合界面处易产生脆性的Fe₃Al相，且铝合金和铸铁的热收缩系数差异较大，在铝铁复合制动鼓冷却过程中，铝铁复合界面会产生拉应力而导致铝铁复合界面处易发生开裂，从而大大降低了铝铁复合制动鼓的综合性能。

发明内容

本发明目的是采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁，通过离心复合铸造成一体，实现复合制动鼓的轻量化。通过改变铝合金的成分及铸造方法，细化和净化铝合金组织，提高铝合金强度。控制复合制动鼓的铸造成形工艺，消除铝铁复合界面处产生的脆性Fe₃Al相，提高复合界面结合强度，防止复合制动鼓使用中界面处易发生的开裂倾向，实现复合制动鼓综合性能的显著提高。具体制备工艺步骤如下：

①先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到420-450℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Mn中间合金及Al-Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至761-769℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌4-5分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.74-0.87％Cu，4.20-4.63％Zn，4.76-4.95％Mg，0.61-0.79％Cr，0.33-0.46％Mn，1.15-1.27％Ni，0.17-0.23％Cd，0.08-0.12％Ti，0.09-0.14％Ca，0.14-0.21％Zr，0.12-0.17％Sc，0.053-0.068％B，余量为Al和不可避免的杂质元素；然后加入炉料总质量1.1-1.2％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，然后连续均匀搅拌10-12分钟，并出炉到浇包内；

②当铝合金熔液温度为725-736℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的32-38％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的25-30％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的30-35％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的40-45％；铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳；

③将步骤②获得的多元铝合金壳置于离心机上，启动离心机，在转速550-600转/分钟时，先按多元铝合金壳内表面与内层灰铸铁结合处的面积，加入1.1-1.2kg/m²的保护剂，保护剂由质量分数55-60％的L型玻璃渣和40-45％的无水四硼酸钠组成；离心机旋转1.0-1.5分钟，然后将离心机转速调高至1150-1200转/分钟，并浇入内层灰铸铁铁水，铁水浇注温度1327-1346℃，并在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在470-540℃，保持8-10分钟后；喷水冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在50-120℃；

④铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到150-160℃，保温3-5小时，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。

如上所述L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％。

如上所述内层灰铸铁铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.83-4.17％C，1.46-1.81％Si，0.27-0.65％Mn，0.31-0.48％Cr，0.53-0.67％Cu，<0.08％P，<0.04％S，余量Fe；铁水温度达1452-1476℃，将炉内铁水的35-40％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm、经650-700℃预热了120-150分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:39.18-41.55％Ti，<9.0％Al，<3.0％Si，<0.03％P，<0.03％S，<0.10％C，<0.40％Cu，<2.5％Mn，余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.0-5.5％；钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，并当浇包内铁水温度降至1293-1308℃时，将炉内其余温度为1452-1476℃的铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.8-0.9％；孕育剂的化学组成及质量分数为65.72-68.95％Si，3.07-3.31％Sr，4.28-4.66％Ca，2.87-3.04％Ce，6.59-6.82％Ba，<0.04％S，<0.08％P，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提出采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁，通过离心复合铸造成一体，实现复合制动鼓的轻量化，对实现汽车行业的节能减排具有积极的效果。本发明通过改变铝合金的化学组成及铸造方法，细化和净化铝合金组织，提高铝合金强度。另外，通过控制复合制动鼓的铸造成形工艺，消除铝铁复合界面处产生的脆性Fe₃Al相，提高复合界面结合强度，实现复合制动鼓综合性能的显著提高。具体制备工艺步骤如下：

先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到420-450℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-6％Cr中间合金、Al-4％Zr中间合金、Al-20％Ni中间合金、Al-15％Mn中间合金及Al-10％Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至761-769℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌4-5分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.74-0.87％Cu,4.20-4.63％Zn,4.76-4.95％Mg,0.61-0.79％Cr,0.33-0.46％Mn,1.15-1.27％Ni,0.17-0.23％Cd,0.08-0.12％Ti,0.09-0.14％Ca,0.14-0.21％Zr,0.12-0.17％Sc,0.053-0.068％B,余量为Al和不可避免的杂质元素。本发明以镁和锌为主要合金元素，另外还加入镍、铬、铜、锰等多种合金元素。镁在铝中有很大的固溶度，而且镁原子半径比铝大约13％，镁大量溶入α固溶体后，会使α固溶体的晶格产生较大的畸变，因此有很高的固溶强化作用。随着镁含量的增加，铝合金的机械性能也增加，流动性也会增强。但是，镁含量过高，热处理条件下，生成的β相不能完全溶于α固溶体，使其机械性能大幅度下降。镁含量过高，铝合金液面的氧化膜变疏松，在熔铸时易氧化，也易与水汽反应，需要专门的防护，操作非常不方便。在铝合金中用部分锌来代替部分镁，减少镁加入量，可降低时效过程中β相析出长大的倾向，也减少了铝液的氧化和吸气。特别是加入4.20-4.63％Zn和4.76-4.95％Mg后，可以使铝合金强度显著升高。这是因为锌能同时溶于α相和β相中，形成A₁₂Mg₃Zn₃相，抑制了镁原子的扩散和自然时效过程。锌含量增加，强度升高，塑性下降。因此本发明将镁含量控制在4.76-4.95％，锌含量控制在4.20-4.63％。在此基础上，加入1.15-1.27％Ni，可以进一步提高铝合金强度，特别是加入适量铜元素，Cu与Al基体生成Al₂Cu相，起固溶强化作用，还可以增加铝合金的高温性能。锆和钛与铝形成的ZrAl₃、TiAl₃能作为外来晶核细化晶粒，提高抗拉强度与伸长率，减轻缩松和热裂倾向。锆还可固溶于α相起固溶强化作用。锆还能与氢反应，生成稳定的ZrH等化合物，消除气孔作用明显。加入0.74-0.87％Cu和0.33-0.46％Mn，还可以明显提高铝合金耐蚀性。Mn与Al和Cu形成Al₂Mn₂Cu相，以细小弥散质点析出，阻碍位错运动，提高铝合金室温强度和高温强度。加入0.17-0.23％Cd起时效强化作用，提高铝合金抗拉强度和屈服强度。加入0.09-0.14％的Ca，还可以显著改善铝合金铸件的表面质量。

本发明在铝合金熔液处理过程中，加入炉料总质量1.1-1.2％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，可以显著减少铝合金熔液中的气体和夹杂物数量。然后连续均匀搅拌10-12分钟，并出炉到浇包内。当铝合金熔液温度为725-736℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的32-38％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的25-30％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的30-35％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的40-45％。采用消失模铸造方法制造铝合金铸件，生产效率高，外观表面质量好。但是普通消失模铸造铝合金，铝合金熔液凝固速度较慢，铸造组织粗大，铝合金铸件的强韧性较低。本发明选用消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的32-38％。宝珠砂具有热收缩系数小，砂粒为球形，流动性好，易舂实，且透气性好，耐火度高，易溃散，热导率大，稳定性好，不龟裂等特点，特别是加入占宝珠砂质量分数的32-38％的铁砂，可以进一步提高铸型的导热效果，促使铝合金铸件凝固组织的细化和致密化，从而显著提高铝合金的强度和韧性。

铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳。将多元铝合金壳置于离心机上，启动离心机，在转速550-600转/分钟时，先按每平方米的多元铝合金壳内表面与内层灰铸铁结合处的面积，加入保护剂(1.1-1.2kg/m²)，保护剂由质量分数55-60％的L型玻璃渣(L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％)和40-45％的无水四硼酸钠组成。加入保护剂可以防止随后浇注的高温铁水迅速与铝反应，生成数量较多且尺寸较大的脆性Fe₃Al相，从而防止界面结合强度的降低。本发明离心机旋转1.0-1.5分钟后，将离心机转速调高至1150-1200转/分钟，并浇入内层灰铸铁铁水，内层铁水浇注温度1327-1346℃。

内层灰铸铁铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.83-4.17％C,1.46-1.81％Si,0.27-0.65％Mn,0.31-0.48％Cr,0.53-0.67％Cu,<0.08％P,<0.04％S,余量Fe。本发明内层铁水的显著特点是碳、硅含量高，凝固后生成的石墨多，铸铁导热性好，但是，石墨过多会降低铸铁强度，为了防止因石墨过多而导致铸铁强度下降，本发明材料中还加入了0.31-0.48％Cr和0.53-0.67％Cu。为了提高复合制动鼓内层灰铸铁耐磨性，本发明提出在铸铁中加入钛，利用钛和碳在高温下化合生成TiC，TiC熔点达3140℃，沸点4820℃，显微硬度约3400HV，密度4.93g/cm³，明显小于Fe的密度7.8g/cm³。在离心力作用下，高硬度的TiC颗粒会富集于制动鼓内表面，有利于提高制动鼓耐磨性。

本发明当炉内铁水温度达1452-1476℃，将炉内铁水的35-40％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm，经650-700℃预热了120-150分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:39.18-41.55％Ti,<9.0％Al,<3.0％Si,<0.03％P,<0.03％S,<0.10％C,<0.40％Cu,<2.5％Mn,余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.0-5.5％。钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，随着温度的降低和反应时间的延长，TiC颗粒会聚集长大，有利于离心力作用下富集于制动鼓内表面。当浇包内铁水温度降至1293-1308℃时，TiC颗粒的聚集长大已满足在离心力作用下富集于制动鼓内表面的要求，此时将炉内其余温度为1452-1476℃的铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.8-0.9％；孕育剂的化学组成及质量分数为65.72-68.95％Si,3.07-3.31％Sr,4.28-4.66％Ca,2.87-3.04％Ce,6.59-6.82％Ba,<0.04％S,<0.08％P,余量为Fe和不可避免的杂质元素。采用上述孕育剂随流孕育铁水，可以增加凝固核心，细化石墨，提高铸铁强度和韧性。

本发明在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在470-540℃。这样一方面防止制动鼓外层铝合金壳升温过高，同时还可以使铝合金基体中合金元素的固溶量增加，促进铝合金强度的提高。保持8-10分钟后，喷水冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在50-120℃。铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到150-160℃，保温3-5小时，可以促进铝合金α固溶体中弥散析出沉淀相，从而提高铝合金的强韧性。炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明实现了高强度铝合金与耐磨灰铸铁牢固的冶金结合，结合界面Fe₃Al相数量少，尺寸小，复合界面的剪切强度超过190MPa，和灰铸铁本体剪切强度相当，确保了复合制动鼓的安全使用；

2)本发明复合制动鼓外层铝合金强度高，韧性好，抗拉强度大于480MPa，延伸率大于15％，实现了铝合金替代钢铁生产复合制动鼓，使复合制动鼓减重25％以上，实现了复合制动鼓的轻量化；

3)本发明复合制动鼓内层灰铸铁中石墨数量多，导热性好，外层铝合金也具有优异的导热性，加之复合制动鼓内表面具有优异的耐磨性，确保了复合制动鼓具有良好的使用效果，使用寿命比常用钢铁复合制动鼓提高2倍以上。本发明减轻了制动鼓重量，提高了制动鼓的强度，优化了散热性能，加快刹车时的制动热量与空气交换，防止热开裂，延长了使用寿命，解决了开裂问题，满足汽车轻量化的要求，推广应用具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1本发明铸造多元铝合金壳示意图；

图2本发明轻量化复合制动鼓示意图；

1-外层多元铝合金壳，2-内层耐磨灰铸铁。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁2，通过离心复合铸造成一体，实现复合制动鼓的轻量化，具体制备工艺步骤如下：

①先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到450℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-6％Cr中间合金、Al-4％Zr中间合金、Al-20％Ni中间合金、Al-15％Mn中间合金及Al-10％Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至769℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌5分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.87％Cu,4.20％Zn,4.95％Mg,0.61％Cr,0.46％Mn,1.15％Ni,0.23％Cd,0.08％Ti,0.14％Ca,0.14％Zr,0.17％Sc,0.053％B,余量为Al和不可避免的杂质元素；然后加入占炉料总质量1.2％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，然后连续均匀搅拌12分钟，并出炉到浇包内；

②当铝合金熔液温度为736℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的38％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的30％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的30％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的40％；铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳1；

③将步骤②获得的多元铝合金壳1置于离心机上，启动离心机，在转速600转/分钟时，先按多元铝合金壳1内表面与内层灰铸铁2结合处的面积，加入保护剂(1.2kg/m²)，保护剂由质量分数60％的L型玻璃渣(所述L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％)和40％的无水四硼酸钠组成；离心机旋转1.5分钟，然后将离心机转速调高至1200转/分钟，并浇入内层灰铸铁2铁水，内层灰铸铁2铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在4.17％C,1.46％Si,0.65％Mn,0.31％Cr,0.67％Cu,0.058％P,0.033％S,余量Fe；铁水温度达1476℃时，将炉内铁水的40％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm，经700℃预热了120分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:41.55％Ti,2.75％Al,1.38％Si,0.027％P,0.017％S,0.084％C,0.37％Cu,0.91％Mn,余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.5％；钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，并当浇包内铁水温度降至1308℃时，将炉内其余铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.9％；孕育剂的化学组成及质量分数为68.95％Si,3.07％Sr,4.66％Ca,2.87％Ce,6.82％Ba,0.027％S,0.060％P,余量为Fe和不可避免的杂质元素，铁水浇注温度1346℃；并在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在470-540℃；保持10分钟后，喷水冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在50-120℃；

④铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到160℃，保温3小时，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。力学性能见表1。

表1复合制动鼓力学性能

外层抗拉强度/MPa	外层延伸率/％	复合界面剪切强度/MPa
			483	16.1	192

实施例2：

轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁2，通过离心复合铸造成一体，实现复合制动鼓的轻量化，具体制备工艺步骤如下：

①先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到430℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-6％Cr中间合金、Al-4％Zr中间合金、Al-20％Ni中间合金、Al-15％Mn中间合金及Al-10％Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至766℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌4-5分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.79％Cu,4.53％Zn,4.88％Mg,0.67％Cr,0.38％Mn,1.22％Ni,0.19％Cd,0.09％Ti,0.13％Ca,0.17％Zr,0.15％Sc,0.061％B,余量为Al和不可避免的杂质元素；然后加入占炉料总质量1.1％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，然后连续均匀搅拌11分钟，并出炉到浇包内；

②当铝合金熔液温度为729℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的35％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的26％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的31％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的43％；铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳1；

③将步骤②获得的多元铝合金壳1置于离心机上，启动离心机，在转速580转/分钟时，先按多元铝合金壳1内表面与内层灰铸铁2结合处的面积，加入保护剂(1.2kg/m²)，保护剂由质量分数58％的L型玻璃渣(所述L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％)和42％的无水四硼酸钠组成；离心机旋转1.2分钟，然后将离心机转速调高至1180转/分钟，并浇入内层灰铸铁2铁水，内层灰铸铁2铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.95％C,1.62％Si,0.44％Mn,0.37％Cr,0.59％Cu,0.048％P,0.035％S,余量Fe；铁水温度达1463℃，将炉内铁水的38％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm，经680℃预热了140分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:39.90％Ti,6.18％Al,2.06％Si,0.026％P,0.021％S,0.088％C,0.25％Cu,2.14％Mn,余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.2％；钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，并当浇包内铁水温度降至1297℃时，将炉内其余铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.85％；孕育剂的化学组成及质量分数为67.12％Si,3.28％Sr,4.53％Ca,2.96％Ce,6.77％Ba,0.025％S,0.063％P,余量为Fe和不可避免的杂质元素，铁水浇注温度1340℃；并在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在470-540℃；保持9分钟后，喷水冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在50-120℃；

④铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到155℃，保温4小时，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。力学性能见表2。

表2复合制动鼓力学性能

外层抗拉强度/MPa	外层延伸率/％	复合界面剪切强度/MPa
			490	15.7	197

实施例3：

轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于采用密度低、导热性好的铝合金制造复合制动鼓的外层，和内层耐磨灰铸铁2，通过离心复合铸造成一体，实现复合制动鼓的轻量化，具体制备工艺步骤如下：

①先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到420℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-6％Cr中间合金、Al-4％Zr中间合金、Al-20％Ni中间合金、Al-15％Mn中间合金及Al-10％Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至761℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌4分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.74％Cu,4.63％Zn,4.76％Mg,0.79％Cr,0.33％Mn,1.27％Ni,0.17％Cd,0.12％Ti,0.09％Ca,0.21％Zr,0.12％Sc,0.068％B,余量为Al和不可避免的杂质元素；然后加入占炉料总质量1.1％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，然后连续均匀搅拌10分钟，并出炉到浇包内；

②当铝合金熔液温度为725℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的32％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的25％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的35％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的40％；铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳1；

③将步骤②获得的多元铝合金壳1置于离心机上，启动离心机，在转速550转/分钟时，先按多元铝合金壳1内表面与内层灰铸铁2结合处的面积，加入保护剂(1.1kg/m²)，保护剂由质量分数55％的L型玻璃渣(所述L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％)和45％的无水四硼酸钠组成；离心机旋转1.0分钟，然后将离心机转速调高至1150转/分钟，并浇入内层灰铸铁2铁水，内层灰铸铁2铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.83％C,1.81％Si,0.27％Mn,0.48％Cr,0.53％Cu,0.066％P,0.032％S,余量Fe；铁水温度达1452℃，将炉内铁水的35％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm，经650℃预热了150分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:39.18％Ti,5.18％Al,1.28％Si,0.021％P,0.025％S,0.08％C,0.26％Cu,2.09％Mn,余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.0％；钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，并当浇包内铁水温度降至1293℃时，将炉内其余铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.8％；孕育剂的化学组成及质量分数为65.72％Si,3.31％Sr,4.28％Ca,3.04％Ce,6.59％Ba,0.018％S,0.071％P,余量为Fe和不可避免的杂质元素，铁水浇注温度1327℃；并在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在470-540℃；保持8分钟后，喷水冷却外层多元铝合金壳1，使多元铝合金壳1的温度控制在50-120℃；

④铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到150℃，保温5小时，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。力学性能见表3。

表3复合制动鼓力学性能

外层抗拉强度/MPa	外层延伸率/％	复合界面剪切强度/MPa
			487	16.2	199

本发明实现了高强度铝合金与耐磨灰铸铁牢固的冶金结合，结合界面Fe₃Al相数量少，尺寸小，复合界面的剪切强度超过190MPa，和灰铸铁本体剪切强度相当，确保了复合制动鼓的安全使用。本发明复合制动鼓外层铝合金强度高，韧性好，抗拉强度大于480MPa，延伸率大于15％，实现了铝合金替代钢铁生产复合制动鼓，使复合制动鼓减重25％以上，实现了复合制动鼓的轻量化。本发明复合制动鼓内层灰铸铁中石墨数量多，导热性好，外层铝合金也具有优异的导热性，加之复合制动鼓内表面具有优异的耐磨性，确保了复合制动鼓具有良好的使用效果，使用寿命比常用钢铁复合制动鼓提高2倍以上。本发明减轻了制动鼓重量，提高了制动鼓的强度，优化了散热性能，加快刹车时的制动热量与空气交换，防止了热开裂，明显延长了制动鼓使用寿命，彻底解决了制动鼓开裂问题，满足了汽车轻量化的要求，推广应用本发明具有良好的经济和社会效益。

Claims (4)

1.一种轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先用铝合金熔化炉熔炼铝合金熔液，铝合金熔炼使用石墨坩埚，石墨坩埚置于铝合金熔化炉内；先将坩埚预热到420-450℃，然后将铝锭、锌锭、镁锭、金属钙、金属镉和AlCu50A中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Mn中间合金及Al-Sc中间合金加入到坩埚中，熔化过程中，应保证炉料顺畅下降；升温至761-769℃，加入Al-Ti-B中间合金并搅拌4-5分钟，将炉内合金熔液的化学组成及质量分数控制在0.74-0.87％Cu，4.20-4.63％Zn，4.76-4.95％Mg，0.61-0.79％Cr，0.33-0.46％Mn，1.15-1.27％Ni，0.17-0.23％Cd，0.08-0.12％Ti，0.09-0.14％Ca，0.14-0.21％Zr，0.12-0.17％Sc，0.053-0.068％B，余量为Al和不可避免的杂质元素；然后加入占炉料总质量1.1-1.2％的C₂Cl₆精炼剂进行精炼处理，C₂Cl₆精炼剂用铝箔纸包装成单份质量≤250克，用钟罩将铝箔纸包装好的精炼剂分批压入铝合金熔液面下2/3处，然后连续均匀搅拌10-12分钟，并出炉到浇包内；

②当铝合金熔液温度为725-736℃时，浇入到消失模铸型中；消失模铸型的填充料是含铁砂的宝珠砂，宝珠砂中铁砂的加入量占宝珠砂质量分数的32-38％；铁砂的颗粒尺寸为0.8-2.0mm；宝珠砂中，7-12目且不包括12目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的25-30％，12-20目且不包括20目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的30-35％，20-30目颗粒宝珠砂占总宝珠砂质量分数的40-45％；铝合金全部凝固后开箱取出铸件，并去除浇冒口，将铸件清理打磨，得到多元铝合金壳；

③将步骤②获得的多元铝合金壳置于离心机上，启动离心机，在转速550-600转/分钟时，先按多元铝合金壳内表面与内层灰铸铁结合处的面积，加入1.1-1.2kg/m²的保护剂，保护剂由质量分数55-60％的L型玻璃渣和40-45％的无水四硼酸钠组成；离心机旋转1.0-1.5分钟，然后将离心机转速调高至1150-1200转/分钟，并浇入内层灰铸铁铁水，铁水浇注温度1327-1346℃，并在铁水浇注完毕后，立即喷水雾冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在470-540℃，保持8-10分钟后；喷水冷却外层多元铝合金壳，使多元铝合金壳的温度控制在50-120℃；

④铁水凝固完毕后，将离心机停机，取出铸件，重新加热到150-160℃，保温3-5小时，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得轻量化复合制动鼓。

2.按照权利要求1所述的一种轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于，所述L型玻璃渣的化学组成及质量分数为：≥30％SiO₂,≥27％MnO₂,≥15％CaO,≥20％CaF₂,其它≤8％。

3.按照权利要求1所述的一种轻量化复合制动鼓制备方法，其特征在于，所述内层灰铸铁铁水的制备过程如下，先在中频感应电炉内熔炼内层灰铸铁铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.83-4.17％C，1.46-1.81％Si，0.27-0.65％Mn，0.31-0.48％Cr，0.53-0.67％Cu，<0.08％P，<0.04％S，余量Fe；铁水温度达1452-1476℃，将炉内铁水的35-40％先出炉到浇包，并在浇包内预先放入了颗粒尺寸5-8mm、经650-700℃预热了120-150分钟的钛铁；钛铁的化学组成及质量分数为:39.18-41.55％Ti，<9.0％Al，<3.0％Si，<0.03％P，<0.03％S，<0.10％C，<0.40％Cu，<2.5％Mn，余量Fe；钛铁加入量占进入浇包内铁水质量分数的5.0-5.5％；钛铁和进入浇包内的铁水充分反应生成TiC，并当浇包内铁水温度降至1293-1308℃时，立即将炉内其余铁水全部出炉到浇包，并在铁水出炉时随流加入孕育剂，孕育剂加入量占铁水总质量分数的0.8-0.9％；孕育剂的化学组成及质量分数为65.72-68.95％Si，3.07-3.31％Sr，4.28-4.66％Ca，2.87-3.04％Ce，6.59-6.82％Ba，<0.04％S，<0.08％P，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

4.按照权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的一种轻量化复合制动鼓。

Images