CN115305371B

CN115305371B - 一种低成本铝基复合制动盘的制备方法

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Publication number: CN115305371B
Application number: CN202211126577.8A
Authority: CN
Inventors: 王强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2042-09-16
Also published as: CN115305371A

Abstract

本发明涉及一种低成本铝基复合制动盘的制备方法。包括步骤：(1)将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，加热，得到碳化硅添加剂；(2)将铝熔化，加入碳化硅添加剂搅拌反应，通入惰性气体，继续搅拌得到铝基铸造熔液；(3)将铝基铸造熔液搅拌均匀，升温，添加到压铸模具中，压铸成铝基复合制动盘。本发明在制备过程中添加了二氧化锰，通过二氧化锰提供氧分子，提高氧化反应速度，使得氟钛酸钾与碳化硅充分反应，SiC颗粒与铝分子之间的快速完全润湿充分反应，有效地解决了各原料组分反应不完全导致的SiC颗粒吸收率低的问题，加快了反应速度，缩短了反应时间，减少了SiC颗粒和氟钛酸的使用量，不需要电磁搅拌。极大地降低了成本。

Description

一种低成本铝基复合制动盘的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，属于汽铝基复合材料制动盘制造技术领域。

背景技术

制动盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用，性能优良的制动盘是汽车安全行驶的前提条件之一。虽然经过多年的应用与发展，但是从早期的石棉制动盘到目前广泛使用的铸铁制动盘，在环保、质量等方面都存在一些缺陷，并不能完全满足市场需求。汽车产业的迅猛发展，汽车产量的大幅度增加，降低能源消耗、降低成本、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求，迫使人们不停地开展对汽车刹车盘的研究，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和陶瓷材料混合搅拌后铸造成型，主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法、真空法。然而现有生产SiC颗粒与氟钛酸反应直接在电炉中进行由于氟对炉壁材料腐蚀性强，需要经常维护，极大地影响生产。在制备含有SiC颗粒的铝基增强复合材料时，由于SiC颗粒与铝合金之间的润湿性很差，铝和SiC颗粒反应不充分。并且现有的铝基复合材料工艺复杂、产品生产时间长、SiC颗粒吸收率低、半固熔状态时流动性差，成型困难，不能有效解决SiC颗粒与铝合金之间的润湿性差的问题。在铸造时，铝液从前正面进入，SiC颗粒受到强大压力作用会顺压力大的方向走，压力推到在底部最大，上下不一样造成SiC颗粒流动不均衡，进而导致SiC上层面与下层面分布不均，摩擦时产生层次不均的沟槽，极大地影响了产品的稳定性。

中国专利文献CN111471906A公开了控制钛和碳化硅颗粒充分反应的方法及其制备的制动盘。通过对铝基复合熔液进行中频电磁搅拌控制钛和碳化硅颗粒充分反应，得到用于制备制动盘的铝基铸造熔液。但是该专利存在以下不足：首先，该专利没有解决铝和SiC颗粒反应不充分的问题，反应不充分使得SiC颗粒在铝中的吸收率低，成本依然居高不下。其次，反应过程中反应不完全会产生碳盐副产物和氟盐副产物，然后带入至铝液中进而产生金属化合物杂质，影响制动盘质量。最后，由于SiC颗粒、氟钛酸、锌与空气接触会吸收空气中的水分进入铝液后造成铝液流动性差，造成制动盘成型困难，产品废品率高成本增加。

因此急需一种控制铝与SiC颗粒的充分反应来生产制动盘的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本铝基复合制动盘的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，包括步骤如下：

(1)将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，在150～500℃下加热30～90min，得到碳化硅添加剂；

(2)将铝在830～950℃下熔化，然后加入碳化硅添加剂，搅拌反应10～30min，对熔液进行扒渣，再通入惰性气体，继续搅拌10～30min，得到铝基铸造熔液；

(3)将铝基铸造熔液转运至电炉中搅拌均匀，然后将搅拌后的铝基铸造熔液升温至720～850℃，添加到压铸模具中压铸成铝基复合制动盘。

根据本发明优选的，步骤(1)中，所述碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰的质量比为(5～58)：(10～80)：(5～20)。

根据本发明优选的，步骤(1)中，所述碳化硅的粒度为8～100μm。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述铝和碳化硅添加剂的质量比为1：(0.4～0.8)。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述搅拌反应在反应包中进行；

所述反应包的直径为0.8～1.5m，高为1.2～1.6m，内壁设置有耐腐蚀层；所述耐腐蚀层由金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥，在200～800℃加热8～12h后得到；所述金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥的质量比为(2～3)：(3～6)：(1～2)：(1～1.6)：(2～4)。

根据本发明优选的，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或氩气。

根据本发明优选的，步骤(3)中，所述电炉为工频电炉或中频电炉，所述搅拌为正反搅拌，每隔15～25min进行一次，共进行5次。

进一步优选的，所述工频电炉的输出频率为10～50Hz；所述中频电炉的输出频率为140～160Hz，搅拌角度为30～90°。

根据本发明优选的，步骤(3)中，所述压铸的压力为30～149MPa，射料量4～10kg。

根据本发明优选的，步骤(3)中，所述压铸模具包括基台，基台中央设置有圆形空心铸模，所述圆形空心铸模中央上方设置有帽口，压铸过程中，铝基铸造熔液从帽口进入圆形空心铸模中，向四面扩散，均匀流动，经压铸后形成制动盘。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在铝基复合制动盘的制备过程中添加了二氧化锰，通过二氧化锰提供氧分子，提高氧化反应速度，使得氟钛酸钾与碳化硅充分反应，SiC颗粒与铝分子之间的快速完全润湿充分反应，有效地解决了各原料组分反应不完全导致的SiC颗粒吸收率低的问题，加快了反应速度，缩短了反应时间，减少了SiC颗粒和氟钛酸钾的使用量，不需要电磁搅拌。极大地降低了成本。并且由于各原料组分充分反应，避免了碳盐副产物和氟盐副产物的产生，降低了铝基复合制动盘的金属化合物杂质，提高了铝基复合制动盘的使用寿命和制动性能。

2、本发明的制备方法操作简单，工艺步骤少，适合工业生产。本发明在反应包中添加了耐腐蚀层，延长了反应包的使用寿命，减少了因反应包经常维护导致的停产损失。并且本发明中的压铸模具是根据材料特点设计的，铝基铸造熔液从中心位置进入，优点是SiC颗粒分布比较均匀，产品在摩擦时受力面比较均衡，产品比较稳定，因此本发明制备的铝基制动盘具有受力强度均匀，表面粗糙度均匀，摩擦性能稳定的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的制动盘的SiC颗粒分布图。

图2为本发明实施例1制备的制动盘的界面结构图。

图3为本发明压铸模具示意图。

图中，1、基台，2、圆形空心铸模，3、帽口。

图4为本发明压铸模具左视图。

图中，1、基台，2、圆形空心铸模，3、帽口。

图5为本发明压铸模具使用时铝基铸造熔液的流动方向示意图。

图6为本发明对比例1制备的制动盘的界面微观结构图。

图7为本发明实施例1(右)和对比例1(左)制备的制动盘的界面微观结构对比图。

图8为本发明对比例制备的制动盘的沟槽结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面以具体实施例来进一步清楚地解释本发明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，包括步骤如下：

(1)按照12：30：5的质量比，将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，在150℃下加热90min去除水分，得到碳化硅添加剂；其中，所述碳化硅的粒度为100μm；

(2)将1000kg铝置于炉中在830℃下熔化，然后熔化的铝液倒入反应包中，加入470kg碳化硅添加剂，搅拌反应10min，对熔液进行扒渣，再通入氮气，继续搅拌15min，得到铝基铸造熔液；

所述反应包的直径为1m，高为1.5m，内壁设置有耐腐蚀层；所述耐腐蚀层由金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥，在600℃加热10h后得到；所述金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥的质量比为3：4：2：1.5：3；

(3)将铝基铸造熔液转运至中频电炉中每隔20min搅拌一次，正反搅拌共5次，然后搅拌后的铝基铸造熔液升温至800℃，添加到压铸模具中，在压力为60MPa，射料量为6.5kg的压铸机中压铸成铝基复合制动盘。

所述中频电炉的输出频率为150Hz，搅拌角度为30°。

本实施例制备的制动盘的SiC颗粒分布图如图1所示。由图1可知，本发明制备的制动盘的SiC颗粒分布均匀，产品在摩擦时受力面比较均衡，产品比较稳定。SiC颗粒分不均匀会造成盘面摩擦后的沟槽产生质量问量题。

本实施例制备的制动盘的界面结构图如图2所示。由图2可知，本发明的制备方法中氟钛酸钾与碳化硅、SiC颗粒与铝之间充分反应，提高SiC颗粒在铝中的吸收率，没有产生碳盐副产物和氟盐副产物，降低了铝基复合制动盘的金属化合物杂质。

本发明所使用的压铸模具如图3、4所示。由图3、4可知，所述压铸模具包括基台1，基台中央设置有圆形空心铸模2，所述圆形空心铸模2中央上方设置有帽口3。本发明压铸模具使用时铝基铸造熔液的流动方向示意图如图5所示。由图5可知，压铸过程中，铝基铸造熔液从帽口3进入圆形空心铸模2中，向四面扩散，均匀流动，经压铸后形成制动盘

实施例2

一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，包括步骤如下：

(1)按照18：42：10的质量比，将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，在200℃下加热80min去除水分，得到碳化硅添加剂；其中，所述碳化硅的粒度为50μm；

(2)将1000kg铝置于炉中在870℃下熔化，然后熔化的铝液倒入反应包中，加入700kg碳化硅添加剂，搅拌反应15min，对熔液进行扒渣，再通入氩气，继续搅拌15min，得到铝基铸造熔液；

(3)将铝基铸造熔液转运至中频电炉中每隔20min搅拌一次，正反搅拌共5次，然后搅拌后的铝基铸造熔液升温至750℃，添加到压铸模具中，在压力为60MPa，射料量为6.5kg的压铸机中压铸成铝基复合制动盘；

所述中频电炉的输出频率为150Hz，搅拌角度为60°。

所述压铸模具同实施例1。

实施例3

一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，包括步骤如下：

(1)按照20：44：12的质量比，将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，在300℃下加热50min去除水分，得到碳化硅添加剂；其中，所述碳化硅的粒度为30μm；

(2)将1000kg铝置于炉中在880℃下熔化，然后熔化的铝液倒入反应包中，加入760kg碳化硅添加剂，搅拌反应18min，对熔液进行扒渣，再通入氩气，继续搅拌25min，得到铝基铸造熔液；

(3)将铝基铸造熔液转运至工频电炉中每隔20min搅拌一次，正反搅拌共5次，然后搅拌后的铝基铸造熔液升温至730℃，添加到压铸模具中，在压力为60MPa，射料量为6.5kg的压铸机中压铸成铝基复合制动盘；

所述工频电炉的输出频率为40Hz。

所述压铸模具同实施例1。

对比例1

按照中国专利文献CN111471906A公开的方法制备制动盘，

本对比例制备的制动盘的界面微观结构图如图6所示。

本对比例和实施例1制备的制动盘的界面微观结构对比图如图7所示。

由图6、7可知，本对比例的制备方法中SiC颗粒与铝之间反应不充分，产生了较多的碳盐副产物和氟盐副产物，制备得到的铝基复合制动盘中含有较多的金属化合物杂质。并且由于没有充分反应，使得SiC颗粒在铝中的吸收率低，各原料的使用量大，成本高昂，具体如表1所示。

对比例2

按照中国专利文献CN109022846A公开的方法制备制动盘。

本对比例使用一般现有模具进行铸造，所制备的制动盘结构具体如图8所示。

由于现有模具存在SiC颗粒流动不均衡的问题，进而导致SiC分布不均产生沟槽，极大地影响了产品的稳定性，而本发明压铸模具是根据材料特点设计的，铝基铸造熔液从中心位置进入，优点是SiC颗粒分布比较均匀，产品在摩擦时受力面比较均衡，产品比较稳定，因此本发明制备的铝基制动盘具有受力强度均匀，表面粗糙度均匀，摩擦性能稳定的优点。

并且本对比例也存在成本高昂，具体如表2所示。而本发明实施例1～3的成本如表3所示。

表1、对比例1的材料成本、产品合格数与杂质含量

表2、对比例2的材料成本、产品合格数与杂质含量

表3、实施例1～3的材料成本、产品合格数与杂质含量

由表1～3的对比可知，对比例1中碳化硅用量为300～500kg、氟钛酸用量为600～1000kg；对比例2中碳化硅用量为120～200kg、氟钛酸用量为300～440kg。本发明实施例1～3碳化硅用量为120～200kg、氟钛酸用量为300～440kg，二氧化锰用量为50～120kg。说明本发明通过添加二氧化锰，提高氧化反应速度，使得氟钛酸钾与碳化硅充分反应，SiC颗粒与铝分子之间的快速完全润湿充分反应，有效地解决了各原料组分反应不完全导致的SiC颗粒吸收率低的问题，加快了反应速度，缩短了反应时间，有效的减少了SiC颗粒和氟钛酸的使用量，而二氧化锰的成本远低于碳化硅和氟钛酸，综合来讲本发明极大地降低了成本。

并且由于各原料组分充分反应，本发明制备的产品合格数明显上升，实施例2的合格率达到了96.5％，而对比例1～2的合格率最高也只有70.4％。同时本发明避免了碳盐副产物和氟盐副产物的产生，将碳盐杂质含量降低至3％，氟盐杂质含量降低至5％，而对比例1～2中碳盐杂质含量最低为18％，氟盐杂质含量降低至22％，本发明的制备方法有效提高了铝基复合制动盘的使用寿命和制动性能。

Claims

1.一种低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

（1）将碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰混合均匀，在150~500℃下加热30~90min，得到碳化硅添加剂；

所述碳化硅、氟钛酸钾和二氧化锰的质量比为（5~58）：（10~80）：（5~20）；

（2）将铝在830~950℃下熔化，然后加入碳化硅添加剂，搅拌反应10~30min，对熔液进行扒渣，再通入惰性气体，继续搅拌10~30min，得到铝基铸造熔液；

所述铝和碳化硅添加剂的质量比为1：（0.4~0.8）；

（3）将铝基铸造熔液转运至电炉中搅拌均匀，然后将搅拌后的铝基铸造熔液升温至720~850℃，添加到压铸模具中压铸成铝基复合制动盘。

2.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述碳化硅的粒度为8~100μm。

3.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述搅拌反应在反应包中进行；

所述反应包的直径为0.8~1.5m，高为1.2~1.6m，内壁设置有耐腐蚀层；所述耐腐蚀层由金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥，在200~800℃加热8~12h后得到；所述金刚砂颗粒、铝矾土、石灰、耐火棉和高温水泥的质量比为（2~3）：（3~6）：（1~2）：（1~1.6）：（2~4）。

4.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述惰性气体为氮气或氩气。

5.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述电炉为工频电炉或中频电炉，所述搅拌为正反搅拌，每隔15~25min进行一次，共进行5次。

6.如权利要求5所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述工频电炉的输出频率为10~50Hz；所述中频电炉的输出频率为140~160Hz，搅拌角度为30~90°。

7.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述压铸的压力为30~149MPa，射料量4~10kg。

8.如权利要求1所述的低成本铝基复合制动盘的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述压铸模具包括基台，基台中央设置有圆形空心铸模，所述圆形空心铸模中央上方设置有帽口。