CN115415527A - 制动盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及制动盘的制备方法，通过在盘体模腔中先铺设第一层结构材料层、第二层摩擦材料层和第三层结构材料层，预压后，再在盘帽模腔中铺设结构材料层，合压，得到生坯，通过计算公式计算出结构材料层的厚度，使得生坯各个部分在后续烧结过程中的烧结收缩率相匹配，界面结合处不会发生开裂等情况，最后将易加工的第一层结构材料层和第三层结构材料层通过机加去除，即可得到制动盘，避免了对难加工的摩擦材料层的切削，节省了制造成本。

Description

制动盘的制备方法
技术领域
本发明涉及制动盘技术领域，特别是涉及制动盘的制备方法。
背景技术
轻量化是实现汽车和其他交通车辆节能降耗最有效的手段之一。采用高性能轻金属材料代替钢材料应用于交通装备的发动机和制动盘等关键运动零部件，不仅可减轻整车重量，降低交通装备高速运动部件的动量，更能显著改善交通装备的动力性能，同时降低能耗。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料密度低、比强度和比刚度高、热导率高，并具有优良的抗菌耐磨以及耐腐蚀性能，在轻量化结构件领域具有广阔的应用前景，采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料替代传统的制动盘材料，也成为目前交通车辆轻量化的主要研究方向。
然而目前铸造法制备的制动盘大多难以突破陶瓷颗粒含量20％的上限，耐磨性能难以大幅度提高，限制了其推广应用。粉末冶金法制备的制动盘虽然陶瓷颗粒含量最高能达到75％，显著提高了其耐磨性，但制备难度也随之增加。
基于此，CN111442039A公开了一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料汽车制动盘的制备方法，通过在模具内不同区域填入不同粉体，制动盘摩擦面的位置填入陶瓷颗粒含量可高达75％的耐磨铝基复合材料粉体，其余位置填入不含陶瓷颗粒的铝基结构材料粉体，并于相应位置插入散热孔销，合模排气后，在室温下于模具中一体化冷压成形，冷压完成后，由保护性脱模，成为无缺陷的“近净成形”坯体，从而避免了后续极易耗费成本的机加工步骤。但是该方法对模具的精度要求较高。
发明内容
基于此，有必要提供一种易机加，无需高精度模具的制动盘的制备方法。
一种制动盘的制备方法，包括以下步骤：
提供具有盘帽模腔和盘体模腔的制动盘模具；
提供结构材料和摩擦材料；
在所述盘体模腔中依次铺设第一层结构材料层、第二层摩擦材料层和第三层结构材料层，预压后，在所述盘帽模腔中铺设结构材料层，合压，得到生坯，
所述结构材料层的厚度H3根据以下公式计算：
H3＝(b*H1+a*H2+b*H1)/b，
其中：
a为所述摩擦材料的粉末压缩比；
b为所述结构材料的粉末压缩比；
所述第一层结构材料层和第三结构材料层的厚度相同，均为H1，单位为mm；
H2为第二摩擦材料层的厚度，单位为mm；
在保护性气体氛围中，将所述生坯烧结后整形出盘帽，得到粗坯；
机加去除所述粗坯的第一层结构材料层和第三层结构材料层，得到制动盘。
在其中一个实施例中，以体积百分含量计，所述摩擦材料由45％～70％的SiC粉、1％～5％的Cu粉、0.3％～2％的Mg粉和余量的Al粉组成；所述摩擦材料中SiC粉由平均粒径为30μm～70μm的粗SiC粉和平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，所述摩擦材料中Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
在其中一个实施例中，以体积百分含量计，所述结构材料由20％～45％的SiC粉、1％～5％的Cu粉、0.3％～2％的Mg粉和余量的Al粉组成；所述结构材料中SiC粉由平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，所述结构材料中Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
在其中一个实施例中，所述a的取值范围为0.4～0.6；所述H2的取值范围为40mm～60mm。
在其中一个实施例中，所述b的取值范围为0.4～0.5；所述H1的取值范围为2mm～6mm。
在其中一个实施例中，所述预压的压力为5MPa～30MPa，加压速率为0.5mm/s～2mm/s，保压时间为5～10秒。
在其中一个实施例中，所述合压的压力为150MPa～300MPa，保压时间为5s～20s，加压速率为0.5mm/s～2mm/s。
在其中一个实施例中，所述烧结的温度为480℃～580℃，升温速率为3℃/min～6℃/min。
在其中一个实施例中，所述整形的温度为450℃～550℃，压力为150MPa～300MPa，保压时间为5s～20s。
上述制动盘的制备方法，通过在盘体模腔中先铺设第一层结构材料层、第二层摩擦材料层和第三层结构材料层，预压后，再在盘帽模腔中铺设结构材料层，合压，得到生坯，通过计算公式计算出结构材料层的厚度，使得生坯各个部分在后续烧结过程中的烧结收缩率相匹配，界面结合处不会发生开裂等情况，最后将易加工的第一层结构材料层和第三层结构材料层通过机加去除，即可得到制动盘，避免了对难加工的摩擦材料层的切削，节省了制造成本。
此外，上述制动盘是通过机加去除第一层结构材料层和第三层结构材料层得到，无需“近净成形”工艺所需的高精度模具。
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。
一实施方式的制动盘的制备方法，包括以下步骤S110～S150：
S110、提供具有盘帽模腔和盘体模腔的制动盘模具。
可以理解，制动盘模具可以根据所需的制动盘的形状进行设计。
S120、提供结构材料和摩擦材料。
在本实施方式中，结构材料和摩擦材料为具有不同碳化硅体积含量的铝基复合材料。
具体的，结构材料由20％～45％体积含量的SiC粉、1％～5％体积含量的Cu粉、0.3％～2％体积含量的Mg粉和余量的Al粉组成。其中，结构材料中的SiC粉由平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
采用上述结构材料形成的第一结构材料层、第三结构材料层和结构材料层在具备高强度的同时，具有良好的可加工性。
摩擦材料由45％～70％体积含量的SiC粉、1％～5％体积含量的Cu粉、0.3％～2％体积含量的Mg粉和余量的Al粉组成。其中，摩擦材料中的SiC粉由平均粒径为30μm～70μm的粗SiC粉和平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
采用上述摩擦材料形成的摩擦材料层具备良好的耐磨性和耐热性，可满足传统汽车制动盘在摩擦制动过程中所需的摩擦磨损、耐疲劳等制动性能要求。
需要说明的是，结构材料和摩擦材料的组成可以根据盘帽和盘体的性能要求进行设计，而不限于以上描述。
需要说明的是，步骤S110和S120的顺序不限，可以同时进行也可以先后进行。
S130、在盘体模腔中依次铺设第一层结构材料层、第二层摩擦材料层和第三层结构材料层，预压后，在盘帽模腔中铺设结构材料层，合压，得到生坯。
为了避免生坯在后续烧结致密化过程中，结构材料与摩擦材料因烧结收缩率的差异使得界面处出现开裂的情况，结构材料层的厚度H3根据以下公式计算：
H3＝(b*H1+a*H2+b*H1)/b，
其中：a为摩擦材料的粉末压缩比；b为结构材料的粉末压缩比；H2为第二层摩擦材料层的厚度，单位为mm；第一层结构材料层和第三结构材料层的厚度相同，均为H1，单位为mm。
需要说明的是，本申请中粉末压缩比指的是加压后生坯的高度与加压前粉末的高度之比。
可以理解，a与b可以根据实验获得。在本实施方式中，a优选为0.4～0.6，b优选为0.4～0.5。H1的取值范围优选为2mm～6mm，H2的取值范围优选为40mm～60mm。
进一步的，预压的压力为5MPa～30MPa，加压速率为0.5mm/s～2mm/s，保压时间为5s～10s。合压的压力为150MPa～300MPa，保压时间为5s～20s，加压速率为0.5mm/s～2mm/s。
可以理解，通过控制预压的压力和加压速率，一方面可使预压坯具有一定的强度，以利于后续在盘帽模腔中铺设结构材料层合压后，盘帽和盘体之间的界面规则分布，另一方面又不至于使预压坯的致密度过高，从而影响结构材料和摩擦材料之间的界面结合强度。
S140、在保护性气体氛围中，将上述生坯烧结后整形出盘帽，得到粗坯。
在本实施方式中，烧结的温度为480℃～580℃，升温速率为3℃/min～6℃min。保护性气体氛围为氮气或氩气。
通过控制烧结温度和升温速率，可以保证盘帽和盘体的界面结合状态，避免界面开裂。
在本实施方式中，整形的温度为450℃～550℃，压力为150MPa～300MPa，保压时间为5s～20s。
具体的，整形采用闭式模锻，模具和烧结坯组合后加热，到温压制即可。
S150、机加去除所述粗坯的第一层结构材料层和第三层结构材料层，得到制动盘。
由于第一层结构材料层和第三层结构材料层均是由陶瓷体积含量低的铝基复合材料制备而成，具有良好的可加工性，易于机加去除，节省了时间和劳力，提高了制动盘的生产效率。
以下为具体实施例。
实施例1
采用如步骤S110～S150的方式制备制动盘，各实施例和对比例的材料组成如表1所示，工艺条件如表2所示。
表1
Figure BDA0003800807060000071
表2
Figure BDA0003800807060000072
各实施例和对比例制备的制动盘的性能如表3所示。
表3
Figure BDA0003800807060000081
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 (9)

1.一种制动盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供具有盘帽模腔和盘体模腔的制动盘模具；
提供结构材料和摩擦材料；
在所述盘体模腔中依次铺设第一层结构材料层、第二层摩擦材料层和第三层结构材料层，预压后，在所述盘帽模腔中铺设结构材料层，合压，得到生坯，
所述结构材料层的厚度H3根据以下公式计算：
H3＝(b*H1+a*H2+b*H1)/b，
其中：
a为所述摩擦材料的粉末压缩比；
b为所述结构材料的粉末压缩比；
所述第一层结构材料层和第三层结构材料层的厚度相同，均为H1，单位为mm；
H2为第二层摩擦材料层的厚度，单位为mm；
在保护性气体氛围中，将所述生坯烧结后整形出盘帽，得到粗坯；
机加去除所述粗坯的第一层结构材料层和第三层结构材料层，得到制动盘。
2.根据权利要求1所述的制动盘的制备方法，其特征在于，以体积百分含量计，所述摩擦材料由45％～70％的SiC粉、1％～5％的Cu粉、0.3％～2％的Mg粉和余量的Al粉组成；所述摩擦材料中SiC粉由平均粒径为30μm～70μm的粗SiC粉和平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，所述摩擦材料中Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
3.根据权利要求2所述的制动盘的制备方法，其特征在于，以体积百分含量计，所述结构材料由20％～45％的SiC粉、1％～5％的Cu粉、0.3％～2％的Mg粉和余量的Al粉组成；所述结构材料中SiC粉由平均粒径为5μm～25μm的细SiC粉组成，所述结构材料中Al粉的平均粒径为25μm～50μm。
4.根据权利要求1所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述a的取值范围为0.4～0.6；所述H2的取值范围为40mm～60mm。
5.根据权利要求1所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述b的取值范围为0.4～0.5；所述H1的取值范围为2mm～6mm。
6.根据权利要求3所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述预压的压力为5MPa～30MPa，加压速率为0.5mm/s～2mm/s，保压时间5～10秒。
7.根据权利要求3所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述合压的压力为150MPa～300MPa，保压时间为5s～20s，加压速率为0.5mm/s～2mm/s。
8.根据权利要求3所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为480℃～580℃，时间为30～120分钟，升温速率为3℃/min～6℃/min。
9.根据权利要求3所述的制动盘的制备方法，其特征在于，所述整形的温度为450℃～550℃，压力为150MPa～300MPa，，保压时间为5s～20s。
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