CN117884603B - 一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸造设备技术领域，尤其是涉及一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，包括熔炼搅拌步骤、真空调压铸造准备步骤和真空调压铸造步骤，在真空环境下升液，加压充型使铝基复合材料合金液填充满型腔内部；结壳增压：使铝基复合材料合金液与模具型腔充分接触并结壳凝固；凝固增压：将保温炉压力增加使刹车盘最先凝固区域得到补缩；并向压力釜内通入压缩空气，控制压力釜与保温炉内维持压力差并保压直至刹车盘铸件在压力作用下完全凝固；卸压后在真空状态下利用在线搅拌装置对合金液进行在线搅拌，本方法得到的铝基复材刹车盘组织均匀，有效控制了气孔及铸造缺陷的产生，显著提高了刹车盘的本体力学性能及铸造生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，尤其是涉及一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法。
背景技术
随着节能减排的迫切需求及汽车轻量化技术的快速发展，越来越多的钢、铁质零部件被更轻量化的新型材质零件取代。刹车盘是汽车基础制动装置中的核心部件，直接关系到汽车整体的制动性与安全性，刹车盘作为簧下安全结构件，所用材料不仅要满足轻量化，还要满足摩擦因数稳定、密度低、比热容高、导热系数高、热膨胀系数小、硬度高、疲劳性能优良等特点，性能优异的颗粒增强的铝基复合材料有望在刹车盘中获得广泛应用。然而颗粒增强的铝基复合材料粘度大，流动性差，制备流程长，增强体颗粒容易沉降，在铝基复合材料刹车盘铸造过程中需要多次搅拌，导致铝基复合材料的刹车盘制备时容易出现难以消除的气孔、夹渣等，且搅拌过程影响了模具温度场，导致刹车盘凝固补缩受影响引起缩孔缩松等铸造缺陷无法消除的问题。
CN109332651公开了一种复合材料真空搅拌吸铸工艺，所述真空吸铸技术具有极高的额冷却速率，可细化晶粒组织，减小偏析，且铸造设备复合真空搅拌，保证铝基复合材料均匀。但该铸造工艺对设备能力、铸件结构限制较多，不易成型面积较大、结构较为复杂的铸件。CN106563786 涉及一种颗粒增强铝基复合材料的差压浇注铸造方法，所述差压工艺基于砂型铸造，可成型较为复杂的铸件，且通过上、下罐压力及压差调整，使铸件在压力下完成结晶凝固，减少弥散分布的缩孔、缩松问题，但未涉及复合材料需要持续搅拌保证均匀性的问题，且砂型差压铸造，每件一个砂箱，不能长时间连续生产，生产效率低且成本较高。因此，迫切需要开发一种铝基复合材料刹车盘的可批量稳定生产的铸造工艺方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造工艺，利用真空调压铸造工艺调整刹车盘铸造过程的凝固组织，有效解决铝基复合材料刹车盘铸造过程中搅拌及填充模具时易卷气形成气孔、氧化夹渣、以及铸造凝固补缩效果差导致刹车盘内部出现缩孔、缩松等铸造缺陷和生产效率低的问题。
本发明完整的技术方案包括：
一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，包括熔炼搅拌步骤、真空调压铸造准备步骤和真空调压铸造步骤；
其中熔炼搅拌步骤包括：
（1）对保温炉内的坩埚做防氧化涂层处理，避免熔化过程坩埚灰尘漂浮。
（2）将铝基复合材料锭加入保温炉坩埚内，快速升高熔炼炉功率，将复合材料锭熔化并使复合材料合金液温度维持在750~760℃。
（3）铝基复合材料锭熔化过程中，通入氩气，在合金液上方形成保护气氛；铝基复合材料熔化后，将搅拌装置插入至距坩埚底部5~7cm位置，然后进行可调速的搅拌，搅拌转速由50~60r/min逐步提升至280~320r/min，搅拌过程液面平稳，不出现大气泡及液面翻滚现象，搅拌时间为30min~60min。
（4）变速搅拌停止前15~20min，适当添加中间合金形式的Ti、Sr元素，提升铸造后刹车盘机械性能，其中Ti元素含量控制在0.05~0.25wt.%，Sr元素含量控制在0.006~0.015wt.%。
（5）搅拌停止后，利用打渣勺进行打渣，保证铝基复合材料合金液的纯净度。
所述铝基复合材料刹车盘采用真空调压设备铸造得到，对该设备的真空调压铸造准备步骤包括：
（1）使用直径120mm~150mm 的耐热钢制升液管，在升液管表面用保温涂料、促进流动性的涂料分别喷涂2~3层，并用另一升温至850~900℃的空保温炉对升液管保温，耐热钢制升液管和真空调压铸造机设备的炉盖上的喉管之间留有一定空隙，形成合金液热辐射区。
（2）在真空调压铸造设备安装模具前，在刹车盘铸件上表面所对应的模腔内壁喷涂1~2层保温涂料，与刹车盘铸件侧壁及下表面对应的模腔内壁喷涂2~3层保温涂料，在浇口附件增加喷涂1~2层保温涂料，从而建立模具型腔的保温梯度。
（3）将模具安装在真空调压铸造设备上，安装完毕后，使用与模具型腔结构设计一致的烤模架，对模具进行预热，加热时间约为1~1.5小时，模具预热后，取出烤模架，合模后保持10~20分钟，使模具温度均匀；
（4）将装有搅拌均匀的碳化硅增强铝基复合材料合金液的保温炉推入真空调压铸造机设备，升降油缸运动至保温炉锁紧工位并将保温炉快速锁紧密封。
（5）下降压力釜高度，直至与真空调压铸造设备下台板密封，使模具处于密封的压力釜环境内；保温炉内的合金液保持740℃~760℃。
（6） 打开压力釜与保温炉坩埚之间的互通阀，启动设备抽真空系统，抽真空至10~50mbr，保持60~100s。
（7）关闭压力釜与保温炉坩埚的互通阀，开始铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造。
真空调压铸造步骤包括：
（1）升液：在真空环境下，40s~45s 时间内将压力增加到300mbar~350mbar，使铝基复合材料合金液通过升液管升液至模具底部浇口位置。
（2）充型：在真空环境下，6s~12s时间内将压力增加到450mbar~550mbar，使铝基复合材料合金液填充满型腔内部。
（3）结壳增压：在真空环境下，10s~15s 时间内将压力增加到800mbar~1000mbar，使铝基复合材料合金液与模具型腔充分接触，增强换热能力，并使铝基复合材料与模具型腔接触的表面快速结壳凝固；
（4）凝固增压：30s~50s内将压力增加到2000mbar~4000mbar，使刹车盘铸件最先凝固区域得到充分的补缩；向压力釜内通入干燥的压缩空气，并控制压力釜与保温炉内的压力差在800mbar~1500mbar。
（5）凝固保压：继续控制压力釜与保温炉内的压力差在800mbar~1500mbar，刹车盘铸件在2000mbar~4000mbar压力下持续保压90s~130s，保持该阶段保温炉内压力高于压力釜内压力，直至刹车盘在高压力补缩作用下完全凝固；
（6）卸压：保持压力釜与保温炉坩埚互通阀关闭，同时开启压力釜与保温炉坩埚的卸压阀，控制保温炉坩埚的卸压量，将卸压时间控制在60s~180s，使升液管内的铝基复合材料合金液缓慢回流至保温炉坩埚内，避免坩埚内液体波动，进而避免增加合金液体含气量。
（7）卸压完成后，对保温炉内铝基复合材料合金液进行抽真空，抽真空压力到10~50mbar，抽真空时间控制在0.5~5min，然后设备自动启动在线搅拌装置，对铝基复合材料合金液进行在线搅拌100s~180s，防止碳化硅增强颗粒在铝液中的沉降，在线搅拌系统根据铝液质量与碳化硅粉末加入量确定搅拌的参数；
（8）完全卸压40s~80s后，开启压力釜及上模，带动已凝固的刹车盘铸件离开下模，接料盘推入铸件下方，在上模顶杆推动下，铸件落入接料盘中；在线搅拌完成后且合模后，进入下一个铸造循环。
在本发明中，所述铝基复合材料刹车盘铸造方法中，所述刹车盘至少包括第一环形部，第二环形部，以及位于第一环形部和第二环形部之间，具有一定厚度的筒形连接部。
进一步的，第一环形部的外径大于第二环形部的外径，且第一环形部的内径大于第二环形部的内径。
实现刹车盘真空调压铸造的系统至少包括模具、浇注系统、排气系统、冷却系统和顶出系统；
所述浇注系统位于模具下方，包括升液管和浇口杯，升液管穿过铸造设备的炉盖上的喉管并连接浇口杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成铝液热辐射区。基于铝基复合材料合金液的流动特性及所采用调压铸造工艺，所述浇口杯设计为圆柱形，直径90~110mm。
进一步的，所述铝液热辐射区的尺寸根据热辐射的效果以及铸造设备工装的实际情况设计。
所述模具包括上模和下模，模具中央设有钢芯。所述顶出系统包括设于上模的顶杆和顶杆套。
所述排气系统包括缝隙式排气塞、顶杆间隙排气缝、模具型腔排气线、和排气槽。
其中，缝隙式排气塞包括设于上模上平面的上模排气塞，以及设于下模下平面的下模排气塞，排气塞直径为18~25mm，高度为8~10mm，上模排气塞数量为16~20个，下模排气塞数量为4~8个，其中上模排气塞距离上模外边缘的距离为10~20mm。
所述顶杆间隙排气缝为位于每个顶杆侧面的平面槽，数量为6~8个，深度为0.2~0.3mm，顶杆间隙排气缝使顶杆与模具之间形成用以排气的缝隙；
所述模具型腔排气线为宽度1~2mm，深度0.5~1mm的线型槽，位于上模、下模的型腔内表面以及钢芯表面上；
所述排气槽宽度15~30mm，深度0.2~0.5mm，位于上模和下模的分型面上。
所述冷却系统包括设于模具上的环形水冷通道，环绕点冷通道和中央点冷通道。
所述环形水冷通道位于上模，并环绕刹车盘铸件设置，距离上模的型腔侧壁15~25mm，述环形水冷通道在铸造工艺充型阶段结束后5~10s开启，持续时间30~60s，用于加强刹车盘上平面由外向内的冷却速度。
所述环绕点冷通道位于上模，并环绕上模中轴线均匀设置，包括6~10路点冷通道，距离上模型腔上壁15~25mm，环绕点冷通道在铸造工艺充型阶段结束后30~50s开启，持续时间20s~40s，用于加强刹车盘上平面与下平面连接结构自上而下的冷却速度。
所述中央点冷通道位于浇口中心上方15~25mm处，包括1~2路点冷通道，中央点冷通道在铸造工艺充型阶段结束后100s~140s开启，持续时间20s~40s，用于加强刹车盘下平面中心位置的冷却速度，提高铸件组织性能的同时，调节调压铸造循环节拍。
在上模、下模、钢芯外表面，对应刹车盘型腔面的位置分别设有上模避空槽、下模避空槽和钢芯避空槽，减料后模具和钢芯的壁厚为20~30mm，从而改变模具各区域储热能力，辅助调节刹车盘凝固顺序。
本发明相对于现有技术的优点在于：
（1）采用本发明的真空调压铸造工艺方法，实现了铝基复材刹车盘的层流平稳快速充型，真空条件下快速充型解决了铝基复材合金液易吸气、易形成氧化夹渣的问题，保证了铝基复材合金液的纯净度，显著减少了刹车盘铸件内部的气孔及氧化夹杂物；与传统制备工艺相比，铝基复材合金液中含气量降低了90%以上。
（2）采用本发明的真空调压铸造工艺方法，铸造过程采用冷却匹配的真空调压铸造工艺，解决了铝基复材刹车盘铸造过程凝固补缩效果差的问题，实现了铝基复材刹车盘的高压凝固补缩成型；快速充型后为压力釜及保温炉加压，使压力釜内铝基复材刹车盘在大结晶压力下凝固，提高了补缩效果，减少了刹车盘铸件内部缩孔、缩松等铸造缺陷，获得更为致密的铝基复材刹车盘组织；且铸造过程中压力釜与保温炉之间的压差，使升液管内的复合材料合金液持续在刹车盘铸件凝固过程中补缩，避免了浇口附近缩孔、缩孔及气孔的产生；采用该工艺所得铝基复材刹车盘铸件孔隙率由传统工艺的5%以上降低到0.05%。
（3）采用本发明真空调压铸造工艺方法，铝基复材刹车盘铸件每次新的铸造循环开始前，利用真空调压设备真空功能及保温炉配置的在线搅拌功能，实现了铝基复材的真空在线搅拌，解决了铝基复材刹车盘铸件传统制备过程中碳化硅增强颗粒易沉降团聚的问题，获得了均匀分散的颗粒增强复合材料，提高了刹车盘的组织均匀性；且在线搅拌无需转移保温炉至固定搅拌工位进行搅拌的步骤流程，降低流转过程中铝基复材合金液吸气的同时，显著缩短了铸造循环节拍，稳定了模具温度场，提高了铝基复材刹车盘铸件力学性能及铸造生产效率。
（4）采用本发明真空调压铸造工艺方法，所得铝基复材刹车盘组织均匀，铸造缺陷少，本体性能达：室温抗拉强度≥300MPa，300℃抗拉强度≥170MPa；
（5）采用本发明真空调压铸造工艺方法，生产组织简单，可稳定解决铝基复材刹车盘铸造过程增强颗粒沉降、气孔及铸造缺陷多的问题，实现了铸造工艺的一致性与全程可控批量生产；采用该工艺方法可以低成本批量生产大尺寸结构复杂且薄壁的铝基复材刹车盘，生产合格率达90%以上，生产效率显著提升。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
本发明公开了一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，包括熔炼搅拌阶段、真空调压铸造准备阶段和真空调压铸造阶段。
其中熔炼搅拌阶段过程为：
（1）对保温炉内的坩埚做防氧化涂层处理，避免熔化过程坩埚灰尘漂浮。
（2）将铝基复合材料锭加入坩埚，升高熔炼炉功率，将复合材料锭熔化并使复合材料合金液温度维持在750℃。
（3）铝基复材熔化过程中，通入氩气，在合金液上方形成保护气氛；铝基复合材料熔化后，将搅拌装置插入至距坩埚底部7cm位置，然后进行调变速搅拌，搅拌转速由60r/min逐步提升至300r/min，搅拌过程液面平稳，不出现大气泡及液面翻滚现象，搅拌时间为45min。
（4）搅拌停止前15min，适当添加中间合金形式的Ti、Sr元素，提升铸造后刹车盘机械性能，其中Ti元素含量控制在0.10wt.%，Sr元素含量控制在0.01wt.%。
（5）搅拌停止后，利用打渣勺进行打渣，保证铝基复合材料合金液的纯净度。
真空调压铸造准备阶段过程为：
（1）使用直径120mm的耐热钢制升液管，在升液管表面用保温涂料、促进流动性的涂料分别喷涂2层，并用另一升温至900℃的空保温炉保温，耐热钢制升液管和真空调压铸造机设备的炉盖上的喉管之间留有一定空隙，形成合金液热辐射区。
（2）模具在真空调压铸造设备上安装前，将产品上表面对应的模腔喷涂2层保温涂料，与产品侧壁及下表面对应的模腔喷涂3层保温涂料，浇口附件增加喷涂2层保温涂料，建立模具型腔的保温梯度。
（3）将模具安装在真空调压铸造设备上，安装完毕后，使用与模具型腔结构设计一致的烤模架，对模具进行预热，加热时间约为1.2小时，模具预热后，取出烤模架，合模后保持15分钟，使模具温度均匀。
（4）将装有搅拌均匀的碳化硅增强铝基复合材料合金液的保温炉推入真空调压铸造机设备，升降油缸运动至保温炉锁紧工位将保温炉快速锁紧密封。
（5）下降压力釜高度直至与设备下台板密封，使模具处于密封的压力釜环境内；保温炉内的合金液保持750℃。
（6） 打开压力釜与保温炉坩埚的互通阀，启动设备抽真空系统，抽真空至50mbar，保持100s。
（7）关闭压力釜与保温炉坩埚的互通阀，开始基复合材料刹车盘的真空调压铸造。
真空调压铸造具体过程如下：
（1）升液：在真空环境下，40s 时间内将压力增加到350mbar，使铝基复合材料合金液通过升液管升液至模具底部浇口位置。
（2）充型：在真空环境下，10s时间内将压力增加到550mbar，使铝基复合材料合金液填充满型腔内部。
（3）结壳增压：在真空环境下，15s 时间内将压力增加到1000mbar，使铝基复合材料合金液与模具型腔充分接触，增加换热能力，并使铝基复合材料与模具型腔接触的表面快速结壳凝固。
（4）凝固增压：30s内将压力增加到3000mbar，使刹车盘最先凝固区域得到充分的补缩；向压力釜内通入干燥的压缩空气，并控制压力釜与保温炉内的压力差在1200mbar。
（5）凝固保压：继续控制压力釜与保温炉内的压力差在1200mbar，刹车盘铸件在3000mbar压力下持续保压100s，保持该阶段保温炉内压力高于压力釜内压力，直至刹车盘在高的压力补缩作用下完全凝固。
（6）卸压：保持压力釜与保温炉坩埚互通阀关闭，同时开启压力釜与保温炉坩埚的卸压阀，控制保温炉坩埚的卸压量，将卸压时间控制在100s，使升液管内的铝基复合材料合金液缓慢回流至保温炉坩埚内，避免坩埚内液体波动，进而避免增加合金液体含气量。
（7）卸压完成后，对保温炉内铝基复合材料合金液进行抽真空，抽真空压力到50mbar，抽真空时间控制在1min，然后设备自动启动在线搅拌装置，对铝基复合材料合金液进行在线搅拌120s，防止碳化硅增强颗粒在铝液中的沉降，在线搅拌系统根据铝液质量与碳化硅粉末加入量确定搅拌的参数。
（8）完全卸压60s后，开启压力釜及上模，带动已凝固的刹车盘铸件离开下模，接料盘推入铸件下方，在上模顶杆推动下，铸件落入接料盘中；在线搅拌完成后且合模后，进入下一个铸造循环。
在本发明中，实现刹车盘真空调压铸造的系统包括模具、浇注系统、排气系统、冷却系统和顶出系统；
所述浇注系统位于模具下方，包括升液管和浇口杯，升液管穿过铸造设备的炉盖上的喉管并连接浇口杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成铝液热辐射区。基于铝基复合材料合金液的流动特性及所采用调压铸造工艺，所述浇口杯设计为圆柱形，直径90~110mm。
进一步的，所述铝液热辐射区的尺寸根据热辐射的效果以及铸造设备工装的实际情况设计。
所述模具包括上模和下模，模具中央设有钢芯。所述顶出系统包括设于上模的顶杆和顶杆套。
所述排气系统包括缝隙式排气塞、顶杆间隙排气缝、模具型腔排气线、和排气槽。
其中，缝隙式排气塞包括设于上模上平面的上模排气塞，以及设于下模下平面的下模排气塞，排气塞直径为18~25mm，高度为8~10mm，上模排气塞数量为16~20个，下模排气塞数量为4~8个，其中上模排气塞距离上模外边缘的距离为10~20mm。
所述顶杆间隙排气缝为位于每个顶杆侧面的平面槽，数量为6~8个，深度为0.2~0.3mm，顶杆间隙排气缝使顶杆与模具之间形成用以排气的缝隙；
所述模具型腔排气线为宽度1~2mm，深度0.5~1mm的线型槽，位于上模、下模的型腔内表面以及钢芯表面上；
所述排气槽宽度15~30mm，深度0.2~0.5mm，位于上模和下模的分型面上。
所述冷却系统包括设于模具上的环形水冷通道，环绕点冷通道和中央点冷通道。
所述环形水冷通道位于上模，并环绕刹车盘铸件设置，距离上模的型腔侧壁15~25mm，述环形水冷通道在铸造工艺充型阶段结束后5~10s开启，持续时间30~60s，用于加强刹车盘上平面由外向内的冷却速度。
所述环绕点冷通道位于上模，并环绕上模中轴线均匀设置，包括6~10路点冷通道，距离上模型腔上壁15~25mm，环绕点冷通道在铸造工艺充型阶段结束后30~50s开启，持续时间20s~40s，用于加强刹车盘上平面与下平面连接结构自上而下的冷却速度。
所述中央点冷通道位于浇口中心上方15~25mm处，包括1~2路点冷通道，中央点冷通道在铸造工艺充型阶段结束后100s~140s开启，持续时间20s~40s，用于加强刹车盘下平面中心位置的冷却速度，提高铸件组织性能的同时，调节调压铸造循环节拍。
在上模、下模、钢芯外表面，对应刹车盘型腔面的位置分别设有上模避空槽、下模避空槽和钢芯避空槽，减料后模具和钢芯的壁厚为20~30mm，从而改变模具各区域储热能力，辅助调节刹车盘凝固顺序。
采用本真空调压铸造工艺方法，每铸造完一个铝基复材刹车盘铸件，无需吊出一次升液管，也无需移出保温炉，利用真空调压设备真空功能及保温炉配置的在线搅拌功能启动在线搅拌，实现了铝基复材的真空在线搅拌，解决了铝基复材刹车盘铸件传统制备过程中碳化硅增强颗粒易沉降团聚的问题，获得了均匀分散的颗粒增强复合材料，提高了刹车盘的组织均匀性；且在线搅拌无需转移保温炉至固定搅拌工位进行搅拌的工序流程，降低流转过程中铝基复材合金液吸气的同时，显著缩短了铸造循环节拍，稳定了模具温度场，提高了铝基复材刹车盘铸件力学性能及铸造生产效率。
该在线搅拌系统可以采用电磁搅拌或机械搅拌的方式，以机械搅拌为例，该机械搅拌系统包括主轴承室，主轴承室内设有过渡轴，主轴承室上方设有电机，电机通过V型带连接过渡轴并能够带动过渡轴旋转，过渡轴下方连接有石墨转轴，石墨转轴下方连接石墨转子，石墨转子伸入坩埚炉的合金液内，用以对坩埚炉中的铝液进行在线机械搅拌。
在搅拌参数方面，通过转速的提高，可以改变机械搅拌的强度，使合金液在模具内更好地流动，但过高的转速也会导致合金液的紊流程度加剧，并造成过大的功耗，不利于节能减排，同时也要考虑到设备的承受能力，因而，本发明综合考虑了合金液的量，以及颗粒增强体粉末加入量两个参数，基于不同参数，结合水模拟和仿真结果，分析其在不同情况下的搅拌均匀情况，通过数据进行拟合，最终确定选择如下的转速控制方式：
式中，为石墨转子转速，/>为石墨转子基准转速，取值为400rpm，/>为合金液质量，/>为合金液基准质量，取值为500Kg，/>为合金液中颗粒增强体的百分含量，/>为合金液中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6，优选为0.47；/>取值范围为0.3~0.5，优选为0.32，/>取值范围为0.8~1.3，优选为0.92。
同时，由于含有碳化硅粉末的铝合金液粘度大，刹车盘铸件完成一个铸造循环（浇铸、保压、冷却）后会造成升液管堵塞，清理困难，且不锈钢升液管热传导快，升液管口处的温度很快降到200℃以下，当铝合金液再次充型时，铝液遇冷立即结壳，生产完一两个刹车盘铸件后再次堵塞升液管。为解决该问题，本发明增大炉盖上喉管直径，使升液管和喉管之间留有一定空隙，形成专门的铝液热辐射区，通过坩埚中铝液的热辐射对升液管进行辐射加热。
其中，关于喉管与升液管之间的空间距离设计，需要综合考虑热辐射的效果以及铸造设备工装的实际情况需求，本发明的设计过程如下：
首先考虑升液管口区域的换热模型，由于升液管口处的温度，是一个涉及到多物理量的复杂传热系统，为方便计算，对换热模型进行适当的简化，首先确定计算区域，将升液管与保温杯连接处下方10cm长度的升液管作为辐射换热区，该区域的净换热量可以表示为：
其中，为从升液管下部传导到辐射换热区的热量；/>为铝液液面对辐射换热区通过辐射传来的热量；/>为辐射换热区对外辐射所散失的热量。
由于铸件为周期性生产的，每个生产周期完成一个铸件，结合该周期性生产特点，并出于简化计算考虑，将和/>都设定为常数，其数值可以通过实测结合仿真得到的温度场通过换算得到。对于铝液液面对辐射换热区辐射的热量/>，设计变量包括喉管下端距离炉盖的距离（因炉盖通常为标准部件，此处取常数）、升液管与喉管之间的距离、液面高度、铝液表面温度和辐射换热区的温度。因而根据以下公式进行传热计算：
式中，为升液管与喉管之间的距离，/>为铝液表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区高度，此处取其中间位置处高度，/>为铝液表面高度；/>为/>的指数，/>为系数，两个参数的数值通过实测结合仿真得到的温度场拟合得到。
建立有限元模型，并进行多个铸造周期的仿真，耦合上述公式得到辐射换热区的温度变化。结果表明，随着的增加，辐射换热区的温度也随之升高，但喉管直径受到了设备下模板中心孔的限制。因而选择/>，首先保证其可使辐射换热区的温度不低于610℃，并结合铸造设备工装的实际情况需求：下模板中心孔尺寸（Φ460mm），喉管直径（不大于Φ420，单面20mm间隙，留出炉盖喉管的加工装配误差），同时为了避免热量散失，在喉管外筒壁包裹一层30mm的保温棉，使炉内热量只能通过喉管顶部的升液管口处散出。最终选择使喉管与升液管之间的距离/>为70mm，确保铝液通过时不会凝固堵塞升液管。
采用本真空调压铸造工艺方法，真空条件下快速充型，解决了铝基复材合金液易吸气、易形成氧化夹渣的问题，减少了刹车盘铸件气孔及氧化夹杂物。 铸造过程采用冷却匹配的真空调压铸造工艺，快速充型后为压力釜及保温炉加压，使压力釜内铝基复材刹车盘在大结晶压力下凝固，提高了补缩效果，减少了刹车盘铸件内部缩孔、缩松等铸造缺陷，获得更为致密的铝基复材刹车盘组织。
采用本真空调压铸造工艺方法，所得铝基复材刹车盘组织均匀，气孔及铸造缺陷少，本体性能达：室温抗拉强度310.8MPa，300℃抗拉强度172.5MPa；
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，包括熔炼搅拌步骤、真空调压铸造准备步骤和真空调压铸造步骤；
所述熔炼搅拌步骤包括：将铝基复合材料锭熔化并保温，铝基复合材料锭熔化过程中通入氩气，在合金液上方形成保护气氛，保温过程中采用搅拌装置对合金液进行能够调控速度的搅拌，搅拌过程中加入Ti、Sr元素；搅拌结束后对合金液进行打渣；
真空调压铸造准备步骤包括：对耐热钢制升液管刷涂涂料并保温，对模具型腔喷涂涂料，将模具安装于真空调压铸造设备上，对模具进行预热后合模；将装有打渣后合金液的保温炉推入真空调压铸造机设备，密封真空调压铸造机设备的压力阀后，对真空调压铸造机设备抽真空；所述耐热钢制升液管和真空调压铸造机设备的炉盖上的喉管之间留有一定空隙，形成合金液热辐射区；
所述真空调压铸造步骤包括：
（1）升液：在真空环境下，40s~45s内将保温炉压力增加到300mbar~350mbar，使铝基复合材料合金液通过升液管升液至模具底部浇口位置；
（2）充型：在真空环境下，6s~12s内将保温炉压力增加到450mbar~550mbar，使铝基复合材料合金液填充满型腔内部；
（3）结壳增压：在真空环境下，10s~15s内将保温炉压力增加到800mbar~1000mbar，使铝基复合材料合金液与模具型腔充分接触，并使合金液在与模具型腔接触的表面上结壳凝固；
（4）凝固增压：30s~50s内将保温炉压力增加到2000mbar~4000mbar，使刹车盘最先凝固区域得到补缩；并向压力釜内通入压缩空气，控制压力釜与保温炉内的压力差在800mbar~1500mbar，其中保温炉内压力高于压力釜内压力；
（5）凝固保压：继续控制压力釜与保温炉内的压力差并保持90s~130s，直至刹车盘铸件在压力作用下完全凝固；
（6）卸压：开启压力釜与保温炉之间的卸压阀，控制保温炉的卸压量，控制卸压时间为60s~180s，使升液管内的铝基复合材料合金液回流至保温炉内；
（7）在线搅拌：卸压完成后，对保温炉内铝基复合材料合金液抽真空，然后启动在线搅拌装置，对铝基复合材料合金液进行在线搅拌；在线搅拌装置采用机械搅拌的方式，采用石墨转子，选择如下的转速控制方式：
式中，为石墨转子转速，/>为石墨转子基准转速，取值为400rpm，/>为合金液质量，/>为合金液基准质量，取值为500Kg，/>为合金液中颗粒增强体的百分含量，/>为合金液中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6；/>取值范围为0.3~0.5，/>取值范围为0.8~1.3；
（8）开模：完全卸压40s~80s后，开启压力釜及上模，带动已凝固的刹车盘铸件离开下模，接料盘推入铸件下方，在上模顶杆推动下，刹车盘铸件进入接料盘。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，所述模具上设有冷却系统和排气系统。
3.根据权利要求2所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，卸压过程控制保温炉的卸压量，控制卸压时间为60s~180s，使升液管内的铝基复合材料合金液回流至保温炉内，卸压完成后，对保温炉内铝基复合材料合金液抽真空使压力到10~50mbar，抽真空时间控制在0.5~5min，随后自动启动搅拌装置，对合金液进行在线搅拌。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，熔炼搅拌步骤中，将搅拌装置插入至距保温炉坩埚底部5~7cm位置，然后进行能够调控速度的搅拌，所述坩埚进行防氧化涂层处理。
5.根据权利要求4所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，所述能够调控速度的搅拌具体为：搅拌转速由50~60r/min逐步提升至280~320r/min，搅拌时间为30min~60min。
6.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，熔炼搅拌步骤中，在搅拌停止前15~20min加入Ti、Sr元素，所述Ti、Sr元素以中间合金形式加入。
7.根据权利要求6所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，其中Ti元素含量为0.05~0.25wt.%，Sr元素含量占合金液总量的0.006~0.015wt.%。
8.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，真空调压铸造准备步骤中，密封压力阀后，对真空调压铸造机设备抽真空至10~50mbr，保持60~100s。
9.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料刹车盘的真空调压铸造方法，其特征在于，所述搅拌装置根据合金液质量与碳化硅粉末加入量确定搅拌的参数。
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