本發(fā)明屬于剎車制動(dòng)盤，具體涉及一種鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤及制備方法。

技術(shù)背景

在交通技術(shù)領(lǐng)域，制動(dòng)盤對于車輛有效制動(dòng)極為關(guān)鍵。國外制動(dòng)盤的傳統(tǒng)材料為HT20-40、HT25-47、HT30-54。國外先后研制并試用了蠕墨鑄鐵盤、合金鑄鋼和鍛鋼制動(dòng)盤。國內(nèi)在制動(dòng)盤材料的研制方面起步較晚，先后采用過普通鑄鐵、Ni-Cr-Mo合金鑄鐵、HT20-40、HT30-54、QT40-10、Cr-Mo鑄鐵、特種鑄鐵等材料。由于交通業(yè)的發(fā)展及輕量化要求，世界各國對制動(dòng)盤的材料的研究已經(jīng)從普通鑄鐵、普通碳鋼、低合金鑄鐵等，逐漸發(fā)展到了合金鑄鋼、鍛鋼、蠕墨鑄鐵、復(fù)合材料等。

鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤相比傳統(tǒng)鋼鐵材料制動(dòng)盤具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好以及優(yōu)異的耐磨性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料制動(dòng)盤，可以減少制動(dòng)盤重量的40-60%，使用傳統(tǒng)的鑄鐵和鑄鋼材料制造的制動(dòng)盤，由于自身制動(dòng)慣量大，盤面溫度升高快，容易產(chǎn)生熱疲勞龜裂而引起制動(dòng)盤報(bào)廢。采用鋁基復(fù)合材料制造的制動(dòng)盤則可以克服這些缺點(diǎn)，而且由于鋁基復(fù)合材料的密度小，一定程度上能有效降低制動(dòng)盤本身的制動(dòng)慣量。鑒于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有很多的優(yōu)良性能，目前，其已被認(rèn)為是制造制動(dòng)盤的新一代理想替代材料。但由于鋁基復(fù)合材料中含有高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷顆粒；使這種材料塑性差、成形性差，機(jī)械加工困難，制作成本高，尤其不適合制造大尺寸、形狀復(fù)雜的部件，這些都成為制約制動(dòng)盤廣泛應(yīng)用成為制造制動(dòng)盤的主要障礙。

中國專利ZL201210572460.2涉及一種具有熱涂覆的、減小磨損的表面涂層的灰口鑄鐵制動(dòng)盤，所述表面涂層具有碳化鉻和/ 或碳化鎢。增加表面涂層可以提高制動(dòng)盤的耐磨性能，加工難度小，但是涂層的厚度受限，而且涂層致密度差。

中國專利CN201510854685.0公開了一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤，該發(fā)明提供了一種提供一種復(fù)合材料，包括以下成分：75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，錳：0 .02％-1 .2％，≤ 0 .5％的鐵，0 .4％-2 .0％的鎂，0 .05％-1％的鈦。其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以鋁硅合金和碳化硅顆粒兩種形式存在。碳化硅顆粒粒度名義值為15μm，5μm-25μm內(nèi)正態(tài)分布。還提供一種利用上述的復(fù)合材料制造的軌道交通車輛的制動(dòng)盤。該制動(dòng)盤相比傳統(tǒng)鋼鐵材料制動(dòng)盤具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好以及優(yōu)異的耐磨性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，但整體采用該材料存在脆性大（延伸率幾乎為零），加工難度大，制造成本很高，這也是一直限制該材料在民用交通工具上大量使用的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤及制備方法,以提高剎車制動(dòng)盤裝配時(shí)的強(qiáng)韌性，降低其加工制造成本和提高其使用的可靠性。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤，包括盤體，所述盤體包括由盤芯和覆蓋在所述盤芯上的摩擦層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述盤芯為鋁合金材料，所述摩擦層為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

所述盤芯的鋁合金材料為鑄造鋁合金A356、A357、A319中之一。

所述摩擦層的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由所述鋁合金材料和顆粒增強(qiáng)體材料組成。

所述顆粒增強(qiáng)體材料為SiC、Al₂O₃、B₄C、AlN中的一種或兩種以上。

所述顆粒增強(qiáng)體材料的顆粒范圍3μm-30μm，呈正態(tài)分布，顆粒增強(qiáng)體材料占所述顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料重量的百分比含量為10-35%。

所述盤體的摩擦層面設(shè)有凹槽加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤制備方法如下：

先用鋁合金材料鑄造成型盤芯，在成型后的盤芯基礎(chǔ)上用由所述鋁合金材料和顆粒增強(qiáng)體材料組成的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄造成型摩擦層，形成里面由鋁合金材料盤芯，表面由顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦層構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的盤體。

所述盤體的制備方法包括以下步驟：先用鋁合金材料鑄造成型盤芯，在成型后的盤芯基礎(chǔ)上用由所述鋁合金材料和顆粒增強(qiáng)體材料組成的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄造成型摩擦層，形成里面由鋁合金材料盤芯，表面由顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦層構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的盤體。

所述的鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤的制備方法，其特征是所述盤體的制備包括以下步驟：

（1）制備盤芯：采用鋁合金鑄造方法制作盤芯，然后機(jī)加工成所需形狀；

（2）制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料：首先對顆粒增強(qiáng)體材料進(jìn)行預(yù)處理，然后在真空條件下熔化鋁合金材料，熔化溫度為所選鋁合金材料熔點(diǎn)以上50-150℃；將顆粒增強(qiáng)體材料加熱到300℃以上，將其加入到鋁合金熔體中的同時(shí)充分?jǐn)嚢璧玫綇?fù)合材料，最后在鋁合金材料熔點(diǎn)附近將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠；

（3）盤體成型鑄造：將所述盤芯放入盤體成型模具中，抽真空處理，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在近液相線附近進(jìn)行半固態(tài)攪拌，將顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料漿料澆注到已裝有盤芯的制動(dòng)盤盤體成型模具中形成摩擦層，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤盤體進(jìn)行熱處理。

所述盤體的制備方法步驟（1）中的鋁合金鑄造方法為半固態(tài)鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造、砂型鑄造。

所述盤體的制備方法步驟（2）中的顆粒增強(qiáng)體材料的預(yù)處理包括研磨、篩選、清洗、烘干或焙燒；攪拌溫度控制在鋁合金熔點(diǎn)以下20-50℃，攪拌速度為500-1500rpm，攪拌時(shí)間為40-100min。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明根據(jù)制動(dòng)盤的使用狀況，在盤體作為摩擦面的摩擦層上使用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在非摩擦面的盤芯采用具有較好強(qiáng)韌性的鋁合金，將兩種材料復(fù)合在一起，從而不僅提高制動(dòng)盤在裝配時(shí)的強(qiáng)韌性，降低加工制造成本，而且提高了制動(dòng)盤使用的可靠性。

本發(fā)明剎車制動(dòng)盤具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好以及優(yōu)異的耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)，而且提高制動(dòng)盤在裝配時(shí)的強(qiáng)韌性，降低加工制造成本，并提高了制動(dòng)盤使用的可靠性。

本發(fā)明剎車制動(dòng)盤與鐵質(zhì)制動(dòng)盤相比，具有以下特點(diǎn)：

此外，本發(fā)明剎車制動(dòng)盤，經(jīng)熱處理T6處理后，盤芯的性能：抗拉強(qiáng)度≥260MPa，屈服強(qiáng)度≥200MPa，延伸率≥8%；界面結(jié)合強(qiáng)度≥200MPa。因此，采用本發(fā)明剎車制動(dòng)盤綜合性能既優(yōu)于鋼鐵材料的制動(dòng)盤也優(yōu)于純SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤。

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中盤體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦面上的組織圖。

圖4是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦面上的組織圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤，包括由散熱柱3連接的兩個(gè)盤體1，盤體1包括由盤芯102和覆蓋在盤芯102上的摩擦層101構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述盤芯102為鋁合金材料，所述摩擦層101為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其中盤芯102作為非摩擦面，摩擦層101作為摩擦面，盤體1的摩擦層面設(shè)有楔形凹槽2，該結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)盤芯102和摩擦層101的結(jié)合強(qiáng)度，楔形凹槽2可設(shè)計(jì)6-12條，具體條數(shù)與制動(dòng)盤盤體直徑大小有關(guān)。

所述鋁合金材料為A356、A357、A319鑄造鋁合金。

所述顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由所述鋁合金材料和顆粒增強(qiáng)體材料組成，所述顆粒增強(qiáng)體材料為SiC、Al₂O₃、B₄C、AlN中的一種或兩種以上，顆粒增強(qiáng)體材料的顆粒范圍3μm-30μm，呈正態(tài)分布，顆粒增強(qiáng)體材料占所述顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料重量的百分比含量為10-35%。

本發(fā)明提供的鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤制備方法如下：

實(shí)施例1

首先利用鋁合金A356用半固態(tài)鑄造的方式制成鋁合金盤芯，接著對碳化硅（SiC）顆粒進(jìn)行預(yù)處理（研磨、篩選、清洗、烘干），再將碳化硅顆粒放入電爐中在1000-1100℃進(jìn)行焙燒100分鐘后自然冷卻，將鋁合金A356加熱到665℃熔化，將碳化硅顆粒加熱到350℃，邊加入到鋁合金熔體邊攪拌得到復(fù)合材料，碳化硅顆粒范圍3μm-25μm，呈正態(tài)分布，重量百分比含量為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的23%，攪拌溫度控制在580℃左右，攪拌速度1000rpm，攪拌時(shí)間為60分鐘，在鋁合金熔點(diǎn)附近將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠，再將盤芯放入制動(dòng)盤盤體成型模具中，在真空條件下，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在620℃左右進(jìn)行半固態(tài)攪拌，攪拌速度300rpm，將顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料漿料澆注到制動(dòng)盤盤體成型模具中形成摩擦層，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤盤體進(jìn)行熱處理，制成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤盤體。摩擦面上的組織如圖3所示。

實(shí)施例2

首先利用鋁合金A357高壓鑄造的方式制成鋁合金盤芯，接著對碳化硅（SiC）顆粒進(jìn)行預(yù)處理（研磨、篩選、清洗、烘干及1100℃焙燒），將鋁合金A357加熱到700℃熔化，將碳化硅顆粒加熱到325℃，邊加入到鋁合金熔體邊攪拌得到復(fù)合材料，碳化硅顆粒范圍3μm-30μm，呈正態(tài)分布；重量百分比含量為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的20%。攪拌溫度控制在590℃左右，攪拌速度1200rpm，攪拌時(shí)間為80分鐘；在鋁合金熔點(diǎn)附近將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠，最后將盤芯放入制動(dòng)盤盤體成型模具中，在真空條件下，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在610℃左右進(jìn)行半固態(tài)攪拌，同時(shí)將復(fù)合材料漿料澆注到制動(dòng)盤盤體成型模具中形成摩擦層，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤進(jìn)行熱處理，制成碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤盤體。摩擦面上的組織如圖4所示。

實(shí)施例3

首先利用鋁合金A319低壓鑄造的方式制成鋁合金盤芯，接著對氧化鋁（Al₂O₃）顆粒進(jìn)行預(yù)處理（研磨、篩選、清洗、烘干），將鋁合金A319加熱到700℃熔化，將氧化鋁顆粒加熱到400℃，邊加入到鋁合金熔體邊攪拌得到復(fù)合材料，氧化鋁顆粒范圍3μm-30μm，呈正態(tài)分布；重量百分比含量為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的35%。攪拌溫度控制在590℃左右，攪拌速度1500rpm，攪拌時(shí)間為100分鐘；在鋁合金熔點(diǎn)附近將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠，最后將盤芯放入制動(dòng)盤盤體成型模具中，在真空條件下，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在615℃左右進(jìn)行半固態(tài)攪拌，同時(shí)將復(fù)合材料漿料澆注到制動(dòng)盤盤體成型模具中，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤進(jìn)行熱處理，制成氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤盤體。

實(shí)施例4

首先利用鋁合金A356砂型鑄造的方式制成鋁合金盤芯，接著對碳化硼（B₄C）顆粒進(jìn)行預(yù)處理（研磨、篩選、清洗、烘干），將鋁合金A356加熱到690℃熔化，將碳化硼顆粒加熱到300℃，邊加入到鋁合金熔體邊攪拌得到復(fù)合材料，碳化硼顆粒范圍3μm-30μm，呈正態(tài)分布；重量百分比含量為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的10%。攪拌溫度控制在590℃左右，攪拌速度500rpm，攪拌時(shí)間為40分鐘；在鋁合金熔點(diǎn)附近將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠，將盤芯放入制動(dòng)盤盤體成型模具中，在真空條件下，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在620℃左右進(jìn)行半固態(tài)攪拌，同時(shí)將復(fù)合材料漿料澆注到制動(dòng)盤盤體成型模具中，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤進(jìn)行熱處理，制成碳化硼顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤盤體。

實(shí)施例5

首先利用鋁合金A319低壓鑄造的方式制成鋁合金盤芯，接著分別對氧化鋁（Al₂O₃）和氮化鋁（AlN）顆粒進(jìn)行預(yù)處理（篩選、清洗、烘干），氧化鋁顆粒范圍5μm -25μm，氮化鋁顆粒范圍5μm-8μm，呈正態(tài)分布；氧化鋁與氮化鋁的配比為2∶1，混合后氧化鋁和氮化鋁兩種陶瓷粉末的重量百分比含量為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的30%；將鋁合金A319加熱到690℃熔化，將混合陶瓷粉末加熱到300℃，邊加入到鋁合金熔體邊攪拌得到復(fù)合材料，攪拌溫度控制在600-610℃左右，攪拌速度800-1000rpm，攪拌時(shí)間為70分鐘；在鋁合金熔附近（620-630℃）將攪拌好的復(fù)合材料迅速澆注到模具中冷卻得到顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠，將盤芯放入制動(dòng)盤盤體成型模具中，在真空條件下，將制備好的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄錠重新熔化，在600-610℃左右進(jìn)行半固態(tài)攪拌，同時(shí)將復(fù)合材料漿料澆注到制動(dòng)盤盤體成型模具中，冷卻、脫模后，將成型好的制動(dòng)盤進(jìn)行熱處理，制成氧化鋁+氮化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料剎車制動(dòng)盤盤體。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實(shí)施例，其各部分名稱等可以不同，凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。