一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法
2023-10-05 13:14:49 4
一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法
【專利摘要】一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法，屬於金屬基複合材料領域。將金剛石微粉、氧化鋁纖維、鱗片狀石墨粉以及聚乙烯醇溶液按照體積比為10～15％，5～7％，15～28％，50～70％的比例進行混合均勻，然後壓製成環形，環形內徑和高度應與最終剎車鼓的內徑和寬度一致，將環形坯烘乾後置於熔滲爐石墨模具中進行預熱，然後將Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中進行加壓，加壓完成後得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強的層狀結構鋁基複合材料剎車鼓毛坯，然後按照最終尺寸進行加工得到成品。本發明製備的剎車鼓質量輕、耐磨性能好，二維散熱功能強，有效提高了車輛的剎車穩定性和安全性。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於金屬基複合材料領域，涉及一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法。 一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法
【背景技術】
[0002] 輕量化是車輛裝備發展的一個重要趨勢。剎車鼓是作為車輪端部組件中的一個部 件，屬於非簧載重量。車輛裝備的減重指的是減輕簧載重量，減輕lKg非簧載重量就相當於 減輕3?5Kg的簧載重量。因此，剎車鼓材料的輕量化是實現車輛有效減重最重要的途徑 之一。此外，剎車鼓通過與制動器閘瓦配合實現制動的功能，當制動器閘瓦與剎車鼓的摩擦 表面接觸時，剎車鼓不僅要承受嚴酷的摩擦磨損和很大的扭矩載荷，而且摩擦產生的大量 熱量使剎車鼓的溫度升高到260°C左右。因此，要求剎車鼓材料既要有良好的綜合力學性 能（足夠的強度和剛度）以承受高的扭矩載荷，又要有優異的摩擦磨損性能以實現高效制 動功能，同時還要有高的導熱性能以釋放摩擦產生的大量熱量。目前我國中型或重型車輛 廣泛使用的剎車鼓材質均是鑄鐵材料，如民用大型汽車起重機、混凝土搬運車和垃圾搬運 車以及軍用輪式裝甲車等的剎車鼓均採用鑄鐵，其散熱能力差，連續制動時有可能會因為 剎車鼓溫度的大幅升高而導致剎車失靈，而且材料比重大（?7. 8g/cm3)，不符合輕量化要 求。而採用輕質的鋁合金或鋁基複合材料替換傳統的鑄鐵材料將起到很好的減重效果（減 重40%以上），但是剎車鼓苛刻的使用要求是單一鋁合金或單一鋁基複合材料都難以滿足 的，如單一鋁合金（如鍛造鋁合金和超硬鋁合金）的局部耐磨性能不足，單一鋁基複合材料 (Metal Matrix Composites，MMC)缺乏足夠的韌性和疲勞強度。此外，單一鋁基複合材料 難以進行鑽孔及其它機加工處理的性質也大大限制了它的應用範圍。通過科學的結構設計 和合理的製備工藝，將高強鋁合金和耐磨陶瓷相增強鋁基複合材料結合起來，組成一種由 鋁合金基體和增強體構成的層狀結構鋁基複合材料，這樣就可以充分發揮兩種材料在熱物 理性能、力學性能、摩擦磨損性能和可加工性能等方面的優異特性，克服了各自的缺點，同 時還保留了鋁合金輕量化的重要優勢，對於促進重型車輛的輕量化，提高車輛的有效載重 能力和機動性將發揮重要的作用，具有顯著的民用和軍事意義。
【發明內容】
[0003] 本發明目的是設計一種層狀結構的鋁基複合材料，解決現有鑄鐵材料密度過大、 單一鋁合金材料耐磨性能差等技術問題。
[0004] 一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法，即先根據剎車鼓內徑尺寸和耐磨層的厚 度要求設計需壓製成形的增強體坯體尺寸和壓制模具，然後將平均粒徑為5-10 μ m金剛石 微粉、直徑為5-10 μ m的氧化鋁纖維、直徑為40-50 μ m的鱗片狀石墨粉以及濃度為5? 10 %的聚乙烯醇溶液按照體積比為10?15 %，5?7 %，15?28 %，50?70 %的比例進行 混合均勻，並壓製成環形，環形內徑和高度應與最終剎車鼓的內徑和寬度一致，環形厚度應 為最終剎車鼓截面厚度尺寸的20?25%，將環形坯烘乾後置於熔滲爐石墨模具中進行預 熱，預熱溫度為400?450°C，環形坯心部應採用石墨進行填充，然後將溫度為750?780°C 的A1?8% Si?4% Cu合金倒入石墨模具中進行加壓，加壓壓力為5?lOMPa，加壓速度 為3?5mm/min，加壓完成後得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強的層 狀結構鋁基複合材料剎車鼓毛坯，然後按照最終尺寸進行加工得到成品。
[0005] 採用上述工藝獲得的剎車鼓材料由於添加了鱗片狀石墨，其在坯體壓製成形過程 中能夠自動平行取向排列，藉助於石墨鱗片在二維平面方向的優異散熱性，使得最終複合 材料層（也就是耐磨層）在剎車鼓的徑向方向散熱功能較為突出，能夠有效將摩擦產生的 熱量散發出去。此外，複合材料中加入的金剛石顆粒和氧化鋁纖維能夠大幅度提高複合材 料層的耐磨性能，尤其是金剛石的加入還能夠進一步提高複合材料層的導熱率，進一步增 強剎車鼓的散熱效果，最終能夠全面提高車輛制動過程的穩定性和安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0006] 圖1為本發明的工藝流程圖，
[0007] 圖2為剎車鼓的示意圖，
[0008] 圖3為複合材料層顯微組織，黑色條狀為鱗片狀石墨。
【具體實施方式】：
[0009] (1)製備複合材料層尺寸為Φ300ι?πι(內徑）X5mm(複合材料層厚）X150mm(複合 材料層高），鋁層厚度為20mm剎車鼓
[0010] 首先按金剛石、氧化鋁纖維和鱗片狀石墨在最終複合材料中體積佔比分別為 10 %、5%、15 %進行原料粉末混合，所採用的金剛石粒度為5 μ m，氧化鋁纖維直徑5 μ m，鱗 片狀石墨直徑40 μ m，三種原料的質量分別為252克，140克和378克，原料混合均勻後倒入 盛有5050毫升的5%聚乙烯醇溶液中混合均勻，然後將混合料置於鋼模中進行壓製成形， 壓制壓力為3_5MPa，成形述尺寸為Φ300ι?πι(內徑）X5mm(厚）X 150mm(高）。將成形述 置於50°C烘箱中烘乾5小時，然後將環形坯置於熔滲爐石墨模具中進行預熱，預熱溫度為 400°C，環形坯心部採用石墨進行填充，然後將溫度為750°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒 入石墨模具中進行加壓熔滲，加壓壓力為5MPa，加壓速度為3mm/min，加壓完成後得到由金 剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強的層狀結構鋁基複合材料剎車鼓毛坯，毛 坯中純鋁合金層厚度應控制在20mm，然後按照最終尺寸進行加工得到成品。
[0011] (2)製備複合材料層尺寸為Φ 200mm(內徑）X 2mm(複合材料層厚）X 100mm(複合 材料層高），鋁層厚度為8mm剎車鼓
[0012] 首先按金剛石、氧化鋁纖維和鱗片狀石墨在最終複合材料中體積佔比分別為 15%、7%、28%進行原料粉末混合，所採用的金剛石粒度為10 μ m，氧化鋁纖維直徑10 μ m， 鱗片狀石墨直徑50 μ m，三種原料的質量分別為66克，34克和124克，原料混合均勻後倒入 盛有63. 5毫升的5%聚乙烯醇溶液中混合均勻，然後將混合料置於鋼模中進行壓製成形， 壓制壓力為3_5MPa，成形述尺寸為Φ200ι?πι(內徑）X2mm(厚）X 100mm(高）。將成形述 置於50°C烘箱中烘乾5小時，然後將環形坯置於熔滲爐石墨模具中進行預熱，預熱溫度為 450°C，環形坯心部採用石墨進行填充，然後將溫度為780°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒 入石墨模具中進行加壓熔滲，加壓壓力為5MPa，加壓速度為5mm/min，加壓完成後得到由金 剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強的層狀結構鋁基複合材料剎車鼓毛坯，毛 坯中純鋁合金層厚度應控制在8mm，然後按照最終尺寸進行加工得到成品。
【權利要求】
1. 一種製備剎車鼓用鋁基複合材料的方法，其特徵是將5-10 μ m金剛石微粉、直徑 5-10 μ m的氧化鋁纖維、直徑40-50 μ m的鱗片狀石墨粉以及濃度為5?10%的聚乙烯醇溶 液按照體積比為10?15 %，5?7 %，15?28 %，50?70 %的比例進行混合均勻，然後壓制 成環形，環形內徑和高度應與最終剎車鼓的內徑和寬度一致，將環形坯烘乾後置於熔滲爐 石墨模具中進行預熱，預熱溫度為400?450°C，環形坯心部應採用石墨進行填充，然後將 溫度為750?780°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒入石墨模具中進行加壓，加壓壓力為 5?lOMPa，加壓速度為3?5mm/min，加壓完成後得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片 狀石墨局部增強的層狀結構鋁基複合材料剎車鼓毛坯，毛坯中複合材料層與純鋁合金層的 厚度比例應控制為1 :4?1 :5範圍內，然後按照最終尺寸進行加工得到成品。
【文檔編號】B22D19/02GK104084560SQ201410305219
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】任淑彬, 許慧, 洪慶楠, 何新波, 曲選輝 申請人:北京科技大學