一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法

技术领域

本发明涉及制动盘制备领域，具体而言，涉及一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法。

背景技术

随着环境保护压力的不断增大，节能减排、减少环境污染已成为当今的基本国策。而减轻轨道交通车辆重量，减少因频繁的启动、制动所产生的能源消耗及排放，是实现节能减排最有效的方法之一。目前减轻轨道交通车辆重量的主要途径之一是使用新型轻质材料制动盘替代传统的钢、铁材料制动盘，以减轻运行车辆簧下零部件材料的重量，保持理想的簧上簧下重量比。目前的轻质材料制动盘主要有碳/碳纤维复合材料、陶瓷复合材料和铝基复合材料制动盘等。

其中，现有铝基复合材料制动盘主要为陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘，例如SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘，制动盘整体为同一种材料。其主要采用真空搅拌铸造方法进行制备。利用该方法制备的铝基复合材料制动盘存在如下技术问题：

第一，真空搅拌铸造法制备铝基复合材料时，提高陶瓷颗粒的加入量虽然可以改善铝基复合材料制动盘的耐磨性，但同时会降低韧性而影响其综合力学性能，同时影响铝基复合材料的成型性能而导致浇注不足或气孔夹渣的缺陷。鉴于上述原因，目前现有技术中采用真空搅拌铸造方法制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘的陶瓷颗粒加入量约为20％，难以满足耐磨性的要求。

第二，真空搅拌铸造设备对工艺控制水平要求较高，所制备的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制动盘容易产生气孔、夹渣及陶瓷颗粒偏析等缺陷；

第三，由于使用价格昂贵的真空搅拌制造设备而需要较大的投资。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，以解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

坯体形成步骤S1：利用铝锭形成制动盘坯体；

铝基复合板形成步骤S2：利用铝基复合材料形成铝基复合板；

叠放步骤S3：将铝基复合板叠放在制动盘坯体的上方，形成铝基复合板与制动盘坯体叠放的复合结构；

搅拌摩擦加工步骤S6：对复合结构表面进行搅拌摩擦加工，在铝基复合板与制动盘坯体之间生成过渡层，将铝基复合板与制动盘坯体结合在一起。

进一步地，在搅拌摩擦加工步骤S6中，将制动盘坯体和铝基复合板中原有的枝晶打碎，得到制动盘坯体和铝基复合板的细化晶粒。

进一步地，在铝基复合板形成步骤S2中，通过直接打孔方法制备具有多个通孔的铝基复合板。

进一步地，在铝基复合板形成步骤S2中，在铝基复合板上形成矩阵形状排布方式的多个通孔。

进一步地，铝基复合板形成步骤S2包括：

铝基圆板形成步骤S21：利用铝基复合材料形成圆形铝基板材的步骤；

通孔形成步骤S22：在铝基圆板上开设多个通孔。

进一步地，在叠放步骤S3之后还包括添加剂添加步骤S4：将颗粒状添加剂添加到多个通孔中。

进一步地，在添加剂添加步骤S4之后还包括铝板覆盖步骤S5：在铝基复合板上方覆盖一层用于盖住颗粒状添加剂的铝板。

进一步地，在添加剂添加步骤S4中，颗粒状添加剂为陶瓷颗粒。

进一步地，陶瓷颗粒为SiC、TiN和BN中的任一种或多种。

进一步地，搅拌摩擦加工步骤S6包括混合步骤S61和冷却步骤S62，在混合步骤S61中，制动盘坯体和铝基复合板相互接触的部位混合在一起；在冷却步骤S62中，形成具有过渡层的制动盘，过渡层由混合的部分形成。

应用本发明的技术方案，得到的有益效果为：

1、本发明的制备方法可提高铝基复合材料表面陶瓷颗粒分数，增加耐磨性，相比真空搅拌铸造，制动盘基体无陶瓷颗粒加入，可以有效提升基体的延伸率等综合力学性能，降低失效风险，增加制动盘热扩散系数，能将摩擦层产生的热量传递出去，降低制动盘温升。

2、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘，整体采用同一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在制备过程中，陶瓷颗粒在铝基复合材料内部容易产生偏析缺陷，从而导致制动盘的力学性能不佳；相对于上述现有技术，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘陶瓷颗粒相较于其分布更加均匀，所制得的铝基复合材料制动盘具有良好的耐磨性和韧性。

3、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘中，陶瓷颗粒的加入量受到一定限制，这是因为陶瓷颗粒的加入会提高耐磨性但同时会降低韧性。因此，现有技术制备的铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒加入量约为20％，以保证其具有耐磨性的同时韧性不会过低。相对于现有技术，本发明制得的铝基复合材料制动盘内部组织更加均匀，在陶瓷颗粒加入量超过20％时，所增加的陶瓷颗粒存在于过渡层附近，而就制动盘整体而言，仍能具有良好的韧性，同时能够提高耐磨性，铝基复合材料制动盘的整体力学性能更好。

4、相对于现有真空搅拌铸造方法容易产生气孔、夹杂等缺陷，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘组织更加均匀，缺陷较少，不存在气孔和夹杂等缺陷，从而相对于现有技术的铝基复合材料制动盘具有更优的力学性能。

5、相对于现有技术，未采用价格昂贵的真空搅拌铸造设备，大大降低生产成本。

6、现有技术中，真空搅拌铸造工艺需在高温下进行，操作人员在操作时可能存在操作安全性风险，而本发明的搅拌摩擦加工工艺在非高温下进行，在简化工艺的同时保证了工艺操作的安全性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的工艺路线的示意图；

图2示出了利用本发明制备的铝基复合制动盘结构的示意图；

图3示出了利用本发明所制备的复合层、过渡层和基体层结构的示意图；

图4示出了本发明的复合层、过渡层和基体层截面图的示意图；

图5示出了未进行搅拌摩擦加工的铝基复材制动盘的金相组织图；

图6示出了采用搅拌摩擦加工后的铝基复材制动盘的金相组织图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

请参阅图1，本发明的用于制备铝基复合材料制动盘的制备方法是按照以下步骤实现的：

S1：采用铝硅合金或铝硅铜合金作为基体合金，通过铸造成型工艺形成制动盘坯体的步骤。首先，采用铝硅合金或铝硅铜合金或含有少量陶瓷颗粒的铝硅(铜)合金作为基体合金形成铝锭，根据铝锭的重量计算称取铝锶合金变质剂和铝钛硼细化剂。随后，将铝锭、铝锶合金变质剂、铝钛硼细化剂放入烘箱中进行烘烤，以去除水分。将烘干后的铝锭加热至700～800℃，待铝锭完全融化时，向铝锭中加入铝锶合金变质剂、精炼剂和铝钛硼细化剂，同时对融化的铝液通入氩气以进行除气处理，除气时间为30～50分钟。将铝液的温度控制在700～720℃，使用专用的制动盘金属型模具，采用低压浇注进行制动盘坯体的浇注，浇注过程包括升液、充型、结壳、保压和卸压。最后开模，取出铝合金制动盘坯体铸件。按照制动盘盘面轮廓尺寸将制动盘坯体进行初加工，制得铝合金制动盘坯体。

制动盘的主体部分为制动盘坯体，对强度要求较高。本实施例制备的制动盘坯体通过在铝液中加入细化剂、精炼剂和变质剂使形成的铝锭组织更加均匀，有足够的强度，可以减少在使用过程中的变形、裂纹等失效风险。本实施例制得的制动盘坯体的性能如下：Rm≥230MPa，延伸率≥2，硬度≥90HB。

S2：利用铝基复合材料形成铝基复合板的步骤，包括铝基圆板形成步骤S21和通孔形成步骤S22。

铝基圆板形成步骤S21中，首先，按铝料的重量比称取变质剂和细化剂的质量。将增强颗粒过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，将增强颗粒置入烘箱中焙烧预处理，温度在200～500℃，以除去表面杂质和吸附水分。本实施例中，增强颗粒是指SiC、TiN或BN等陶瓷颗粒。将铝锭、变质剂、细化剂放入烘箱中烘烤，以去除水分。将铝锭加热至650～800℃，待铝锭完全融化，加入合金化材料、变质剂，精炼剂，同时对铝液通入氩气进行除气处理，除气时间为30～50分钟。将铝液的温度控制在600～800℃，轧制成板材。

通孔形成步骤S22中，通过冲压将铝基复合板冲成外径600～800mm，内径250～350mm的圆形铝基板材，圆形铝基板材上分布着直径5～7mm的多个通孔，上述通孔布满整个圆盘，多个通孔在铝基复合板上以矩阵形状排布。本实施例中所制备的铝基复合板的厚度为3～7mm。铝基复合板的性能如下：Rm≥200MPa，延伸率≥0.5，硬度≥80HB。

S3：将铝基复合板叠放在制动盘坯体上方形成叠放的复合结构。首先，将制动盘坯体固定在搅拌摩擦的工作台上，将铝基复合板叠放在制动盘坯体上方，形成复合结构。该复合结构中，铝基复合板下方有制动盘坯体，因此，铝基复合板的通孔底部被制动盘坯体封住，从而形成了底部封闭的矩阵形状的通孔。

S4：称取SiC颗粒作为增强颗粒，并事先进行高温烘烤，去除表面杂质。在高温烘烤的过程中，SiC颗粒表面会形成一层SiO

S5：通孔填满增强颗粒后，在铝基复合板上方覆盖一层用于盖住增强颗粒的铝板。铝板的厚度为0.5～1mm。该铝板一方面可以盖住SiC颗粒，防止在后续搅拌摩擦加工过程中SiC颗粒的飞溅；另一方面在后续搅拌摩擦加工过程中与铝基复合板冶金结合在一起，可以提高铝基复合板的韧性；同时，可以减少搅拌头和SiC颗粒之间的直接接触，减少搅拌头底部搅拌针的磨损。

S6：在制动盘坯体和铝基复合板的复合结构表面进行搅拌摩擦加工，该表面是指铝基复合板的上表面，在有盖住增强颗粒的铝板时，该表面为盖住铝板的上表面，而不是与制动盘坯体接触的下表面。搅拌摩擦加工具体包括两部分，混合步骤S61及混合步骤之后的冷却步骤S62。

混合步骤S61是指使制动盘坯体和铝基复合板相互接触的部位混合的步骤，冷却步骤S62是指制动盘坯体和铝基复合板相互接触的部位混合后，进行冷却的步骤，在冷却步骤过程中，制动盘坯体和铝基复合板之间形成过渡层，获得具有过渡层的铝基复合材料制动盘，过渡层由混合的部分形成。

搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工的搅拌转速为600-1200转/min，进给速度为100-500mm/min。搅拌摩擦加工工具包括搅拌头，利用搅拌头进行高速旋转将铝基复合板表面加热至塑性状态，并将小孔内的SiC颗粒挤压带入铝基复合板内部。同时，铝基复合板和制动盘坯体之间在搅拌摩擦加工过程中生成过渡层，可以将制动盘坯体和铝基复合板结合在一起。这种结合方式为冶金结合方式。在搅拌摩擦加工过程中，制动盘坯体和铝基复合板接触面附近的原有枝晶被打碎，得到晶粒尺寸更细小更均匀的组织。因此，制动盘坯体和铝基复合板之间的结合力得到加强。

S7：将步骤6制得的铝基复合材料制动盘表面的坯缝加工去除，完成铝基复合材料制动盘基准面的加工。

本发明的制备方法制备的铝基复合材料制动盘，与现有技术中整体式制动盘相比，区别在于，本发明的制备方法制备的铝基复合材料制动盘由不同材料组成。整体式制动盘是指整个制动盘为同一种铝基复合材料的铝基复合材料制动盘。现有技术中，整体式铝基复合材料制动盘主要采用真空搅拌铸造法制备，其整体采用同一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料。由于陶瓷颗粒硬度较高，增加陶瓷颗粒的加入量虽然可以加强制动盘的耐磨性，但同时会降低制动盘的韧性，从而降低制动盘的整体力学性能。因此，现有技术中，陶瓷颗粒的加入量通常约在20％左右，超过20％则含陶瓷颗粒的铝基复合材料制动盘具有较差的综合力学性能。另外，真空搅拌铸造设备较为昂贵，因此，通过搅拌铸造工艺制备铝基复合材料制动盘成本较高。

本发明的制备方法所制备的铝基复合材料制动盘由两种不同材料的制动盘坯体和铝基复合板通过搅拌摩擦加工制备而成。其中，制动盘坯体是铝硅合金或铝硅铜合金，主要起承载作用。铝硅合金或铝硅铜合金可以为亚共晶合金或共晶合金或过共晶合金。本实施例中，在制动盘坯体中还加入少量陶瓷颗粒，可以提高其力学性能、抗冲击性能和耐高温性能。

铝基复合板是含有陶瓷颗粒的铝基复合材料，因其具有良好的摩擦磨损性能，起到提供摩擦制动力的作用。铝基复合材料是指在铝铜或铝硅或铝镁合金中添加SIC或TiN或BN等陶瓷颗粒的铝基复合材料。优选地，在铝基复合材料中添加銥、锆、镧、铈任一种或多种合金元素制备铝基复合板，可以提高铝基复合板的性能。在铝基复合板上的通孔中添加上述陶瓷颗粒，在添加有陶瓷颗粒的铝基复合板上方覆盖一层铝板，通过搅拌摩擦加工可以使通孔中的陶瓷颗粒向周向铝基复合材料中进入，相对于现有技术的真空搅拌铸造，陶瓷颗粒在铝基复合材料中的分布更加均匀。这是因为，真空搅拌铸造时，陶瓷颗粒容易产生团聚，而形成偏析等缺陷。本实施例中，本发明所制备的铝基复合制动盘中，铝基复合板的陶瓷颗粒含量在15％～30％之间。优选地，铝基复合材料的陶瓷颗粒含量在20％～30％之间。陶瓷颗粒的大小为10～40μm，正态分布值为10～30μm。铝基复合板的厚度为3～10mm。

通过本发明制备的铝基复合材料制动盘中，铝基复合板和制动盘坯体的接触部分形成过渡层。宏观上，过渡层由铝基复合板和制动盘坯体组成。在铝基复合材料制动盘的横截面界面图中，如图3和图4所示，过渡层包括强化结构，可以增加铝基复合板与制动盘坯体之间的结合力。强化结构指搅拌摩擦加工后，铝基复合材料与制动盘坯体相互进入的边界面，在图3和图4中，为两种材料的边界线。其中，图3是本发明所制备的复合层、过渡层和基体层结构的示意图；图4示出了本发明的复合层、过渡层和基体层截面图的示意图。这种强化结构为非平面结构。这种非平面结构为不规则形状结构。优选地，这种不规则形状结构为锯齿和/或倒梯形和/或正梯形结构。强化结构实现制动盘强化坯体和铝基复合板之间的成份过渡。强化结构包括第一加强部分和第二加强部分两部分。第一加强部分是指向铝基复合板深入的结构，如图3中显示，呈现类凸形形状。从制动盘坯体到第一加强部分，制动盘坯体材料成份及SiC颗粒呈梯度增加。从第一加强部分到铝基复合板，铝基复合板材料成份及SiC颗粒呈梯度增加。第二加强部分是指向制动盘坯体深入的结构，如图3中显示，呈现类凹形形状。从铝基复合板到第二加强结构，铝基复合材料成份及SiC颗粒呈梯度减小。从第二加强部分到制动盘坯体，制动盘坯体材料成份呈梯度增加、SiC颗粒呈梯度减小。第一加强结构的顶点与第二加强结构的顶点之间的距离为过渡层的厚度。过渡层厚度为1～5mm。过渡层的延伸率为A≥1％。从微观结构来看，过渡层的微观晶体尺寸比制动盘坯体和铝基复合板的微观晶体颗粒尺寸小。过渡层的微观晶体颗粒长度≤10μm。

通过对比图5和图6可知，未进行搅拌摩擦加工的铝基复合材料制动盘的金相组织颗粒较大，如图5；通过搅拌摩擦加工的铝基复合材料制动盘的金相组织颗粒更小，如图6。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明的制备方法可提高铝基复合材料表面陶瓷颗粒分数，增加耐磨性，相比真空搅拌铸造，制动盘基体无陶瓷颗粒加入，可以有效提升基体的延伸率等综合力学性能，降低失效风险，增加制动盘热扩散系数，能将摩擦层产生的热量传递出去，降低制动盘温升。

2、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘，整体采用同一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料，在制备过程中，陶瓷颗粒在铝基复合材料内部容易产生偏析缺陷，从而导致制动盘的力学性能不佳；相对于上述现有技术，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘陶瓷颗粒相较于其分布更加均匀，所制得的铝基复合材料制动盘具有良好的耐磨性和韧性。

3、现有技术中，真空搅拌铸造制备的铝基复合材料制动盘中，陶瓷颗粒的加入量受到一定限制，这是因为陶瓷颗粒的加入会提高耐磨性但同时会降低韧性。因此，现有技术制备的铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒加入量约为20％，以保证其具有耐磨性的同时韧性不会过低。相对于现有技术，本发明制得的铝基复合材料制动盘内部组织更加均匀，在陶瓷颗粒加入量超过20％时，所增加的陶瓷颗粒存在于过渡层附近，而就制动盘整体而言，仍能具有良好的韧性，同时能够提高耐磨性，铝基复合材料制动盘的整体力学性能更好。

4、相对于现有真空搅拌铸造方法容易产生气孔、夹杂等缺陷，本发明提供的制备方法制备的铝基复合材料制动盘组织更加均匀，缺陷较少，不存在气孔和夹杂等缺陷，从而相对于现有技术的铝基复合材料制动盘具有更优的力学性能。

5、相对于现有技术，未采用价格昂贵的真空搅拌铸造设备，大大降低生产成本。

6、现有技术中，真空搅拌铸造工艺需在高温下进行，操作人员在操作时可能存在操作安全性风险，而本发明的搅拌摩擦加工工艺在非高温下进行，在简化工艺的同时保证了工艺操作的安全性。