一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法
【專利摘要】一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)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(jìn)行混合均勻，然后壓制成環(huán)形，環(huán)形內(nèi)徑和高度應(yīng)與最終剎車鼓的內(nèi)徑和寬度一致，將環(huán)形坯烘干后置于熔滲爐石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱，然后將Al～8％Si～4％Cu合金倒入石墨模具中進(jìn)行加壓，加壓完成后得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強(qiáng)的層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料剎車鼓毛坯，然后按照最終尺寸進(jìn)行加工得到成品。本發(fā)明制備的剎車鼓質(zhì)量輕、耐磨性能好，二維散熱功能強(qiáng)，有效提高了車輛的剎車穩(wěn)定性和安全性。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法。 一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法

【背景技術(shù)】
[0002] 輕量化是車輛裝備發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。剎車鼓是作為車輪端部組件中的一個(gè)部 件，屬于非簧載重量。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(dāng)于 減輕3?5Kg的簧載重量。因此，剎車鼓材料的輕量化是實(shí)現(xiàn)車輛有效減重最重要的途徑 之一。此外，剎車鼓通過與制動(dòng)器閘瓦配合實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的功能，當(dāng)制動(dòng)器閘瓦與剎車鼓的摩擦 表面接觸時(shí)，剎車鼓不僅要承受嚴(yán)酷的摩擦磨損和很大的扭矩載荷，而且摩擦產(chǎn)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(xué)性 能（足夠的強(qiáng)度和剛度）以承受高的扭矩載荷，又要有優(yōu)異的摩擦磨損性能以實(shí)現(xiàn)高效制 動(dòng)功能，同時(shí)還要有高的導(dǎo)熱性能以釋放摩擦產(chǎn)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(zhì)均是鑄鐵材料，如民用大型汽車起重機(jī)、混凝土搬運(yùn)車和垃圾搬運(yùn) 車以及軍用輪式裝甲車等的剎車鼓均采用鑄鐵，其散熱能力差，連續(xù)制動(dòng)時(shí)有可能會(huì)因?yàn)?剎車鼓溫度的大幅升高而導(dǎo)致剎車失靈，而且材料比重大（?7. 8g/cm3)，不符合輕量化要 求。而采用輕質(zhì)的鋁合金或鋁基復(fù)合材料替換傳統(tǒng)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復(fù)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，單一鋁基復(fù)合材料 (Metal Matrix Composites，MMC)缺乏足夠的韌性和疲勞強(qiáng)度。此外，單一鋁基復(fù)合材料 難以進(jìn)行鉆孔及其它機(jī)加工處理的性質(zhì)也大大限制了它的應(yīng)用范圍。通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和合理的制備工藝，將高強(qiáng)鋁合金和耐磨陶瓷相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)合起來，組成一種由 鋁合金基體和增強(qiáng)體構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料，這樣就可以充分發(fā)揮兩種材料在熱物 理性能、力學(xué)性能、摩擦磨損性能和可加工性能等方面的優(yōu)異特性，克服了各自的缺點(diǎn)，同 時(shí)還保留了鋁合金輕量化的重要優(yōu)勢，對于促進(jìn)重型車輛的輕量化，提高車輛的有效載重 能力和機(jī)動(dòng)性將發(fā)揮重要的作用，具有顯著的民用和軍事意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種層狀結(jié)構(gòu)的鋁基復(fù)合材料，解決現(xiàn)有鑄鐵材料密度過大、 單一鋁合金材料耐磨性能差等技術(shù)問題。
[0004] 一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法，即先根據(jù)剎車鼓內(nèi)徑尺寸和耐磨層的厚 度要求設(shè)計(jì)需壓制成形的增強(qiáng)體坯體尺寸和壓制模具，然后將平均粒徑為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(jìn)行 混合均勻，并壓制成環(huán)形，環(huán)形內(nèi)徑和高度應(yīng)與最終剎車鼓的內(nèi)徑和寬度一致，環(huán)形厚度應(yīng) 為最終剎車鼓截面厚度尺寸的20?25%，將環(huán)形坯烘干后置于熔滲爐石墨模具中進(jìn)行預(yù) 熱，預(yù)熱溫度為400?450°C，環(huán)形坯心部應(yīng)采用石墨進(jìn)行填充，然后將溫度為750?780°C 的A1?8% Si?4% Cu合金倒入石墨模具中進(jìn)行加壓，加壓壓力為5?lOMPa，加壓速度 為3?5mm/min，加壓完成后得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強(qiáng)的層 狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料剎車鼓毛坯，然后按照最終尺寸進(jìn)行加工得到成品。
[0005] 采用上述工藝獲得的剎車鼓材料由于添加了鱗片狀石墨，其在坯體壓制成形過程 中能夠自動(dòng)平行取向排列，借助于石墨鱗片在二維平面方向的優(yōu)異散熱性，使得最終復(fù)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(chǎn)生的 熱量散發(fā)出去。此外，復(fù)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復(fù)合材 料層的耐磨性能，尤其是金剛石的加入還能夠進(jìn)一步提高復(fù)合材料層的導(dǎo)熱率，進(jìn)一步增 強(qiáng)剎車鼓的散熱效果，最終能夠全面提高車輛制動(dòng)過程的穩(wěn)定性和安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0006] 圖1為本發(fā)明的工藝流程圖，
[0007] 圖2為剎車鼓的示意圖，
[0008] 圖3為復(fù)合材料層顯微組織，黑色條狀為鱗片狀石墨。

【具體實(shí)施方式】：
[0009] (1)制備復(fù)合材料層尺寸為Φ300ι?πι(內(nèi)徑）X5mm(復(fù)合材料層厚）X150mm(復(fù)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復(fù)合材料中體積占比分別為 10 %、5%、15 %進(jìn)行原料粉末混合，所采用的金剛石粒度為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(zhì)量分別為252克，140克和378克，原料混合均勻后倒入 盛有5050毫升的5%聚乙烯醇溶液中混合均勻，然后將混合料置于鋼模中進(jìn)行壓制成形， 壓制壓力為3_5MPa，成形述尺寸為Φ300ι?πι(內(nèi)徑）X5mm(厚）X 150mm(高）。將成形述 置于50°C烘箱中烘干5小時(shí)，然后將環(huán)形坯置于熔滲爐石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為 400°C，環(huán)形坯心部采用石墨進(jìn)行填充，然后將溫度為750°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒 入石墨模具中進(jìn)行加壓熔滲，加壓壓力為5MPa，加壓速度為3mm/min，加壓完成后得到由金 剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強(qiáng)的層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料剎車鼓毛坯，毛 坯中純鋁合金層厚度應(yīng)控制在20mm，然后按照最終尺寸進(jìn)行加工得到成品。
[0011] (2)制備復(fù)合材料層尺寸為Φ 200mm(內(nèi)徑）X 2mm(復(fù)合材料層厚）X 100mm(復(fù)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復(fù)合材料中體積占比分別為 15%、7%、28%進(jìn)行原料粉末混合，所采用的金剛石粒度為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(zhì)量分別為66克，34克和124克，原料混合均勻后倒入 盛有63. 5毫升的5%聚乙烯醇溶液中混合均勻，然后將混合料置于鋼模中進(jìn)行壓制成形， 壓制壓力為3_5MPa，成形述尺寸為Φ200ι?πι(內(nèi)徑）X2mm(厚）X 100mm(高）。將成形述 置于50°C烘箱中烘干5小時(shí)，然后將環(huán)形坯置于熔滲爐石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為 450°C，環(huán)形坯心部采用石墨進(jìn)行填充，然后將溫度為780°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒 入石墨模具中進(jìn)行加壓熔滲，加壓壓力為5MPa，加壓速度為5mm/min，加壓完成后得到由金 剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片狀石墨局部增強(qiáng)的層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料剎車鼓毛坯，毛 坯中純鋁合金層厚度應(yīng)控制在8mm，然后按照最終尺寸進(jìn)行加工得到成品。
【權(quán)利要求】
1. 一種制備剎車鼓用鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是將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(jìn)行混合均勻，然后壓制 成環(huán)形，環(huán)形內(nèi)徑和高度應(yīng)與最終剎車鼓的內(nèi)徑和寬度一致，將環(huán)形坯烘干后置于熔滲爐 石墨模具中進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400?450°C，環(huán)形坯心部應(yīng)采用石墨進(jìn)行填充，然后將 溫度為750?780°C的A1?8% Si?4% Cu合金倒入石墨模具中進(jìn)行加壓，加壓壓力為 5?lOMPa，加壓速度為3?5mm/min，加壓完成后得到由金剛石顆粒、氧化鋁纖維以及鱗片 狀石墨局部增強(qiáng)的層狀結(jié)構(gòu)鋁基復(fù)合材料剎車鼓毛坯，毛坯中復(fù)合材料層與純鋁合金層的 厚度比例應(yīng)控制為1 :4?1 :5范圍內(nèi)，然后按照最終尺寸進(jìn)行加工得到成品。
【文檔編號(hào)】B22D19/02GK104084560SQ201410305219
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)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(xué)