一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤及其制備方法。汽車制動盤的盤體由鋁基結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，摩擦面由耐磨鋁基復(fù)合材料構(gòu)成，其制備方法是利用耐磨鋁基復(fù)合材料混合粉體及鋁基結(jié)構(gòu)材料混合粉體等原料，采用粉末冶金原理、通過區(qū)域強化及一體“近凈成形”技術(shù)制成，制得的鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤具有無損傷、無缺陷、致密性好、強度高等一系列優(yōu)點，能夠很好地滿足汽車制動盤的制動和耐磨要求，同時比傳統(tǒng)鑄鐵制動盤減重55％以上，極大地節(jié)省了能源消耗，符合國家節(jié)能減排的要求；且其制備方法簡便、成本低，成品率高，可用于制備各尺寸及結(jié)構(gòu)的汽車制動盤，滿足工業(yè)化大批量連續(xù)生產(chǎn)要求。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤及其制備方法
本專利技術(shù)涉及一種汽車制動盤，特別涉及一種輕質(zhì)耐磨的鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤及其制備方法，該方法利用鋁基復(fù)合材料，通過冷壓成形、燒結(jié)和熱壓整形相結(jié)合的工藝制備該汽車制動盤，屬于輕量化汽車制動盤及其制備

技術(shù)介紹
輕量化是實現(xiàn)汽車和其它交通車輛節(jié)能降耗最有效的手段之一。采用高性能輕金屬材料代替鋼鐵材料應(yīng)用于交通裝備的發(fā)動機和制動盤等關(guān)鍵運動零部件，不僅可減輕整車重量，降低交通裝備高速運動部件的動量，更能顯著改善交通裝備的動力性能，同時降低能耗。中國是全球最大汽車產(chǎn)銷市場，汽車產(chǎn)量增長率一直保持在較高的水平。2015年我國石油對外依存度已經(jīng)超過60％，車用燃油消耗約占汽、柴油總消耗的59％；按照目前我國汽車的保有量、年產(chǎn)量和增長速度，預(yù)計2025年石油依存度將達(dá)到70％左右。國務(wù)院2012年頒布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2010-2020)》，要求到2020年乘用車平均油耗降低至5.0L/(100km)，節(jié)能乘用車油耗降至4.5L/(100km)以下。汽車輕量化是實現(xiàn)上述目標(biāo)的重要手段，同時也是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。國外研究數(shù)據(jù)顯示，汽車自重約消耗70％的燃油，汽車整車質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L。而對汽車制動盤這一重要運動部件進(jìn)行減重，其節(jié)能降耗的效果更優(yōu)于減輕車身等其他固定部件的重量。而且可提高發(fā)動機功率及整體靈活性，在一定程度上改善汽車的安全性能。因此，制備輕量化汽車制動盤已成為迫切需要解決的問題。>汽車制動盤需求量巨大。2017年全球汽車產(chǎn)量達(dá)9730.3萬輛，中國汽車產(chǎn)量為2901.5萬輛。按此數(shù)據(jù)計算，平均每輛車四個制動盤，每年全球新增汽車制動盤近4億件，國內(nèi)新增制動盤超過1億件。輕量化汽車制動盤的節(jié)能潛力巨大。以此作為汽車制動盤的材料，可大大降低汽車制動盤重量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。但單純的顆粒增強鋁基復(fù)合材料較軟，難以滿足汽車多變工況下的剎車磨損要求，因此在其中添加其他合金元素及微量元素以及提高增強體陶瓷顆粒含量有望改善這一情況。但目前制備制動盤常用的鑄造法難以突破陶瓷顆粒含量20％的上限，且難以避免鑄造過程中的氣孔問題。傳統(tǒng)粉末冶金法雖可提高陶瓷顆粒含量，卻無法制備制動盤這樣尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，極易產(chǎn)生開裂。因此利用粉末冶金的原理，通過工藝和參數(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，有望制備得到符合要求的陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料汽車制動盤。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對汽車輕量化的趨勢和現(xiàn)有制動盤制備技術(shù)存在的缺陷，本專利技術(shù)的目的是在于提供一種輕質(zhì)、耐磨的鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，解決了傳統(tǒng)鑄鐵制動盤能耗大、不利于環(huán)保的問題，及純鋁基粉末冶金復(fù)合材料制動盤不耐磨，達(dá)不到制動要求的難題。本專利技術(shù)的另一個目的是在于提供一種利用粉末冶金原理、通過區(qū)域強化及一體“近凈成形”技術(shù)制備上述汽車制動盤的方法，該方法制備的汽車制動盤具有輕量化以及優(yōu)異的耐磨性能和制動性能，可廣泛用于各種乘用車及交通運輸車輛，并解決了制動盤中陶瓷顆粒含量難以突破上限，及制備過程中易產(chǎn)生氣孔、開裂的難題。為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本專利技術(shù)提供了一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，該汽車制動盤的盤體由鋁基結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，摩擦面由耐磨鋁基復(fù)合材料構(gòu)成；所述鋁基結(jié)構(gòu)材料由主要合金元素、微量元素和鋁粉三者組成；所述耐磨鋁基復(fù)合材料由主要合金元素、微量元素、鋁粉和陶瓷顆粒四者組成；所述鋁基結(jié)構(gòu)材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中的至少一種；所述耐磨鋁基復(fù)合材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中至少一種。本專利技術(shù)設(shè)計的汽車制動盤的摩擦面和盤體部分選用不同材質(zhì)可更大程度上降低制動盤的重量，在滿足摩擦性能的同時最大程度上降低能耗。優(yōu)選的方案，所述耐磨鋁基復(fù)合材料的質(zhì)量百分比組成：主要合金元素3.5～12％(每種主要合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2～10％范圍內(nèi)可調(diào))；微量元素不大于2.5％(每種微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～2.5％范圍內(nèi)可調(diào))；陶瓷顆粒不超過75％(每種陶瓷顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～70％的范圍內(nèi)可調(diào))；鋁粉，余量，(以鋁粉、主要合金元素、微量元素和陶瓷顆粒總質(zhì)量為100％計量)。優(yōu)選的方案，所述鋁基結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量百分比組成：主要合金元素5～9.5％(每種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5～9.5％范圍內(nèi)可調(diào))；微量元素不大于2.5％(每種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～1.5％范圍內(nèi)可調(diào))；鋁粉，余量，(以鋁粉、主要合金元素和微量元素總質(zhì)量為100％計量)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案中提出在鋁基復(fù)合材料中引入適量的Fe、Cr、Cu、Si等主要合金元素，通過控制化學(xué)成份和燒結(jié)溫度，這些主要合金元素在燒結(jié)時可在內(nèi)部產(chǎn)生液相體促進(jìn)燒結(jié)，并原位生成以這些元素為主的二元或多元的細(xì)小金屬間化合物強化相，起到強化鋁基復(fù)合材料的機械性能的作用，改善其耐磨性能。因耐磨鋁基材料中有陶瓷顆粒，所以合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍會與鋁基結(jié)構(gòu)材料有所區(qū)別。質(zhì)量分?jǐn)?shù)對強化效果起決定性作用，若質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于上述范圍，起不到強化效果；若質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，非但無法形成上述金屬間化合物、提高耐磨性能，而且會增加制動盤質(zhì)量，達(dá)不到減重效果。本專利技術(shù)的技術(shù)方案中提出在鋁基復(fù)合材料中引入少量Sr、Ce、Sn、Mg等微量元素，少量微量元素可促進(jìn)合金元素形成金屬間化合物，但若微量元素含量過高，會生成其他的金屬間化合物雜質(zhì)，影響其性能。優(yōu)選的方案，所述陶瓷顆粒為SiC、Al2O3、Si3N4中至少一種。本專利技術(shù)技術(shù)方案在鋁基復(fù)合材料中引入SiC、Al2O3、Si3N4陶瓷顆粒，這些陶瓷顆粒具有極高的強度和優(yōu)異的耐高溫性能，一直是復(fù)合材料增強體的首選，可大幅度提高復(fù)合材料的綜合性能，且含量越高，增強效果越顯著。但由于制備方法限制，一直無法突破制動盤中由于陶瓷與鋁合金浸潤性不佳，導(dǎo)致的陶瓷顆粒含量低、綜合性能較差的難題。本專利技術(shù)技術(shù)方案采用冷壓成形、燒結(jié)和熱壓整形相結(jié)合的工藝，提高了陶瓷顆粒的含量上限，如陶瓷顆粒質(zhì)量百分比含量可以高于20％，優(yōu)選高于40％，甚至高于60％，最高可以達(dá)到75％，進(jìn)一步提高了制動盤的耐磨性能。本專利技術(shù)還提供了一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤的制備方法，其包括以下步驟：1)將耐磨鋁基復(fù)合材料混合粉體及鋁基結(jié)構(gòu)材料混合粉體分別填充至汽車制動盤模具的相應(yīng)區(qū)域，在室溫下冷壓成形，脫模，得到汽車制動盤坯體；2)將汽車制動盤形坯體進(jìn)行燒結(jié)成型，得到汽車制動盤前體；3)將汽車制動盤前體置于熱壓整形模具中壓制整形，得到汽車制動盤粗制體；4)將汽車制動盤粗制體經(jīng)過機加工，即得。優(yōu)選的方案，所述冷壓成形的條件為：壓力為150～300MPa，加壓速率為1～5mm/s，保壓時間為3～10s。本專利技術(shù)的技術(shù)方案中提出應(yīng)用于冷壓中的“區(qū)域強化”和一體“近凈成形”的技術(shù)，即在模具內(nèi)不同區(qū)域填入不同粉體，制動盤摩擦面的位置填入耐磨鋁基復(fù)合材料粉體，其余位置填入鋁基本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，其特征在于：汽車制動盤的盤體由鋁基結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，摩擦面由耐磨鋁基復(fù)合材料構(gòu)成；所述鋁基結(jié)構(gòu)材料由主要合金元素、微量元素和鋁粉三者組成；所述耐磨鋁基復(fù)合材料由主要合金元素、微量元素、鋁粉和陶瓷顆粒四者組成；/n所述鋁基結(jié)構(gòu)材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中的至少一種；/n所述耐磨鋁基復(fù)合材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中至少一種。/n

【技術(shù)特征摘要】
20200302 CN 20201013643541.一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，其特征在于：汽車制動盤的盤體由鋁基結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，摩擦面由耐磨鋁基復(fù)合材料構(gòu)成；所述鋁基結(jié)構(gòu)材料由主要合金元素、微量元素和鋁粉三者組成；所述耐磨鋁基復(fù)合材料由主要合金元素、微量元素、鋁粉和陶瓷顆粒四者組成；
所述鋁基結(jié)構(gòu)材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中的至少一種；
所述耐磨鋁基復(fù)合材料中，主要合金元素為Fe、Cr、Cu、Si中至少一種，微量元素為Sr、Ce、Sn、Mg中至少一種。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，其特征在于：所述耐磨鋁基復(fù)合材料的質(zhì)量百分比組成：
主要合金元素3.5～12％；
微量元素不大于2.5％；
陶瓷顆粒不超過75％；
鋁粉，余量；
所述鋁基結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量百分比組成：
主要合金元素5～9.5％；
微量元素不大于2.5％；
鋁粉，余量。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤，其特征在于：所述陶瓷顆粒為SiC、Al2O3、Si3N4中至少一種。


4.權(quán)利要求1～3任一項所述的輕質(zhì)耐磨鋁基粉末冶金復(fù)合材料汽車制動盤的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
1)將耐磨鋁基復(fù)合材料混合粉體及鋁基結(jié)構(gòu)材料混合粉體分別填充至汽車制動盤模具的相應(yīng)區(qū)域，在室溫下冷壓成形，脫模，得到汽車制動盤坯體；
2...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：霍樹海，
申請(專利權(quán))人：湖南金天鋁業(yè)高科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43