汽车制动盘的制备方法与流程

1.本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是涉及汽车制动盘的制备方法。


背景技术：

2.轻量化是实现汽车和其他交通车辆节能降耗最有效的手段之一。采用高性能轻金属材料代替钢材料应用于交通装备的发动机和制动盘等关键运动零部件，不仅可减轻整车质量，降低交通装备高速运动部件的动量，更能显著改善交通装备的动力性能，同时降低能耗。
3.陶瓷增强铝基复合材料密度低、比强度和比刚度高、热导率高，并具有优良的抗磨耐磨以及耐腐蚀性能，在轻量化结构件领域具有广阔的应用前景。具体应用到制动盘中，由于盘体需要具备耐高温、耐磨等性能，盘帽需要具备相对高的力学性能，因此，盘体通常采用高体积分数陶瓷增强的铝基复合材料，盘帽通常采用低体积分数陶瓷增强的铝基复合材料以满足各自的性能需求。然而，上述制动盘在采用传统粉末冶金工艺进行制备时，填粉及压制成形过程中容易导致两种粉体材料互相渗透，难以保证两种材料分布的一致性，影响材料之间的界面强度，限制了其应用。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种能有效避免两种粉体材料互相渗透，保证两种材料分布一致性，且界面结合完好、无裂纹的汽车制动盘的制备方法。
5.一种汽车制动盘的制备方法，包括以下步骤：
6.提供第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为20％～30％，所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为30％～50％，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量不同时为30％；
7.提供成形模具，所述成形模具具有盘体腔和盘帽腔；
8.将所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于所述盘体腔中预压成形后，将所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于所述盘帽腔中，合压，得到生坯，所述预压的压力为所述合压压力的5％～20％；
9.将所述生坯依次进行烧结和整形，得到所述汽车制动盘。
10.在其中一个实施例中，当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＜35％时，所述预压的压力为所述合压压力的5％～10％；当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为35％～45％时，所述预压的压力为所述合压压力的10％～15％；当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＞45％时，所述预压的压力为所述合压压力的15％～20％。
11.在其中一个实施例中，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘帽腔中的填粉高度h1满足以下条件：
12.h1＝[(a/b)
×
h2]～[(a/b)
×
h2+3mm]，
[0013]
其中，a为第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；
[0014]
b为第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；
[0015]
h2为所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘体腔中的填粉高度，单位为mm。
[0016]
在其中一个实施例中，所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘体腔中的填粉高度h2为45mm～90mm。
[0017]
在其中一个实施例中，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比为a为1.8～2.5；所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比b为1.8～2.5；
[0018]
在其中一个实施例中，所述合压的压力为150mpa～300mpa。
[0019]
在其中一个实施例中，所述烧结分阶段就进行，第一阶段的烧结温度为300℃～400℃，烧结时间为30min～60min，第二阶段的烧结温度为580℃～630℃，烧结时间为90min～150min。
[0020]
在其中一个实施例中，所述烧结在保护性气体氛围中进行，所述保护性气体为氮气或氩气。
[0021]
在其中一个实施例中，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在第二阶段的烧结收缩率为1.8％～2.6％；所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在第二阶段的烧结收缩率为3.0％～4.2％。
[0022]
在其中一个实施例中，所述成形模具包括内环压制模组、外环压制模组和阴模，所述内环压制模组合模后围合在所述外环压制模组内形成所述盘帽腔，所述外环压制模组合模后围合在所述阴模和内环压制模组之间形成所述盘体腔。
[0023]
上述汽车制动盘的制备方法，通过将陶瓷颗粒体积含量为30％～50％的第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘体腔中预压成形，得到预压坯，再将陶瓷颗粒体积含量为20％～30％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘帽腔中与预压坯一起合压，通过限定预压的压力为合压压力的5％～20％，可得到外形完好、强度合适的预压坯，一方面可避免两种材料互相渗透，保证了两种材料分布的一致性，另一方面，保证了合压后坯体界面的结合强度，再经烧结和整形得到汽车制动盘，盘帽和盘体界面结合完好、无裂纹。
具体实施方式
[0024]
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0025]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0026]
一实施方式的汽车制动盘的制备方法，包括以下步骤s110～s140：
[0027]
s110、提供第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料。
[0028]
其中，第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为20％～30％。第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为30％～50％。
[0029]
特别需要强调的是，本技术中第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量不同时为30％，以最优化盘帽和盘体的性能分配。
[0030]
进一步的，第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为25％。第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为40％。
[0031]
s120、提供成形模具，该成形模具具有盘体腔和盘帽腔。
[0032]
在本实施方式中，成形模具包括内环压制模组、外环压制模组和阴模。其中，内环压制模组合模后围合在外环压制模组内形成盘帽腔，外环压制模组合模后围合在阴模和内环压制模组之间形成盘体腔。
[0033]
在本实施方式中，盘体腔的形状为与制动盘盘体相对应的环形，盘帽腔的形状为与制动盘盘帽相对应的环形，因此利用该成形模具成形的生坯为同心设置的内外环结构，后续整形时再将对应的内环整形出盘帽即可，可大大提高生产效率，实现铝基复合材料汽车制动盘的连续生产。
[0034]
s130、将第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘体腔中预压成形后，将第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘帽腔中，合压，得到生坯。
[0035]
需要说明的是，第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料铺设于盘帽腔后，其上表面需与第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料预压坯的上表面齐平。
[0036]
其中，预压压力为合压压力的5％～20％。进一步的，合压的压力为150mpa～300mpa。
[0037]
可以理解，预压压力过大，再填粉合压，两种材料结合较弱，烧结后界面容易出现裂纹；预压压力过小，预压成形后的坯体强度较弱，后续制备过程中容易出现破损。
[0038]
进一步的，当第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＜35％时，预压的压力为合压压力的5％～10％。当第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为35％～45％时，预压的压力和合压压力的10％～15％。当第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＞45％时，预压的压力为合压压力的15％～20％。
[0039]
由于第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在同等条件下的粉末压缩比和烧结收缩率存在差异，为了使烧结后内外环的上下表面均匀一致，需要控制内外环的填粉高度，即第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在盘帽腔中的填粉高度以及第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在盘体腔中的填粉高度。
[0040]
在本实施方式中，第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在盘帽腔中的填粉高度h1需满足以下条件：
[0041]
h1＝[(a/b)
×
h2]～[(a/b)
×
h2+3mm]，
[0042]
其中，a为第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；
[0043]
b为第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；
[0044]
h2为所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘体腔中的填粉高度，单位为mm。
[0045]
进一步的，第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比为1.8～2.5。第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比为1.8～2.5。
[0046]
进一步的，第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在盘体腔中的填粉高度h2为45mm～90mm。
[0047]
s140、将上述生坯依次进行烧结和整形，得到汽车制动盘。
[0048]
在本实施方式中，烧结分阶段进行。第一阶段，烧结温度为300℃～400℃，烧结时间为30min～60min，以脱除生坯表面杂质；第二阶段，烧结温度为580℃～630℃，烧结时间为90min～150min，以使生坯致密化。
[0049]
进一步的，烧结在保护性气体氛围中进行。该保护性气体为氮气或氩气。
[0050]
烧结结束后，烧结工件直接进入整形模具进行模锻，整形模具温度大于400℃；模锻压力为150mpa～300mpa。
[0051]
上述汽车制动盘的制备方法，通过将陶瓷颗粒体积含量为30％～50％的第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘体腔中预压成形，得到预压坯，再将陶瓷颗粒体积含量为20％～30％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘帽腔中与预压坯一起合压，通过限定预压的压力为合压压力的5％～20％，可得到外形完好、强度合适的预压坯，一方面可避免两种材料互相渗透，保证了两种材料分布的一致性，另一方面，保证了合压后坯体界面的结合强度，再经烧结和整形得到汽车制动盘，盘帽和盘体界面结合完好、无裂纹。
[0052]
以下为具体实施例。
[0053]
实施例1
[0054]
(1)提供陶瓷颗粒体积含量为20％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在150mpa的粉末压缩比为2.3，在580℃的烧结收缩率为2.12％；提供陶瓷颗粒体积含量为30％的第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在150mpa的粉末压缩比为2.1，在580℃的烧结收缩率为3.15％。
[0055]
(2)提供成形模具，该成形模具具有盘体腔和盘帽腔。
[0056]
(3)将第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘体腔中，铺设厚度为45mm，在7.5mpa预压成形后，将第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘帽腔中，铺设厚度为49mm，在150mpa合压，得到生坯，经观察生坯内外环界面分布一致，结合完好，内层与外层无厚度差，外形也完好无损。
[0057]
(4)连续烧结炉第一个区域温度设定300℃，生坯在此区域烧结60min后推入第二区域，第二区域温度设定580℃，生坯烧结150min后，烧结工件进入整形模具，整形出盘帽，即可得到汽车制动盘。
[0058]
经检测，该汽车制动盘盘帽和盘体的界面结合强度为172
±
21mpa，完成并通过t/caamtb09-2018高负载、jascc419-2006扭力破坏两项台架测试，说明该制动盘结构强度和摩擦磨损性能等满足制动盘要求。
[0059]
实施例2
[0060]
(1)提供陶瓷颗粒体积含量为30％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在300mpa的粉末压缩比为2.1，在630℃的烧结收缩率为2.6％；提供陶瓷颗粒体积含量为50％第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在300mpa的粉末压缩比为1.8，在630℃的烧结收缩率为4.2％。
[0061]
(2)提供成形模具，该成形模具具有盘体腔和盘帽腔。
[0062]
(3)将第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘体腔中，铺设厚度为90mm，在
60mpa预压成形后，将第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘帽腔中，铺设厚度为105mm，在300mpa合压，得到生坯，经观察生坯内外环界面分布一致，结合完好，外形也完好无损。
[0063]
(4)连续烧结炉第一个区域温度设定400℃，生坯在此区域烧结30min后推入第二区域，第二区域温度设定630℃，生坯烧结90min后。
[0064]
经检测，该汽车制动盘盘帽和盘体的界面结合强度为162
±
17mpa，完成并通过t/caamtb09-2018高负载、jascc419-2006扭力破坏两项台架测试，说明该制动盘结构强度和摩擦磨损性能等满足制动盘要求。
[0065]
实施例3
[0066]
(1)提供陶瓷颗粒体积含量为25％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在200mpa的粉末压缩比为2.4，在600℃的烧结收缩率为3.5％；提供陶瓷颗粒体积含量为40％的第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料，其在200mpa的粉末压缩比为2.0，在600℃的烧结收缩率为2.4％。
[0067]
(2)提供成形模具，该成形模具具有盘体腔和盘帽腔。
[0068]
(3)将第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘体腔中，铺设厚度为60mm，在30mpa预压成形后，将第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料均匀铺设于盘帽腔中，铺设厚度为72mm，在200mpa合压，得到生坯，经观察生坯内外环界面分布一致，结合完好，外形也完好无损。
[0069]
(4)将生坯在350℃烧结50min后，再在600℃烧结120min，整形出盘帽，即可得到汽车制动盘。
[0070]
经检测，该汽车制动盘盘帽和盘体的界面结合强度为185mpa，完成并通过t/caamtb09-2018高负载、jascc419-2006扭力破坏两项台架测试，说明该制动盘结构强度和摩擦磨损性能等满足制动盘要求。
[0071]
对比例1
[0072]
对比例1与实施例3基本相同，不同的是，对比例1中预压的压力＜7.5mpa，结果发现，在后续制备过程中，预压坯发生破损，将第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料铺设于盘帽腔的过程中，粉体材料进入预压坯体的破损位置，经合压后，两种材料出现互相渗透的现象，坯体界面形状不规则，且第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料进入摩擦层，影响盘体的耐磨性能。
[0073]
对比例2
[0074]
对比例2与实施例3基本相同，不同的是，对比例2中预压的压力＞60mpa，结果发现，由于预压坯压得过实，合压后，内外环结合较弱，切开烧结坯体的界面位置，内层与外层材料出现开裂现象。
[0075]
对比例3
[0076]
对比例3与实施例3基本相同，不同的是，对比例3中第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料的填粉高度为78mm，结果发现，成形后，内环与外环存在厚度差，且差值超过1.8mm，生坯上下表面界面位置存在明显台阶，烧结后，外环收缩大于内环，坯体界面位置出现整圈裂纹。
[0077]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种汽车制动盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为20％～30％，所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为30％～50％，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料和第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量不同时为30％；提供成形模具，所述成形模具具有盘体腔和盘帽腔；将所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于所述盘体腔中预压成形后，将所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于所述盘帽腔中，合压，得到生坯，所述预压的压力为所述合压压力的5％～20％；将所述生坯依次进行烧结和整形，得到所述汽车制动盘。2.根据权利要求1所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＜35％时，所述预压的压力为所述合压压力的5％～10％；当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量为35％～45％时，所述预压的压力为合压压力的10％～15％；当所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料中陶瓷颗粒的体积含量＞45％时，所述预压的压力为所述合压压力的15％～20％。3.根据权利要求1所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘帽腔中的填粉高度h1满足以下条件：h1＝[(a/b)
×
h2]～[(a/b)
×
h2+3mm]，其中，a为第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；b为第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比；h2为所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘体腔中的填粉高度，单位为mm。4.根据权利要求3所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在所述盘体腔中的填粉高度h2为45mm～90mm。5.根据权利要求3所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比a为1.8～2.5；所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在合压条件下的粉末压缩比b为1.8～2.5。6.根据权利要求1～5任一项所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述合压的压力为150mpa～300mpa。7.根据权利要求1所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述烧结分阶段进行，第一阶段的烧结温度为300℃～400℃，烧结时间为30min～60min，第二阶段的烧结温度为580℃～630℃，烧结时间为90min～150min。8.根据权利要求1或7所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述烧结在保护性气体氛围中进行，所述保护性气体为氮气或氩气。9.根据权利要求8所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料在第二阶段的烧结收缩率为1.8％～2.6％；所述第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料在第二阶段的烧结收缩率为3.0％～4.2％。10.根据权利要求1所述的汽车制动盘的制备方法，其特征在于，所述成形模具包括内环压制模组、外环压制模组和阴模，所述内环压制模组合模后围合在所述外环压制模组内形成所述盘帽腔，所述外环压制模组合模后围合在所述阴模和内环压制模组之间形成所述
盘体腔。

技术总结
本申请涉及汽车制动盘的制备方法，通过将陶瓷颗粒体积含量为30％～50％的第二陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘体腔中预压成形，得到预压坯，再将陶瓷颗粒体积含量为20％～30％的第一陶瓷颗粒增强铝基复合材料置于盘帽腔中与预压坯一起合压，通过限定预压的压力为合压压力的5％～20％，可得到外形完好、强度合适的预压坯，一方面可避免两种材料互相渗透，保证了两种材料分布的一致性，另一方面，保证了合压后坯体界面的结合强度，再经烧结和整形得到汽车制动盘，盘帽和盘体界面结合完好、无裂纹。纹。


技术研发人员：罗任 吴云 霍树海 刘春轩 戴青松 曹柳絮 钟豪 文天任 蒋兆汝 梁啟文
受保护的技术使用者：湖南湘投轻材科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20