一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋁合金材質(zhì)的剎車盤(pán)，特別涉及一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法。所述剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是采用鋁-硅-銅系鋁合金作為基體，以微納米級(jí)別的碳纖維作為鋁合金基體的增強(qiáng)相，通過(guò)熔體合成-壓鑄成型的方法而成的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)碳纖維增強(qiáng)，提高了材料的耐疲勞性能和耐磨損性能，剎車效果好、使用壽命長(zhǎng)，可應(yīng)用于各種機(jī)動(dòng)車輛的剎車盤(pán)。
【專利說(shuō)明】一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁合金材質(zhì)的剎車盤(pán)，特別涉及一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，剎車盤(pán)材料以鑄鐵(鋼)材質(zhì)為主，鑄鐵剎車盤(pán)最大的弊端是散熱慢，在高速狀態(tài)下剎車或長(zhǎng)時(shí)間剎車時(shí)容易造成剎車盤(pán)溫度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力降低而導(dǎo)致剎車失效，因此對(duì)于高速軌道交通工具如輕量化汽車、輕軌等的剎車盤(pán)已經(jīng)開(kāi)始鋁合金材質(zhì)的剎車盤(pán)，比鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的散熱快四倍以上，可有效減少因制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的摩擦熱量累積，可大大提高汽車的熱態(tài)制動(dòng)性能，縮短剎車距離，延長(zhǎng)剎車盤(pán)壽命，且鋁合金的剎車盤(pán)重量比鑄鐵材質(zhì)的剎車盤(pán)可減輕50%以上，基本解決了現(xiàn)有鑄鐵制動(dòng)盤(pán)耐磨性差、散熱效果不好、質(zhì)量大、摩擦力高溫?zé)崴p等問(wèn)題，成為鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
[0003]但現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金材質(zhì)的剎車盤(pán)在強(qiáng)度、硬度、耐磨性、抗疲勞等方面仍有待提高；申請(qǐng)?zhí)?CN200810027189.8，一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁金屬基復(fù)合材料的輕型汽車制動(dòng)盤(pán)，提出采用碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，申請(qǐng)?zhí)?00610137913.3提出采用硼化鈦和碳化硅作增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)，目前顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料作制動(dòng)盤(pán)存在的突出問(wèn)題是由于顆粒相體積分?jǐn)?shù)大，分散均勻性差，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、耐磨性及抗疲勞等性能的穩(wěn)定性需要提高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，提高鋁合金材質(zhì)剎車盤(pán)的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、抗疲勞等性能，解決目前采用鑄鐵、鋁合金及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的:
一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，其特征在于:采用鋁-硅-銅系鋁合金作為基體，以微納米級(jí)別的碳纖維作為鋁合金基體的增強(qiáng)相，通過(guò)熔體合成-壓鑄成型的方法制備剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0006]具體而言:
O所用鋁基體合金成分(質(zhì)量％)為:銅(Cu) 2.0-4.0,硅(Si) 10.0-12.0,鋅(Zn) ( 1.0，鐵(Fe) ( 1.0，鎂(Mg) ( 0.5，錳(Mn) ( 0.5，鎳(Ni) ( 0.5，錫(Sn) ( 0.3，余量為招(Al)；
2)所用微納米級(jí)別的碳纖維的尺度特征為，直徑在1-1OOnm的范圍內(nèi)，纖維長(zhǎng)度和纖維直徑之比在1-100范圍內(nèi)；
3)微納米碳纖維的加入量為鋁-硅-銅系鋁合金重量分?jǐn)?shù)的0.3-3%。
[0007]本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備過(guò)程特征分如下步驟:
a、碳纖維與鋁粉按質(zhì)量比1:10— 1:2配料，經(jīng)充分混合均勻，在真空下壓塊，制備含碳纖維的塊體，需要指出的是本步驟制備含碳纖維的鋁基塊體時(shí)，碳纖維與金屬鋁粉按質(zhì)量比在1:10— 1:2的范圍內(nèi)，壓塊所需要的真空度要求氣體壓力不超過(guò)0.01Pa,壓塊所需要的壓力為4X103Kg/m2，制得的壓塊的尺寸為2X2X2 — 4X4X4cm3 ；
b、鋁基體合金的熔煉，調(diào)整銅、硅、鋅、鎂、鐵、錳、鎳、錫成分到規(guī)定范圍，即鋁基體合金成分(質(zhì)量 ％)為:銅(Cu) 2.0-4.0，硅(Si) 10.0-12.0，鋅(Zn) ( 1.0，鐵(Fe) ( 1.0，鎂(Mg)≤0.5 錳(Mn) ( 0.5，鎳(Ni) ( 0.5，錫(Sn) ( 0.3，余量為鋁(Al)；
C、鋁基體合金的溫度控制在650°C _700°C，加入含碳纖維的塊體，采用機(jī)械攪拌，熔化均勻即可澆鑄，制備本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
O本發(fā)明的用于剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鑄鐵(鋼)材質(zhì)相比，重量減輕50^60%,實(shí)現(xiàn)輕量化；同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能提高，縮短剎車距離，延長(zhǎng)剎車盤(pán)壽命。
[0009]2)本發(fā)明與現(xiàn)有的鋁合金材質(zhì)剎車盤(pán)相比，加入碳纖維作增強(qiáng)相，顯著提高了鋁合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗疲勞性能。
[0010]3)本發(fā)明與現(xiàn)有的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料材質(zhì)的剎車盤(pán)相比，大幅度降低了增強(qiáng)相的比例，克服了大量顆粒存在導(dǎo)致的團(tuán)聚導(dǎo)致的問(wèn)題，同時(shí)，碳纖維與顆粒增強(qiáng)相相比，由于顆粒增強(qiáng)相屬陶瓷相，影響散熱和材料性能，而本發(fā)明的碳纖維，具有良好的導(dǎo)熱性，可以提高剎車盤(pán)的散熱效果，另外，本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)低，分散好，材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗疲勞等性能都顯著提高；
因此，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)碳纖維增強(qiáng)，提高了材料的強(qiáng)度、硬度、耐疲勞性能和耐磨損性能，剎車效果好、使用壽命長(zhǎng)，可應(yīng)用于各種機(jī)動(dòng)車輛的剎車盤(pán)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施實(shí)例I
I)采用的基體鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量％)為:
銅 3.0，硅 11.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 83.7。
[0012]2)所用的碳纖維的尺度特征為，直徑在1-10納米(nm)的范圍內(nèi)，纖維長(zhǎng)度和纖維直徑之比在1-10范圍內(nèi)；微納米碳纖維加入量(質(zhì)量％)為0.5%。
[0013]實(shí)施步驟為:
a、碳纖維與鋁粉按質(zhì)量比1:9的比例充分混合均勻，在真空壓塊機(jī)內(nèi)壓塊，制備成含碳纖維的鋁基塊體，壓塊時(shí)的真空度為0.01Pa，壓塊所需要的壓力為4X 103Kg/m2，制得的壓塊的尺寸為3X3X3cm3 ；
b、鋁基體合金的熔煉，調(diào)整銅、硅、鋅、鎂、鐵、錳、鎳、錫成分到規(guī)定范圍，即，銅3.0，硅
11.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 83.7 ；
C、鋁基體合金的溫度控制在650°C，加入含碳纖維的鋁基塊體，含碳纖維的鋁基塊體的加入量為鋁基合金熔體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%，采用機(jī)械攪拌，熔化均勻即可澆鑄，采用壓鑄成型制備本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0014]實(shí)施實(shí)例2
I)采用的基體鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量％)為:銅 4.0，硅 10.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 83.7。
[0015]2)所用的碳纖維的尺度特征為，直徑在1-100納米(nm)的范圍內(nèi)，纖維長(zhǎng)度和纖維直徑之比在1-100范圍內(nèi)；微納米碳纖維加入量(質(zhì)量％)為3%。
[0016]實(shí)施步驟為:
a、碳纖維與鋁粉按質(zhì)量比3:7的比例充分混合均勻，在真空壓塊機(jī)內(nèi)壓塊，制備成含碳纖維的鋁基塊體，壓塊時(shí)的真空度為0.01Pa，壓塊所需要的壓力為4X 103Kg/m2，制得的壓塊的尺寸為2X2X2cm3 ；
b、鋁基體合金的熔煉，調(diào)整銅、硅、鋅、鎂、鐵、錳、鎳、錫成分到規(guī)定范圍，即，銅4.0，硅10.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 83.7 ；
C、鋁基體合金的溫度控制在670°C，加入含碳纖維的鋁基塊體，含碳纖維的鋁基塊體的加入量為鋁基合金熔體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%，采用機(jī)械攪拌，熔化均勻即可澆鑄，采用壓鑄成型制備本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0017]實(shí)施實(shí)例3
1)采用的基體鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量％)為:
銅 2.0，硅 10.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 85.7 ；
2)所用的碳纖維的尺度特征為，直徑在1-50納米(nm)的范圍內(nèi)，纖維長(zhǎng)度和纖維直徑之比在1-50范圍內(nèi)；微納米碳纖維加入量(質(zhì)量％)為1.5% ；
實(shí)施步驟為:
a、碳纖維與鋁粉按質(zhì)量比3:7的比例充分混合均勻，在真空壓塊機(jī)內(nèi)壓塊，制備成含碳纖維的鋁基塊體；壓塊時(shí)的真空度為0.01Pa，壓塊所需要的壓力為4X103Kg/m2，制得的壓塊的尺寸為4X4X4cm3 ；
b、鋁基體合金的熔煉，調(diào)整銅、硅、鋅、鎂、鐵、錳、鎳、錫成分到規(guī)定范圍，即，銅2.0，硅10.0，鋅 0.80，鐵 0.5，鎂 0.2，錳 0.3，鎳 0.2，錫 0.3，余量為鋁 85.7 ；
C、鋁基體合金的溫度控制在700°C，加入含碳纖維的鋁基塊體，含碳纖維的鋁基塊體的加入量為鋁基合金熔體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%，采用機(jī)械攪拌，熔化均勻即可澆鑄，采用壓鑄成型制備本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
[0018]對(duì)實(shí)施例1-3制備的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械性能分析，并在其他條件完全相同的狀態(tài)下用現(xiàn)有技術(shù)中用高硅鋁硅合金材質(zhì)制備的材料性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比例采用的高硅鋁硅合金的成分為:硅17~35%、銅廣3%、鎂0.3~2%、鎳或鉻廣2%，余量為鋁；同時(shí)將上述三個(gè)實(shí)施例中的合金，在不加入碳纖維的情況下，也作為對(duì)比例，對(duì)比例1-4采用的合金成分見(jiàn)表1
表1對(duì)比例的合金成分(質(zhì)量％)
【權(quán)利要求】
1.一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于:所述剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是采用鋁-硅-銅系鋁合金作為基體，以微納米級(jí)別的碳纖維作為鋁合金基體的增強(qiáng)相，通過(guò)熔體合成-壓鑄成型的方法而成的。
2.如權(quán)利要求1所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，其特征在于:所用基體成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算為:銅(Cu) 2.0-4.0，硅(Si) 10.0-12.0，鋅(Zn) ( 1.0，鐵(Fe) ( 1.0，鎂(Mg) ( 0.5，錳(Mn) ( 0.5，鎳(Ni) ( 0.5，錫(Sn) ( 0.3，余量為招(Al)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，其特征在于:所用微納米級(jí)別的碳纖維的尺度特征為，直徑在1-1OOnm的范圍內(nèi)，纖維長(zhǎng)度和纖維直徑之比在1-100范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，其特征在于:碳纖維的加入量(質(zhì)量％)為鋁-硅-銅系鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.3-3%。
5.如權(quán)利要求1所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟， (1)碳纖維與鋁粉經(jīng)充分混合均勻，在真空下壓塊，制備含碳纖維的鋁基塊體； (2)鋁基體合金的熔煉，調(diào)整銅、硅、鋅、鎂、鐵、錳、鎳、錫成分到規(guī)定范圍； (3)加入含碳纖維的鋁基塊體，采用機(jī)械攪拌，熔化均勻即可澆鑄，制備本發(fā)明的剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
6.如權(quán)利要求5所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，其特征在于:所述步驟I中碳纖維與金屬鋁`粉質(zhì)量比在1:10-1:2的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:制備含碳纖維的鋁基塊體時(shí)，壓塊所需要的真空度要求氣體壓力不超過(guò)0.01Pa，壓塊所需要的壓力為4X 103Kg/m2,制得的壓塊的尺寸為2X2X2 — 4X4X4cm3。
8.如權(quán)利要求1所述的一種剎車盤(pán)用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:加入含碳纖維的鋁基塊體時(shí)，鋁基體合金的溫度控制在650°C -700°C。
【文檔編號(hào)】C22C49/06GK103628005SQ201310593025
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】王宏明, 李桂榮 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)