一种汽车用铝基复合材料实心制动盘及其制备方法

摘要

本发明涉及一种汽车用铝基复合材料实心制动盘，包括工作部、连接部和安装部，连接部的外环侧连接工作部，内环侧连接安装部；该制动盘采用SiCp/A356铝基复合材料通过反重力铸造方法制作而成；工作部的内外两侧分别设置内侧制动面和外侧制动面；连接部采用厚度逐渐过渡结构，从工作部到安装部厚度逐渐减小，且连接部的内外两侧设置有内侧加强筋或外侧加强筋。本发明还提供了一种汽车用铝基复合材料实心制动盘的制备方法。本发明的制动盘相较灰铸铁材质的制动盘可以实现减重40％以上，同时因为该材料较高的热传导能力和蓄热能力，可以降低制动盘的摩擦温升，并均匀化制动盘温度分布，避免制动盘中形成大的热应力，防止裂纹萌生和扩展。

说明书

技术领域

本发明属于汽车制动盘相关技术领域，特别涉及一种采用铝基复合材料的汽车用轻质长寿命实心制动盘及其制备方法。

背景技术

汽车的制动系统对行车安全非常重要，制动系统的作用是让行驶中的汽车进行减速和停车。制动系统的工作原理是将汽车的动能通过摩擦转换成热能。

汽车制动系统的制动器主要有鼓式和盘式两种。其中，盘式制动器是敞开式的，制动过程中产生的热量可以很快散去，拥有很好的制动效能，现在已广泛应用于汽车上。

盘式制动器的制动盘是以端平面为摩擦工作面的圆盘形部件。制动盘可按结构分为实心盘(单片盘)与通风盘(双片盘)。其中，实心盘是两摩擦面间没有通风道的制动盘。实心制动盘构造简单，容易制造，成本低，但散热性能比通风盘差，通常都安装于后刹车。

汽车簧下质量的减轻对于车辆轻量化和节能减排的贡献最为显著，同时也有利于提升车辆的操控性能。制动盘是可以有效减轻车辆重量的核心部件之一，因此，有必要开发汽车用轻量化制动盘。

目前主流的汽车制动盘材料以灰铸铁为主，典型的牌号为HT250，但钢铁材料的重量偏大，钢铁实心盘重量更大，不符合汽车节能减排和轻量化的趋势。

目前可作为制动盘轻量化材料的主要有两类：一是C/C复合材料或C/C-SiC复合材料；另一类是颗粒、晶须或纤维增强金属基复合材料。两种材料都具有好的轻量化特点。但C/C-SiC材料存在的主要问题是制造工艺复杂、成本高昂，在制备和成型方面都有待进一步完善。颗粒增强金属基复合材料的制备方法包括粉末冶金法、搅拌铸造法等。粉末冶金方法制备的SiC颗粒增强铝基复合材料在制件的结构复杂性或灵活性有限制，材料制备和制件成型的成本较高。近年来发展较快的是搅拌铸造方法制备SiCp/A356复合材料，即碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

SiCp/A356铝基复合材料具有高的比强度和比刚度、导热性好、热容量高、耐磨性好等优点，与C/C-SiC复合材料相比，其材料制备和成型工艺过程相对简单，成本优势明显。选用含SiC颗粒增强的SiCp/A356铝基复合材料作为汽车轻量化制动盘材料，有望实现制动盘减重30％-50％，还可以延长使用寿命、减少运用成本、提高安全可靠性，实现无噪声绿色制动，特别适用于新能源汽车制动盘。当然，与传统的钢铁材料比，SiCp/A356铝基复合材料也存在熔点低、膨胀系数大、液态流动性差等问题，由此导致不能承受较高的摩擦制动温度以及较大的热应力等。此外，在采用铸造成型时，也需要考虑设计良好的顺序凝固工艺。

经对现有技术进行检索，中国专利CN 210240379 U“一种实心汽车制动盘”公开了一种实心汽车制动盘，其技术方案重点在于连接壁区的两级台阶结构设计，用于减小制动盘振动和噪声，并增强散热效果。此外，该技术方案轻量化效果不明显。

中国专利CN 105525153 A“一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘”公布了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，还提供了一种基于所述复合材料制造的轨道交通车辆用制动盘。该技术方案未涉及到汽车用制动盘，不能直接用于尺寸小、制动工况不同的汽车制动盘。

中国专利CN 111442039 A“一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料汽车制动盘及其制备方法”公布了一种由铝基结构材料盘体和耐磨铝基复合材料摩擦面构成的制动盘以及材料的制备方法。该材料采用粉末冶金原理制备，同时达到了耐磨和减重的效果。但相对而言，粉末冶金方法存在工艺方法复杂、制造成本高等问题，不适于大批量产业化生产，难以产生较好的经济效益。特别是该专利在复合材料制备中添加了一定数量的铁或铜等粉体材料，以提升粉末冶金复合材料制动盘的性能，尽管该专利采取了表面防护处理措施，但这些物质很容易在服役过程中与铝粉或铝相形成原电池、产生电化学腐蚀，缩减制动盘的服役寿命、影响服役安全性。

中国专利CN 109458417 A“一种长寿命的汽车制动盘”公布了一种长寿命的汽车制动盘。该制动盘通过摩擦面上容垢槽的设置解决了磨损碎屑导致刹车性能下降的问题，通过在摩擦体边缘增设散热孔改善了散热效果较差的问题，重点是在制动盘一侧设置往复点刹机构解决抱死问题，没有涉及轻量化方面的技术手段。

发明内容

在满足制动盘接口等结构和尺寸的条件下，设计铝基复合材料制动盘结构，使制动盘在服役条件下的热容量(制动温升和热应力)满足服役要求。

铝基复合材料的力学性能较传统钢铁材料低且成型难度较大，需要采取更为先进的成型方法和合理的结构设计提高铝基复合材料制动盘的成型质量和力学性能，降低制动温升，减少制动热应力。

本发明的目的之一是提供一种汽车用铝基复合材料实心制动盘，该制动盘在满足接口尺寸的同时，通过采用新型的铝基复合材料以及合理的结构设计，实现制动盘轻量化；本发明的目的之二是采用反重力成型方法及合理的成型工艺设计使制动盘的成型质量和力学性能较传统的重力铸造得到大幅提升，同时满足服役工况要求。

本发明包含两组具有相似发明思路的技术方案，第一组技术方案是：一种汽车用铝基复合材料实心制动盘，包括工作部、连接部和安装部，所述连接部的外环侧连接工作部，内环侧连接安装部；该制动盘采用SiCp/A356铝基复合材料通过反重力铸造方法成型制作而成；所述工作部的内外两侧分别设置内侧制动面和外侧制动面；所述连接部采用厚度逐渐过渡结构，从工作部到安装部厚度逐渐减小，且连接部的内外两侧设置有内侧加强筋或外侧加强筋，或者内外两侧同时设置内侧加强筋和外侧加强筋。

进一步地，工作部外圆中间部位设置外圆散热槽。

进一步地，所述外圆散热槽有多道。

进一步地，工作部外圆两侧紧靠内侧制动面和外侧制动面的部位设置磨耗限标志，用于标志磨耗状态，同时增加该部位的表面积、增强散热能力。

进一步地，连接部两侧设置的内侧加强筋和外侧加强筋在位置上相互错开，以避免铸造热节和孔洞缺陷。

进一步地，安装部为制动盘的安装结构，其上开设固定孔，用于将制动盘固定在汽车的车轴或轮毂上。

本发明的第二组技术方案是：

一种汽车用铝基复合材料实心制动盘的制备方法，包括如下的步骤：

S1：将A356铝合金在坩埚中加热到680-750℃，精炼除气后随炉降温到575-650℃，在氮气或者氩气或真空保护下保温待用；

S2：将18-28wt％的SiC加入到步骤S1获得的A356铝合金熔体中，搅拌均匀；

S3：将步骤S2获得的铝合金与SiC的混合物加热到680-750℃，进行反重力浇铸，获得制动盘的铸件毛坯；

S4：对步骤S3获得的铸件毛坯进行机加工，得到汽车用铝基复合材料实心制动盘。

可选地，在步骤S3中，将步骤S2获得的铝合金与SiC的混合物先浇注铸锭，冷却后作为铝基复合材料制动盘原材料使用，生产制动盘时，将铸锭在氮气或者氩气或真空保护下加热至680-750℃，进行反重力浇铸，获得制动盘的铸件毛坯。

本发明的有益效果：

1、本发明的制动盘工作部作为制动盘的摩擦工作面，采用实心结构，在满足减重要求的前提下，最大限度地增加制动盘的体积或重量，既能最大限度的保证制动盘的刚度，又能充分发挥材料的蓄热能力，降低制动盘的摩擦温升，保证良好的制动性能。

2、工作部外圆中间部位设置外圆散热槽，增加盘体的散热表面积，降低制动盘的温度。

3、工作部外圆两侧根据需要设置磨耗限标志，磨耗限标志可以有多种形式。磨耗限标志的宽度按汽车生产厂家指定的磨耗限设定，用以标志制动盘的磨损情况，同时增加散热表面积，提高散热能力。

4、连接部采用厚度逐渐过渡结构，由工作部到安装部厚度逐渐减小，且其内外侧可以分别设置内侧加强筋和外侧加强筋，或者同时设置内侧加强筋和外侧加强筋。加强筋用于增强连接部的强度和刚度，增加制动盘的散热表面积，提升散热效果，降低制动盘的温升，改善制动热分布，减少热应力，同时改善制动盘毛坯的补缩效果和提高成型质量。

5、连接部两侧设置的内侧加强筋和外侧加强筋在位置上相互错开，以避免铸造热节和孔洞缺陷。

6、本发明的制动盘采用SiCp/A356铝基复合材料生产，相较灰铸铁材质的制动盘，可以实现减重40％以上，同时，因为该材料较高的热传导能力和蓄热能力，可以降低制动盘的摩擦温升，并均匀化制动盘温度分布，避免制动盘中形成大的热应力，防止裂纹萌生和扩展。

7、本发明的制动盘采用反重力铸造方法成型，铸型可为硬化砂型或金属型，制动盘整体铸出可以保证其整体刚度。

附图说明

图1是本发明实施例实心制动盘的纵向剖面图。

图2是本发明实施例实心制动盘内侧制动面正视图。

图3是本发明实施例实心制动盘外侧制动面正视图。

图4是本发明一实施例实心制动盘磨耗限标志的结构局部剖面示意图。

图5是本发明另一实施例实心制动盘磨耗限标志的结构局部剖面示意图。

图6是本发明另一实施例实心制动盘磨耗限标志的结构局部剖面示意图。

图7是本发明另一实施例实心制动盘磨耗限标志的结构局部剖面示意图。

图8是本发明另一实施例实心制动盘磨耗限标志的结构局部剖面示意图。

图9是本发明一实施例的反重力铸造工艺方案。

图10是图9所示方案的充型模拟结果。

图11是图9所示方案的冷却曲线模拟结果。

其中：

1-工作部，11-内侧制动面，12-外侧制动面，13-外圆散热槽，14-磨耗限标志，2-连接部，21-内侧加强筋，22-外侧加强筋，3-安装部，31-固定孔。

具体实施方式

下面结合各附图对本发明汽车用铝基复合材料实心制动盘及其制备方法作进一步说明。

如图1-3所示，本发明的汽车用铝基复合材料实心制动盘包括工作部1、连接部2和安装部3，工作部1在最外面，连接部2在中间，安装部3在最里面，连接部2的外环侧连接工作部1，内环侧连接安装部3。制动盘采用SiCp/A356铝基复合材料制作而成；工作部1的内外两侧分别设置内侧制动面11和外侧制动面12；连接部2采用厚度逐渐过渡结构，从连接工作部1的部分到连接安装部3的部分，厚度逐渐减小；连接部2的内外两侧设置有内侧加强筋21或外侧加强筋22，或者内外两侧同时设置内侧加强筋21和外侧加强筋22。

工作部1为实心结构，内部无通风道设计，实心制动盘的目的是最大限度地增加制动盘的体积或重量，保证制动盘的刚度，又充分发挥材料的蓄热能力，降低制动盘的摩擦温升。

如图1所示，工作部1内外两侧分别为内侧制动面11和外侧制动面12，作为制动盘的摩擦工作面。

如图1所示，工作部1外圆中间部位有一圈外圆散热槽13，其目的是增加盘体的散热表面积，改善冷却效果，降低制动盘在工作时的温度。外圆散热槽13可以有多道，这样能够更大程度地增加盘体的散热表面积。

如图1和图4所示，工作部1外圆两侧紧靠内侧制动面11和外侧制动面12的部位设置磨耗限标志14，沿工作部1外圆整圈分布，磨耗限标志14的宽度按汽车生产厂家指定的磨耗限设定，用以标志制动盘的磨损情况，进而判断制动盘是否需要更换，同时增加制动盘的散热表面积，提高散热能力。

可选地，磨耗限标志14还可设计成如图5、图6、图7、图8的结构形式。

如图2、3所示，制动盘连接部2的内侧设置有内侧加强筋21，数量有多个，例如20个，沿圆周均匀分布；同时，外侧设置有外侧加强筋22，数量有多个，例如20个，沿圆周均匀分布。加强筋用于增强连接部2的强度和刚度，增加制动盘的散热表面积，提升散热效果，降低制动盘的温升，改善制动热分布，减少热应力，同时改善制动盘毛坯的补缩效果和提高成型质量。

此外，内侧加强筋21和外侧加强筋22在位置上相互均匀交错错开，从而可以避免铸造热节效应，避免铸造缺陷。

如图2所示，安装部3为制动盘的安装结构，其上开设固定孔31，用于将制动盘固定在汽车的车轴或轮毂上。安装部3的具体结构和尺寸根据汽车生产厂家的要求设计。

在一个实施例中，本发明提供的一种汽车用铝基复合材料实心制动盘的制备方法，包括如下的步骤：

S1：将A356铝合金在坩埚中加热到680-750℃，例如可以选择680℃、690℃、700℃、730℃或者750℃，精炼除气后随炉降温到650℃，在氮气或者氩气或真空保护下保温待用；

S2：将18-28wt％的SiC加入到步骤S1获得的A356铝合金熔体中，搅拌均匀；

S3：将步骤S2获得的铝合金与SiC的混合物加热到680-750℃，例如可以选择680℃、690℃、700℃、730℃或者750℃，进行反重力浇铸，获得制动盘的铸件毛坯。

S4：对步骤S3获得的铸件毛坯进行机加工，得到汽车用铝基复合材料实心制动盘。

在一个可选的实施例中，上述步骤S3中，将步骤S2获得的铝合金与SiC的混合物先浇注铸锭，冷却后作为铝基复合材料制动盘原材料使用，生产制动盘时，将铸锭在氮气或者氩气或真空保护下加热至680-750℃，进行反重力浇铸，获得制动盘的铸件毛坯。

在本发明中，该实心制动盘的材料采用SiCp/A356颗粒增强铝基复合材料，复合材料基体采用A356或356Z.2铝锭，增强相采用SiC颗粒，含量为18～28wt％。相较市场上典型的同等规格HT250灰铸铁材质的制动盘，本发明的SiCp/A356铝基复合材料实心制动盘可以实现减重40％以上，且该铝基复合材料有较高的热传导能力和蓄热能力，可以降低制动盘的摩擦温升，并均匀化制动盘温度分布，避免制动盘中形成大的热应力。

本发明的制动盘采用金属型、反重力铸造方法成型制动盘毛坯，制动盘毛坯的成型质量和力学性能显著优于同材料重力铸造的成型质量和力学性能。制动盘金属型、反重力铸造获得的抗拉强度能够较重力铸造方法提高60％以上，从而保证了铝基复合材料制动盘服役的性能要求。

制动盘铸造完成后，进一步通过机械加工处理，达到规定的技术条件。

本发明实施例的SiCp/A356铝基复合材料的力学性能、热物理性能、摩擦磨损性能可达到汽车的摩擦制动性能要求。以下是采用仿真分析以及物理试验的方法对本发明实施例的汽车用SiCp/A356铝基复合材料实心制动盘进行分析验证和测试的结果。

1、流体仿真分析

采用流体模拟软件开展模拟计算，以100kph到20kph的连续制动的工况作为模拟工况，分析制动盘结构的通风、蓄热和均匀化温度的特点。流体模拟仿真分析的结果表明，本发明实施例的铝基复合材料实心制动盘有利于降低制动盘表面空气流动速度和不同部位的空气流动速度差异，在降低换热系数和不同部位换热系数差异方面效果显著，这使得本发明实施例铝基复合材料制动盘在均匀化制动盘温度方面具有良好的效果，不易形成大的热应力，可以避免热裂的发生，能有效防止裂纹萌生和扩展，延长制动盘的服役寿命。

2、热容量仿真分析

采用有限元软件开展热容量模拟计算，依据汽车制动盘试验相关要求，设定热容量模拟计算工况，分析和校核SiCp/A356铝基复合材料实心制动盘的温度和结构强度。模拟计算结果汇总于表1和表2。有限元热容量仿真分析结果表明，在设定工况下，本发明实施例的铝基复合材料实心制动盘具有较好的散热、蓄热能力，温度分布较为均匀，应力较小，制动盘的结构设计能满足给定工况下的许用温度要求和强度要求。

表1本发明实施例制动盘设计的重量及模拟工况最高温度汇总表

表2本发明实施例制动盘应力模拟计算汇总表

3、成型工艺仿真分析

采用凝固模拟软件开展本发明实施例的铝基复合材料实心制动盘的金属型和树脂砂芯的反重力铸造成型过程模拟，分析和评估充型、凝固过程和铸件质量。图9为优化的成型工艺方案，其中A1点为制动盘的外缘部位、A2点为制动盘的内缘部位、A3点为内浇口部位、A4点为横浇道部位、A5点为升液管部位。本发明采用Procast凝固模拟软件开展的成型工艺仿真分析结果表明，采用图9所示的反重力铸造工艺可以获得图10所示的平稳充型效果，可有效降低充型过程产生气孔、夹渣等缺陷的风险；图11为A1-A5各部位的凝固冷却曲线，依据顺序凝固原理，合理的凝固顺序应为A1-A2-A3-A4-A5，即A1点先凝固、依次为A2点、A3点、A4点，最后凝固的是A5点。图11的冷却曲线表明，所设计的反重力铸造工艺，可以实现很好的顺序凝固模式，即冷却凝固过程中从升液管A5到横浇道A4、至内浇口A3冷却时间依次由长变短、凝固顺序合理，能建立良好的补缩通道，可以对制动盘的内缘、外缘部位实施凝固补缩，获得无收缩孔洞的健全刹车盘铸件毛坯。

通过设计的铸造工艺，本发明实施例的铝基复合材料实心制动盘充型过程平稳、可以建立良好的顺序凝固模式，能有效地减少气孔、夹渣缺陷并能实现好的补缩效果，可获得成型质量优良的SiCp/A356铝基复合材料实心制动盘。

4、力学性能

采用金属型、反重力铸造法成型的SiCp/A356铝基复合材料试样经过热处理后，测试其强度和硬度等力学性能，测试结果如下表所示。由表3可知，采用金属型、反重力铸造法成型铝基复合材料的抗拉强度比普通重力铸造方法提高约60％。

表3本发明实施例铝基复合材料性能

5、物理及摩擦磨损性能

试验结果表明，本实施例铝基复合材料的常温比热容≥856J/(kg.K)，常温热导率≥143W/(m.K)。

铝基复合材料通风制动盘与合成闸片摩擦试验结果表明，干燥状态和潮湿状态下，静摩擦系数的重复性和稳定性较好，平均静摩擦系数0.42～0.48。干摩擦条件下平均摩擦系数均高于0.35。瞬时摩擦系数曲线平滑，在相同的制动条件下，瞬时摩擦系数具有很好的重复性和稳定性。

此外，本发明实施例的铝基复合材料实心制动盘的公称重量为5.59公斤，与目前市场典型的同等规格HT250灰铸铁制动盘相比，本发明制动盘的重量减少在40％以上，轻量化效果显著。

可选地，本发明所涉及的汽车用铝基复合材料制动盘，其铸型还可以采用硬化砂型，如树脂砂型。

本发明的汽车用铝基复合材料实心制动盘的通风散热能力、温度均匀化能力、热负荷能力、结构强度均有良好的表现，满足使用工况下的性能要求，且铸造成型质量优良，相较典型的同等规格HT250灰铸铁材质通风制动盘而言，实现减重40％以上，相较其他复合材料制动盘而言，具有明显的成本优势。本发明的SiCp/A356铝基复合材料实心制动盘可以作为汽车轻量化制动盘推广使用，有望实现制动盘减重30％～50％的目标，还可以延长使用寿命、减少运用成本、提高安全可靠性，实现无噪声绿色制动，特别适用于新能源汽车制动盘。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。