CN103627936B - 一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镁合金刹车盘，特别涉及一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法。所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料是采用镁-铝-锌-锰系镁基合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为镁基合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备而成的。本发明与现有技术相比，通过碳纤维增强，提高了镁基合金材料的耐疲劳性能和耐磨损性能，摩擦系数高，刹车效果好、使用寿命长，可应用于各种机动车辆的刹车盘。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金刹车盘，特别涉及一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法。
背景技术
当前，刹车盘材料以铸铁（钢）材质为主，铸铁刹车盘最大的弊端是散热慢，在高速状态下刹车或长时间刹车时容易造成刹车盘温度过高，进而导致摩擦力降低而导致刹车失效，因此对于高速轨道交通工具如轻量化汽车、轻轨等的刹车盘需要采用轻合金材质的刹车盘；轻合金中镁合金相对比强度最高，比刚度接近铝合金和钢，特别是镁合金受冲击载荷时，吸收能量比铝合金高约50%，具有良好的抗震减噪性能；作为制动刹车盘，镁合金材质的刹车盘比铸铁制动盘的散热快四倍左右，可有效减少因制动过程产生的摩擦热量累积，可大大提高汽车的热态制动性能，缩短刹车距离，延长刹车盘寿命，镁合金的刹车盘重量比铸铁材质的刹车盘可减轻70%以上，解决了现有铸铁制动盘耐磨性差、散热效果不好、质量大、摩擦力高温热衰减等问题，成为铸铁制动盘的更新换代产品。
但是，镁合金作刹车盘材料也具有不足之处，主要体现在：1）抗腐蚀性能方面比铝合金要差；2）镁合金材质的刹车盘在强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等方面仍有待提高；现有技术中，对提高镁合金的抗腐蚀性能方面，以加入某些抗腐蚀的元素为主，但这些元素的加入，会影响镁合金强度、抗疲劳等多方面性能的提高；对于改善镁合金的强度、硬度和耐磨性方面，目前以加入增强相颗粒即制备颗粒增强镁基复合材料为主，目前，颗粒增强镁基复合材料用于制动刹车盘的突出问题是由于颗粒相体积分数大，分散均匀性差，导致材料的强度、耐磨性及抗疲劳等性能的稳定性需要提高，再者，颗粒增强相一般为氧化物或陶瓷相颗粒，会降低刹车盘的导热性能。
综上所述，对于镁基合金作为制动刹车盘材质，需要改善抗腐蚀性、导热性，同时提高镁合金材料的强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等方面的性能，这需要在镁基合金的基础上引入新的复合相，即发明一种新型的镁基合金复合材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法，通过在镁基合金基础上，引入碳纤维强化相，提高镁基合金的抗腐蚀性，并在提高镁基合金材料强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等性能的同时，提高材料的导热性能，解决目前镁基合金作为制动刹车盘存在的关键问题。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料，其特征在于：所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料是采用镁-铝-锌-锰系镁基合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为镁基合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备而成的。
具体而言：
1）所用镁基体合金成分按照质量百分数计算为：铝(Al)8.0-9.0，锌(Zn)0.50-0.90，锰(Mn)0.20-0.40，铜(Cu)0.001-0.025，镍(Ni)0-0.001，铁(Fe)0-0.004，余量为镁(Mg)。
2）所用微纳米级别的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内。
3）微纳米碳纤维加入量为镁-铝-锌-锰系镁基合金质量的0.3-3%。
本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料的制备过程特征分如下步骤：
a、碳纤维与镁粉充分混合均匀，在真空下压块，制备含碳纤维的镁基块体，需要指出的是在制备含碳纤维的镁基块体时，碳纤维与金属镁粉按质量比在1:10-1:2的范围内，压块所需要的真空度要求气体压力不超过0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为2×2×2cm3—4×4×4cm3；
b、镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜、铁、镍成分到规定范围；
c、镁基体合金的温度控制在600℃-650℃，加入含碳纤维的镁基块体块体，采用无接触式电磁搅拌，熔化均匀后压铸成型，得到本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料与铸铁（钢）材质的刹车盘相比，重量减轻70-80%，实现轻量化；同时，碳纤维增强的镁基复合材料导热性能提高，摩擦系数提高，缩短刹车距离，延长刹车盘使用寿命。
2）本发明与目前轻量化汽车上使用的铝合金材质刹车盘相比，不仅质量更轻，而且在强度、硬度、耐磨性方面更有保证，特别是提高了刹车盘的抗冲击疲劳性能，对减震消噪、提高使用寿命都有益处。
3）本发明与现有的颗粒增强轻金属基复合材料材质的刹车盘相比，大幅度降低了增强相的比例，克服了大量颗粒存在导致的团聚导致的问题，同时，碳纤维与颗粒增强相相比，由于颗粒增强相属陶瓷相，影响散热和材料的摩擦系数，而本发明的碳纤维增强相，具有改善复合材料导热性，可以提高刹车盘的散热效果，保证刹车过程散热，从而保证刹车性能的稳定，缩短刹车距离，避免刹车失效问题。
因此，本发明与现有技术相比，通过碳纤维增强，提高了材料的抗腐蚀性、导热性，同时对于材料强度、硬度、耐疲劳性能和耐磨损性能亦有明显改善，刹车效果好、使用寿命长，可应用于各种机动车辆的刹车盘。
具体实施方式
实施实例1
1)采用的镁基体合金的化学成分（质量%）为：
铝8.0，锌0.50，锰0.40，铜0.01，镍0.001，铁0.002，余量为镁91.087；
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-10nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；微纳米碳纤维的加入量为0.3%；
实施步骤为：
a、碳纤维与金属镁粉按质量比1:9的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的镁基块体；压块时真空度为0.01Pa，压块时的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为4×4×4cm3；
b、镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜成分到规定值，即化学成分百分含量为：铝8.0，锌0.50，锰0.40，铜0.01，镍0.001，铁0.002，余量为镁91.087；
c、镁基体合金的温度控制在610℃，加入含碳纤维的镁基块体，镁基块体的加入量为镁基合金熔体质量分数的3%，采用电磁搅拌2min，熔化均匀即可浇铸，压铸成型得到本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料。
实施实例2
1)采用的镁基体合金的化学成分（质量%）为：
铝9.0，锌0.90，锰0.20，铜0.025，铁0.001，余量为镁89.874；
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；微纳米碳纤维的加入量为3%；
实施步骤为：
a、碳纤维与金属镁粉按质量比3:7的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的镁基块体；压块时真空度为0.01Pa，压块时的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为3×3×3cm3；
b、镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜成分到规定值，即化学成分百分含量为：铝9.0，锌0.90，锰0.20，铜0.025，铁0.001，余量为镁89.874；
c、镁基体合金的温度控制在650℃，加入含碳纤维的镁基块体，镁基块体的加入量为镁基合金熔体质量分数的10%，采用电磁搅拌5min，熔化均匀即可浇铸，压铸成型得到本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料。
实施实例3
1)采用的镁基体合金的化学成分（质量%）为：
铝8.5，锌0.70，锰0.30，铜0.010，铁0.0005，余量为镁90.4895；
2）所用的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；微纳米碳纤维的加入量为1.5%；
实施步骤为：
a、碳纤维与金属镁粉按质量比3:7的比例充分混合均匀，在真空压块机内压块，制备成含碳纤维的镁基块体；压块时真空度为0.01Pa，压块时的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为2×2×2cm3；
b、镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜成分到规定值，即化学成分百分含量为：铝8.5，锌0.70，锰0.30，铜0.010，铁0.0005，余量为镁90.4895；
c、镁基体合金的温度控制在630℃，加入含碳纤维的镁基块体，镁基块体的加入量为镁基合金熔体质量分数的5%，采用电磁搅拌3min，熔化均匀即可浇铸，压铸成型得到本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料。
对实施例1-3制备的碳纤维增强镁基复合材料进行机械性能分析，并在在其他条件完全相同的状态下用现有技术中用高硅铝硅合金材质制备的材料性能进行对比（对比例1），对比例采用的高硅铝硅合金的成分为：硅17-35%、铜1-3%、镁0.3-2%、镍或铬1-2%，余量为铝；同时将上述三个实施例中的合金，在不加入碳纤维的情况下，也作为对比例（对比例2-4），对比例1-4采用的合金成分见表1
表1对比例的合金成分（质量%）
| 铝 | 铜 | 硅 | 铁 | 锌 | 镍 | 锡 | 镁 | |
| 对比例1 | 余量 | 2 | 30 | - | 1.5 | - | 1 | |
| 对比例2 | 8.0 | 0.01 | - | 0.002 | 0.50 | 0.001 | - | 余量 |
| 对比例3 | 9.0 | 0.025 | - | 0.001 | 0.90 | - | - | 余量 |
| 对比例4 | 8.5 | 0.010 | - | 0.0005 | 0.70 | - | - | 余量 |
注：“-”表示无此项。
本发明的实施例制备的刹车盘材料的性能与对比例的比较结果见表2.
表2性能比较结果
| 性能 | 硬度/（HBS） | 抗拉强度/（MPa） | 延伸率/（%） | 弹性模量/（kMPa） | 100km/h下刹车距离 |
| 实施例1 | 170 | 488 | 4.8 | 108 | 19.4m |
| 实施例2 | 172 | 486 | 5.2 | 119 | 20.1m |
| 实施例3 | 175 | 492 | 5.3 | 116 | 19.6m |
| 对比例1 | 89 | 240 | 2.9 | 80 | 21.5 |
| 对比例2 | 98 | 279 | 3.1 | 51 | 22.3 |
| 对比例3 | 99 | 284 | 2.9 | 50.5 | 22.1 |
| 对比例4 | 98 | 280 | 3.0 | 51.5 | 22.6 |
由以上对比结果可知：
本发明与现有技术中用铝基合金、镁基合金相比，材料的硬度、抗拉强度、延伸率和弹性模量等机械性能指标均大幅度提高，特别是强度和延伸率提高约40-50%，材料硬度也显著提高约60%，所制备的刹车盘的在同等使用条件下的刹车距离缩短，其使用寿命提高约一倍左右。
Claims (1)
1.一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料，其特征在于：所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料是采用镁-铝-锌-锰系镁基合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为镁基合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备而成的；
所述基体的合金成分按照质量百分数计算为：铝(Al)8.0-9.0，锌(Zn)0.50-0.90，锰(Mn)0.20-0.40，铜(Cu)0.001-0.025，镍(Ni)0-0.001，铁(Fe)0-0.004，余量为镁(Mg)；
所述微纳米级别的碳纤维的尺度特征为：直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内；
所述微纳米碳纤维加入量为镁-铝-锌-锰系镁基合金质量的0.3-3％；
所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)碳纤维与镁粉充分混合均匀，在真空下压块，制备含碳纤维的镁基块体；
(2)镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜、铁、镍的成分到规定范围；
(3)镁基体合金的温度控制在600℃-650℃，加入含碳纤维的镁基块体，采用电磁搅拌，熔化均匀后压铸成型，得到所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料；
所述碳纤维与金属镁粉按质量比在1:10-1:2的范围内，压块所需要的真空度要求气体压力不超过0.01Pa，压块所需要的压力为4×103Kg/m2，制得的压块的尺寸为2×2×2cm3—4×4×4cm3。
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