CN110670003A - 一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，本发明其原料按重量比份包括：铝合金原料70‑80份、矿物材料15‑30份、摩擦材料3‑5份和镁合金0.4‑5份，所述矿物材料为矿物颗粒或矿物纤维中的一种，本发明涉及制动盘技术领域。该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的矿物颗粒或矿物纤维强化铝基复合材料制动盘密度低重量轻，可以降低汽车的牵引动力、降低能耗，实现汽车轻量化，与传统制动盘相比可以降低重量的40‑60%，比传统铸铁制动盘具备更好的耐磨性能，具有更长的使用寿命，节省了制动盘的更换周期，降低了资源的浪费，比刚度与汽车其他部件差异大，在使用过程中不易产生噪音和抖动，可以带来良好的乘车舒适性。

Description

一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺
技术领域
本发明涉及制动盘技术领域，具体为一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺。
背景技术
制动盘是盘式制动器的摩擦偶件，除应具有作为构件所需要的强度和刚度外，还应有尽可能高而稳定的摩擦系数，以及适当的耐磨性、耐热性、散热性和热容量，制动盘即刹车盘，是一个金属圆盘，是用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。车辆行驶过程中踩刹车时制动 卡钳夹住制动盘起到减速或者停车的作用，一般制动盘上有圆孔，其作用是减轻重量和增加摩擦力，制动盘种类繁多，特点是壁薄，盘片及中心处由砂芯形成，不同种类制动盘，在盘径、盘片厚度及两片间隙尺寸上存在差异，盘毂的厚度和高度也各不相同。
参考中国专利公开号为CN109877295A的一种铝-陶瓷复合制动盘的制造方法，该专利是将制动盘进行组合式制造，先采用陶瓷复合材料制作骨架盘芯，然后再将铝液浇筑于盘芯上进行组合生产，然而，这样的组合式制动盘在制造过程中存在两个弊端：一、该组合式制动盘只能对盘芯骨架进行耐磨增强处理，不能对整个制动盘进行耐磨增强处理，仍然不能全面解决制动盘易磨损的问题；二、组合式正产需要采用挤出工艺进行生产，增加生产工序和生产成本，不利于制动盘生产企业的大范围推广。
参考中国专利公开号为CN103307150B的机动车用制动盘的制造方法，该专利是采用环状盘与帽部呈花键形状地结合，能够有效地分散由制动转矩产生的环状盘与帽部之间的剪切载荷，由于接触面积变大因而散热效果优良，能够与环状盘的材质无关地制造花键结合式的制动盘，该专利只能从分散制动盘作用的约束力，来削弱制动盘的磨损，确实能够一定程度的延长制动盘的使用寿命，然而相比于对制动盘材质进行耐磨性提升来说，仍然耐磨提升效果不佳，不能实现使制动盘长期使用。
参考中国专利公开号为CN101063471的一种轴装制动盘的制造方法，该专利是通过采用锰铬镍合金来代替铸铁进行制动盘的制造，然而，这样的制动盘的重量仍然较重，没有降低汽车的牵引动力和汽车能耗。
国内现有的汽车制动盘是由传统铸铁制造，灰铸铁具有良好的强度、导热性和耐磨性，但因密度大、重量过重已成为制约汽车轻量化的一个因素，且材料制成的制动盘与整个制动器总成的频率相差不大，易出现汽车刹车抖动、异响等缺陷，对乘车舒适性带来了很多不好的体验，本发明制动盘是由铝合金、矿物颗粒两种材料复合制成，通过利用矿物颗粒加强耐磨特性，增加铝合金制动盘的耐磨性能，铝合金具有低密度和良好的导热性，但是因耐磨性受限制，使之不能成为制作制动盘的优良选择。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，解决了现有的制动盘重量过重，且易出现汽车刹车抖动、异响等缺陷，对乘车舒适性带来了很多不好的体验，且现有铝合金制动盘不具备循环制动耐磨的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种矿物材料强化铝基制动盘，其原料按重量比份包括：铝合金原料70-80份、矿物材料15-30份、摩擦材料3-5份和镁合金0.4-5份。
优选的，其原料包括如下组分：铝合金原料75份、矿物材料22.5份、摩擦材料4份和镁合金2.5份。
优选的，其原料包括如下组分：铝合金原料70份、矿物材料29.6份、摩擦材料3份和镁合金0.4份。
优选的，其原料包括如下组分：铝合金原料80份、矿物材料15份、摩擦材料5份和镁合金5份。
优选的，所述铝合金原料是采用铸铝ZL101牌号铝锭作为熔化原料。
优选的，所述矿物材料为矿物颗粒或矿物纤维中的一种，若矿物材料为矿物颗粒时，矿物颗粒的粒度为1000-2000目，若矿物材料为矿物纤维时，矿物纤维长度为0.5-1mm。
优选的，所述矿物材料的分子式为SiO2-Al2O3-H2O，其中SiO2的含量为60-65%、Al2O3的含量为30-34%、Fe2O3的含量小于0.8%以及其他成份综合的含量小于2%。
优选的，所述摩擦材料是采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得。
优选的，所述矿物材料使用前需经200-300℃预热0.5-1h去除水分。
本发明还公开了一种矿物材料强化铝基制动盘的生产工艺，具体包括以下步骤：
S1、原料的选取和称量：首先选取铸铝ZL101牌号铝锭做为铝合金熔化原料，再选用与铝密度接近的矿物材料，同时通过称量设备量取铝合金原料、矿物材料和镁合金的所需重量比份，然后转移至存储罐中进行保存，备用；
S2、制动盘毛坯的成形：将步骤S1量取的ZL108牌号铝锭在700-780℃的温度下熔化，去除表面氧化渣，再金加入步骤S1量取的镁合，然后加入相应重量比份的矿物颗粒，之后在650-700℃的温度下进行搅拌，搅拌转速为600-700r/min，时间30-40min，然后升温至700-780℃通入氩气或氮气进行搅拌除气，除气完成后再次去除表面氧化渣，随后可进行液体的成型，通入氩气或氮气进行搅拌除气时搅拌转速为300-400r/min，时间10-20min，除气流量计的压力为0.3-0.5MPa；
S3、制动盘毛坯的去除应力处理：将步骤S2成型后的制动盘毛坯移入热处理炉升温至530-540℃，保温6h，再将毛坯去除迅速入水温70-90℃的水中进行淬火，然后转移到水中过程不超过15s，浸水时间为3-10min，浸水完成后将毛坯移入另一热处理炉，移入过程需在30min内完成以防止毛坯变形，之后在160-170℃保温4-5h，即可完成制动盘毛坯的去除应力处理；
S4、制动盘的后加工处理：将步骤S3热处理完后的制动盘进行切削、打磨抛光和清洗加工处理，从而完成制动盘的生产。
（三）有益效果
本发明提供了一种矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺。与现有技术相比具备以下有益效果：
（1）、该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的矿物颗粒或矿物纤维强化铝基复合材料制动盘密度低重量轻，可以降低汽车的牵引动力、降低能耗，实现汽车轻量化，与传统制动盘相比可以降低重量的40-60%。
（2）、该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的矿物颗粒或矿物纤维强化铝基复合材料制动盘因有SiO2-Al2O3作为强化磨料，同时加入采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得的摩擦材料，可使制动盘的耐磨效果得到明显提升，比传统铸铁制动盘具备更好的耐磨性能，具有更长的使用寿命，节省了制动盘的更换周期，降低了资源的浪费。
（3）、该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的矿物颗粒或矿物纤维强化铝基复合材料制动盘比刚度与汽车其他部件差异大，在使用过程中不易产生噪音和抖动，可以带来良好的乘车舒适性。
（4）、该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的制动盘导热性良好且热容量高，延伸性良好，在使用过程中不易因热变形造成开裂和飞盘现象，减低了事故发生概率，提升安全性。
（5）、该矿物材料强化铝基制动盘及其生产工艺，生产的制动盘为铝硅镁合金作为基体材料，具备优良的耐腐蚀性能，不需进行喷涂和电镀处理，大大降低了制动盘的生产成本，达到轻量化环保的目的。
附图说明
图1为本发明称量实验的数据统计图；
图2为本发明耐磨测试实验的数据统计图；
图3为本发明刚度测试实验的数据统计图；
图4为本发明生产工艺的流程图；
图5为本发明制动盘的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例提供三种技术方案：一种矿物材料强化铝基制动盘的生产工艺，具体包括以下实施例：
实施例1
S1、原料的选取和称量：首先选取铸铝ZL101牌号铝锭做为铝合金熔化原料，再选用与铝密度接近的矿物材料，同时通过称量设备量取75份铝合金原料、22.5份矿物材料、4份摩擦材料和2.5份镁合金的所需重量比份，然后转移至存储罐中进行保存，备用，矿物材料的分子式为SiO2-Al2O3-H2O，其中SiO2的含量为63%、Al2O3的含量为32%、Fe2O3的含量为0.4%以及其他成份综合的含量小于2%，矿物材料使用前需经250℃预热0.7h去除水分，矿物材料为矿物颗粒，若矿物材料为矿物颗粒时，矿物颗粒的粒度为1500目，摩擦材料是采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得；
S2、制动盘毛坯的成形：将步骤S1量取的ZL108牌号铝锭在740℃的温度下熔化，去除表面氧化渣，再金加入步骤S1量取的镁合金，然后加入相应重量比份的矿物颗粒和摩擦材料，之后在670℃的温度下进行搅拌，搅拌转速为650r/min，时间35min，然后升温至740℃通入氩气或氮气进行搅拌除气，除气完成后再次去除表面氧化渣，随后可进行液体的成型，通入氩气或氮气进行搅拌除气时搅拌转速为350r/min，时间15min，除气流量计的压力为0.4MPa；
S3、制动盘毛坯的去除应力处理：将步骤S2成型后的制动盘毛坯移入热处理炉升温至535℃，保温6h，再将毛坯去除迅速入水温80℃的水中进行淬火，然后转移到水中过程不超过15s，浸水时间为6min，浸水完成后将毛坯移入另一热处理炉，移入过程需在30min内完成以防止毛坯变形，之后在165℃保温4.5h，即可完成制动盘毛坯的去除应力处理；
S4、制动盘的后加工处理：将步骤S3热处理完后的制动盘进行切削、打磨抛光和清洗加工处理，从而完成制动盘的生产。
实施例2
S1、原料的选取和称量：首先选取铸铝ZL101牌号铝锭做为铝合金熔化原料，再选用与铝密度接近的矿物材料，同时通过称量设备量取70份铝合金原料、29.6份矿物材料、3份摩擦材料和0.4份镁合金的所需重量比份，然后转移至存储罐中进行保存，备用，矿物材料的分子式为SiO2-Al2O3-H2O，其中SiO2的含量为60%、Al2O3的含量为30%、Fe2O3的含量为0.8%以及其他成份综合的含量小于2%，矿物材料使用前需经200℃预热0.5h去除水分，矿物材料为矿物纤维，若矿物材料为矿物纤维时，矿物纤维长度为0.7mm,摩擦材料是采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得；
S2、制动盘毛坯的成形：将步骤S1量取的ZL108牌号铝锭在700℃的温度下熔化，去除表面氧化渣，再金加入步骤S1量取的镁合金，然后加入相应重量比份的矿物颗粒和摩擦材料，之后在650℃的温度下进行搅拌，搅拌转速为600r/min，时间30min，然后升温至700℃通入氩气或氮气进行搅拌除气，除气完成后再次去除表面氧化渣，随后可进行液体的成型，通入氩气或氮气进行搅拌除气时搅拌转速为300r/min，时间10min，除气流量计的压力为0.3MPa；
S3、制动盘毛坯的去除应力处理：将步骤S2成型后的制动盘毛坯移入热处理炉升温至530℃，保温6h，再将毛坯去除迅速入水温70℃的水中进行淬火，然后转移到水中过程不超过15s，浸水时间为3min，浸水完成后将毛坯移入另一热处理炉，移入过程需在30min内完成以防止毛坯变形，之后在160℃保温4h，即可完成制动盘毛坯的去除应力处理；
S4、制动盘的后加工处理：将步骤S3热处理完后的制动盘进行切削、打磨抛光和清洗加工处理，从而完成制动盘的生产。
实施例3
S1、原料的选取和称量：首先选取铸铝ZL101牌号铝锭做为铝合金熔化原料，再选用与铝密度接近的矿物材料，同时通过称量设备量取80份铝合金原料、15份矿物材料、5份摩擦材料和5份镁合金的所需重量比份，然后转移至存储罐中进行保存，备用，矿物材料的分子式为SiO2-Al2O3-H2O，其中SiO2的含量为65%、Al2O3的含量为34%、Fe2O3的含量为0.2%以及其他成份综合的含量小于2%，矿物材料使用前需经300℃预热1h去除水分，矿物材料为矿物颗粒，若矿物材料为矿物颗粒时，矿物颗粒的粒度为2000目,摩擦材料是采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得；
S2、制动盘毛坯的成形：将步骤S1量取的ZL108牌号铝锭在780℃的温度下熔化，去除表面氧化渣，再金加入步骤S1量取的镁合金，然后加入相应重量比份的矿物颗粒和摩擦材料，之后在700℃的温度下进行搅拌，搅拌转速为700r/min，时间40min，然后升温至780℃通入氩气或氮气进行搅拌除气，除气完成后再次去除表面氧化渣，随后可进行液体的成型，通入氩气或氮气进行搅拌除气时搅拌转速为400r/min，时间20min，除气流量计的压力为0.5MPa；
S3、制动盘毛坯的去除应力处理：将步骤S2成型后的制动盘毛坯移入热处理炉升温至540℃，保温6h，再将毛坯去除迅速入水温90℃的水中进行淬火，然后转移到水中过程不超过15s，浸水时间为10min，浸水完成后将毛坯移入另一热处理炉，移入过程需在30min内完成以防止毛坯变形，之后在170℃保温5h，即可完成制动盘毛坯的去除应力处理；
S4、制动盘的后加工处理：将步骤S3热处理完后的制动盘进行切削、打磨抛光和清洗加工处理，从而完成制动盘的生产。
测试实验
某汽车配件生产企业采用本发明实施例1-3的生产工艺分别生产出三组传动盘，分别依次标记为A组、B组和C组，同时选取现有市场上同类型的铸铁传动盘，标记为D组，然后对A、B、C和D四组传动盘分别进行称量实验、耐磨测试实验和刚度测试实验。
称量实验：通过称量设备分别对A、B、C和D四组传动盘进行称量，由图1所示，实施例1生产的A组传动盘的重量最轻，且实施例2和实施例3生产的B组和C组传动盘的重量均比D组的轻。
耐磨测试实验：采用耐磨试验机分别对A、B、C和D四组传动盘进行耐磨实验，磨擦压力为100-110N，磨擦速度为3cpm，磨擦面积为155 mm(L) × 50 mm(W)，且磨擦次数为5-15次，由图2所示，实施例1生产的A组传动盘的磨损量最小，且实施例2和实施例3生产的B组和C组传动盘的重量均比D组的磨损量小。
刚度测试实验：采用刚度试验机分别对A、B、C和D四组传动盘进行耐磨实验，由图3可知，实施例1生产的A组传动盘所能承受的最大负荷值最大，且实施例2和实施例3生产的B组和C组传动盘的重量均比D组所能承受的最大负荷值大。
因此，本发明生产的矿物颗粒或矿物纤维强化铝基复合材料制动盘密度低重量轻，可以降低汽车的牵引动力、降低能耗，实现汽车轻量化，与传统制动盘相比可以降低重量的40-60%，比传统铸铁制动盘具备更好的耐磨性能，具有更长的使用寿命，节省了制动盘的更换周期，降低了资源的浪费，比刚度与汽车其他部件差异大，在使用过程中不易产生噪音和抖动，可以带来良好的乘车舒适性，导热性良好且热容量高，延伸性良好，在使用过程中不易因热变形造成开裂和飞盘现象，减低了事故发生概率，提升安全性，且具备优良的耐腐蚀性能，不需进行喷涂和电镀处理，大大降低了制动盘的生产成本，达到轻量化环保的目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：其原料按重量比份包括：铝合金原料70-80份、矿物材料15-30份、摩擦材料3-5份和镁合金0.4-5份。
2.根据权利要求1所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：其原料包括如下组分：铝合金原料75份、矿物材料22.5份、摩擦材料4份和镁合金2.5份。
3.根据权利要求1所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：其原料包括如下组分：铝合金原料70份、矿物材料29.6份、摩擦材料3份和镁合金0.4份。
4.根据权利要求1所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：其原料包括如下组分：铝合金原料80份、矿物材料15份、摩擦材料5份和镁合金5份。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：所述铝合金原料是采用铸铝ZL101牌号铝锭作为熔化原料。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：所述矿物材料为矿物颗粒或矿物纤维中的一种，若矿物材料为矿物颗粒时，矿物颗粒的粒度为1000-2000目，若矿物材料为矿物纤维时，矿物纤维长度为0.5-1mm。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：所述矿物材料的分子式为SiO2-Al2O3-H2O，其中SiO2的含量为60-65%、Al2O3的含量为30-34%、Fe2O3的含量小于0.8%以及其他成份综合的含量小于2%。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：所述摩擦材料是采用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂与硅灰石纤维填料混炼制得。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种矿物材料强化铝基制动盘，其特征在于：所述矿物材料使用前需经200-300℃预热0.5-1h去除水分。
10.一种矿物材料强化铝基制动盘的生产工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、原料的选取和称量：首先选取铸铝ZL101牌号铝锭做为铝合金熔化原料，再选用与铝密度接近的矿物材料，同时通过称量设备量取铝合金原料、矿物材料、摩擦材料和镁合金的所需重量比份，然后转移至存储罐中进行保存，备用；
S2、制动盘毛坯的成形：将步骤S1量取的ZL108牌号铝锭在700-780℃的温度下熔化，去除表面氧化渣，再金加入步骤S1量取的镁合金，然后加入相应重量比份的矿物颗粒和摩擦材料，之后在650-700℃的温度下进行搅拌，搅拌转速为600-700r/min，时间30-40min，然后升温至700-780℃通入氩气或氮气进行搅拌除气，除气完成后再次去除表面氧化渣，随后可进行液体的成型，通入氩气或氮气进行搅拌除气时搅拌转速为300-400r/min，时间10-20min，除气流量计的压力为0.3-0.5MPa；
S3、制动盘毛坯的去除应力处理：将步骤S2成型后的制动盘毛坯移入热处理炉升温至530-540℃，保温6h，再将毛坯去除迅速入水温70-90℃的水中进行淬火，然后转移到水中过程不超过15s，浸水时间为3-10min，浸水完成后将毛坯移入另一热处理炉，移入过程需在30min内完成以防止毛坯变形，之后在160-170℃保温4-5h，即可完成制动盘毛坯的去除应力处理；
S4、制动盘的后加工处理：将步骤S3热处理完后的制动盘进行切削、打磨抛光和清洗加工处理，从而完成制动盘的生产。
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