一种金刚石颗粒增强铝基制动耐磨复合材料及制备方法与流程

本发明属于耐磨材料领域，特别是提供了一种制动耐磨部件用金刚石颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术：

制动耐磨材料是属于耐磨材料的一个重要领域，目前最主要应用集中于制造交通运输装备的制动部件（如制动盘、制动鼓等），它们是确保装备由高速运动态平稳可靠制动的重要功能部件，因此高性能制动耐磨材料及相关制动部件成为提升装备安全性、舒适性、高性能性的关键技术。

传统制动部件用材主要为铸铁、铸钢或锻钢等钢铁材料，而随着以高速铁路列车为代表的交通运输装备不断且迅速地向高速化、轻量化和节能化方向发展，对制动耐磨材料提出了更加苛刻的要求，除更为优异的摩擦磨损特性外，对两方面性能需求的提升最为突显：首先是提高导热性能，从而快速将制动过程中产生的热量传递散发出去，以确保制动系统工作在理想的温度范围，避免制动失效；其次降低密度，以服务于装备整体减重，降低单位能耗。而传统钢铁制动材料热导率低（~45w/mk），密度大（~7.8g/cm³），已经难以满足装备升级革新的发展需求。

金属铝密度低（~2.7g/cm³），热导率高（~230w/mk），将其作为基体，与适当增强相制备为复合材料，可以在保持上述优点的同时，显著改善单相金属的摩擦磨损特性，因此铝基复合材料成为新型制动部件的重要备选材料。当前，制动耐磨铝基复合材料的增强相主要以碳化物（如sic）、氧化物（如al2o3）、硼化物（tib2）等颗粒为主（theeffectofwearparametersandheattreatmentontwobodyabrasivewearofal–sic–grhybridcomposites,tribologyinternational,2016,96:184-190;abrasivewearbehaviourofsicp/alalloycompositeincomparisonwithausferriticductileiron,wear,2011,271(11-12):2766-2774;一种刹车盘用外加碳化硅颗粒增强硅铝合金基复合材料的制备方法,201310008715.7;碳化硅-氧化锆颗粒增强的刹车盘铝基复合材料的制备方法,201310008726.5），但由于上述陶瓷颗粒的本证热导率较低，从而限制了复合材料散热性能的提升上限，更为重要的是，目前广泛应用的增强相陶瓷颗粒普遍呈现为不规则多边形几何形态，制备成复合材料后，在大量尖角界面位置会存在较大应力集中，使得增强相颗粒更易发生破碎和剥落，导致整体材料的耐磨性能降低，同时摩擦系数波动幅度大；利用复合材料原位成形技术虽然可以获得几何形态更加优异的增强相颗粒（mechanicalpropertiesandtribologicalbehaviorofaluminummatrixcompositesreinforcedwithin-situalb2particles,tribologyinternational,2016,98:41-47;theeffectofreinforcementratioonthewearbehaviourofalb2flakereinforcedmetalmatrixcomposites,actaphysicapolonicaa,2014,125(2):590-592;原位制备tib2增强铝基复合材料的方法，201210289172.6），但由于原位增强相尺寸和体积分数的局限性，复合材料的制动耐磨性能并不理想。

金刚石具有优异的综合性能，热导率可以达到1800w/mk，显微硬度高于50gpa，密度3.52g/cm³，制备为复合材料后，在保持低密度和优化摩擦磨损性能的基础上，可以进一步提高导热性能，另外，单晶颗粒具有规则的十四面体形态，配合合理的界面控制，可以显著优化两相界面组织和应力状态，从而提高使用过程中材料复合结构稳定性，因此是新一代铝基制动耐磨复合材料的理想增强体。另一方面，随着金刚石颗粒生产技术不断成熟带来的价格降低，以及我国作为世界最大金刚石颗粒生产国的原材料市场优势，使得金刚石颗粒的广泛应用成为可能并因此获得了越来越多的关注。

但目前，将金刚石颗粒增强铝基复合材料作为制动耐磨材料及部件的相关工作仍鲜见报道，在申请专利“一种制备刹车鼓用铝基复合材料的方法,201410305219.2”中选用了多种增强相，包括氧化铝纤维、片状石墨和少量金刚石微粒。虽然涉及利用金刚石作为增强相，但并没有明确说明和阐述其核心作用及所实现的功能性；更为重要的是，针对金刚石作为金属基复合材料增强相的一个核心问题，即金刚石与铝基体的两相界面优化而问题，并没有提供解决方案，由于特殊晶体结构决定的金刚石颗粒表面化学特性，其在与铝形成复合材料的过程中，难以获得理想的两相结合及界面形貌，这就将导致在复合材料使用，尤其是以切向力主导的制动过程中，金刚石颗粒极易脱离金属基体而无法发挥增强相的设计功能，最终造成制动性能下降甚至制动失效，这就极大制约了相关材料的实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制动耐磨用金刚石颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，在通过金刚石颗粒表面改性和高压气压熔渗成形的应用，实现两相界面调控优化和材料成形质量提高的基础上，金刚石优异性能可以更加有效向整体材料传递，从而获得高热导率、低密度和理想摩擦磨损特性的新型制动耐磨材料及部件，以解决传统用钢铁材料导热差、密度大的关键问题，满足交通运输装备高速降耗的发展需求。

一种金刚石颗粒增强铝基制动耐磨复合材料及制备方法，其特征是选用粒度范围为5-15μm的高导热高硬度金刚石颗粒作为增强相，通过与铝合金粉末混合，控制金刚石体积分数为5-25%，利用惰性气体氩气提供成形压力，驱动铝合金熔体填充间隙并实现结合，最终获得复合材料或相应制动耐磨部件；具体成形条件为将填充混合粉末的石墨模具放置于成形设备中，当真空度小于0.1pa后，在250℃对整体模具预热处理20min，随后将铝合金加热至750-950℃，在氩气快速提供0.1-2.0mpa压力条件下熔渗成形，保温保压5-30min后，随炉冷却，脱模取样。

其中对金刚石颗粒进行表面金属化预处理，金刚石颗粒与25-75μm金属钛粉末按摩尔配比（40:1-10:1）进行均匀混合，利用氯盐提供盐浴环境，在800-900℃条件下保温15-90min，随炉冷却后去离子水溶除氯盐，经过分筛处理，获得表面改性金刚石颗粒；混合用铝合金粉末粒度为25μm，主要合金元素铜含量为1-3wt.%，熔渗铝合金中主要合金元素硅含量为7-12wt.%。

本发明的积极效果体现在：

1.通过利用金刚石颗粒作为增强相获得铝基复合材料，与传统制动耐磨用钢铁材料相比，在优化摩擦磨损特性并获得低密度的基础上，材料的热导率得到大幅度提升，在满足轻量化要求的同时，可以更高效地实现制动热量的传递转移以提高制动过程的安全稳定性，从而适应交通运输装备向高速化和节能化发展的新需求。

2.对十四面体金刚石颗粒进行表面改性处理，可以有效改善其与铝基体两相结合并优化界面应力状态，保证制动过程中金刚石颗粒增强相耐磨、高导热等优异性能的充分发挥；同时，利用各向同性高压气体驱动金属熔体填充成形，可以有效降低成形压力及液流扰动，从而消除缺陷并促进致密化，进一步提高复合材料组织和性能稳定性。

3.可以便捷实现对增强相体积分数和基体成分的调整，增强材料性能可设计性，同时气压熔渗技术配合合理模具设计，可以完成复杂形状零部件的局部强化和近终成形。

附图说明

图1为工艺流程示意图。

图2为制备金刚石颗粒增强铝基制动耐磨复合材料典型组织形貌sem照片。

图3为金刚石颗粒与铝基体两相界面显微形貌tem照片。

具体实施方案

实施例1：

金刚石颗粒增强铝基复合材料的“帽型”乘用车用制动盘部件。

选择15μm金刚石颗粒和50μm钛粉按摩尔配比20:1与氯盐进行充分混合，随后在800℃盐浴条件下保温30min，获得表面金属化金刚石颗粒；将所获镀钛金刚石颗粒与25μm的al-2wt.%cu合金粉末按体积比3:1在保护气氛下机械混合，将混合粉末填充于石墨磨具中并超声振实；整体模具放置于成形装置中，当真空度小于0.1pa后加热，在850℃条件下快速填充氩气加压至0.8mpa，驱动al-7wt.%si合金熔渗成形，保温保压10min后，随炉冷却并脱模处理，获得近终成形的复合材料制动盘坯件。制动盘材料在摩擦磨损特性优于传统铸铁材料的基础上，密度稳定在约2.9g/cm³，室温热导率大于200w/mk，表现出优异的综合性能。