专利名称：一种炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车刹车片，具体地说是ー种用于汽车制动系统的炭纤维增强陶瓷基摩擦材料的刹车片、以及该刹车片的加工和与钢背的连接方法。
背景技术：
在汽车制动系统中汽车刹车片是A类关键零部件，其性能的优劣直接关系到汽车运行的安全性和可靠性。随着现代汽车行驶速度的提高，对汽车刹车片的要求也越来越苛刻。因为汽车刹车片吸收的能量与速度的平方成正比，以轿车为例，当分别以50km/h、100km/h和200km/h的车速制动时，制动的热负荷分别为282. 61kJ，1130. 44kJ和4521. 74kJ，汽车刹车片的表面温度高达500 700°C。另ー方面，为保证汽车在高速行驶时汽车的稳定性，必须减少汽车的轮径，以降低汽车重心，制动比缩小，热容量也相应減少。因
此，对汽车刹车片的热容量要求越来越高。目前市场上使用的汽车刹车片主要是半金属树脂基摩擦材料。半金属树脂基刹车片的优点是制造技术成熟、可以调整成分配比来选择所需的摩擦系数，重量轻，成本低。但当汽车在连续或者紧急制动时，刹车片和制动盘摩擦表面的温度迅速升高，局部“闪点”温度可达1000°C，由于树脂基摩擦材料耐温性能差，在高温下会分解放出水、气和油等，在两个摩擦表面之间形成ー层薄膜，使得干摩擦变成混合摩擦或湿摩擦，导致摩擦系数显著降低(可高达40% 50%)，存在刹车失效的隐患。另外，由于树脂在高温时发生炭化，降低了其粘结作用，导致树脂基摩擦材料高温磨损加剧，显著降低了刹车片的使用寿命。因此，研究出具有适当的摩擦系数、热稳定性高、耐磨性好、制动平稳和成本低的刹车材料是当前汽车刹车片研究工作者的当务之急。炭纤维增强陶瓷基(具体到本发明即C/C-SiC)摩擦材料是二十世纪末发展起来的ー种高性能制动材料，由于具有摩擦系数高且稳定，耐磨性、磨合性和导热性优良，污染生态环境极少，使用负荷高等一系列优异性能，尤其是在环境适应性强，在雨水、油、酸碱和结冰等恶劣气候条件下摩擦性能衰減少，因此C/C-SiC被公认为是二十一世纪极具竞争カ的新一代刹车材料。本申请人前期申请的“ー种エ业制动器用炭/陶制动衬片的制造方法”发明专利(专利号ZL200910042780. 5)主要对以针刺炭纤维整体毡为预制体，采用化学气相渗透法和熔硅浸渗制造エ业制动器用炭/陶制动衬片的制造方法申请了专利保护。本申请人前期申请的“炭纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法”发明专利(申请号200910042779. 2)主要对以短切炭纤维、石墨粉、エ业硅粉和粘结剂为原材料，采用温压-炭化-熔硅浸渗エ艺制备的炭纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法申请了专利保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种所制造的汽车刹车片的摩擦系数高且稳定，磨损低和热衰退性能好的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法。为了解决上述技术问 题，本发明提供的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，首先采用针刺的方法制备炭纤维全网胎，对其进行高温热处理后采用等温化学气相渗透法制得低密度C/C复合材料，对低密度C/C复合材料进行机加工后在高温真空炉中进行定向熔渗制得C/C-SiC制动衬片，最后将C/C-SiC制动衬片与钢背进行铆接，制得所需的汽车制动系统用C/C-SiC刹车片，包括下列步骤(I)、针刺炭纤维全网胎首先按配比选取IOmm 80mm长的炭纤维制成胎网，然后采用接力式针刺的方法制成密度为O. 10 O. 30g/c m3之间的全网胎;(2)、高温热处理将制得的炭纤维预制体在高温处理炉进行1500 2100°C的高温热处理，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，并去除炭纤维束表面的胶；(3)、等温化学气相渗透采用等温化学气相渗透法对经过高温热处理后的炭纤维预制体进行热解炭增密，制得密度为I. O I. 6g/cm3的低密度C/C复合材料；(4)、机加工将低密度C/C复合材料按相应汽车刹车片尺寸进行机加工；(5)、熔渗剂配比由C/C-SiC刹车片的预期密度和低密度C/C复合材料坯体密度两者之差计算出熔融渗硅过程中需生成的SiC含量，进而计算出硅与碳反应中理论需硅量；取低密度C/C复合材料坯体理论需硅量的I. I 2. O倍硅粉，并添加鉄粉，鉄粉的量为硅粉质量含量的5 25 %，将硅粉和铁粉混合成熔渗剂；(6)、定向熔渗反应将熔渗剂后置于石墨坩锅中铺平，将低密度C/C复合材料坯体平铺于粉末上并轻压；将石墨坩锅叠置于高温真空炉中进行定向熔渗制得密度为I. 8 2. 4g/cm3的C/C-SiC制动衬片；定向熔渗过程中，熔渗剂在毛细管カ的驱动下顺着低密度C/C复合材料坯体的内部孔隙渗入材料内部，硅与热解炭及鉄分别反应生成了 SiC和硅铁化合物，得到C/C-SiC制动衬片；(7)、连接钢背将制得的C/C-SiC制动衬片进行表面加工后，与钢背进行冷铆接制得C/C-SiC汽车刹车片。步骤⑵中热处理温度为1500 2100°C，全程时间5 20小时，压カ为微正压即
略微超过真空压カ表O刻度，氩气惰性气体保护。步骤(3)中等温化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙稀、丙烷或者天然气，稀释气体为氮气、氢气或其混合气体，碳源气体与稀释气体之比为I : I 3，沉积时间为120 300小时，沉积温度为900 ~ IlOO0C0步骤⑷中将制得的低密度C/C复合材料按相应衬片尺寸进行机加工，低密度C/C复合材料四周的尺寸按衬片尺寸的负公差加工，在厚度方向留出Imm的后续加工余量，得到低密度C/C复合材料坯体；并且在低密度C/C复合材料坯体上加工与钢背铆钉连接的沉孔；步骤(6)中以纯度99. 3%、粒度为O. 01 O. Imm的硅粉为硅源，纯度99. 0%、粒度为O. 01 O. 15mm的还原铁粉为铁源。熔融渗硅的温度为1500 1900°C、在最高温度点保温O. 5 2. Oh。可采用上述技术方案的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，发明的优点和积极效果本发明在国内外首次将C/C-SiC摩擦材料应用于汽车刹车片，并提供了一种可批量生产该衬片的制造技术。采用上述技术方案的C/C-SiC汽车刹车片及其制造方法，相对于半金属树脂基汽 车刹车片，C/C-SiC汽车刹车片在速度/压力相关性、制动效能、噪音控制、落灰控制、使用寿命和耐闻温性能等方面都有显者的提闻，尤其对周围环境条件不敏感，而制造成本基本持平，是一种性价比较高的新型汽车刹车材料。综上所述，本发明是一种所制造的汽车刹车片的摩擦系数高且稳定，磨损低和热衰退性能好的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，该汽车刹车片的制备方法简单可行。
图I是本发明的制备的产品的照片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例I :(I)首先按配比选取IOmm 80mm长的炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网，再利用铺网机铺成纤维网，预制成单层网胎；然后将单层胎网层层叠加，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向弓丨入炭纤维束制成密度为O. 20g/cm3的全网胎；(2)在氩气保护气氛下将预制体进行1600高温热处理，全程时间5小时，压力为微正压即略微超过真空压力表O刻度，氩气惰性气体保护；(3)采用丙稀为碳源气，氢气为稀释气，丙稀与氢气的体积比为I : 2，采用等温化学气相渗透法对预制体在1100下沉积热解炭基体，沉积250小时后制得密度为I. 38g/cm3的低密度炭纤维增强基体炭C/C复合材料；(4)将制得的低密度C/C复合材料按相应衬片尺寸进行机加工，低密度C/C复合材料四周的尺寸按衬片尺寸的负公差加工，在厚度方向留出Imm的后续加工余量，得到低密度C/C复合材料坯体；并且在低密度C/C复合材料坯体上加工与钢背铆钉连接的沉孔；(5)取低密度C/C复合材料理论需硅量的I. 4倍硅粉和15 %硅粉含量的铁粉混合成熔渗剂；(6)将熔渗剂置于石墨坩锅中铺平，将低密度C/C复合材料坯体平铺于粉末上并轻压，对低密度C/C复合材料进行定向熔渗，制得密度为I. 92g/cm3的C/C-SiC制动衬片。硅粉纯度为99. 3 %、粒度为40 μ m。铁粉纯度为99. O %、粒度为80 μ m，熔融渗硅时为微正压，浸渗温度为1700，保温I小时；(7)将制得的C/C-SiC制动衬片在磨床上采用金刚石砂轮对摩擦面进行表面加工，使C/C-SiC制动衬片厚度达到产品的厚度要求；然后采用铜质或钢质铆钉将C/C-SiC制动衬片和钢背进行铆接，如图I所示。将制备的C/C-SiC汽车刹车片在JF122制动器惯性台架实验机上，按照日本汽车工业标准JAS0-C406客车-制动装置-惯性台架实验方法进行I : I台架实验。对偶件为Φ300mm空心刹车盘，材质为GB/T9439中灰铸铁牌号HT250，实验采用恒力矩制动，转动惯量I = 27. 3Kg · m2,额定最高车速vmax = 140km/h。台架试验报告如表I所示。表I
权利要求
1.一种炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，首先采用针刺的方法制备炭纤维全网胎，对其进行高温热处理后采用等温化学气相渗透法制得低密度炭纤维增强基体炭(C/C)复合材料，对低密度C/C复合材料进行机加工后在高温真空炉中进行定向熔渗制得C/C-SiC制动衬片，最后将C/C-SiC制动衬片与钢背进行铆接，制得所需的汽车制动系统用C/C-SiC刹车片，其特征在于包括下列步骤 (1)、针刺炭纤维全网胎 首先按配比选取IOmm 80mm长的炭纤维制成胎网，然后采用接力式针刺的方法制成密度为O. 10 O. 30g/cm3之间的全网胎； (2)、高温热处理 将制得的炭纤维预制体在高温处理炉进行1500 2100°C的高温热处理，缓解炭纤维预制体在编织过程中产生的应力，并去除炭纤维束表面的胶； (3)、等温化学气相渗透 采用等温化学气相渗透法对经过高温热处理后的炭纤维预制体进行热解炭增密，制得密度为1.0-1. 6g/cm3的低密度C/C复合材料； (4)、机加工 将低密度C/C复合材料按相应汽车刹车片尺寸进行机加工； (5)、熔渗剂配比 取低密度C/C复合材料坯体理论需硅量的I. I 2. O倍硅粉，并添加鉄粉，铁粉的量为硅粉质量含量的5 25%，将硅粉和铁粉混合成熔渗剂； (6)、定向熔渗反应 将熔渗剂后置于石墨坩锅中铺平，将低密度C/C复合材料坯体平铺于粉末上并轻压；将石墨坩锅叠置于高温真空炉中进行定向熔渗制得密度为I. 8 2. 4g/cm3的C/C-SiC制动衬片；定向熔渗过程中，熔渗剂在毛细管カ的驱动下顺着低密度C/C复合材料坯体的内部孔隙渗入材料内部，硅与热解炭及鉄分别反应生成了 SiC和硅铁化合物，得到C/C-SiC制动衬片； (7)、连接钢背 将制得的C/C-SiC制动衬片进行表面加工后，与钢背进行冷铆接制得C/C-SiC汽车刹车片。
2.根据权利要求I所述的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，其特征在于所述的步骤(2)中热处理温度为1500 2100°C，全程时间5 20小时，压カ为微正压即略微超过真空压カ表O刻度，氩气惰性气体保护。
3.根据权利要求I或2所述的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，其特征在于所述的步骤(3)中等温化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙稀、丙烷或者天然气，稀释气体为氮气、氢气或其混合气体，碳源气体与稀释气体之比为I : I 3，沉积时间为120 300小时，沉积温度为900 1100。
4.根据权利要求I或2所述的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，其特征在于所述的步骤(4)中将制得的低密度C/C复合材料按相应衬片尺寸进行机加工，低密度C/C复合材料四周的尺寸按衬片尺寸的负公差加工，在厚度方向留出I 2_的后续加工余量，得到低密度C/C复合材料坯体；并且在低密度C/C复合材料坯体上加工与钢背铆钉连接的沉孑し。
5.根据权利要求I或2所述的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，其特征在于所述的步骤出)中以纯度99. 3 %、粒度为O. Ol O. Imm的硅粉为硅源，纯度99. O %、粒度为O. 01 O. 15mm的还原铁粉为铁源。熔融渗硅的温度为1500 1900、在最高温度点保温O. 5 2. Oh0
全文摘要
本发明公开了一种炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，首先采用针刺的方法制备炭纤维全网胎，对其进行高温热处理后采用等温化学气相渗透法制得低密度炭纤维增强基体炭(C/C)复合材料，对低密度C/C复合材料进行机加工后在高温真空炉中进行定向熔渗制得C/C-SiC制动衬片，最后将C/C-SiC制动衬片与钢背进行铆接，制得所需的汽车制动系统用C/C-SiC刹车片。本发明是一种所制造的汽车刹车片的摩擦系数高且稳定，磨损低和热衰退性能好的炭纤维增强陶瓷基汽车刹车片的制造方法，该汽车刹车片的制备方法简单可行。
文档编号F16D69/00GK102661342SQ20121013141
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者李专, 肖鹏 申请人:中南大学