动力车辆制动盘及其制备方法与流程

本发明涉及一种动力车辆制动盘及其制备方法，属与车辆摩擦制动元件技术领域，特别具有连续复合强度、高效率及高品质的轻量复合动力车辆制动盘及其制备方法。

背景技术：

如今，全球各地的燃油、环保法规日趋严格，为了改善燃油效率、减少二氧化碳排放量，汽车必须不断的进行轻量化。汽车轻量化一直是一个热门话题，汽车轻量化的概念便是在确保汽车的强度、刚度、模态以及安全功用的前提下，尽可能地下降汽车的整体质量，然后提升汽车的动力性和操控性，减少燃料耗损，降低排气污染。为解决轻量化车辆的需求，未来车用材料的应用，预期可分为三个方向：高强度钢材、轻质材料（铝/镁/超高强度钢材等）及碳纤维材料。目前汽车的车体几乎都是钢板，一台车上的轻量化材料大概只占三成左右，在材料改变进程上，现阶段以高强度钢及铝合金的发展较为快速，其他还有陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer;cfrp)等。根据mckinsey的研究指出，至2030年，一台车上所使用的轻量化材料将可高达七成，而以先进高强度钢板、铝合金及树脂材料的使用比重增速最为明显。以铝合金为例，铝合金是汽车轻量化过程中使用最多的材料，全球铝材料的市场规模呈逐年递增的趋势，预估可从2012年的211亿美元成长至2019年的564亿美元，年复合成长率高达17.7%。会有这么高的成长，主要是由于铝合金材料具有质轻、可回收和易成形的特点。根据实测，铝制的车架可比钢制车架减重达30~40%，其中铝制发动机可减重30%，铝制散热器比铜制会再减轻20~40%，汽车铝轮毂也能减重30%，因此现阶段铝合金材料似乎是汽车轻量化理想的材料。关于燃油汽车来说，轻量化最直接的利益便是下降油耗，减少排放，降低空气污染。相较于传统的燃油汽车，电动车关于轻量化的需求更多，车辆轻了，就能够多装点电池，续航旅程就更长了。

除轻量化外，常见的车辆的制动盘，为提高刹车效率就必须提高制动盘和刹车碟片的摩擦力，但是车辆遇到连续下坡或紧急刹车的情况时，因连续摩擦所产生的高温，相对的制动盘温度升高会形成刹车打滑或咬死现象，所以制动盘必须加强本身的冷却能力，而以轻质合金及陶瓷基所构成的复合制动盘，乃应运而生。如中国台湾专利m404157号“多孔性介质散热制动盘通风碟”(2011年05月21日专利公告资料参照)，其包括一制动盘通风碟设有两摩擦板及两摩擦板中央间隔的空间，该间隔的空间依放射状得设有数导流部连接该两摩擦板，数导流部间形成数通风管道，该数通风管道得设有多孔性介质散热金属，可以有效增加散热空气的接触面积，而车轮的心轴设成空心，强制送风的气流经该心轴及该心轴周面的缺槽，而由该数通风管道呈现放射状往该制动盘通风碟通过该多孔性介质散热金属而排放至外部，以达强制送风。中国专利cn102581259a“陶瓷柱形阵列状阵列增强金属复合材料及其制备方法”，其柱状陶瓷是单根支柱，必须一根根固定在铸腔内后，才能进行浇注与金属复合成复合材料。中国专利cn103104638a“一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘”，该制动盘包括金属基体，排列在金属基体内的陶瓷块，该金属基体上有通风槽，其特征在于：所述陶瓷块由按一定规则排列的陶瓷柱形阵列和陶瓷衬底构成联体的陶瓷素坏烧结得到，所述的陶瓷柱形阵列和陶瓷衬底为同一材质，为sic，al2o3，b4c，si3n4，ti3sic2，tib2中的一种单相或复相陶瓷。中国专利cn103939509a“一种用于轨道车辆的al/sic和cu/sic复合材料摩擦副及其制备方法”，其包括al/sic制动盘、cu/sic闸片，闸片通过背板接到轨道车辆的制动夹钳上，制动盘通过安装孔固装在轨道车辆的轮毂或车轮上，闸片的摩擦面抵靠在制动盘的摩擦面上，其特征在于:所述制动盘的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架，所述制动盘另一侧面的圆周方向上设有若干散热筋；所述闸片的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架，背面由若干散热片和基体组成，所述的散热筋的中部设有贯穿所述制动盘的通风槽;所述的碳化硅陶瓷骨架占碳化硅陶瓷/铝合金复合材料体积百分比为10-50vol.%,占制动盘整体的体积百分比为5~40vol.%;所述的碳化硅陶瓷骨架占碳化硅陶瓷/铜合金复合体积百分比为10~50vol.%,占闸片整体的体积百分比为5~40vol.%，所述制动盘中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5~15mm;所述闸片⑴中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5~18mm。

如前所述，陶瓷增强金属基复合材料，特别是具有多孔隙结构的碳化硅陶瓷增强铝基、铜基等金属复合材料，用于高速车辆的摩擦元件，可显著减少簧下重量、实现轻量化。碳化硅陶瓷具有高模量、高耐磨、高强度和低密度等优异性能，而金属材料则具有良好的轫性，将碳化硅制成多孔隙陶瓷骨架，再和金属进行复合，制成的金属陶瓷复合材料既可以在发挥碳化硅陶瓷的高硬度、高耐磨、高耐热，又可以充分发挥金属材料的高韧性、良好的导热性等优点，因此是一种理想的摩擦材料。制动盘的摩擦面采用al/sic复合材料，在制动过程中碳化硅陶瓷形成硬的微突体起到承载作用，抑制了铝合金的塑性变形和高温软化，可显著提高复合材料的高温摩擦性能。即使摩擦热产生的高温使得铝发生软化，甚至熔化，由于孔隙中的铝受到骨架的限制，在剪切力的作用下铝基体也难以产生严重的粘着磨损，从而避免了粘结。在先前技术中，陶瓷增强体的形状很多，包括颗粒、纤维、晶须、多孔或三维网材等。其中颗粒、纤维和晶须增强相为最常见的增强体，但其与金属复合形成非连续介面，增强相在制动过程中易脱落而大大降低复合材料的性能。三维网材陶瓷增强金属基复合材料则由于网材陶瓷的闭孔问题得不到有效解决，难以铸造成无缺陷的产品而受极大限制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于解决上述问题，并提供一种具有连续复合强度、高效率及高品质的轻量复合动力车辆制动盘及其制备方法，本发明方法主要包括三维网材制备、陶质浆料制备、粘结剂制备、三维陶质骨架制备、轻质合金制备及轻量复合制动盘制备：

三维网材制备，将聚胺脂类高分子经发泡成三维孔隙的泡棉后，再切割成预定形状、大小尺寸、厚度，必要时再经表面处理备用；

粘结剂制备，将按比例调配的磷酸或磷酸盐、氢氧化铝及水经搅拌及加热反应成为溶胶备用；

陶质浆料制备，将按比例调配的氧化铝、氢氧化铝、硅酸盐系高岭土及碳化硅或刚玉氧化铝混合均匀成粉状原料，将前述制备完成的粘结剂加入按比例的水并搅拌均匀，再加入前述粉状原料，并搅拌成粘稠状陶质浆料备用；

三维陶质骨架制备，将陶质浆料倒入三维陶质骨架自动成型设备内，将三维网材置于输送装置上，经注浆含浸挤压吸取浆料程序，挤压排除三维网材上多余浆料程序，将三维网材翻转一百八十度，再次经注浆含浸挤压吸取浆料程序，及排除三维网材上多余浆料程序，再经吹吸三维网材程序，使陶质浆料分布均匀，经确认三维孔隙通畅后，移入连续反应固化程序，将三维网材固化成一定强度的陶质骨架胚体，最后再行烧结程序，加热烧结强化后，再经降温冷却成三维陶质骨架备用；

轻质合金制备，将铝、铝镁或钛等轻质合金加热熔解成轻质合金汤，以备热压供料；

轻量复合制动盘制备，将三维陶质骨架固定于制动盘金属模具内，推入真空气氛加压含浸复合成型机加热区内预热金属模具，当金属模具预热完成，前述轻质合金汤往下流入金属模具内直至固定量后，进行对金属模具的气体持压及震动摇晃含浸程序，再经冷却程序至轻质合金冷却时间到达，推出真空气氛加压含浸复合成型机，进行脱模取出轻量复合制动盘胚，最后再经车铣加工而制成轻量复合制动盘。

本发明依据前述方法所制成的轻量复合制动盘，主要包括有：由铝、铝镁或钛等轻质合金一体成型的本体，及两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架所构成；本体中心具有轴心，本体两面具有环绕该轴心的摩擦面，两个摩擦面上各设有与本体一起成型的三维陶质骨架，且该三维陶质骨架的孔隙内填满轻质合金。

本发明另包括有支撑架制备制程，该支撑架制备将钢板或碳纤维板等钢性材料依三维陶质骨架外形制成支撑架，该支撑架上端面、下端面与三维陶质骨架接触面具有孔洞及限位部，支撑架近中央端面上具有装配孔，在轻量复合制动盘制备时，将支撑架置于两片三维陶质骨架间，再固定于制动盘金属模具内行轻量复合制动盘制备，使轻质合金与中央的支撑架及上下两端的三维陶质骨架结合成一体的轻量复合制动盘。

本发明依据前述方法所制成的轻量复合制动盘，主要包括有：由铝、铝镁或钛等轻质合金一体成型的本体、两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架，及设于两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架间的支撑架所构成；本体中心具有轴心，本体两面具有环绕该轴心的摩擦面，两个摩擦面上各设有与本体一起成型的三维陶质骨架，且两片三维陶质骨架间具有支撑架，该支撑架上端面、下端面与三维陶质骨架接触面具有孔洞及限位部，支撑架近中央端面上具有装配孔，该支撑架孔洞内、两片三维陶质骨架借限位部隔出的空间及三维陶质骨架的孔隙内填满轻质合金。

本发明具有连续复合强度、高效率及高品质制造轻量复合制动盘的功效。

附图说明

图1为本发明制备方法流程图；

图2为本发明实施例轻量复合制动盘剖示图；

图3为本发明实施例三维陶质骨架自动成型设备平面图；

图4为本发明实施例真空气氛加压含浸复合成型设备平面图；

图5为本发明另一实施例轻量复合制动盘立体分解图；

图6为本发明另一实施例轻量复合制动盘剖示图。

图中：

1输送装置;2、2’挤压注浆装置；21、21’注浆机；22、22’挤压装置；3、3’、3”翻转装置；4挤压装置；5吹吸装置；6真空气氛加压含浸复合成型机；60入口气密门；61加热区；62真空除气操作系统；63入口位移系统；64气体加压区；65氮气加压及震动摇晃含浸系统；66强制冷却系统；67出口推移系统；68出口外气密门；7轻质合金熔解设备；8本体；80轴心；81摩擦面；9三维陶质骨架；90支撑架；91孔洞；92限位部；93装配孔；a三维网材；b金属模具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明针对一种动力车辆制动盘，特别是轻量复合制动盘及其制备方法。请参阅图1及图2所示，本发明方法主要包括有：

三维网材制备，将聚胺脂类高分子经发泡成三维孔隙的泡棉后，再切割成预定形状、大小尺寸、厚度(本发明是切割成环形)，必要时再经表面处理备用；

粘结剂制备，将按比例调配的磷酸或磷酸盐、氢氧化铝及水经搅拌及加热反应成为溶胶备用；例如：将按配方比例，秤好重量的70-90％的磷酸倒入桶内，再将10-20％的氢氧化铝及20-40％的水按配方比例，秤好重量后倒入另一桶内搅拌均匀，成白色稀浆，将装磷酸的桶，移到升降式搅拌设备，一边搅拌一边慢慢倒入氢氧化铝及水混合的白色稀浆，全部倒入后，成乳白色浆。搅拌时会因反应变热，搅拌时间约10-30分钟。待搅拌均匀，不再冒泡反应后，盖上密封盖后，移入热风炉内以150-200℃加热，恒温1-3小时，反应完全成溶胶则呈透明状，再降温冷却。冷却后以波美计量测，比重要求在1.47-1.48为标准。

陶质浆料制备，将按比例调配的10-30％氧化铝、5-10％氢氧化铝、3-6％美国高岭土(硅酸盐系高岭土)及30-50％碳化硅(或刚玉氧化铝)入混合拌料设备，混合均匀后，过筛后备用，将前述制备完成的溶胶粘结剂加入按比例调配水后，倒入升降搅拌设备桶内，搅拌均匀，再将混合均匀后的粉状原料，倒入密闭升降搅拌设备桶内，开始以慢速搅拌(防止扬尘)，后转为中速搅拌后，高速搅拌成粘稠状陶质浆料备用；

三维陶质骨架制备，请参阅图3所示，将陶质浆料倒入三维陶质骨架自动成型设备注浆机(21)内；注浆含浸挤压：将三维网材a置于输送装置1上，借输送装置1位移至挤压注浆装置2下方行注浆含浸挤压程序，由于注浆机21后方具有挤压装置22，可先注浆再将三维网材a含浸挤压，使浆料能深入三维网材a中；翻转基材：将由输送装置1送入翻转装置3的多三维网材a翻转一百八十度，使另一面尚未经含浸注浆的三维网材a底面朝上；底面注浆含浸挤压：将由输送装置1位移至挤压注浆装置2’的三维网材a行底面注浆含浸挤压程序，由于注浆机21’后方具有挤压装置22’，可先注浆再将三维网材a含浸挤压，使浆料能深入三维网材a底面中；翻转基材：将由输送装置1送入翻转装置3’的三维网材a翻转一百八十度；挤压基材：将由输送装置1送入挤压装置4的已双面含浸注浆三维网材a挤压，去除多余浆料；正面吹吸基材：将由输送装置1送入吹吸装置5的三维网材a以风力吹、吸，使浆料分布均匀，不阻塞气孔，亦可以热风吹加速浆料的凝固；翻转基材：将由输送装置1送入翻转装置3”的三维网材a翻转一百八十度，使底面朝上；底面吹吸基材：将由输送装置1送入吹吸装置5’的三维网材a以风力吹、吸，使浆料分布均匀，不阻塞气孔，亦可以热风吹加速浆料的凝固；经确认三维孔隙通畅后，移入连续反应固化程序，将三维网材固化成一定强度的陶质骨架胚体，最后再进行加热烧结强化程序，加热烧结强化后，再经降温冷却后成三维陶质骨架备用；

轻质合金制备，将铝、铝镁或钛等轻质合金加热熔解成轻质合金汤，以备热压供料；

轻量复合制动盘制备，请参阅图4所示，将三维陶质骨架固定于制动盘金属模具b内，真空气氛加压含浸复合成型机6入口气密门60开启，金属模具b推入真空气氛加压含浸复合成型机6内，入口气密门60关闭，真空除气操作系统62开启，到达真空设定值后，进行氮气真空置换为常压，真空气氛加压含浸复合成型机6内气密门开启，入口位移系统63将金属模具b推入加热区61预热金属模具b，当金属模具b预热完成，前述轻质合金汤由轻质合金熔解设备7往下流入金属模具b内，直至固定量后，金属模具b位移至气体加压区64，启动氮气加压及震动摇晃含浸系统65，进行对金属模具b的气体持压及震动摇晃含浸程序，完成后再启动强制冷却系统66，冷却轻质合金至凝固完成后，真空气氛加压含浸复合成型机6出口内气密门开启，出口推移系统67将金属模具b推出后，真空气氛加压含浸复合成型机6出口内气密门关闭，出口外气密门68开启，出口推移系统67将金属模具b推出真空气氛加压含浸复合成型机6外，出口外气密门68关闭，金属模具b进行脱模，取出轻量复合制动盘胚，最后再经车铣加工而制成轻量复合制动盘。

本发明以三维陶质骨架复合金属基制成的轻量复合制动盘，其三维陶质骨架没有闭孔的问题，且三维陶质骨架为整片环状，其与金属复合形成连续介面，连续复合强度、结构在制动过程中强度不易变化，且轻质合金均匀填满三维陶质骨架的孔隙，具有连续复合强度、高效率及高品质制造轻量复合制动盘的功效。

本发明依据前述方法所制成的轻量复合制动盘，请参阅图2所示，其主要包括有：由铝、铝镁或钛等轻质合金一体成型的本体8，及两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架9所构成；本体中心具有轴心80，本体两面具有环绕该轴心80的摩擦面81，两个摩擦面81上各设有与本体一起成型的三维陶质骨架9，且该三维陶质骨架9的孔隙内填满轻质合金。

本发明另包括有支撑架制备制程，该支撑架制备将钢板或碳纤维板等钢性材料依三维陶质骨架外形制成支撑架90，请参阅图5及图6所示，该支撑架90上端面、下端面与三维陶质骨架9接触面具有孔洞91及限位部92，支撑架90近中央端面上具有装配孔93，在轻量复合制动盘制备时，将支撑架90置于两片三维陶质骨架9间，再固定于制动盘金属模具b内行轻量复合制动盘制备，使轻质合金与中央的支撑架90及上下两端的三维陶质骨架9结合成一体的轻量复合制动盘。

本发明依据前述方法所制成的轻量复合制动盘，请参阅图5及图6所示，主要包括有：由铝、铝镁或钛等轻质合金一体成型的本体8、两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架9，及设于两片具有多孔隙环状的三维陶质骨架9间的支撑架90所构成；本体8中心具有轴心80，本体两面具有环绕该轴心80的摩擦面81，两个摩擦面81上各设有与本体8一起成型的三维陶质骨架9，且两片三维陶质骨架9间具有支撑架90，该支撑架90上端面、下端面与三维陶质骨架9接触面具有孔洞91及限位部92，支撑架近中央端面上具有装配孔93，该支撑架孔洞91内、两片三维陶质骨架9借限位部92隔出的空间及三维陶质骨架9的孔隙内填满轻质合金，由于支撑架90为钢性材料构成，可有效支撑轻量复合制动盘的整体，不易因温度高而产生变形。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。