一种耐高温铝基复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种耐高温铝基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

中国是世界第一汽车生产和消费国，2017年中国乘用车产量2481万量/年，增长率3％；同时中国乘用车保有量超过1.8亿量。到2020年当生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5升/百公里以下；纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。一般乘用车刹车片磨损3mm/8-12万公里，刹车片20mm/8-12万公里，摩擦面积约6300mm²/片，每年每辆车刹车盘与刹车片磨损产生粉尘约10万mm³。

传统的民用汽车制动盘均是由铸铁材料制成，质量重，与刹车片之间磨损大，更换频率较高，在全力制动下因高热产生热衰退。铝合金材料制成的制动盘，可以使每辆车减轻重量约二十斤左右；在汽车轻量化、减少能源消耗、减少碳排放量方面有明显优势；在制动、刹车过程中会使人感觉更加平稳，没有啸叫声，由于铸铁材料的制动盘。传统的铝合金材料都是用熔铸法进行生产，但是过渡元素在铝中的溶解度极低，扩散速度极小，限制了铝与过渡金属合金化在熔铸法的使用。

虽然铝合金制动盘有着诸多优点，但并不能采用现在常规牌号的铝合金材料制作制动盘，因为在汽车制动过程中，汽车的动能必然地通过制动盘与刹车片的相互摩擦转变成热能。制动盘吸收热量，会使自身温度身高450℃以上。一般工业排号的铝合金只能在300℃以下的工作条件，都不可以使用。即使在合金中加入大量的陶瓷颗粒、或块状物，都不能提高它的高温强度。基体(铝合金)的耐高温强度在450℃时屈服极限必须要大于25mpa，如果不够大就会产生颗粒脱落或整块撕掉会给汽车的安全驾驶带来巨大隐患。现有技术中关于铝合金制动盘的制备方法主要包括以下几种方法：1)铝浇铸法：加工蜂窝状碳化硅结构，再将铝浇铸到蜂窝状碳化硅内部成型。其存在问题是高温摩擦后铝金属的损耗使得表面露出网状碳化硅；2)阳极氧化铝：在铝及铝合金表面渡一层致密氧化铝。其存在问题是无法耐高温；3)铝基表面复合耐磨材料：在铝基材料表面贴符碳化硅表层、或耐磨钢表层。其存在问题是汽车制动过程中摩擦产生的热量通过耐磨表面导致铝盘造成铝盘变形；4)铝合金熔铸法：通过熔铸法铝在液态状态下与碳化硅或过渡元素混合。其存在问题是无法耐高温，会产生颗粒脱落或块状脱落。现有所有铝熔铸合金即使最好的高温性能材料，450℃时屈服强度也就将近10mpa，500℃左右可能就会降低很多，都不能应用于制动盘的机体材料，否则安全隐患极大。

汽车轻量化是未来汽车工业发展的方向。采用铝合金材料替代目前广泛使用的铸铁材料制备汽车制动盘符合汽车轻量化的要求。汽车制动盘的制动性能好坏直接关系到车辆行驶的安全问题。尤其是在下坡连续刹车情境下，制动盘表面温度可能达到300-400℃，普通铝合金在该温度下会产生软化的问题。因此，必须对铝合金成分加以改进，生产出一种具有高温耐磨性的铝合金材料，使其在400℃下仍具有较高的硬度以及耐磨性。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是在于提供一种耐高温铝基复合材料及其制备方法与应用。本发明提供的耐高温铝基复合材料采用粉末冶金工艺，能够将过渡元素及其它一些元素均匀地加入到铝中制成耐高温铝基复合材料。所述的铝基复合材料重量轻，耐磨性能好。用本发明制得的铝基复合材料制备的汽车制动盘含铁量达8％-12％，材料的熔点超过1000℃，450℃高温时屈服强度大于35mpa，是现有铝合金在450℃高温时屈服强度的3倍以上。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种耐高温铝基复合材料，由以下质量分数的组分组成：铁8％-12％、硅6％-10％、镍1％-2％，余量为铝。

进一步地，所述耐高温铝基复合材料的制备方法包括以下步骤。

步骤1、喷雾法制得预合金原料：将铝熔液中加入铁、硅、镍高温后熔化，经气雾化喷制成粉末。

步骤2、机械合金化：步骤1制得的预合金原料在混料机中球磨72小时以上。

步骤3、将步骤2制得粉料在钢模中真空热压成型，然后进行烧结。

步骤4、脱模后，机加为成品。

进一步地，步骤3中所述的真空度为-0.1mpa。

进一步地，步骤3中所述压力在0-560℃时为250kg/cm²，压力在560-625℃时为350kg/cm²。

进一步地，步骤3中所述烧结温度为660-750℃。

进一步地，步骤3中所述烧结时间为40-60min。

进一步地，所述的一种耐高温铝基复合材料在制备汽车铝合金制动盘中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

本发明提供的制备方法能够将过渡元素均匀加到铝中，实现过渡元素与铝合金化，制得的耐高温铝基复合材料经检测熔点大于1000℃，450℃时屈服强度大于35mpa，是一般工业牌号铝合金材料性能3.5倍以上。

本发明提供的制备方法制得的铝合金制品能满足300℃以上所有牌号使用性能的要求。耐磨性能比传统铸铁耐磨性能提高4倍，对偶刹车片耐磨性能提高1倍，并且无刹车噪音，更适合汽车制动装置。

本发明提供的耐高温铝基复合材料适用于制造汽车铝合金制动盘，与现有的汽车制动盘材料相比，本发明制备的铝基复合材料工艺简单，无需表面微弧氧化处理，生产成本低，且高温耐磨性和屈服强度能大幅度提高。

附图说明

图1是实施例1制得成品差热分析升温实验结果。

图2是乘用车铝合金制动盘。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1。

1、耐高温铝基复合材料制备方法。

一种耐高温铝基复合材料，由以下质量分数的组分组成：铁10％、硅8％、镍1.5％，铝80.5％，所述耐高温铝基复合材料的制备方法包括以下步骤。

步骤1、喷雾法制得预合金原料：将铝熔液中加入铁、硅、镍高温后熔化，经气雾化喷制成粉末。

步骤2、机械合金化：步骤1制得的预合金原料在混料机中球磨72小时以上。

步骤3、将步骤2制得粉料在钢模中真空热压成型，然后进行烧结。所述的真空度为-0.1mpa，所述压力在0-560℃时为250kg/cm²，压力在560-625℃时为350kg/cm²。所述烧结温度为660-750℃，所述烧结时间为40-60min(恒温恒压)。

步骤4、脱模后，机加为成品。

2、性能检测。

性能检测结果与见表1。差热分析升温实验结果如图1所示，实验结果为升温过程中500-800℃三个吸热峰的峰温度分别为568℃/622℃和761℃，其中500℃-600℃吸热峰的外推起始温度为558℃。

表1.性能检测结果。

3、耐高温铝基复合材料制得的乘用车铝合金制动盘如图2所示，符合企业标准q/xj-01。

实施例2。

一种耐高温铝基复合材料，由以下质量分数的组分组成：铁9％、硅7％、镍1.7％，铝82.3％，所述耐高温铝基复合材料的制备方法包括以下步骤。

步骤1、喷雾法制得预合金原料：将铝熔液中加入铁(或铁合金)高温后熔化，经气雾化喷制成粉末。

步骤2、机械合金化：步骤1制得的预合金原料在混料机中球磨72小时以上。

步骤3、将步骤2制得粉料在钢模中真空热压成型，然后进行烧结。所述的真空度为-0.1mpa，所述压力在0-560℃时为250kg/cm²，压力在560-625℃时为350kg/cm²。所述烧结温度为660-750℃，所述烧结时间为40-60min(恒温恒压)。

步骤4、脱模后，机加为成品。

实施例3。

一种耐高温铝基复合材料，由以下质量分数的组分组成：铁11％、硅9％、镍1.8％，铝78.2％，所述耐高温铝基复合材料的制备方法包括以下步骤。

步骤1、喷雾法制得预合金原料：将铝熔液中加入铁、硅、镍高温后熔化，经气雾化喷制成粉末。

步骤2、机械合金化：步骤1制得的预合金原料在混料机中球磨72小时以上。

步骤3、将步骤2制得粉料在钢模中真空热压成型，然后进行烧结。所述的真空度为-0.1mpa，所述压力在0-560℃时为250kg/cm²，压力在560-625℃时为350kg/cm²。所述烧结温度为660-750℃，所述烧结时间为40-60min(恒温恒压)。

步骤4、脱模后，机加为成品。

实施例1-3制得的耐高温铝基复合材料经检测熔点大于1000℃，450℃时屈服强度大于35mpa，是一般工业牌号铝合金材料性能3.5倍以上，满足300℃以上所有牌号使用性能的要求，耐磨性能比传统铸铁耐磨性能提高4倍，对偶刹车片耐磨性能提高1倍，并且无刹车噪音，更适合汽车制动装置。