顆料增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車剎車轂的研制

陳永　王樂軍　顏新奇　劉勝新

【摘 要】SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性強(qiáng)、散熱性好，是制造汽車剎車轂的先進(jìn)高性能材料。本文采用組織分析的方法，研究了液態(tài)機(jī)械攪拌鑄造法制備鋁基復(fù)合材料中顆粒分散均勻度的影響因素。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，SiC顆粒在鋁液中的分散均勻度呈拋物線狀分布，溫度高于775℃后會(huì)有較多的界面產(chǎn)物生成，阻礙了SiC顆粒的分散。優(yōu)化后的工藝能數(shù)為：攪拌時(shí)間25min，攪拌溫度750～775℃。

【關(guān)鍵詞】SiC顆粒；復(fù)合材料；剎車轂

目前汽車剎車系統(tǒng)有碟剎和轂剎兩大類，碟剎比轂剎的散熱好，在高速狀態(tài)下制動(dòng)效果好。而相對(duì)低速且需要制動(dòng)力大的卡車、巴士等，大多仍采用轂剎，它的優(yōu)點(diǎn)是所使用的裝置比剎車碟小，還可以安裝手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，制動(dòng)力大，安全性好。為了改善轂剎散熱性差的缺點(diǎn)，人們開始研究利用散熱性好的鋁合金、鎂合金等導(dǎo)熱性好的材料制造剎車轂，但這些材料的耐磨性較差，不適于制造對(duì)耐磨性要求極高的剎車轂。為了改變這一現(xiàn)狀，科技工作者提出了利用比強(qiáng)度和比剛度高的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，是目前廣泛研究的熱點(diǎn)。SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐疲勞性好、密度小、熱膨脹系數(shù)低、硬度大，具有極好的耐磨性，用它制造的剎車轂，可以綜合碟剎和轂剎的優(yōu)點(diǎn)，并大大降低零部件的重量，有利于節(jié)能減排，是制造高性能汽車剎車轂的優(yōu)質(zhì)材料。常用的液態(tài)機(jī)械攪拌鑄造法會(huì)使SiC顆粒團(tuán)聚和偏聚，造成在基體中分散不均勻[1-6]，降低了材料的力學(xué)性能。本文研究了改變攪拌溫度和攪拌時(shí)間，使SiC顆粒與鋁液發(fā)生適度的界面反應(yīng)，促進(jìn)與基體鋁液的潤濕，有效改善SiC顆粒的分散均勻度，取得了明顯的效果，為工業(yè)生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)方法

基體材料選用含Si量7%～8%的鋁硅合金，增強(qiáng)相為SiC顆粒（加入量為鋁合金體積分?jǐn)?shù)的10%～15%）。熔煉過程為：通入氬氣進(jìn)行保護(hù)→鋁錠熔化→添加合金元素→熔煉→用氬氣輸入SiC顆?！鷶嚢琛o置→澆注，通入氬氣不但可以造成保護(hù)氣氛，還能將SiC顆粒輸送到基體合金熔液中。攪拌時(shí)間及溫度如表1所示。使用JSM7500F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察SiC顆粒與基體的界面反應(yīng)并進(jìn)行能譜分析。

2、結(jié)果與討論

不同攪拌時(shí)間下的SiC顆粒分布情況如圖1所示，從圖1中可以看出，攪拌時(shí)間為25min時(shí)的分散度最佳，攪拌時(shí)間為15min和35min時(shí)效果均不理想，這說明并不是時(shí)間越長分散度越好。

綜合觀察圖2中不同溫度下的SiC顆粒分散均勻度，可以看出：SiC顆粒在鋁液中的均勻度呈一條拋物線狀分布，725℃時(shí)分散度很差，750℃時(shí)較好，775℃時(shí)又變稍差，800℃時(shí)更差。這說明隨著溫度的變化，界面反應(yīng)的輕重影響著SiC顆粒的分散均勻度。當(dāng)攪拌溫度為725℃時(shí)，SiC顆粒與鋁液之間界面反應(yīng)小，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著攪拌溫度的升高，SiC顆粒的分散均勻度逐漸變好，隨后反而呈下降趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的原因是：隨著溫度的升高，界面反應(yīng)越來越強(qiáng)烈，有利于SiC顆粒的分散均勻。但由于隨之而來的界面反應(yīng)產(chǎn)物的生成，反而會(huì)造成團(tuán)聚現(xiàn)象的出現(xiàn)，圖2c中甚至出現(xiàn)了偏析。

綜合考慮，取750～775℃為最佳攪拌溫度，此時(shí)SiC顆粒與鋁液之間有一定的界面反應(yīng)，但并不嚴(yán)重，反應(yīng)產(chǎn)物較少，SiC顆粒的分散均勻度最好。

以及兩者間界面反應(yīng)產(chǎn)物（A、B點(diǎn)）的能譜

由能譜分析可以確定，SiC顆粒與鋁液之間界面反應(yīng)的產(chǎn)物為AlXCY相，這種界面產(chǎn)物，具有模糊的正六方片狀結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)類似氧化鋅的形貌。正是這種界面反應(yīng)產(chǎn)物的生成，使其在某一處優(yōu)先形核，阻礙了SiC顆粒在基體鋁液中的分散，造成在較高的溫度下SiC顆粒均勻度反而下降的結(jié)果。

采用攪拌時(shí)間25min，攪拌溫度750～775℃的工藝條件，利用液態(tài)機(jī)械攪拌鑄造法，制造出顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，通過與鑄鋼、鋁合金等常用剎車轂材料進(jìn)行耐磨性、散熱性的工況模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用來制造剎車轂具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。

3、結(jié)論

（1）SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性強(qiáng)、散熱性好，是制造汽車剎車轂的先進(jìn)高性能材料。

（2）隨著溫度的升高，SiC顆粒在鋁液中的分散均勻度呈拋物線狀分布，溫度高于775℃后會(huì)有較多的界面產(chǎn)物AlXCY生成，阻礙了SiC顆粒的分散。

（3）液態(tài)機(jī)械攪拌鑄造法優(yōu)化后的工藝能數(shù)為：攪拌時(shí)間25min，攪拌溫度750～775℃。

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基金項(xiàng)目：

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目：112102210174