[发明专利]一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及镁合金刹车盘，特别涉及一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法。

背景技术

当前，刹车盘材料以铸铁（钢）材质为主，铸铁刹车盘最大的弊端是散热慢，在高速状态下刹车或长时间刹车时容易造成刹车盘温度过高，进而导致摩擦力降低而导致刹车失效，因此对于高速轨道交通工具如轻量化汽车、轻轨等的刹车盘需要采用轻合金材质的刹车盘；轻合金中镁合金相对比强度最高，比刚度接近铝合金和钢，特别是镁合金受冲击载荷时，吸收能量比铝合金高约50%，具有良好的抗震减噪性能；作为制动刹车盘，镁合金材质的刹车盘比铸铁制动盘的散热快四倍左右，可有效减少因制动过程产生的摩擦热量累积，可大大提高汽车的热态制动性能，缩短刹车距离，延长刹车盘寿命，镁合金的刹车盘重量比铸铁材质的刹车盘可减轻70%以上，解决了现有铸铁制动盘耐磨性差、散热效果不好、质量大、摩擦力高温热衰减等问题，成为铸铁制动盘的更新换代产品。

但是，镁合金作刹车盘材料也具有不足之处，主要体现在：1）抗腐蚀性能方面比铝合金要差；2）镁合金材质的刹车盘在强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等方面仍有待提高；现有技术中，对提高镁合金的抗腐蚀性能方面，以加入某些抗腐蚀的元素为主，但这些元素的加入，会影响镁合金强度、抗疲劳等多方面性能的提高；对于改善镁合金的强度、硬度和耐磨性方面，目前以加入增强相颗粒即制备颗粒增强镁基复合材料为主，目前，颗粒增强镁基复合材料用于制动刹车盘的突出问题是由于颗粒相体积分数大，分散均匀性差，导致材料的强度、耐磨性及抗疲劳等性能的稳定性需要提高，再者，颗粒增强相一般为氧化物或陶瓷相颗粒，会降低刹车盘的导热性能。

综上所述，对于镁基合金作为制动刹车盘材质，需要改善抗腐蚀性、导热性，同时提高镁合金材料的强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等方面的性能，这需要在镁基合金的基础上引入新的复合相，即发明一种新型的镁基合金复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料及制备方法，通过在镁基合金基础上，引入碳纤维强化相，提高镁基合金的抗腐蚀性，并在提高镁基合金材料强度、硬度、耐磨性、抗疲劳等性能的同时，提高材料的导热性能，解决目前镁基合金作为制动刹车盘存在的关键问题。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料，其特征在于：所述刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料是采用镁-铝-锌-锰系镁基合金作为基体，以微纳米级别的碳纤维作为镁基合金基体的增强相，通过熔体合成-压铸成型的方法制备而成的。

具体而言：

1）所用镁基体合金成分按照质量百分数计算为：铝(Al) 8.0-9.0，锌(Zn) 0.50-0.90，锰(Mn) 0.20-0.40，铜(Cu) 0.001-0.025，镍(Ni) 0-0.001，铁(Fe) 0-0.004，余量为镁(Mg)。

2）所用微纳米级别的碳纤维的尺度特征为，直径在1-100nm的范围内，纤维长度和纤维直径之比在1-100范围内。

3）微纳米碳纤维加入量为镁-铝-锌-锰系镁基合金质量的 0.3-3%。

本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料的制备过程特征分如下步骤：

a、碳纤维与镁粉充分混合均匀，在真空下压块，制备含碳纤维的镁基块体，需要指出的是在制备含碳纤维的镁基块体时，碳纤维与金属镁粉按质量比在1:10-1:2的范围内，压块所需要的真空度要求气体压力不超过0.01Pa，压块所需要的压力为4×10³Kg/m²，制得的压块的尺寸为2×2×2 cm³—4×4×4cm³；

b、镁基体合金的熔炼，调整铝、锌、锰、铜、铁、镍成分到规定范围；

c、镁基体合金的温度控制在600℃-650℃，加入含碳纤维的镁基块体块体，采用无接触式电磁搅拌，熔化均匀后压铸成型，得到本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明的刹车盘用碳纤维增强镁基复合材料与铸铁（钢）材质的刹车盘相比，重量减轻70-80%，实现轻量化；同时，碳纤维增强的镁基复合材料导热性能提高，摩擦系数提高，缩短刹车距离，延长刹车盘使用寿命。

2）本发明与目前轻量化汽车上使用的铝合金材质刹车盘相比，不仅质量更轻，而且在强度、硬度、耐磨性方面更有保证，特别是提高了刹车盘的抗冲击疲劳性能，对减震消噪、提高使用寿命都有益处。