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当前要闻：SiCp/A356铝基复合材料新能源汽车制动盘制备研究

2023-06-18 22:02:22 来源：特铸杂志

常规钢铁材料已无法满足当今工业化中多元化的需求，铝基复合材料已逐步应用于航天航空、军工、轨道交通等领域。铝基复合材料（AMCs）制备及其制动盘生产一直为轨道交通领域“卡脖子”关键技术，德国AEG和MBB公司联合研制的复合材料转向架HLD-300及Knorr公司将新型制动盘应用于ICE高速列车，Knorr公司将AMCs制动盘投入到欧洲、日本、香港和上海多条地铁线路。张桢林等研发了SiCp含量为20%的A357铝基复合材料。徐骏等研发的AMCs制动盘打破国外垄断格局，推动先进轨道交通装备（含磁浮）产业链发展。杨智勇等将真空调压成型技术应用到城轨车辆用制动盘。FORD公司与TOYOTA公司共同研发SiC/Al汽车制动盘，并应用于Lincoln、Elise桥车中。沿用城轨铝基复合材料制动盘研发经验，选用SiCp/A356复合材料，其制备方法有搅拌铸造法、挤压铸造法及粉末冶金法。搅拌铸造法制备AMCs材料得到广泛应用，SAINI P用底铸式搅拌铸造法制备SiCp/4032复合材料性能优越。相较于固相制备AMCs中界面反应得到有效控制，搅拌铸造法中增强颗粒与基体的润湿性十分关键。邱博等提出“随流混合+高压复合”技术取代颗粒预处理，高压下金属液与颗粒间润湿性得到改善。

江苏北方轨道交通科技有限公司胡宝军等联合南通大学在2022年第42卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“SiCp/A356铝基复合材料汽车制动盘铸造模拟及分析”的文章。采用搅拌铸造法制备了SiCp/A356复合材料，真空吸铸成形了通风式的新能源汽车制动盘。基于ProCAST数值模拟及缺陷预测，确定良好的浇注工艺参数，铸出品质合格的制动盘。经光学显微镜、电镜、超声探伤分析，发现有颗粒团聚。采用超声施振辅以机械搅拌改进，超声波熔体渗入团簇增强润湿性并促进解聚。提取SiC物相并拟合颗粒正态分布曲线，逐层确认盘体内颗粒弥散分布且无团簇。

【引用格式】

【资料图】

胡宝军,陈世龙,印宇,等.SiCp/A356铝基复合材料汽车制动盘铸造模拟及分析[J].特种铸造及有色合金,2022,42(11):1 375-1 379.

HU B J,CHEN S L,YIN Y,et and analysis of SiCp/A356 aluminum matrix composite automobile brake disc[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2022,42(11):1 375-1 379.

【研究方案】

图1为电动汽车用通风式制动盘。其定位螺栓孔设计在内圈散热筋中心处，采用径向通风结构以加快制动盘周围及内部空气流速，设计铸件的成型工艺。运用ProCAST+Visual-Environment仿真软件对真空吸铸工艺进行模拟。

图1制动盘几何尺寸

通过NX或Proe/Engineer三维制图软件构建浇注系统并形成装配体（见图2）。切取装配体1/12轴对称结构划分网格，分析模型包含了148210个节点，801309个单元。

图２　汽车制动盘铸造工艺示意图

确定铸造仿真过程热物参数，造型用砂为石英砂，密度为1520 kg·m-3，其他热物参数从材料库提取。充型压力决定致密度，将压力分为抽真空、充型及保压3阶段。浇注温度为675~705℃，上模温度为350~410℃，下模温度为320~380℃，浇口预热温度为420~460℃，通过多次模拟后制定准确的温度参数。在真空吸铸工艺充型中，对复合材料熔体作不可压缩处理，以热平衡方程衡量充型过程熔体与模具间热量交换，浇注过程中流动的熔体应同时遵循连续性方程和N-S方程。凝固时将对流、热辐射及导热结合起来进行计算。因铸件冷凝中受潜热释放影响，满足不稳定导热偏微分方程式。

【研究结果】

ProCAST中建立模型后划分网格，赋予接近AMCs相关物性参数后计算模拟，对比缺陷分析结果与铸件试验分析结果，发现真空吸铸成形的制动盘无明显铸造缺陷。

搅拌铸造法制备的复合材料中存在颗粒团簇，对复合材料进行真空环境下搅拌+超声施振再处理，沿用模拟验证的浇注参数，真空吸铸成形后盘体中小尺寸团簇明显减少。

机械搅拌与超声施振复合作用下，AMCs材料整体致密度进一步得到有效提升。

图3铸件水平、垂直剖面各时刻温度分布云图.

(a1) 水平面(b1) 30 s (c1) 50 s (d1) 80 s (e1) 120 (f1) 190 s

(a2)垂直面 (b2) 30 s (c2) 50 s (d2) 80 s (e2) 120 （f2） 190 s

图4铸造缺陷分布预测结果

图5铸件内部凝固时间分布云图

(a)第一条补缩通道(b)第二条补缩通道

图6第一条补缩通道和第二条补缩通道不同位置点温度变化曲线

综合以上结果，制定合适的温度如下：浇注温度为680 ℃、上模温度为385 ℃、下模温度为340 ℃、浇口预热温度为430℃。并基于凝固时间分布云图，确认合适的充气保压时间为214±8 s，凝固时间为170±8 s，预测铸件可以实现更好的顺序凝固，且盘体内无明显孤立热节、缩孔、缩松缺陷。