CN102659443A - 一种城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦及其制造方法，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体，所述的陶瓷基体的各组分重量比如下：炭纤维：12-24％；热解炭：16-32％；碳化硅：18-46％；硅铜化合物：6-19％；钛化碳：1-5％；单质铜：2-12％。本发明是一种具有更好的耐热性、耐磨损、摩擦系数适中、制动平稳、环境适应性强的城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦。其制造方法简单可行。

Description

一种城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种轨道交通车辆配件，具体地说是一种用于城市轨道车辆制动闸瓦的炭纤维增强陶瓷基摩擦材料。
背景技术
随着近十年我国汽车工业的飞速发展，城市交通及城市道路的拥挤与不畅已成为城市规划和发展的主要矛盾。发展城市轨道交通(主要包括地铁、轻轨、磁悬浮和有轨电车等)，建立城际轨道网络，是当前解决城市公益交通，保证运输畅通的重要手段。截至2011年，已经有31个城市轨道交通规划获得批准，“十二五”期间城市轨道交通将要建成投运2500公里左右，年均500公里左右，到2020年末，全国建成总里程将达7000公里左右，总投资将会超过1万亿元。
制动闸瓦是城市轨道车辆运行过程中主要的消耗性零部件，以上海地铁为例，其地铁用制动闸瓦在2010年耗费近亿元。近年我国城市轨道交通所用车辆及其车用制动闸瓦基本上依靠进口产品配件维持运转，例如大部分轨道闸瓦仍由德国的克诺尔(KNORR)、法国的阿尔斯通(ALSTOM)等提供。
目前，在城市轨道交通车辆广泛应用的制动闸瓦，主要有高磷铸铁闸瓦、有机合成闸瓦和粉末冶金闸瓦。早期高磷铸铁闸瓦主要应用于普通非提速列车，由于高速制动时热负荷的增大和温度的升高，制动性能不稳定，并且制动功率低。有机合成闸瓦由树脂、橡胶、金属粉末和润滑材料等混合热压而成，比重轻，常温性能优越，在城市轨道车辆上得到普遍使用，但其主要缺点是热稳定性差，湿态条件下衰减大。粉末冶金闸瓦是由金属(Cu、Fe合金等)与非金属(SiO2、石墨等)复合而成的摩擦材料，具有良好的耐磨性、抗粘性、导热性、使用负荷高和工作可靠等优点，在制动过程中其周边易产生掉边掉角现象，制动时闸瓦的偏磨现象突出。因此，尽快实现城市轨道交通车辆用制动闸瓦国产化，改变目前生产落后现状，满足国内市场需求，是当前从事摩擦材料研究工作者的重中之重。
炭纤维增强陶瓷基摩擦材料(炭陶摩擦材料，具体到本发明即C/C-SiC-Cu)具有摩擦系数高且稳定，耐磨性、磨合性和导热性优良，使用负荷高等一系列优异性能，尤其是在环境适应性强，在雨水、油、酸碱和结冰等恶劣气候条件下摩擦性能衰减少，是二十世纪末发展起来的新一代高性能制动材料。
本申请人前期申请的“炭/炭-碳化硅复合材料刹车闸瓦闸片的制造方法”发明专利(专利号：ZL200710035176.0)主要对以短切炭纤维、碳化硅粉、石墨粉、工业硅粉和粘结剂为原材料，采用温压-原位反应法工艺制备的C/C-SiC摩擦材料的制备方法申请了专利保护。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有更好的耐热性、耐磨损、摩擦系数适中、制动平稳、环境适应性强的城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制造该城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦的方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体，陶瓷基体的各组分重量比如下：
炭纤维：12-24％；
热解炭：16-32％；
碳化硅：18-46％；
硅铜化合物：6-19％；
钛化碳：1-3％；
单质铜：4-12％。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，包括以下工艺步骤：
(1)、针刺炭纤维整体毡：
将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加，然后采用带下倒钩刺的针对叠加的无纬布和网胎进行反复针刺制成炭纤维整体毡，其密度为0.40～0.60g/cm3之间；
(2)、高温热处理：
将制得的炭纤维整体毡在高温处理炉进行900～1600℃的高温热处理；
(3)、化学气相渗透：
将经过高温热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透制得炭基体，得到密度为0.9～1.5g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)、石墨化处理：
将低密度C/C多孔体材料进行1800～2400℃的石墨化处理；
(5)、机加工：
将C/C多孔体材料按闸瓦尺寸加工，并且加工出与骨架铆接的沉孔；
(6)、熔渗剂配比：
由炭陶制动闸瓦的预期密度和低密度C/C多孔体材料坯体密度两者之差计算出熔融渗硅过程中需生成的SiC含量，进而计算出硅与炭反应中理论需硅量；取理论需硅量的1.1～2.0倍硅粉；同时为改善炭陶闸瓦的热性能，添加20％～80％硅粉重量的铜粉，另外为改善铜粉和热解炭的润湿性，添加8％～12％铜粉重量的钛粉；把粉末混合后制成熔渗剂；
(7)、定向熔硅浸渗：
将熔渗剂置于石墨坩锅中铺平，将C/C多孔体材料平铺于熔渗剂上并轻压；将石墨坩锅叠置于高温真空炉中进行定向熔硅浸渗，使熔渗剂熔化后通过毛细管力的作用从下往上渗透C/C多孔体，制得密度为1.8～2.4g/cm3的炭陶摩擦块；
(8)、铆接：
将制得的炭陶摩擦块与钢制骨架铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽，制得城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦。
上述步骤(2)中高温热处理温度为900～1600℃，全程时间5～20小时，压力为微正压即略微超过真空压力表0刻度，氩气惰性气体保护。
上述步骤(3)中化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙稀、丙烷或者天然气，稀释气体为氮气、氢气或其混合气体，碳源气体与稀释气体之比为1∶1～3，沉积时间为100～400小时，沉积温度为900～1100℃。
上述步骤(4)中石墨化处理温度为1500～2400℃，全程时间15～30小时，压力为微正压即略微超过真空压力表0刻度，氩气惰性气体保护。
上述步骤(6)中硅粉纯度为99.3％、粒度为0.01～0.1mm；Cu粉纯度为99.8％，粒度为0.05～0.075mm；钛粉纯度为99％、粒度为0.04～0.07mm。
上述步骤(7)中熔融渗硅的温度为1500～1900℃、在最高温度点保温0.5～2.5h。
采用上述技术方案的城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦及其制造方法，其有益效果：
本发明在国内外首次将炭陶摩擦材料应用于城市轨道车辆，通过多次模拟制动试验和1∶1台架实验，结果显示：在各种速度和压力下，其摩擦系数稳定、耐磨损、制动平稳、无龟裂、环境适应性强，对城市不产生污染。同时炭陶摩擦材料与骨架采用铆接的结构形式，一方面，保证了制动闸瓦与骨架连接的可靠性及安全性，另一方面，方便磨耗件的更换，保持了非磨耗件的重复使用，节约了使用成本。综上所述，本发明产品能满足城轨车辆制动系统的使用要求。
附图说明
图1是本发明的炭陶制动闸瓦结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例中陶瓷基体的各组分重量比如下：
炭纤维：12-24％；热解炭：16-32％；碳化硅：18-46％；硅铜化合物：6-19％；钛化碳：1-3％；单质铜：4-12％。
实施例1：
城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体。
参见图1，制造城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦的方法如下：
(1)采用日本东丽公司(Toray)生产的PAN型T700(12K)炭纤维制成密度为0.46g/cm3的炭纤维预制体；
(2)将炭纤维预制体进行1600℃的高温热处理，全程时间20小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(3)采用天然气为碳源气，氢气为稀释气，天然气与氢气的体积比为1∶3，采用化学气相渗透法在1000℃下沉积炭基体，沉积300小时后制得密度为1.32g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)将低密度C/C多孔体材料进行2400℃的石墨化处理，全程时间30小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(5)将C/C多孔体材料按闸瓦尺寸加工，并且加工出与骨架铆接的沉孔；
(6)取C/C多孔体材料理论需硅量的1.5倍硅粉，添加50％硅粉重量的铜粉和10％铜粉重量的钛粉，硅粉纯度为99.3％、粒度为36-45μm，Cu粉纯度为99.8％，粒度为53-74μm；钛粉纯度为99％、粒度为47-53um，把粉末混合后制成熔渗剂；
(7)将低密度C/C多孔体材料进行定向熔硅浸渗，制得密度为2.28g/cm3的炭陶摩擦块。熔渗温度为1750℃，保温2.5小时；
(8)将制得的炭陶摩擦块3与钢制骨架1铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽2，制得地铁车辆用炭陶制动闸瓦。
对采用C/C-SiC摩擦材料制造的地铁车辆用炭陶制动闸瓦在1∶1制动动力试验台上进行了台架实验，共进行了一次停车紧急制动试验、一次停车常用制动试验、湿态下一次停车常用制动试验、模拟运行试验、坡道匀速连续制动试验、静摩擦试验共6项性能测试。试验结果表明，炭陶制动闸瓦的各项性能均符合地铁车辆制动要求。
实施例2：
城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体。
制造城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦的方法如下：
(1)采用日本东丽公司(Toray)生产的PAN型T700(12K)炭纤维制成密度为0.55g/cm3的炭纤维预制体；
(2)在氩气保护气氛下将预制体进行1600℃高温热处理，全程时间18小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(3)采用丙稀为碳源气，氢气为稀释气，丙稀与氢气的体积比为1∶2，采用化学气相渗透法对预制体在1100℃下沉积热解炭基体，沉积380小时后制得密度为1.43g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)将低密度C/C多孔体材料进行2200℃的石墨化处理，全程时间25小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(5)将C/C多孔体材料按制动闸瓦尺寸加工成多个摩擦块，摩擦块尺寸四周按闸瓦尺寸的负公差加工，厚度方向留出1mm的后续加工余量；并且在摩擦块上加工出与钢背铆钉连接的沉孔；
(6)取C/C多孔体材料理论需硅量的2.0倍硅粉制成熔渗剂，添加40％硅粉重量的铜粉和10％铜粉重量的钛粉，硅粉纯度为99.3％、粒度为36-45μm，Cu粉纯度为99.8％，粒度为53-74μm；钛粉纯度为99％、粒度为47-53um，把粉末混合后制成熔渗剂；
(7)将低密度C/C多孔体材料进行熔硅浸渗，制得密度为2.08g/cm3的炭陶摩擦块。熔融渗硅时为微正压，浸渗温度为1800℃，保温2小时；
(8)将制得的炭陶摩擦块3与钢制骨架1铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽2，制得地铁车辆用炭陶制动闸瓦。
实施例3：
城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体。
制造城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦的方法如下：
(1)、针刺炭纤维整体毡：
将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加，然后采用带下倒钩刺的针对叠加的无纬布和网胎进行反复针刺制成炭纤维整体毡，其密度为0.40g/cm3；
(2)将炭纤维预制体进行900℃的高温热处理，全程时间8小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(3)采用甲烷为碳源气，氮气为稀释气，甲烷与氮气的体积比为1∶3，采用化学气相渗透法在950℃下沉积炭基体，沉积100小时后制得密度为0.9g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)将低密度C/C多孔体材料进行1800℃的石墨化处理，全程时间20小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(5)将C/C多孔体材料按闸瓦尺寸加工，并且加工出与骨架铆接的沉孔；
(6)取C/C多孔体材料理论需硅量的1.1倍硅粉，添加80％硅粉重量的铜粉和10％铜粉重量的钛粉，硅粉纯度为99.3％、粒度为0.01～0.1mm，Cu粉纯度为99.8％，粒度为0.05～0.075mm；钛粉纯度为99％、粒度为0.04～0.07mm，把粉末混合后制成熔渗剂；
(7)将低密度C/C多孔体材料进行定向熔硅浸渗，制得密度为2.12g/cm3的炭陶摩擦块。熔渗温度为1750℃，保温2.5小时；
(8)将制得的炭陶摩擦块3与钢制骨架1铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽2，制得地铁车辆用炭陶制动闸瓦。
对采用C/C-SiC摩擦材料制造的地铁车辆用炭陶制动闸瓦在1∶1制动动力试验台上进行了台架实验，共进行了一次停车紧急制动试验、一次停车常用制动试验、湿态下一次停车常用制动试验、模拟运行试验、坡道匀速连续制动试验、静摩擦试验共6项性能测试。试验结果表明，炭陶制动闸瓦的各项性能均符合地铁车辆制动要求。
实施例4：
城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体。
制造城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦的方法如下：
(1)、针刺炭纤维整体毡：
将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加，然后采用带下倒钩刺的针对叠加的无纬布和网胎进行反复针刺制成炭纤维整体毡，其密度为0.60g/cm3；
(2)在氩气保护气氛下将预制体进行1200℃高温热处理，全程时间10小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(3)采用丙烷为碳源气，氮气、氢气混合气体为稀释气，丙烷与氮气、氢气混合气体的体积比为1∶1，采用化学气相渗透法对预制体在900℃下沉积热解炭基体，沉积400小时后制得密度为1.45g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)将低密度C/C多孔体材料进行2000℃的石墨化处理，全程时间15小时，微正压，氩气惰性气体保护；
(5)将C/C多孔体材料按制动闸瓦尺寸加工成多个摩擦块，摩擦块尺寸四周按闸瓦尺寸的负公差加工，厚度方向留出1mm的后续加工余量；并且在摩擦块上加工出与钢背铆钉连接的沉孔；
(6)取C/C多孔体材料理论需硅量的2.0倍硅粉制成熔渗剂，添加20％硅粉重量的铜粉和10％铜粉重量的钛粉，硅粉纯度为99.3％、粒度为36-45μm，Cu粉纯度为99.8％，粒度为53-74μm；钛粉纯度为99％、粒度为47-53um，把粉末混合后制成熔渗剂
(7)将低密度C/C多孔体材料进行熔硅浸渗，制得密度为1.98g/cm3的炭陶摩擦块。熔融渗硅时为微正压，浸渗温度为1900℃，保温0.5小时；
(8)将制得的炭陶摩擦块3与钢制骨架1铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽2，制得地铁车辆用炭陶制动闸瓦。

Claims (7)

1.一种城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦，以连续炭纤维为增强纤维，热解炭和SiC陶瓷材料为基体材料，采用化学气相渗透法制得热解炭基体，采用定向熔硅浸渗法制得陶瓷基体，其特征在于：所述的陶瓷基体的各组分重量比如下：
炭纤维：12-24％；
热解炭：16-32％；
碳化硅：18-46％；
硅铜化合物：6-19％；
钛化碳：1-5％；
单质铜：2-12％。
2.制造权利要求1所述的城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：包括以下工艺步骤：
(1)、针刺炭纤维整体毡：
将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环叠加，然后采用带下倒钩刺的针对叠加的无纬布和网胎进行反复针刺制成炭纤维整体毡，其密度为0.40～0.60g/cm3之间；
(2)、高温热处理：
将制得的炭纤维整体毡在高温处理炉进行900～1600℃的高温热处理；
(3)、化学气相渗透：
将经过高温热处理后的炭纤维预制体进行化学气相渗透制得炭基体，得到密度为0.9～1.5g/cm3的低密度C/C多孔体材料；
(4)、石墨化处理：
将低密度C/C多孔体材料进行1800～2400℃的石墨化处理；
(5)、机加工：
将C/C多孔体材料按闸瓦尺寸加工，并且加工出与骨架铆接的沉孔；
(6)、熔渗剂配比：
由炭陶制动闸瓦的预期密度和低密度C/C多孔体材料坯体密度两者之差计算出熔融渗硅过程中需生成的SiC含量，进而计算出硅与炭反应中理论需硅量；取理论需硅量的1.1～2.0倍硅粉；同时为改善炭陶闸瓦的热性能，添加20％～80％硅粉重量的铜粉，另外为改善铜粉和热解炭的润湿性，添加8％～12％铜粉重量的钛粉；把粉末混合后制成熔渗剂；
(7)、定向熔硅浸渗：
将熔渗剂置于石墨坩锅中铺平，将C/C多孔体材料平铺于熔渗剂上并轻压；将石墨坩锅叠置于高温真空炉中进行定向熔硅浸渗，使熔渗剂熔化后通过毛细管力的作用从下往上渗透C/C多孔体，制得密度为1.8～2.4g/cm3的炭陶摩擦块；
(8)、铆接：
将制得的炭陶摩擦块与钢制骨架铆接，骨架两端冲裁出插销定位凹槽，制得城市轨道车辆用炭陶制动闸瓦。
3.根据权利要求2所述的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：上述步骤(2)中高温热处理温度为900～1600℃，全程时间5～20小时，压力为微正压即略微超过真空压力表0刻度，氩气惰性气体保护。
4.根据权利要求2所述的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：上述步骤(3)中化学气相渗透的碳源气体为甲烷、丙稀、丙烷或者天然气，稀释气体为氮气、氢气或其混合气体，碳源气体与稀释气体之比为1∶1～3，沉积时间为100～400小时，沉积温度为900～1100℃。
5.根据权利要求2所述的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：上述步骤(4)中石墨化处理温度为1500～2400℃，全程时间15～30小时，压力为微正压即略微超过真空压力表0刻度，氩气惰性气体保护。
6.根据权利要求2所述的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：上述步骤(6)中硅粉纯度为99.3％、粒度为0.01～0.1mm；Cu粉纯度为99.8％，粒度为0.05～0.075mm；钛粉纯度为99％、粒度为0.04～0.07mm。
7.根据权利要求2所述的制造城轨车辆用炭陶制动闸瓦的方法，其特征是：上述步骤(7)中熔融渗硅的温度为1500～1900℃、在最高温度点保温0.5～2.5h。
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