CN103104638B - 一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘 - Google Patents

Abstract

一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，属于高速列车的制动盘制备技术领域。现有的制动盘容易热疲劳裂纹并且裂纹容易扩展，造成制动盘存在安全隐患的缺点。本发明包括金属基体，规则排列在金属基体内的陶瓷块和金属基体上的通风槽，制动盘的制备步骤可分为陶瓷块的烧结和表面处理，制动盘的铸造，精密加工及热处理。采用本发明方法易于制备不同材质？截面形状和体积百分比的柱状阵列的联体陶瓷块增强金属的制动盘，其金属和陶瓷界面结合力强，极大消除了制动盘的内部铸造缺陷，具有高而稳定的摩擦系数和较低的磨损率和良好的制动性能，能对380km/h的高速列车实行有效的制动。

Description

一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘

技术领域

本发明属于高速列车的制动盘制备技术领域，具体涉及一种具有通风槽散热结构的柱状阵列联体陶瓷块增强金属基复合材料的高速列车制动盘及其制备方法。

背景技术

轻量化是高速列车的关键技术之一。陶瓷增强金属基，特别是碳化硅陶瓷增强铝基，钛基，铝镁合金的复合材料用于高速列车制动盘可减少簧下重量、实现轻量化。但陶瓷增强体的均匀性，形状，陶瓷、金属界面强度等关键因素直接影响制动盘的性能。随着我国高速铁路的快速发展，列车时速已超过350km/h，因此对制动盘的性能提出了更加严格的要求。目前，陶瓷增强相主要包括颗粒、纤维、晶须、多孔或网络陶瓷预制体等。其中陶瓷颗粒、纤维和晶须增强相为最常见的增强体，但其与金属复合形成非连续界面，故增强相在使用过程中容易脱落而大大降低复合材料性能。三维网络陶瓷增强金属基复合材料是近年的研究热点，但由于网络陶瓷的闭孔问题得不到有效解决，难以铸造成无缺陷的产品，特别是很难实现大试样的制备。

中国专利“陶瓷柱形阵列状阵列增强金属复合材料或部件及其制备方法(专利号CN102581259A)涉及陶瓷柱形阵列状阵列陶瓷增强金属基复合材料，但其柱状陶瓷是单根支柱，必须一根根固定在铸腔内后，才能进行浇注与金属复合成复合材料。而本专利的采用的联体陶瓷素坯是通过注浆，模压，等静压等成形方式得到的，故在烧结之前就联成一体，烧结之后得到由一定规则的柱形阵列和与之相连接的衬底的联体陶瓷块，与其有本质的区别。中国专利陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法”(专利号：CN101463182A)的陶瓷阵列则属于微观范畴，用于制备功能材料，与本专利采用宏观陶瓷阵列制备结构材料不同。中国专利ZL200510046691.x“三维网络陶瓷—金属摩擦复合材料的真空气压铸造方法”中对三维网络陶瓷的骨架采用的表面预氧化处理等方法是本发明人前期的工作，与本发明专利提出的陶瓷表面活化与钝化工艺明显不同。中国专利“一种轴装式SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘”(专利号：CN200510086696)，采用SiC颗粒作为增强相，与本发明专利采用的柱状阵列的联体陶瓷块为增强相的制动盘明显不同。

由于制动盘中的陶瓷和金属的热膨胀系数不匹配，故在制动过程中的循环热力耦合作用下，制动盘的金属与陶瓷界面在外载应力下会发生微区屈服，特别是柱状陶瓷尖端的应力张量较大，容易在界面处的基体中形成微孔。微孔容易形成热疲劳裂纹并且裂纹容易扩展，造成制动盘的安全隐患。

发明专利内容

本发明目的就是要克服上述高速列车存在制动盘质量大，热稳定性的不足等问题，制备一种通风槽散热结构的柱状阵列联体陶瓷块增强金属基复合材料的高速列车制动盘，目的在于提供一种坚固耐用，寿命长，制作工艺简单，生产周期短，散热快，热稳定性好，制动平稳，刹车时噪音低，服役寿命长，变形小，拆卸方便，适用于时速380km/h高速列车的制动盘。为此本发明采用如下技术方案：一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，其特征是：所述的制动盘包括金属基体、规则排列在金属基体内的陶瓷块和设置在金属基体上的通风槽，所述的陶瓷块由按一定规则排列的陶瓷柱形阵列形阵列和与之相连接的陶瓷衬底构成联体的陶瓷素坯烧结得到；所述制动盘的制备步骤分为，1、陶瓷块的烧结和表面处理，2、制动盘的铸造，3、精密加工及热处理；所述的陶瓷柱形阵列的横截面为圆形、椭圆形、菱形、正方形、矩形的几何图形；所述的陶瓷素坯可由注浆，模压，等静压等方式成形。

作为对上述方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下技术方案：

所述的陶瓷柱形阵列形阵列和陶瓷衬底为同一材质，为Al₂O₃，SiC，B₄C，Si₃N₄，Ti₃SiC₂，TiB₂中的一种单相或复相陶瓷，所述按一定规则的陶瓷柱形阵列形阵列和陶瓷衬底是联体。所述金属基体材质为铝合金、镁铝合金、钛合金、铸钢或铸铁中的一种或多种的复合。

所述的一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：陶瓷块的制备：按照陶瓷柱形阵列形阵列的横截面和纵截面的几何形状，柱间距，阵列方式，制备出石膏、金属等不同材质的阴模具，将按照一定比例配好的浆料或粉料置入于所述的阴模具内，采用由注浆，凝胶注模，模压，等静压等成形方式获得所述的陶瓷柱形阵列和陶瓷衬底联体陶瓷素坯；将所述的联体陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，烧结，获得陶瓷块；考虑到联体陶瓷素坯在烧结时有收缩，须严格按照收缩率来制备体积略大的联体陶瓷素坯来获得确定的尺寸的陶瓷块；

步骤2：陶瓷块的表面预处理：采用表面活化或者钝化的方法对陶瓷块进行表面预处理，根据陶瓷块的不同材质，采用相应的表面预处理工艺，表面钝化的方法包括在陶瓷块表面覆盖上氧化铁、氧化锆、氧化镁和氧化钛等氧化物薄膜来减缓某些易于与金属熔液的反应的Al₂O₃，Ti₃SiC₂，SiC陶瓷块的腐蚀；所述的表面活化的方法包括在陶瓷块表面覆盖上氧化铬、氧化钇、稀土氧化物和碱土氧化物等薄膜来增加SiC，B₄C，TiB₂，Si₃N₄陶瓷块与金属基体的润湿性，提高陶瓷和金属的界面强度。

步骤3：制动盘的铸造：将陶瓷块按照设计要求固定在铸腔内，采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场铸造等技术将熔融金属浇铸于所述的铸腔内，将陶瓷阵列与金属复合为一体获得制动盘；根据不同的金属基体材料而采用相应的铸造工艺，对于铝合金、镁铝合金采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为550～750℃；对于钛合金采用差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为1800～2100℃；对于铸铁、铸钢材料采用负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为1300～1700℃；

步骤4：所述的制动盘的精密加工：所述的制动盘盘环表面粗糙度要达到Ra3.2以上，盘环、盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.05mm，经过探伤检测无裂纹，满足动平衡；

步骤5：制动盘的热处理：以陶瓷增强铝合金制动盘为例，采用T61，T6等热处理工艺，其他的制动盘则根据不同的金属基体材料，采用相应的热处理工艺。

本发明的有益效果是：1、采用本方法进行浇注时，不需要将陶瓷柱形阵列一根根植入铸腔，而直接将陶瓷块置入铸腔内固定即可，同时还方便于陶瓷增强金属复合材料大试样的工程化制备，而且提高了金属基复合材料陶瓷增强体的宏观均匀性，对陶瓷进行表面处理，能够获得更优良的陶瓷和金属界面结合，有利于提高复合材料制动盘的可靠性；2、采用制动盘上开设通风槽的技术方案后，制动盘在制动时产生的摩擦热的大部分被通风槽带走，减少了变形量，获得更好的耐磨性和抗热衰退能力；3、柱状联体陶瓷块增强金属基复合材料制动盘在摩擦时发生剥离磨损而产生的细小磨屑通常为纳米颗粒，这些纳米磨屑能填充陶瓷增强体和金属基体间的缺陷，同时，这些纳米磨屑微粒具有较高的扩散能力和自扩散能力，易在摩擦表面形成具有极佳抗磨性能的渗透层或扩散层，这类扩散层具有自修复能力，可根据摩擦力大小和摩擦副间隙能自动调整自修复保护层的厚度，使摩擦副间隙最佳化，显著改善摩擦副表面的物理化学性能，大幅度延长制动盘的使用寿命；4、提高了其适用的速度上限，能对运营速度达380km/h的高速列车实行有效的制动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明陶瓷块的结构示意图。

图3是实施例1的结构立体图。

图4为本发明实施例1和实施例2的制动盘在380km/h紧急制动时摩擦面温度的曲线图。

图5为本发明不同实施例的制动盘在380km/h紧急制动时摩擦系数的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1～图2所示，本发明包括金属基体1，规则排列在金属基体1内的陶瓷块2，金属基体上的通风槽5，陶瓷块2由按一定规则的柱形阵列3和与之相连接的衬底4的联体陶瓷素坯6经过烧结得到，联体陶瓷素坯6可由注浆、凝胶注模、模压或静压方式成形；采用常压、负压、差压、重力-电磁场联合、负压-电磁场联合等铸造技术将熔融金属浇铸于固定有陶瓷块2的铸腔内，将陶瓷块2与金属复合成制动盘。

下面例举几个实施优选方式，对本发明的制备方法做进一步说明。

如图3所示的实施例1：柱形阵列联体SiC陶瓷块增强铝基复合材料制动盘的制备方法：

步骤1：柱形阵列联体SiC陶瓷块的制备：按照需要得到SiC陶瓷柱形阵列3的横截面为面积3的圆形和纵截面为3×12的矩形，柱间距为4mm，沿着x轴与y轴等间距阵列方式，陶瓷衬底4厚度为5mm，根据碳化硅烧结时收缩率是17～20％，做准确的放大以后，制备出石膏材质的阴模，将按照一定比例配好的碳化硅浆料置入于所述的阴模具内，由注浆成形获得联体陶瓷素坯；将所述的联体陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，采用无压烧结工艺在1950～2100℃，保温30～60min，获得陶瓷块2；

步骤2：柱形阵列联体SiC陶瓷块的预处理：将烧结后的SiC陶瓷块2进行清洗，利用溶胶-凝胶法制备氢氧化钛溶胶，利用提拉法将氢氧化钛溶胶涂敷于清洗后的SiC陶瓷块2的表面，薄膜厚度为50～500μm，待干燥后置于箱式炉1250～1400℃，保温30～60min进行热处理获得氧化钛薄膜；

步骤3：制动盘的铸造：将表面包覆氧化钛薄膜的SiC陶瓷块2在钢模具铸腔内规则排布并固定，在680～760℃的浇铸温度下，采用负压铸造方法将铝合金(牌号为6061)浇铸于设有柱阵列联体SiC陶瓷块并预热的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与铝合金复合为一体制备出制动盘，可在铝合金熔液中加入质量百分比0.1％～5％的过渡族和稀土等元素来提高SiC与铝合金的界面强度；

步骤4：制动盘的精密加工:制动盘的盘环表面粗糙度Ra0.8～3.2，盘环、盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.03mm，经过探伤检测无裂纹，通过修正通风槽的尺寸来满足制动盘的动平衡；

步骤5：制动盘的热处理：所诉的制动盘采用T6热处理工艺，热处理后，铝基强度达到360MPa；

经过测试，制动盘与网络陶瓷增强铜金属基闸片组成的摩擦副在时速380km/h实施紧急制动后，制动盘摩擦面最高温度为430℃，而热应力降低到65MPa，无明显热斑产生，未产生可见热裂纹，表现出良好的摩擦性能。

实施例2：柱形阵列联体B₄C陶瓷块增强铝基复合材料制动盘的制备方法

步骤1：陶瓷柱形阵列的预处理：柱形阵列联体B₄C陶瓷块的制备：按照需要得到横截面为边长5mm的六边形，高度为20mm的B₄C陶瓷柱形阵列3，柱间距为8mm，沿着x轴与y轴等间距阵列方式，陶瓷衬底4厚度为7mm，根据B₄C烧结时收缩率18～22％，做准确的放大以后，制备出钢材质的阴模。将按照一定比例配好，经过造粒的B₄C粉体置入于所述的阴模具内，采用100～150MPa的压力成形后取出生坯，装入软模套再利用等静压成形，压力为150～250MPa，获得联体陶瓷素坯；将所述的联体陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，采用无压烧结工艺在2000～2200℃，保温30～60min后获得陶瓷块2；

步骤2：柱阵列联体B₄C陶瓷块的预处理：将烧结后的B₄C陶瓷块2进行清洗，利用溶胶-凝胶法制备氧化钇溶胶，利用提拉法将氧化钇溶胶涂敷于清洗后的B₄C陶瓷块2的表面，待干燥后置于箱式炉850～1000℃，保温30～60min进行热处理获得氧化钇薄膜；

步骤3：制动盘的铸造：在约700～780℃的浇铸温度下，采用重力铸造方法将铝合金(牌号为7075)，浇铸于设有柱阵列联体B₄C陶瓷块预热好的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与铝合金复合为一体获得制动盘铸件。为了提高B₄C与铝合金的界面结合力，可在铝合金熔液中加入质量百分比0.1％～5％的过渡族元素；

步骤4：制动盘的精密加工：制动盘的盘环表面粗糙度Ra0.8～1.6，盘环、盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.02mm，经过探伤检测无裂纹，满足动平衡。

步骤5：制动盘的热处理：所诉的制动盘采用T61热处理工艺，热处理后，铝基强度达到330MPa；

经过测试，制动盘与柱状SiC陶瓷增强铜基闸片组成的摩擦副在380km/h实施紧急制动后，制动盘最高温度为450℃，热应力降低到75MPa，未产生可见热裂纹，表现出良好的摩擦性能。

实施例3：柱形阵列联体SiC陶瓷块增强铝基复合材料制动盘的制备方法：

与实施例1不同的是SiC采用凝胶铸模的方式成形，SiC陶瓷块2的横截面为面积2的圆形和纵截面为3×12的矩形，柱间距为3mm，沿着x轴与y轴等间距阵列方式，陶瓷衬底(4)厚度为4mm。采用负压--电磁场联合铸造方法将铝合金(牌号：ZL101A)，浇铸于设有柱阵列联体SiC陶瓷块预热好的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与铝合金复合为一体获得得到制动盘铸件。负压--电磁场联合铸造提高了铝合金熔液的流动性和充型能力，细化了晶粒，并大大降低了铸件的缺陷。经过精密加工和T6热处理后，铝基强度达到380MPa。

经过测试，制动盘在时速380km/h实施紧急制动后，制动盘摩擦面最高温度为430℃，而热应力降低到50MPa，耐磨性优于实施例1，无明显热斑产生，未产生可见热裂纹，表现出良好的摩擦性能。

实施例4：Al₂O₃，Si₃N₄，Ti₃SiC₂和TiB₂陶瓷柱形阵列阵列联体增强铝镁基复合材料制动盘的制备方法：

步骤1：柱形阵列的联体Al₂O₃，Si₃N₄，Ti₃SiC₂和TiB₂陶瓷块的制备：按照需要得到横截面为边长5mm菱形，高度30mm的Al₂O₃，Si₃N₄，Ti₃SiC₂和TiB₂的陶瓷柱形阵列3，柱间距为2mm，沿着x轴与y轴非等间距阵列方式，陶瓷衬底4厚度为4mm，根据三种陶瓷柱形阵列烧结时收缩率做准确的放大以后，制备出钢材质的阴模。将按照一定比例配好，经过造粒的粉体置入于所述的阴模具内，采用150～250MPa压力成形获得联体陶瓷素坯；将所述的联体陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，在1750～2100℃，采用热压烧结工艺获得四种陶瓷块2。

步骤2：陶瓷柱形阵列的预处理：首先将采用溶胶-凝胶法制备氢氧化镁溶胶，用提拉将溶胶涂敷于清洗后的四种陶瓷柱形阵列表面，待干燥后置于真空炉内800～1200℃保温30～60min，获得氧化镁薄膜。

步骤3：制动盘的铸造：在680～720℃的浇铸温度下，采用差压铸造方法将熔融镁铝合金(牌号为AZ91D)浇铸于设有陶瓷柱形阵列阵列预热好的金属铸型内，将陶瓷阵列与铝镁合金复合为一体获得制动盘铸件。为了提高这四种陶瓷与镁铝合金的界面强度，可在铝合金熔液中加入质量百分比0.1％～5％的Cr，Ti，Zr，Mn等元素。精密加工后，采用T6热处理工艺获得制动盘成品。经过测试，制动与粉末铜基闸片组成的摩擦副在380km/h实施紧急制动后，制动盘摩擦面温度480℃，略有粘接，摩擦面有深度0.5mm的犁沟，未产生可见热裂纹，摩擦系数为0.32，摩擦稳定性能较好。

实施例5：柱形阵列的联体SiC陶瓷块增强钛基复合材料制动盘的制备方法：

与实施例1不同的是SiC采用凝胶铸模的方式成形，SiC陶瓷块2的陶瓷柱形阵列的横截面为边长4mm的正方形，高度为16mm，柱间距为3mm，沿着x轴与y轴按照非等间距阵列方式，陶瓷衬底4厚度为5mm，采用差压铸造方法将钛合金(牌号：ZTiAl₅Sn_2.5)，浇铸于设有柱阵列联体SiC陶瓷块预热好的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与钛合金复合为一体获得得到制动盘铸件。经过精密加工和热处理后，钛基强度达到650MPa。热处理工艺为固溶处理温度为890℃，保温60min，空冷或快冷。

实施例6：阵列的SiC陶瓷柱形阵列增强Fe基复合材料的制备：

与实施例1不同的是SiC采用凝胶铸模的方式成形，SiC陶瓷块2的陶瓷柱形阵列的横截面是面积5的圆形和纵截面为5×25的矩形，柱间距为8mm，沿着x轴与y轴等间距阵列方式，陶瓷衬底4厚度为5mm。

实施例1和3，不同的是：将烧结后的SiC陶瓷块2进行清洗，利用溶胶-凝胶法制备氢氧化铁溶胶，利用提拉法将氢氧化钛溶胶涂敷于清洗后的SiC陶瓷块2的表面，薄膜厚度为50～500μm，待干燥后置于箱式炉1250～1400℃，保温30～60min进行热处理获得氧化铁薄膜；采用差压铸造方法将40Cr钢，浇铸于设有柱阵列的联体SiC陶瓷块预热好的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与铸钢复合为一体获得得到制动盘铸件。经过精密加工和常规的退火热处理后，钢基强度达到650MPa。

实施例7：阵列的SiC陶瓷柱形阵列增强铝基复合材料的制备：

与实施例1不同的是SiC，实施例1和3，不同的是采用常压铸造方法将铝合金(牌号：A356)在浇注温度600～750℃，浇铸于设有柱阵列的联体SiC陶瓷块预热好的钢模具铸腔内，将陶瓷阵列与铝复合为一体获得得到制动盘铸件，经过精密加工和T6热处理后，铝基强度达到320MPa，这种方法简单，但制动盘强度和摩擦性能低于实施例1。

本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的，如采用不同的陶瓷种类或组合、金属基体材料、铸造工艺制备具有不同陶瓷增强位置的陶瓷阵列增强金属基制动盘。

Claims (2)

1.一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，该制动盘包括金属基体(1)，排列在金属基体(1)内的陶瓷块(2)，该金属基体(1)上有通风槽(5)，其特征在于：所述陶瓷块(2)由按一定规则排列的陶瓷柱形阵列(3)和陶瓷衬底(4)构成联体的陶瓷素坯烧结得到，所述的陶瓷柱形阵列(3)和陶瓷衬底(4)为同一材质，为SiC，Al₂O₃，B₄C，Si₃N₄，Ti₃SiC₂，TiB₂中的一种单相或复相陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，其特征在于：所述的制动盘的制备包括如下步骤：

A：陶瓷块(2)的制备：按照陶瓷柱形阵列的横截面和纵截面的几何形状，柱间距，阵列方式，制备出石膏、金属的不同材质的阴模具，将按照一定比例配好的浆料或粉料置入于所述的阴模具内，采用由注浆，凝胶注模、模压或静压成形方式获得所述的陶瓷柱形阵列(3)和陶瓷衬底(4)联体陶瓷素坯，再将所述的陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，烧结，获得陶瓷块(2)；

B：陶瓷块(2)的表面预处理：根据陶瓷块(2)不同的材质采用表面活化或者钝化的方法对陶瓷块(2)进行表面预处理，所述的表面钝化的方法包括在陶瓷块(2)表面覆盖上氧化铁，氧化锆，氧化镁，氧化钛薄膜来减缓某些易于与钢，钛的金属熔液的反应的Al₂O₃，Ti₃SiC₂，SiC陶瓷块(2)的腐蚀；所述的表面活化的方法包括在陶瓷块(2)表面覆盖上氧化铬，氧化钇，稀土氧化物，碱土氧化物薄膜来提高SiC，B₄C，TiB₂，Si₃N₄陶瓷块(2)与铝，铝镁金属熔液(1)的润湿性，提高界面强度；

C：制动盘的铸造：将陶瓷块(2)按照设计要求固定在铸腔内，陶瓷块(2)占复合材料的体积百分比可以为5％～80％，采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场铸造技术将熔融金属浇铸于所述的铸腔内，将陶瓷阵列与金属复合为一体获得制动盘铸件；对于铝合金、镁铝合金采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场铸造工艺，浇铸温度为550～750℃；对于铸铁、铸钢材料采用负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场铸造工艺，浇铸温度为1300～1700℃；对于钛合金采用差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场铸造工艺，浇铸温度为1800～2100℃；

D：制动盘的精密加工：所述的制动盘盘环表面粗糙度达到Ra3.2以上，盘环、盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.1mm，经过探伤检测无裂纹，满足动平衡；

E：制动盘的热处理。