CN103880461B - 高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶的制备方法,通过多次热处理和熔融渗硅,采用不同的工艺参数分别制备满足不同技术要求的摩擦对偶。本发明制备的碳/陶复合材料闸片平均磨耗低,提高了高速列车制动装置摩擦对偶的使用寿命,并且在高速下制动过程平稳。本发明能够满足300km/h以上高速列车制动要求,有效的解决了摩擦对偶的高温粘接问题,提高摩擦对偶的摩擦性能稳定性和使用寿命,减轻列车底架簧下重量,降低使用能耗。
Description
技术领域
本发明属于高速列车制动装置领域,具体涉及一种适用于高速列车制动装置摩擦对偶的制备方法。
背景技术
高速列车制动装置摩擦对偶(闸片和制动盘)制动盘通常采用铸钢材料,闸片摩擦块采用粉末冶金材料制作。这种摩擦对偶可以满足250km/h~350km/h的高速列车制动,但随着制动速度的提高,摩擦界面瞬时温度剧升,常常会因摩擦材料熔融引起粘接和对偶间材料转移,降低使用寿命。目前,未见有相关碳/陶摩擦对偶在高速列车上实际应用的报道。而飞机刹车使用碳/陶摩擦对偶已在中国实现应用,但飞机刹车摩擦对偶的结构、使用条件、技术要求与高速列车摩擦对偶有较大区别:一是高速列车摩擦对偶要求在各种条件下制动摩擦系数变化范围小(一般在0.3~0.45),目前应用的飞机刹车碳/陶摩擦对偶的摩擦系数随速度、能量、制动压力及温度变化较大(一般在0.22~0.60);二是高速列车摩擦对偶的闸片和制动盘使用寿命要求差距很大,制动盘使用寿命一般是闸片的十倍以上。而飞机刹车摩擦对偶(动、静盘)寿命要求一致,且比高速列车摩擦对偶的使用寿命要低的多;三是飞机在着陆刹车过程中,刹车盘摩擦面间是压紧的,且与空气隔绝。而高速列车在制动过程中,闸片与制动盘间是局部接触,制动盘摩擦面70%以上是暴露在空气中的,碳/陶摩擦材料在高温下易氧化,导致制动盘摩擦材料强度降低,磨损加大。根据用飞机碳/陶摩擦材料制作的高速列车摩擦对偶台架试验结果表明:摩擦系数的稳定性、制动磨耗、氧化失重都与高速列车的要求有较大差距。针对现行飞机碳/陶摩擦材料适应高速列车制动摩擦对偶所存在的问题,通过改变现行飞机碳/陶摩擦材料对偶单一工艺技术制备方法,采用差异化工艺技术制备高速列车碳/陶摩擦对偶的制动盘和闸片,以得到具有摩擦系数稳定、制动盘和闸片不对称磨损、高抗氧化特性和低磨耗的制动盘,满足高速列车制动装置的使用要求。
专利ZL201110030568.4公开了一种碳/陶刹车盘的制造方法,其对碳纤维坯体采用天然气CVI、石墨化处理、加工、制孔、反应熔融和精磨制备成碳/陶复合材料刹车对偶。但飞机刹车摩擦对偶寿命要求一致,到寿后摩擦对偶整体更换换,而高速列车摩擦对偶的闸片和制动盘使用寿命要求差距很大,制动盘使用寿命远远高于闸片。因此,这种单一的制备方法无法满足高速列车制动盘和闸片性能差异的要求。
专利CN201310502512.3公开了一种碳/陶复合材料制动盘及制备方法,其碳/碳坯体采用短纤维模压工艺制备而成,然后在碳/碳坯体基础上浸渍由聚碳硅烷和二乙烯基苯配成的混合溶液,在保护气氛下进行交联固化、裂解,生成SiC基体,得到密度为1.6g/cm3~1.9g/cm3的C/C-SiC复合坯体;再将C/C-SiC复合坯体放入液态硅中浸渍,最后进行涂层处理和精加工,得到摩擦表面为硅的碳/陶复合材料制动盘。模压工艺制备的材料力学性能差,易出现掉块等现象,且该工艺制备的刹车盘密度较低,导致其摩擦磨损性能较差。
专利CN201310502530.1中公开了一种用于高速列车的碳/陶制动闸片及其制备方法,其采用热梯度化学气相沉积处理得到密度为1.0g/cm3~1.5g/cm3的C/C多孔体材料,然后采用非浸泡式熔融浸渗的方法在上表面渗Mo,底面渗Si,得到密度为1.8g/cm3~2.4g/cm3的碳/陶制动闸片。该闸片中因形成了硬度很高的SiC颗粒,所以在刹车过程中会对其对偶件钢盘形成犁沟,严重破坏对偶件,缩短了对偶件寿命。
发明内容
为克服现有技术中存在的或者无法满足高速列车制动盘和闸片性能差异的要求,或者摩擦磨损性能较差,因匹配性不好而缩短了对偶件寿命的缺点,本发明提出了一种高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶的制备方法。
本发明的工艺步骤如下:
步骤1,预制体热处理。将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中,采用常规方法进行热处理去胶,热处理温度为1600℃,保温时间为4h。
步骤2,碳/碳毛坯沉积。将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中,按常规的工艺进行沉积。制动盘摩擦片气源为丙烯气,沉积温度为820℃~900℃,沉积时间为300h~400h,沉积至密度为1.40g/cm3~1.50g/cm3;闸片摩擦块气源为天然气,沉积时间为350h~450h,沉积温度为950℃~1050℃,沉积至密度为1.45g/cm3~1.55g/cm3。
步骤3,热处理。将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置入高温热处理炉中,按常规工艺进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉。碳/碳制动盘摩擦片毛坯热处理温度为1600℃~2000℃,碳/碳闸片摩擦块毛坯热处理温度为2200℃~2600℃。
步骤4,机械加工。将经过步骤3热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求初加工成型。
步骤5,熔融渗硅处理。将经过机械加工的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别埋入装有硅粉的坩埚中,分别放入渗硅炉中,按常规方法在1600℃~1800℃温度下进行熔融渗硅处理。制动盘摩擦片保温时间为30min~60min,硅化后密度达到2.05g/cm3~2.20g/cm3;闸片摩擦块保温时间为20min~45min,硅化后密度达到1.85g/cm3~2.0g/cm3。
步骤6,最终热处理。将达到规定密度的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块放入热处理炉,按常规工艺进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉。热处理温度为1800℃~2200℃。
步骤7,精加工。将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块按照图纸要求进行精加工,得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。
本发明制备的高速列车制动装置用碳/陶复合材料摩擦对偶,能够满足300km/h以上高速列车制动,解决高温粘接,提高摩擦对偶的摩擦性能稳定性和使用寿命;减轻列车底架簧下重量,降低使用能耗,且安装更换简便。
本发明采用不同的工艺参数分别制备满足不同技术要求的闸片摩擦块和制动盘摩擦片,解决了目前高速列车制动装置摩擦对偶存在的两个问题:
一是高速列车制动装置目前使用的粉末冶金材料和钢摩擦对偶在高速下,尤其是制动后期,摩擦对偶因温度过高容易粘结抱死,制动曲线如图2所示;而本发明制备的碳/陶复合材料摩擦对偶整个制动过程特别是高速下平稳,制动曲线如图3所示。
二是本发明制备的碳/陶复合材料闸片平均磨耗为0.022cm3/MJ,比粉末冶金材料的平均磨耗降低50%左右;本发明制备的碳/陶复合材料制动盘平均线磨损为2μm/次面,比铸钢材料的平均线磨损降低20%左右,有效提高了高速列车制动装置摩擦对偶的使用寿命。
附图说明
图1为高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶制备工艺流程。
图2为速度为350km/h时,粉末冶金VS.钢制动曲线。
图3为速度为350km/h时,碳/陶VS.碳/陶制动曲线。
a—力矩;b—速度。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种制备高速列车碳/陶摩擦对偶的方法。所述的高速列车碳/陶摩擦对偶包括制动盘和闸片。
本实施例采用碳/陶复合材料制备高速列车摩擦对偶,其具体步骤如下:
步骤1,预制体热处理。将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中,采用常规方法进行热处理去胶,热处理温度为1600℃,保温时间为4h。
步骤2,碳/碳毛坯沉积。将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中,按常规工艺进行沉积。制动盘摩擦片气源为丙烯气,沉积温度为850℃,沉积时间为300h,沉积至密度为1.40g/cm3~1.50g/cm3;闸片摩擦块气源为天然气,沉积温度为1050℃,沉积时间为350h,沉积至密度为1.45g/cm3~1.55g/cm3。
步骤3,热处理。将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置于高温热处理炉中,按常规工艺进行热处理,所述碳/碳制动盘摩擦片毛坯热处理温度为1600℃并保温4h,所述碳/碳闸片摩擦块毛坯热处理温度为2200℃并保温4h。保温结束后随炉冷却置100℃以下出炉。
步骤4,机械加工。将经过步骤3热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求初加工成型。
步骤5,熔融渗硅处理。
将得到的碳/碳制动盘摩擦片半成品和碳/碳闸片摩擦块半成品分别埋入装有硅粉的坩埚中,并分别放入渗硅炉中,按常规方法在1600℃温度下进行熔融渗硅处理。制动盘摩擦片的硅化保温时间为30min,硅化后密度达到2.05g/cm3~2.20g/cm3;闸片摩擦块的硅化保温时间为20min,硅化后密度达到1.85g/cm3~2.0g/cm3。
步骤6,最终热处理;将经过熔融渗硅处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯放入热处理炉,按常规工艺在2200℃进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉,得到经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块。
步骤7,精加工。将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块按照图纸要求进行精加工,得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。
实施例二
本实施例是一种制备高速列车碳/陶摩擦对偶的方法。
本实施例采用碳/陶复合材料制备高速列车摩擦对偶,其具体步骤如下:
步骤1,预制体热处理。将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中,采用常规方法进行热处理去胶,热处理温度为1600℃,保温时间为4h。
步骤2,碳/碳毛坯沉积。将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中,按常规工艺进行沉积。制动盘摩擦片气源为丙烯气,沉积温度为820℃,沉积时间为350h,沉积至密度为1.40g/cm3~1.50g/cm3;闸片摩擦块气源为天然气,沉积温度为950℃,沉积时间为400h,沉积至密度为1.45g/cm3~1.55g/cm3。
步骤3,热处理。将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置入高温热处理炉中,按常规工艺进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉。碳/碳制动盘摩擦片毛坯热处理温度为1800℃,碳/碳闸片摩擦块毛坯热处理温度为2300℃。
步骤4,机械加工。将经过步骤3热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求初加工成型。
步骤5,熔融渗硅处理。将经过热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别埋入装有硅粉的坩埚中,分别放入渗硅炉中,按常规方法在1700℃温度下进行熔融渗硅处理。制动盘摩擦片的保温时间为45min,硅化后密度达到2.05g/cm3~2.20g/cm3;闸片摩擦块的保温时间为30min,硅化后密度达到1.85g/cm3~2.0g/cm3。
步骤6,最终热处理;将经过熔融渗硅处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯放入热处理炉,按常规工艺在2000℃进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉,得到经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块。
步骤7,精加工。将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块按照图纸要求进行精加工,得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。
实施例三
本实施例是一种制备高速列车碳/陶摩擦对偶的方法。
本实施例采用碳/陶复合材料制备高速列车摩擦对偶,其具体步骤如下:
步骤1,预制体热处理。将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中,采用常规方法进行热处理去胶,热处理温度为1600℃,保温时间为4h。
步骤2,碳/碳毛坯沉积。将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中,按常规工艺进行沉积。制动盘摩擦片气源为丙烯气,沉积温度为900℃,沉积时间为400h,沉积至密度为1.40g/cm3~1.50g/cm3;闸片摩擦块气源为天然气,沉积温度为1000℃,沉积时间为450h,沉积至密度为1.45g/cm3~1.55g/cm3。
步骤3,热处理。将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置入高温热处理炉中,按常规工艺进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉。碳/碳制动盘摩擦片毛坯热处理温度为2000℃,碳/碳闸片摩擦块毛坯热处理温度为2600℃。
步骤4,机械加工。将经过步骤3热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求初加工成型。
步骤5,熔融渗硅处理。将经过热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别埋入装有硅粉的坩埚中,分别放入渗硅炉中,按常规方法在1800℃温度下进行熔融渗硅处理。制动盘摩擦片的保温时间为60min,硅化后密度达到2.05g/cm3~2.20g/cm3;闸片摩擦块的保温时间为45min,硅化后密度达到1.85g/cm3~2.0g/cm3。
步骤6,最终热处理;将经过熔融渗硅处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯放入热处理炉,按常规工艺在1800℃进行热处理,保温4h后随炉冷却置100℃以下出炉,得到经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块。
步骤7,精加工。将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块按照图纸要求进行精加工,得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。
Claims (1)
1.一种高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶的制备方法,其特征在于,具体过程是:
步骤1,预制体热处理:将制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体置于热处理炉中,采用常规方法进行热处理去胶,热处理温度为1600℃,保温时间为4h;
步骤2,碳/碳毛坯沉积:将经过高温热处理的制动盘摩擦片预制体和闸片摩擦块预制体分别置入化学气相沉积炉中,按常规的工艺进行沉积,制动盘摩擦片气源为丙烯气,沉积温度为820℃~900℃,沉积时间为300h~400h,沉积至密度为1.40g/cm3~1.50g/cm3;闸片摩擦块气源为天然气,沉积时间为350h~450h,沉积温度为950℃~1050℃,沉积至密度为1.45g/cm3~1.55g/cm3;
步骤3,热处理:将达到规定密度的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置入高温热处理炉中,按常规工艺进行热处理;热处理结束后保温4h;随炉冷却至100℃以下出炉;碳/碳制动盘摩擦片毛坯热处理温度为1600℃~2000℃,碳/碳闸片摩擦块毛坯热处理温度为2200℃~2600℃;
步骤4,机械加工:将经过步骤3热处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯按照图纸要求加工成型;机械加工时在厚度方向预留1mm的精加工余量;
步骤5,熔融渗硅处理:将经过机械加工的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯分别置于坩埚中,并用硅粉覆盖;将所述放置有碳/碳制动盘摩擦片毛坯的坩埚和碳/碳闸片摩擦块毛坯的坩埚分别放入渗硅炉中,按常规方法在1600℃~1800℃温度下进行熔融渗硅处理;制动盘摩擦片保温时间为30min~60min,硅化后密度达到2.05g/cm3~2.20g/cm3;闸片摩擦块硅化后保温时间为20min~45min,密度达到1.85g/cm3~2.0g/cm3;
步骤6,最终热处理:将经过熔融渗硅处理的碳/碳制动盘摩擦片毛坯和碳/碳闸片摩擦块毛坯放入热处理炉,按常规工艺在1800℃~2200℃进行热处理,热处理时保温4h;随炉冷却至100℃以下出炉;得到经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块;
步骤7,精加工:将经过最终热处理的碳/陶制动盘摩擦片和碳/陶闸片摩擦块按照图纸要求进行精加工,得到高速列车碳/陶复合材料摩擦对偶。
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