CN105132740B

CN105132740B - 钛基复合材料、铁路车辆制动盘的制备方法及制动盘

Info

Publication number: CN105132740B
Application number: CN201510583426.9A
Authority: CN
Inventors: 杜春燕; 周杰; 王永伟; 高岭昕
Original assignee: Taiheng General Technology Co Ltd
Current assignee: Taiheng General Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: CN105132740A

Abstract

本发明公开了一种钛基复合材料、铁路车辆制动盘及制备方法，制动盘材料采用TiC颗粒增强钛基复合材料，该制动盘将钛合金元素作为基本元素，并加入C粉进行熔炼，高温模锻成型。该发明充分发挥了碳化钛抗磨硬质相的效果。工艺简单可调控，性能稳定。该制动盘结构简单易成型。该钛基复合材料的主要特点是具有足够高的室温及高温力学性能，抗热裂性好，同时具有稳定的摩擦系数及较高的耐磨性，密度小，重量轻，有效减轻列车簧下重量，为列车提速提供保证，有效实现制动，同时延长制动盘寿命，同时减少列车的能量消耗。

Description

钛基复合材料、铁路车辆制动盘的制备方法及制动盘

技术领域

本发明是属于轨道交通运输技术领域，具体说是一种钛基复合材料、铁路车辆制动盘的制备方法及制动盘。

背景技术

近年来，各国高速列车上都采用了盘式制动，盘式制动主要包括轮盘式制动和轴盘式制动，轴盘式制动将制动盘安装在车轴上，轮盘制动则直接将车轮外部作为制动盘，将制动闸片分布在制动盘的两侧。随着列车速度的进一步提高，列车制动时，制动盘的工作条件更加恶化。在高速制动的过程中，巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度，引起极高的热应力；制动盘在制动过程中承受高速旋转时的离心力及闸片的压力，因此要求其具有足够的强度；同时要求具有高而稳定的摩擦系数，且好的耐磨性；要求其在激热激冷的下具有抗热裂纹性能；为减轻车辆簧下重量，制动盘材料需具有较低的密度。

近年来研发的碳/碳复合材料、铝基复合材料、双金属材料等制动盘新材料，但各材料在使用过程中都存在性能的局限性，如：碳/碳复合材料的比热大、耐热、热胀系数低、弹性模量小、重量轻、强度高、韧性优良、高温下能正常工作，用作制动材料有一定优点。但其摩擦系数变化幅度仍为四倍左右，制动盘的高温对相邻附件提出苛刻的要求，结构复杂，价格昂贵；铝基复合材料的导热性好，能实现盘体快速冷却，加入陶瓷颗粒，形成铝基陶瓷强化复合材料能够减重，但其使用温度低，最高使用温度只有300℃，超过这一温度表面将出现剧烈磨损，磨损量高于钢盘磨损量；双金属材料的磨损、耐热疲劳、耐冲击能力强、成本低，但冲击韧性低，但其冲击韧性低，在受到冲击时容易产生裂纹断裂。因此，目前铁路车辆上使用的制动盘材料仍主要为铸铁及锻钢。但铸铁的耐热裂性能较差，在高温下会产生大的龟裂现象，因此在高速列车上不采用铸铁制动盘。锻钢的强度虽较铸铁高，耐热裂性能较铸铁好，不易产生热龟裂，高速列车上多采用锻钢。但锻钢制动盘高速制动时表面温度不均匀分布，主要是优于摩擦压力分布和速度分布不均匀，导致各点的磨损量不同。制动盘的结构既要有良好的摩擦性能，又要有良好的耐热裂性，同时需具有良好的耐磨性和稳定的摩擦系数。减轻列车簧下重量对列车速度的提高有着重要的意义。同时制动盘作为机车和车辆的重要零部件，要求其有高的力学性能以保证安全性。我国目前使用的制动盘主要采用铸铁及锻钢制动盘，重量较大，限制了列车速度的进一步提升，且导致列车运行能耗增加。因此，研制新型制动盘材料以改善制动盘性能、减轻列车重量、提高列车速度成为主要趋势。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明专利目的是提供一种摩擦系数高而稳定，耐磨性好，抗热裂性能好，密度小钛基复合材料、铁路车辆制动盘的制备方法及制动盘，具有高的硬度，优异的力学性能，较高的摩擦系数及高的耐磨性，延长列车制动盘使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5％～5.5％，Si含量为0.2％～0.5％，Sn含量为1.5％～2.5％，Zr含量为5.5％～6.5％，Mo含量范围0.5％～1.5％，Nd含量为0.1％～0.3％，C含量为5％～8％，余量为Ti。

一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5.1％～5.3％，Si含量为0.3％～0.4％，Sn含量为2.0％～2.2％，Zr含量为6％～6.5％，Mo含量范围0.8％～1.2％，Nd含量为0.1％～0.2％，C含量为5.5％～6.5％，余量为Ti。

一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5％，Si含量为0.5％，Sn含量为2.5％，Zr含量为6.5％，Mo含量范围1％，Nd含量为0.15％，C含量为6％，余量为Ti。

一种铁路车辆制动盘的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：钛基复合材料铸锭的制备；将Al含量为5％，Si含量为0.5％，Sn含量为2.5％，Zr含量6.5％，Mo含量1.5％，Nd含量为0.3％，C含量为6％，余量为Ti粉混合；利用真空自耗电极电弧熔炼技术制备铸锭，为保证纯度及均匀性，需要进行至少三次熔炼；将铸锭进行去应力退火，退火温度750℃±5℃；

步骤2：将步骤1得到的钛基复合材料铸锭进行高温模锻，制造成钛基复合材料制动盘，锻造温度控制在950℃±5℃，锻造后空冷；

步骤3：将步骤2中的钛基复合材料制动盘加热至温度1020℃±5℃，保温1小时，空冷；然后加热到680℃±5℃，保温2小时，空冷；

步骤4：对制动盘面表面进行精加工，表面粗糙度达到Ra3.2，散热槽部分不加工；螺栓孔直接由机械加工而成，尺寸为M12*1.5，得到制动盘。

步骤1中制备过程中生成TiC，TiC颗粒可通过C粉与Ti粉的原位反应合成，TiC是一种陶瓷增强相。

一种铁路车辆制动盘，包括盘体、散热槽、螺栓孔；

盘体为圆形，摩擦面为环形；

盘体摩擦面精加工粗糙度达到Ra3.2，

盘体上间隔设有多个散热槽，在间隔的散热槽内开设有螺栓孔；通过螺栓孔将制动盘与车体连接。

所述散热槽数量为52至64片。

散热槽宽度14mm至18mm，散热槽厚度18mm至24mm。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用TiC/TiB颗粒增强钛基复合材料，制备的制动盘具有足够的高温强度和疲劳强度，具有良好的抗热裂性能，可以承受制动过程中高速旋转时离心力的作用及制动时受到的闸片的压力，同时具有高的摩擦系数及好耐磨性，提高了制动盘的制动效果。

2、本发明采用散热筋，能有效降低制动盘盘体的温度，避免了热应力集中，引起制动盘开裂问题的发生。

3、本发明制动盘的结构简单，且容易成型，采用散热片能有效降低制动盘盘体的温度，避免产生热应力，使盘体开裂。

4、本发明制动盘的结构简单，易成型。由盘面、散热筋、螺栓孔三部分组成。散热筋设计为曲线，如此，通风道即为曲线，曲线通风道比直线通风道散热效果好，同时散热面积比直线大。同时从传热学角度分析，通风道越弯曲越好，通道越小，越粗糙散热效果越好。

附图说明

图1为本发明制动盘盘面结构示意图。

图2为本发明制动盘内部结构示意图。

图3为钛基复合材料与铸铁的磨损试验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对发明作进一步说明。

实施例1

一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5％，Si含量为0.2％，Sn含量为1.5％，Zr含量为5.5％，Mo含量范围0.5％，Nd含量为0.1％，C含量为5％，余量为Ti。

实施例2

一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5.3％，Si含量为0.4％，Sn含量为2.2％，Zr含量为6.5％，Mo含量范围1.2％，Nd含量为0.2％，C含量为6.5％，余量为Ti。

实施例2

最佳实施例，一种钛基复合材料，钛基复合材料按质量百分比如下：Al含量为5％，Si含量为0.5％，Sn含量为2.5％，Zr含量为6.5％，Mo含量范围1％，Nd含量为0.15％，C含量为6％，余量为Ti。

一种铁路车辆制动盘的制备方法，包括如下步骤：

如图1-2所示，一种铁路车辆制动盘，包括盘体1、散热槽2、螺栓孔3；

盘体1为圆形，摩擦面为环形；

盘体1摩擦面精加工粗糙度达到Ra3.2，

盘体1上间隔设有多个散热槽2，在间隔的散热槽2内开设有螺栓孔3；通过螺栓孔3将制动盘与车体连接。

所述散热槽2数量为52至64片。

散热槽2宽度14mm至18mm，散热槽2厚度18mm至24mm。

本发明采用熔铸法原位生长制备TiC增强钛基复合材料。TiC是一种陶瓷增强相，其自身的物理性能和机械性能非常优异，主要体现在其弹性模量高，可达440MPa，热稳定性好，是具有巨大潜力的钛基复合材料增强相；采用原位生长自生合成TiC，TiC与钛基体具有更好的匹配性，与钛合金基体具有良好的相容性，结合良好；同时TiC的密度(4.93g/cm³)，热膨胀系数(7.74*10^-6℃^-1)以及泊松比(0.25)与钛基体比较接近，同时TiC不会与钛发生界面反应，与基具有直接原子结合的界面结构，界面洁净，结合牢固，无反应物及析出相的存在，且较稳定。故TiC是很好的钛合金颗粒增强相。同时，TiC颗粒可通过碳粉与钛的原位反应合成，TiC相在复合材料中将得到充分应用。

所述的钛基复合材料：选用以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系为基体的近α钛合金，Al为α稳定元素，可大量溶解于α相中，以扩大α相区；Si、Sn、Zr为中性稳定元素，可提高合金的耐热性能；Mo为β稳定元素，主要作用是细化合金的组织，以提高材料力学性能及抗氧化性能；稀土元素Nd主要作用是与氧形成氧化物颗粒，这种颗粒在高温条件下具有良好的稳定性,通过合理的热处理后使强度、塑性、热稳定性和高温力学性能之间达到最佳配合从而极大地改善复合材料的性能，尤其是对摩擦磨损性能有非常大的改善，加入C粉，TiC增强相由C与Ti自生反应合成。

采用本方法制备的钛基复合材料制动盘重量比锻钢及铸铁制动盘重量减轻40％左右，其他性能均达到或超过两种材料的性能。经检测和试验(参见图3)，钛基复合材料制动盘的密度4.5g/cm³，室温抗拉强度大于1200MPa，屈服强度大于1100MPa，高温抗拉强度高800MPa，屈服强度为600MPa左右，延伸率约为10％。可见，TiC增强钛基复合材料的高温力学性能好且性能稳定，同时其在高温下，不易变形，耐温性好。经试验，钛基复合材料的磨损量不到铸铁的磨损量的1/3，具体数据如图3所示。同时钛基复合材料的摩擦系数为到0.4，而铸铁的摩擦系数约为0.16～0.18，比铸铁摩擦系数提高了1倍，同时其磨损量小，在实现有效制动的同时延长制动盘使用寿命。

TiC增强钛基复合材料高速列车制动盘，用于动车机车和地铁、城轨车辆，使得列车重量进一步减轻，提高列车制动效果，减少运行能量消耗。

本发明专利公开了一种TiC颗粒增强钛基复合材料制动盘。钛及钛合金的比强度高，且具有优异的耐热性能，在众多领域得到广泛应用，特别是航空航天。钛基复合材料作为高温材料，得到广泛研究及应用。钛基复合材料是将刚硬的陶瓷增强相加入到钛合金基体中得到的。钛基复合材料主要为纤维增强和颗粒增强钛基复合材料。颗粒增强钛基复合材料较纤维增强钛基复合材料生产成本低，制备工艺简单，易加工，且选用陶瓷颗粒作为增强相，解决了界面问题。

Claims

1.一种钛基复合材料制成的铁路车辆制动盘，其特征在于：

钛基复合材料按质量百分比如下： Al含量为5％，Si含量为0.5％，Sn含量为2.5％，Zr含量6.5％，Mo含量1.5％，Nd含量为0.3％，C含量为6％，余量为Ti；

利用钛基复合材料制造铁路车辆制动盘的制备方法，包括如下步骤：

步骤4：对制动盘摩擦面表面进行精加工，表面粗糙度达到Ra3.2，散热槽部分不加工；螺栓孔直接由机械加工而成，尺寸为M12*1.5，得到制动盘。

2.根据权利要求1所述的一种钛基复合材料制成的铁路车辆制动盘，其特征在于：

步骤1中制备过程中生成TiC，TiC颗粒通过C粉与Ti粉的原位反应合成，TiC是一种陶瓷增强相。