CN105525153A - 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料，包括以下成分：75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，≤1.0％的铁，≤2.0％的镁，≤0.8％的钛。同时，还提供一种基于所述复合材料制造的轨道交通车辆的制动盘以及制造所述复合材料的方法。

Description

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘

技术领域

本发明涉及轨道交通用的制动装置领域，特别地涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘。

背景技术

在轨道交通技术领域，制动盘的材料对于机车有效制动极为关键。国外制动盘的传统材料为HT20-40、HT25-47、HT30-54，日本的窄轨线、新干线，法国的东南列车均使用过铸铁制动盘。另外，国外先后研制并试用了蠕墨铸铁盘(如日本、英国的FCV50)、金属包层制动盘(如日本以锻钢SCC60为结构增强材料，以HT25-47为摩擦面材料)、合金铸钢和锻钢制动盘(如德国、法国的耐热合金钢，日本新干线的AISI4330锻钢制动盘)。国内在制动盘材料的研制方面起步较晚，先后采用过普通铸铁、Ni-Cr-Mo合金铸铁、HT20-40、HT30-54、QT40-10、Cr-Mo铸铁、特种铸铁等材料。从世界各国列车制动盘材料的发展历程来看，其主要经历了普通铸铁、铸钢低合金铸铁、特种铸铁、特种铸钢、低合金锻钢以及复合材料等过程。

由于火车的大提速及轻量化要求，世界各国对制动盘材料的研究已从普通铸铁、普通铸钢、低合金铸铁等，逐渐发展到了合金铸钢、锻钢、蠕墨铸铁，陶瓷增强铝基复合材料，碳/碳纤维复合材料，陶瓷材料以及碳/碳化硅陶瓷复合材料等。

碳/碳纤维复合材料质量轻，高温强度高，高温摩擦性能优异，但制作成本高，低温强度低，低温易磨损；碳/碳化硅陶瓷复合材料的研究还处在实验室阶段，其成本高，离实用还有较长的时间；陶瓷材料的韧性差，易脆裂，尤其不适合制造大尺寸部件，成为制造高速列车制动盘的主要障碍；

陶瓷增强铝基复合材料具有生产周期短、制作成本低，能显著减轻列车簧下重量，降低牵引功率耗损而成为目前摩擦材料研究领域中非常热门的材料之一。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种复合材料，包括以下成分：

75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，锰：0.02％-1.2％，≤0.5％的铁，0.4％-2.0％的镁，0.05％-1％的钛。其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以铝硅合金和碳化硅颗粒两种形式存在。碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。

根据本发明的另一个方面，提供一种利用上述的复合材料制造的轨道交通车辆的制动盘。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是应用本发明的B型车90km/h速度模拟运营过程制动盘温度变化情况；

图2是应用本发明的B型车100km/h速度模拟运营过程制动盘温度变化情况；

图3是示出本发明复合材料的制造过程的流程图；

图4A-C示出了用本发明制造的制动盘金相组织。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有密度低、比强度高、比刚度高、耐磨性能优异，以及良好的导热性能和低的热膨胀系数等一系列优点，在制动材料方面的应用有着广阔的前景。采用铝基复合材料制备高速列车制动盘不仅可以降低车辆自身重量，为列车速度的提高创造有力条件，而且降低能耗。

本发明提供了一种用于轨道交通车辆制动盘的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其包括以下化学成分(重量百分比)：

Al：75-60，硅：20-30，碳：5-12，锰：0.02-1.2，铁：≤0.5，镁：0.4-2.0，钛：≤0.05-1。

其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以铝硅合金和碳化硅颗粒两种形式存在。碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。碳化硅颗粒在铝合金制动盘材料中所占的质量百分数为15-25％。

镁元素主要起到提高材料机械强度的作用，镁元素含量太少是，材料力学性能不能达到设计指标要求，制动盘在使用过程中易产生划伤，但镁元素增多的同时会降低铝基复合材料浆料的流动性，造成成型困难，因此需要控制在适当范围。

由于制动盘的工作原理是通过摩擦生热将列车的动能转化为热能并通过热交换消散于大气，在实际使用过程中制动盘会频繁的承受冷热交替的热负荷变化，因此要求制动盘相对较高的制动温度下保持稳定的力学性能。钛元素的加入可显著提高制动盘材料的耐热性能，同时还能起到细化晶粒的作用，提高材料延伸性，降低出现材料热疲劳裂纹出现的概率。

当然，本发明所提出的复合材料可具有其他用途，并不限于轨道交通车辆的制动盘。

本发明还提供了一种制动盘，该制动盘是采用上述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造的。

用本发明制造的制动盘力学性能及使用性能如下：

抗拉强度：≥200MPa

断后伸长率：>0.5％

硬度(HB)：80～100

导热系数(W/(m·K))：≥180(室温下)

比热容(J/g·℃)：≥0.8(室温下)

动态摩擦系数：≥0.35

静摩擦系数：≥0.35

瞬间耐高温：250℃

持续耐高温：200℃

用本发明提供的稀土蠕墨合金铸铁材料制造的制动盘与现有技术相比较，具有以下优点：

1、常温具有较高的导热性能，可有效降低制动盘内部的温度梯度，从而降低制动盘热应力；

2、与普通铝合金材料相比，高温力学性能稳定，有良好的热强性；

3、碳化硅颗粒增强相的存在使制动盘具有较强的抗磨损、抗擦伤能力；

4、材料晶粒组织细小、致密，具有良好的抗低温冲击性能

5、具有较强的耐热裂性能和耐腐蚀性能，从而提高制动盘的使用寿命。

研究表明车辆自身重量每增加10％，其能量消耗将增加5.5％，在资源日益短缺的今天，这一点尤为重要。

本发明从车辆减重及节能环保的思路出发，开发一种轨道交通车辆用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘。

轨道交通车辆采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘具有众多优点，由于铝合金密度远远小于铸铁和铸钢材料，因此采用铝合金制动盘可显著降低城轨车辆质量，特别是簧下质量。车辆减重后，其运行过程的能量消耗必然降低，因此车辆的节能环保指标会大大提高；另外，车辆簧下质量减小还可达到减轻车辆振动、降低噪声、提高乘坐舒适度、降低轨道振动及对线路周边环境不良影响等良好效果。

另外，碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高耐磨性、优良导热性以及抗热裂纹等诸多优点，可显著提高制动盘使用寿命。

图1和图2分别是铝基复合材料制动盘按照城市轨道交通车辆线路条件进行热负荷仿真分析的计算结果，按照90km/h速度模拟运营时，制动盘峰值温度为201℃，两次制动间隔内的温度差约为60℃，按照100km/h速度模拟运营时，制动盘摩擦面峰值温度为231℃，两次制动间隔内的温度差约为70℃。

如果按照传统铸铁材料制动盘按照城市轨道交通车辆线路条件进行热负荷仿真计算的话，90km/h速度模拟运营时，制动盘峰值温度为276℃，两次制动间隔内的温度差约为123℃，按照100km/h速度模拟运营时，制动盘摩擦面峰值温度为320℃，两次制动间隔内的温度差约为125℃。

显然，采用本发明所涉及的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘可以显著降低制动过程的峰值温度以及制动盘运用过程中的温度梯度，从而降低制动盘产生热疲劳的概率。

图3是示出本发明复合材料的制造过程的流程图。如图3所示，本发明所涉及的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造过程采用了半固态制造技术与真空搅拌铸造技术相结合的方法。碳化硅的密度与铝合金基体的密度不同，因此在液态铝合金基体中碳化硅颗粒容易漂浮和团聚，一旦碳化硅颗粒在材料中形成漂浮和偏聚，那么铝基复合材料的使用性能将不能保证。

半固态真空搅拌铸造制备颗粒增强复合材料的技术关键就在于如何保证增强体颗粒在微观尺度分散均匀且在后续制备过程中不发生变化。

对于碳化硅颗粒在铝合金基体中的分散和控制问题，需要保证碳化硅颗粒均匀分布在铝合金基体中，不发生团聚。尤其对制动盘而言，尺寸较大，所需的碳化硅铝基复合材料量大，因此必须保证大体积的复合材料中碳化硅的均匀分布。

具体过程如下：

1、铝合金铸锭制造

按照材料配比要求在真空环境下制造铝合金基体铸锭，确保铝合金基体材料纯净无影响使用性能的杂质，真空环境下还可避免金属元素被氧化以及铸锭中的气体残留；

2、碳化硅颗粒预处理

碳化硅颗粒与铝合金基体的界面结合能力不强，如果直接将碳化硅颗粒混入铝合金基体中，则在实际使用过程中摩擦界面上的碳化硅颗粒极易脱落。另外，碳化硅颗粒太小，则起不到提高耐磨性的作用，颗粒太大则容易在磨损脱落过程中划伤制动盘。因此，在制造工艺中必须提前对碳化硅颗粒进行筛选，本发明优选碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。

碳化硅颗粒粒度筛选完成后，还需进行高温加热、酸洗、碱洗去除表面杂质，提高碳化硅颗粒与铝合金基体的结合能力。

碳化硅颗粒在与铝合金基体混合之前，还需预加热到400～500℃。

3、真空环境半固态制造成型过程

在真空环境下熔化铝合金铸锭，待铸锭完全熔化后再将预处理及预加热好的碳化硅混入铝合金液态基体，加入碳化硅颗粒前开始进行铝合金液态浆料的搅拌，加入过程中搅拌不能终止，搅拌过程需正向搅拌和反向搅拌交替进行，确保碳化硅颗粒均匀弥散分布，碳化硅混合完成后通过停止加热，待铝合金基体温度降至部分液相组织开始形核结晶时停止搅拌并开始在真空环境中浇注制动盘毛坯。

由于浇铸前，铝合金液态浆料液晶开始形核结晶，此时浆料粘度很大，流动性很差，因此碳化硅颗粒可始终保持均匀弥散分布的状态而不会漂浮或团聚。

真空环境下制造可有效避免铝合金制动盘体中气孔的存在，同时还可避免因有效元素氧化而带来的氧化物夹杂。

4、热处理、无损探伤

5、机加工及动平衡

图4A-C示出了用本发明制造的制动盘金相组织。如图4A-C所示，从不同放大倍数的金相组织照片来看，用本发明提供碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒分布非常均匀、无孔洞缺陷及其他杂质。

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于轨道交通车辆的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘，该材料具有比重轻、耐磨性好、导热性能优良、抗热裂纹性能好的特点。

本发明所涉及的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘具有比铸铁、铸钢、锻钢制动盘更好的耐热疲劳性能和耐磨性，能够在交变的温度场和高热负荷的复杂工况下连续工作而不出现热疲劳。不仅如此，在相同的外形尺寸下，本发明专利涉及的制动盘可比普通材料制动盘减重达60％以上，大大减少了轨道交通车辆能源的消耗，起到了节能减排的作用。

上面参考附图说明了本发明的典型实施例。上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (6)

1.一种复合材料，包括以下成分：

75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，≤1.0％的铁，≤2.0％的镁，≤0.8％的钛。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料用于制造轨道交通车辆的制动盘。

3.一种利用根据权利要求1所述的复合材料制造的轨道交通车辆的制动盘。

4.一种制造根据权利要求1所述的复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)在真空环境下制造铝合金基体铸锭；

(2)预处理碳化硅颗粒，包括：筛选适于与所述铝合金基体结合的碳化硅颗粒；高温加热、酸洗、碱洗去除表面杂质。

(3)在真空环境下将经过预处理的碳化硅混入已熔化的所述铝合金基体，以浇注制动盘毛坯；

(4)热处理及无损探伤；以及

(5)机加工及动平衡。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤(2)中筛选的碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括在将碳化硅颗粒在与铝合金基体混合之前，预加热到400～500℃。