CN106838065A - 一种高速列车制动盘及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速列车制动盘及制备方法和应用；属于特种制动盘开发技术领域。所述高速列车制动盘包括摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，复合式双层金属骨架(2)的材质为通过热压复合的双层金属材料。所述组合式制动盘包括碳陶摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；通过铆接将碳陶摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)连接成一体。本发明所设计的制动盘应用于高铁时，其使用寿命明显高于现有产品。

Description

一种高速列车制动盘及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种高速列车制动盘及制备方法和应用；属于特种制动盘开发技术领域。
背景技术
高速列车制动盘是制动装置中最为关键的部件之一。随着列车的提速和制动工况下运行条件的恶劣，巨大的制动热负荷及热冲击会产生很大的温度梯度，导致制动盘内形成极大的热应力。因此，要求制动盘材料不仅具有稳定、均匀的摩擦性能和较高的耐磨性能之外，还必须有较高的热疲劳性能和导热性能，低的弹性模量和热膨胀系数，使得制动热量能迅速逸散，以减少制动盘摩擦表面急冷急热所形成的高热应力。
碳陶复合材料具有重量轻、抗热衰退、抗热震、耐磨损、耐高温等优异的性能，相比合金钢制动材料，可大幅延长制动盘的使用寿命。实用新型专利CN 2039627933 U提出一种高速列车制动盘，包括钢骨架和碳陶摩擦块，其采用碳陶摩擦块代替现有广泛应用的合金钢制动盘摩擦层，减轻了列车簧下重量，降低了牵引功率耗损，同时提高了制动盘的热机械性能，可以减少制动盘盘数。但是在刹车时，这类制动盘和闸片间接触摩擦部位的温度就上升，并且车辆速度越快温升就越高。由于钢背的导热性和热传导性较差，散热效果不好，使得制动盘受摩擦发热后，造成接触摩擦表面的烧蚀，而且摩擦副相互作用产生的热应力还会造成制动盘的热蠕变和热疲劳损坏。而且，钢背的高密度限制了列车速度的进一步提升，且导致列车运行能耗增加。
发明内容
本发明首次尝试了复合式双层金属骨架替代钢骨架，与碳陶复合材料互配后用做制动盘。
本发明一种高速列车制动盘，所述制动盘包括摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；其特征在于：所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，所述复合式双层金属骨架(2)由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)构成；所述铜基合金盘(2-1)的材质为铜合金或弥散强化铜合金；所述铝基合金盘(2-2)的材质为铝合金或弥散强化铝合金；将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装后，得到高速列车制动盘；沿高速列车制动盘厚度的方向，所述铜基合金区域到摩擦盘(1)的最小距离小于铝基合金区域到摩擦盘(1)的最小距离。
本发明一种高速列车制动盘，所述复合式双层金属骨架(2)由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)构成；所述铜基合金盘(2-1)为铜合金或弥散强化铜合金；所述铜合金以质量百分比计包括下述原料：
Ni 0.5～8wt％；
Cr 0.1～2wt％；
Mg 0～0.3wt％；
Sn 0～0.2wt％；
Al 0～8wt％；
Zn 0～1wt％；
Fe 0～3wt％；
Si 0～1.5wt％；
余量为Cu和不可避免杂质；上述原料即为铜合金的原料和组分。
本发明一种高速列车制动盘，所述弥散强化铜合金以质量百分比计包括下述原料：
水雾化Cu-Al合金粉；
Cu2O粉末；
水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉末的质量比65～85:1。
余量为不可避免杂质；上述原料即为弥散强化铜合金的原料和组分。
本发明一种高速列车制动盘，所述铝基合金盘(2-2)为铝合金或弥散强化铝合金；所述铝合金以质量百分比计包括下述原料：
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质；上述原料即为铝合金的原料和组分。
本发明一种高速列车制动盘，所述弥散强化铝合金以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒3-10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质；上述原料即为弥散强化铝合金的原料和组分。
本发明一种高速列车制动盘，摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)通过铆接构成一体；铆接后；沿所述制动盘厚度方向，复合式双层金属骨架(2)上的铝基合金盘(2-2)到摩擦盘(1)的最小距离大于复合式双层金属骨架(2)上的铜基合金盘(2-1)到摩擦盘(1)的最小距离。
本发明一种高速列车制动盘，所述制动盘包括碳陶摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；所述碳陶摩擦盘(1)包括B面和A面，所述A面为摩擦面，B面为非摩擦面；所述铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)通过热压构成所述复合式双层金属骨架(2)；将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装后，沿制动盘厚度的方向，所述铜基合金盘(2-1)到B面的最小距离小于其到A面的最小距离。
本发明一种高速列车制动盘，所述碳陶摩擦盘(1)包括n个摩擦盘沉孔(3)；
所述复合式双层金属骨架(2)上设有n个位置与摩擦盘沉孔(3)相对应的沉孔(4)，以及m个中孔(5)；所述沉孔(4)中孔(5)均贯穿铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)；
用铆钉通过摩擦盘沉孔(3)以及相对应的沉孔(4)将复合式双层金属骨架(2)和摩擦盘(1)冷铆接成一个整体；冷铆接成一个整体后，铆接力为0.7～1MPa；冷铆接后，得到制动盘，沿制动盘厚度的方向铜基合金盘(2-1)到B面的最小距离为-0.05mm～0.05mm。作为优选，铆接所用铆钉为铜质或钢制铆钉。
本发明一种高速列车制动盘的制备方法：其方案为：
将碳陶摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装起来；得到所述高速列车制动盘；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料；所述复合式双层金属骨架(2)由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)通过复合而成；
所述铜基合金盘(2-1)为铜合金或弥散强化铜合金；所述铜合金以质量百分比计包括下述原料：
Ni 0.5～8wt％；
Cr 0.1～2wt％；
Mg 0～0.3wt％；
Sn 0～0.2wt％；
Al 0～8wt％；
Zn 0～1wt％；
Fe 0～3wt％；
Si 0～1.5wt％；
余量为Cu和不可避免杂质；上述原料即为铜合金的原料和组分。
所述弥散强化铜合金以质量百分比计包括下述原料：
水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉末的质量比65～85:1。
余量为不可避免杂质；上述原料即为弥散强化铜合金的原料和组分。
本发明一种高速列车制动盘，所述铝基合金盘(2-2)为铝合金或弥散强化铝合金；所述铝合金以质量百分比计包括下述原料：
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质；上述原料即为铝合金的原料和组分。
所述弥散强化铝合金以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒3-10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质；上述原料即为弥散强化铝合金的原料和组分。
作为优选方案，本发明一种高速列车制动盘的制备方法，制备复合式双层金属骨架(2)包括下述步骤：
步骤Ⅰ
按铜基合金盘(2-1)的设计组分制备出铜基合金；对所得铜基合金进行粗加工，得到铜基合金盘粗坯；
按铝基合金盘(2-2)的设计组分制备出铝基合金；对所得铝基合金进行粗加工，得到铝基合金盘粗坯；
步骤Ⅱ
将铜基合金盘粗坯与铝基合金盘粗坯的待连接面打磨至表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，清洗、烘干；
步骤Ⅲ
将步骤Ⅱ处理后铜基合金和铝基合金的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加20～40MPa的压力，热压温度为520～620℃，保温时间为5～30分钟，之后卸压，空气中自然冷却，得到复合式双层金属骨架坯体；
步骤Ⅳ
将步骤Ⅱ的复合式双层金属骨架坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，以及沉孔(4)和中孔(5)；即得到由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)组成的复合式双层金属骨架(2)。
在工业化应用时，步骤Ⅱ中，将铜基合金和铝基合金的待连接面用砂纸打磨，使表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，然后用无水乙醇擦洗表面。
在工业化应用时，步骤Ⅲ中，可在空气中进行热压。
作为优选方案，本发明一种高速列车制动盘的制备方法，当铜基合金盘(2-1)的材质为铜合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤①
按设计组分配取Ni源、Sn源、Mg源、Al源、Cr源、Zn源、Fe源、Si源、Cu，将Cu在真空感应熔炼炉内熔化，然后将配取的Ni源、Sn源、Cr源、Fe源、Si源置于熔融铜中；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源、Al源和Zn源，搅拌均匀，再升温至在1200～1250℃，在氮气保护下浇铸；得到铸坯；
步骤②
对步骤①所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为900～1060℃、时间为4～8小时；
步骤③
对步骤②所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热轧，控制热挤压或热锻造温度为820～860℃，热挤压比为10～12：1，热轧控制变形量为75～85％，得到变形件；
步骤④
将变形件进行固溶处理，固溶温度为960～980℃，固溶时间0.5～4小时，之后出炉水淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤⑤
淬火后的坯料继续进行冷轧或冷锻，冷轧或冷锻变形量为50～70％；
步骤⑥
对步骤⑤得到的冷变形件进行时效处理，控制时效温度为440～490℃、时效时间为0.3～4小时；时效处理后，进行粗加工，得到铜合金盘粗坯，铜合金盘粗坯按设计尺寸加工，得到铜合金盘。
本发明一种高速列车制动盘的制备方法，当铜基合金盘(2-1)的材质为弥散强化铜合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤一
按按设计组分配取水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉，其中水雾化Cu-Al合金粉的粒度为40～150μm，Cu2O粉的平均粒度约为50μm。
步骤二
将步骤一的原材料投入混料器中，混料1～4小时。
步骤三
将混合料在氮气中于900～920℃内氧化1～2.5h。再在氢气中于900～920℃还原1～2h，经粉碎、过筛后制得Al2O3弥散铜合金粉末。
步骤四
冷压成型，压制压力500～600MPa，压制速度为5～8mm/min，保压40～50秒，得到Al2O3弥散铜合金压坯。
步骤五
将Al2O3弥散铜合金压坯在H2气氛炉中进行烧结处理，烧结温度为950～1080℃，保温时间为1～2小时，得到弥散强化铜烧结坯。
步骤六
将烧结坯经200MPa冷等静压致密化处理，处理时间1～2h。再将其冷轧或冷锻成板状件，冷轧或冷锻变形量为50～70％；
步骤七
对步骤六得到的冷变形件在H2气氛保护下进行中间退火处理，控制时效温度为800～850℃、时效时间为0.5～2小时；处理后进行粗加工，得到弥散强化铜合金盘粗坯，弥散强化铜合金盘粗坯按设计尺寸加工后得到弥散强化铜合金盘。
作为优选方案，本发明一种高速列车制动盘的制备方法，当所述铝基合金盘(2-2)的材质为铝合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤A-1
按设计组分配取Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤B-1
对步骤A-1所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36～48小时；
步骤C-1
对步骤B-1所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60～90％，得到变形件；
步骤D-1
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤E-1
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到铝合金盘粗坯，按设计尺寸对铝合金盘粗坯进行加工后，得到铝合金盘。
作为优选方案，本发明一种高速列车制动盘的制备方法，当所述铝基合金盘(2-2)的材质为弥散强化铝合金时；其制备方法包括下述步骤：
步骤1-1
按设计组分配取SiC颗粒、Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源、SiC颗粒置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤1-2
对步骤1-1所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36～48小时；
步骤1-3
对步骤1-2所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60～90％，得到变形件；
步骤1-4
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤1-5
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到弥散强化铝合金盘粗坯，按设计尺寸对弥散强化铝合金盘粗坯进行加工后，得到弥散强化铝合金盘。
作为优选方案，本发明一种高速列车制动盘的制备方法，摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比7.5～9：3～1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.3～0.6g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1500～2100℃，进行3～10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.0～1.5g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:1～3，沉积温度为900～1050℃，沉积时间为100～300小时。
步骤D
在惰性保护气氛下，于1800～2300℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间2～5小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与铝基复合材料复合式双层金属骨架连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.01～0.1μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的1.2～2.0倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1500～1900℃进行渗硅，处理时间为1～2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为1.8～2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶摩擦盘。
本发明一种制动盘的应用，包括将所述制动盘应用于高速列车上。
本发明一种制动盘的应用，将其用于高速列车上时，当高速列车车速大于300Km/h且紧急制动时，其所表现出来性能远远由于现有制动盘。
原理和优势：
与现有技术相比，其优点与积极效果在于：
(1)铜和铝的导热性和散热性均远优于钢。由表1可知，铜的导热性最好，但热扩散系数较铝小，因此散热较慢，铝的导热性略低于铜，但散热较铜快。而钢的导热性仅为铝的1/3，铜的1/6，热扩散系数也远低于铝和铜，因此其导热和传热效果均较差，而且随温度升高，铝的导热性进一步提高，钢的则降低。
因此，本发明使用高强、耐高温、高热容的铜基合金和高强、高导热的铝基合金组合的复合式双层金属骨架。在刹车时，靠近碳陶摩擦盘的高热容铜基合金可以吸收碳陶摩擦盘大量的热，减少盘表面的烧蚀，而且其耐温性可达到600～800℃，软化温度甚至达到1000℃以上，强度达到600MPa以上，特别是氧化铝等颗粒增强的铜基合金，其耐温性和强度更高。而远离碳陶摩擦盘的高强、高导热的铝基合金则不仅可以带走铜基合金盘吸收的大量热量，减少制动盘的热蠕变和热疲劳损坏，而且可以对铜基合金盘起到有效的支撑作用。此外，与钢(7.85g/cm3)相比，采用密度高的铜(8.9g/cm3)和密度低的铝(2.7g/cm3)结合使用，可实现列车的进一步减重。
(2)本发明采用热稳定性高、无热振动、耐磨损的碳陶复合材料作为制动盘的摩擦盘，不仅可实现列车的大幅度减重，而且可大幅延长制动盘的使用寿命。碳陶摩擦盘和复合式双层金属骨架的结合模式使得制动盘的抗冲击强度和蠕变抗力显著提高，整个制动盘体内温度场的分布得以改善，降低制动时产生的热应力，制动时制动盘的损耗显著减小，制动盘的寿命大幅延长，整体质量相比钢盘得以大幅的降低。
表1金属的导热系数(W/mK)
本发明的金属骨架采用耐高温、高强度的铜基合金和铝基合金的双层金属复合结构，靠近碳陶摩擦盘一侧选用高强、耐高温、高热容的铜基合金，在刹车时对碳陶摩擦盘起到带走热量和支撑作用。和高强、高导热的铝基合金，靠近摩擦盘的一端在刹车时所承受的温度，远高于300℃，常规金属在该温度下，力学性能显著降低，因此需要对靠近摩擦盘一段的材质进行重新设计。本发明中所设计的铜基合金中选用高强度、耐高温的铜合金或添加氧化铝的弥散强化铜合金，经各组分的协同作用，其力学性能和抗高温蠕变性能远高于常规铜合金。远离碳陶摩擦盘的一侧选用高Zn、Mg、Cu的超高强度铝合金或含低碳化硅的高Zn、Mg、Cu的弥散强化超高强铝合金，对铜基复合材料盘起到了有效的支撑作用。将高强耐高温铜基合金和超高强度铝基合金通过热压连接，由于两者为性质相近的金属材质，因此连接界面的剪切强度较高，结合致密。与整体钢盘相比，该类组合式复合材料制动盘在显著减重和高导热的同时，摩擦盘制动时带来的高的热量不会引起材料的显著蠕变。
附图说明
附图1为本发明制动盘的结构原理示意图；
附图2a为实施例1制备的制动盘的结构示意图；
附图2b为附图2a的纵向剖视图；
附图3为图2a中碳陶摩擦盘(1)的结构示意图；
附图4a为图2a中复合式双层金属骨架(2)的结构示意图
附图4b为图4a的纵向剖视图。
图中，1为摩擦盘、2为复合式双层金属骨架、3为摩擦盘上的沉孔、4为复合式双层金属骨架上与3相对应的沉孔、5为中孔；2-1为铜基合金盘；2-2为铝基合金盘；A为摩擦盘上的摩擦面、B为摩擦盘上的非摩擦面。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明所记载技术方案中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
实施例1
参照图2～4所示，这种新型高速列车制动盘，制动盘体包括一个碳陶摩擦盘1和一个复合式双层金属骨架2；碳陶摩擦盘1上包括了若干个沉孔3；复合式双层金属骨架2由铜基合金盘2-1和铝基合金盘2-2；在复合式双层金属骨架2上还包括若干个位置与碳陶摩擦盘1的沉孔3对应的沉孔4，以及中孔5；用铜质或钢制铆钉依次将碳陶摩擦盘1和复合式双层金属骨架2进行冷铆接连接成一体，铆接力为0.7～1MPa，且碳陶摩擦盘1的非摩擦面B与铜基合金盘2-1的盘面C对应。使用时，本发明通过复合式双层金属骨架2的中孔6与列车车轮毂相连，碳陶摩擦盘1的摩擦面A为工作面。当制动盘的碳陶摩擦盘1经刹车长时间制动导致厚度尺寸变小，按规定需要更换时，拆卸螺栓，更换摩擦盘即可继续使用。
本实施例中，摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比4：1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.5g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1800℃，进行10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.2g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:2，沉积温度为1050℃，沉积时间为200小时。
步骤D
在惰性保护气氛下，于2100℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间4小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与复合式双层金属骨架连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.05μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的2倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1800℃进行渗硅，处理时间为2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶摩擦盘。
本实施例中，铜基合金盘(2-1)所需铜合金的制备方法为：
步骤①
按要求进行配料，Ni 6wt％、Cr 0.5wt％、Mg 0.2wt％、Sn 0.2wt％、Al 4wt％、Zn0.5wt％、Fe 0.5wt％、Si 0.5wt％；余量为Cu和不可避免杂质。
步骤②
将Cu在真空感应熔炼炉内熔化，然后将配取的Ni源、Sn源、Cr源、Fe源、Si源置于熔融铜中；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源、Al源和Zn源，搅拌均匀，再升温至在1200～1250℃，在氮气保护下浇铸；得到铸坯；
步骤③
对步骤①所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为1000℃、时间为6小时；
步骤④
对步骤②所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压，控制热挤压温度为840℃，热挤压比为12：1，得到变形件；
步骤⑤
将变形件进行固溶处理，固溶温度为960℃，固溶时间2小时，之后出炉水淬至淬件的温度为25℃；
步骤⑥
淬火后的坯料继续进行冷轧，冷轧变形量为70％；
步骤⑦
对步骤⑥得到的冷轧件进行时效处理，控制时效温度为450℃、时效时间为2小时；时效处理后，进行粗加工，得到铜合金盘粗坯。
本实施例中，铝基合金盘(2-2)所需弥散强化铝合金的制备方法为：
步骤I
按要求进行配料，SiC颗粒10wt％、Zn 9.0wt％、Mg 2.5wt％、Cu 2.5wt％、Zr0.35wt％、Sc 0.3wt％，余量为Al和不可避免杂质。
步骤II
将Al在熔炼炉内熔化，然后将Al-Zr、Al-Sc、Al-Cu、SiC颗粒置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650℃，加入纯Mg和纯Zn，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤III
对步骤II所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460℃、时间为48小时；
步骤IV
对步骤III所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压，控制热挤压温度为440℃，热挤压比为10：1，得到变形件；
步骤V
将变形件进行固溶处理，固溶温度为510℃，固溶时间1小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为20℃；
步骤VI
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为125℃、时效时间为24小时；时效处理后，进行粗加工，得到弥散强化铝合金盘粗坯。
步骤Ⅰ-1
将步骤⑦所得铜基合金和步骤VI铝基合金的待连接面用砂纸打磨，使表面粗糙度Ra 1.0μm，然后用无水乙醇擦洗表面；
步骤Ⅱ-2
将步骤Ⅰ-1的铜基合金和铝基合金的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加40MPa的压力，在空气中进行热压，热压温度为580℃，保温时间为5分钟，之后卸压，自然冷却，得到复合式双层金属骨架坯体；
步骤Ⅲ-3
将步骤Ⅱ-2的复合式双层金属骨架坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，并加工中孔，以及与碳陶摩擦盘连接的沉孔，在磨床上将各面进行打磨，得到由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)组成的复合式双层金属骨架(2)。
将步骤Ⅲ-3所得复合式双层金属骨架(2)与步骤F所得碳陶摩擦盘通过钢质铆钉铆接；得到制动盘；所述制动盘各部分的的性能检测如表2所示。不同制动速度下，本发明制动盘的摩擦磨损性能见表3。实验条件为：干摩擦：制动压力1MPa，滑行速度分别为8m·s-1、16m·s-1、24m·s-1，滑行距离2000转，对偶件为30CrMoSiVA合金钢。
表2实施例1所开发的制动盘各部分的性能检测值
表3实施例1开发的新型制动盘在不同制动下的摩擦磨损性能
实施例2
参照图2～4所示，这种新型高速列车制动盘，制动盘体包括一个碳陶摩擦盘1和一个复合式双层金属骨架2；碳陶摩擦盘1上包括了若干个沉孔3；复合式双层金属骨架2由铜基合金盘2-1和铝基合金盘2-2；在复合式双层金属骨架2上还包括若干个位置与碳陶摩擦盘1的沉孔3对应的沉孔4，以及中孔5；用铜质或钢制铆钉依次将碳陶摩擦盘1和复合式双层金属骨架2进行冷铆接连接成一体，铆接力为0.7～1MPa，且碳陶摩擦盘1的非摩擦面B与铜基合金盘2-1的盘面C对应。使用时，本发明通过复合式双层金属骨架2的中孔6与列车车轮毂相连，碳陶摩擦盘1的摩擦面A为工作面。当制动盘的碳陶摩擦盘1经刹车长时间制动导致厚度尺寸变小，按规定需要更换时，拆卸螺栓，更换摩擦盘即可继续使用。
本实施例中，摩擦盘(1)的制备方法以及参数和实施例1完全一致。
本实施例中，铜基合金盘(2-1)所需弥散强化铜合金的制备方法为：
步骤一
按水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉末的质量比70:1配取粉末，水雾化Cu-Al合金粉中Al含量为10wt％，余量为Cu；水雾化Cu-Al合金粉的粒度为100μm，Cu2O粉的平均粒度为50μm。
步骤二
将步骤一的原材料投入混料器中，混料1～4小时。
步骤三
将混合料在氮气中于900℃内氧化2.5h。再在氢气中于920℃还原2h，经粉碎、过筛后制得Al2O3弥散铜合金粉末。
步骤四
将Al2O3弥散铜合金粉冷压成型，压制压力550MPa，压制速度为5mm/min，保压40秒，得到Al2O3弥散铜合金压坯。
步骤五
将Al2O3弥散铜合金压坯在H2气氛炉中进行烧结处理，烧结温度为980℃，保温时间为2小时，得到弥散强化铜烧结坯。
步骤六
将烧结坯经200MPa冷等静压致密化处理，处理时间2小时。再将其冷轧成板状件，冷轧变形量为70％；
步骤七
对步骤六得到的冷轧件在H2气氛保护下进行中间退火处理，控制时效温度为850℃、时效时间为0.5小时；处理后进行粗加工，得到弥散强化铜合金盘粗坯。
本实施例中，铝基合金盘(2-2)所需铝合金的制备方法为：
步骤A
按要求进行配料，Zn 8.6wt％、Mg 2.5wt％、Cu 2.2wt％、Zr 0.15wt％、Sc0.2wt％，余量为Al和不可避免杂质；
步骤B
将Al-Zr、Al-Sc、Al-Cu中间合金置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入纯Mg和纯Zn，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤C
对步骤B所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为465℃、时间为48小时；
步骤D
对步骤C所得均匀化处理后的铸坯进行热锻造，控制热锻造温度为430℃，热锻造控制道次变形量为90％，得到变形件；
步骤E
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480℃，固溶时间2小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为20℃；
步骤F
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为130℃、时效时间为24小时；时效处理后，进行粗加工，得到铝合金盘粗坯。
步骤Ⅰ-1
将步骤七所得铜基合金和步骤F所得铝基合金的待连接面用砂纸打磨，使表面粗糙度Ra 1.0μm，然后用无水乙醇擦洗表面；
步骤Ⅱ-2
将步骤Ⅰ-1的铜基合金和铝基合金的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加40MPa的压力，在空气中进行热压，热压温度为580℃，保温时间为5分钟，之后卸压，自然冷却，得到复合式双层金属骨架坯体；
步骤Ⅲ-3
将步骤Ⅱ-2的复合式双层金属骨架坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，并加工中孔，以及与碳陶摩擦盘连接的沉孔，在磨床上将各面进行打磨，得到由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)组成的复合式双层金属骨架(2)。
将步骤Ⅲ-3所得复合式双层金属骨架(2)与碳陶摩擦盘通过钢质铆钉铆接；得到制动盘；所述制动盘各部分的的性能检测如表4所示。不同制动速度下，本发明制动盘的摩擦磨损性能见表5。实验条件为：干摩擦：制动压力1MPa，滑行速度分别为8m·s-1、16m·s-1、24m·s-1，滑行距离2000转，对偶件为30CrMoSiVA合金钢。
表4实施例2所开发的制动盘各部分的性能检测值
表5实施例2开发的新型制动盘在不同制动下的摩擦磨损性能
各部件组合成制动盘后，经实验测试，与传统的钢质制动盘、碳陶制动盘、铝基制动盘、碳陶复合材料摩擦盘和铜基合金制动盘相比，碳陶摩擦盘和复合式双层金属骨架组合制动盘在高频率制动工况下，其耐磨性能和力学性能显著提高，热应力大幅降低。纯碳陶复合材料制动盘制动时温度可达400～500℃，借助铜基合金高热容和铝基合金高的导热、散热性能，本发明的组合式复合材料制动盘的温度只有180℃～280℃。完全可以适应下一代高铁的设计需求。

Claims (10)

1.一种高速列车制动盘，所述制动盘包括摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；其特征在于：所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，所述复合式双层金属骨架(2)由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)构成；所述铜基合金盘(2-1)的材质为铜合金或弥散强化铜合金；所述铝基合金盘(2-2)的材质为铝合金或弥散强化铝合金；将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装后，得到高速列车制动盘；沿高速列车制动盘厚度的方向，所述铜基合金区域到摩擦盘(1)的最小距离小于铝基合金区域到摩擦盘(1)的最小距离。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车制动盘，其特征在于：所述铜合金以质量百分比计包括下述组分：
Ni 0.5～8wt％；
Cr 0.1～2wt％；
Mg 0～0.3wt％；
Sn 0～0.2wt％；
Al 0～8wt％；
Zn 0～1wt％；
Fe 0～3wt％；
Si 0～1.5wt％；
余量为Cu和不可避免杂质。
所述弥散强化铜合金以质量百分比计包括下述原料：
水雾化Cu-Al合金粉；
Cu2O粉末；
余量为不可避免杂质；
水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉末的质量比65～85:1。
所述水雾化Cu-Al合金粉以质量百分比包括下述组分：
Al 2-10wt％；
余量为Cu；
所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质。
所述弥散强化铝合金以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒3～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的一种组合式复合材料制动盘，其特征在于：摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)通过铆接构成一体。
4.根据权利要求2所述的一种高速列车制动盘，其特征在于：
所述制动盘包括碳陶摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)；所述碳陶摩擦盘(1)包括B面和A面，所述A面为摩擦面，B面为非摩擦面；所述铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)通过热压构成所述复合式双层金属骨架(2)；将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装后，沿制动盘厚度的方向，所述铜基合金盘(2-1)到B面的最小距离小于其到A面的最小距离。
5.根据权利要求2所述的一种高速列车制动盘，其特征在于：
所述碳陶摩擦盘(1)包括n个摩擦盘沉孔(3)；
所述复合式双层金属骨架(2)上设有n个位置与摩擦盘沉孔(3)相对应的沉孔(4)，以及m个中孔(5)；所述沉孔(4)中孔(5)均贯穿铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)；
用铆钉通过摩擦盘沉孔(3)以及相对应的沉孔(4)将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)冷铆接成一个整体；冷铆接成一个整体后，铆接力为0.7～1MPa；冷铆接后，得到制动盘，沿制动盘厚度的方向铜基合金盘(2-1)到B面的最小距离为-0.05mm～0.05mm。
6.一种制备如权利要求1-5任意一项所述的高速列车制动盘的方法，其特征在于：
将摩擦盘(1)和复合式双层金属骨架(2)组装起来，得到所述制动盘；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料；所述复合式双层金属骨架(2)由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)通过复合而成；
所述铜基合金盘(2-1)为铜合金或弥散强化铜合金；所述铜合金以质量百分比计包括下述组分：
Ni 0.5～8wt％；
Cr 0.1～2wt％；
Mg 0～0.3wt％；
Sn 0～0.2wt％；
Al 0～8wt％；
Zn 0～1wt％；
Fe 0～3wt％；
Si 0～1.5wt％；
余量为Cu和不可避免杂质。
所述弥散强化铜合金以质量百分比计包括下述原料：
水雾化Cu-Al合金粉；
Cu2O粉末；
余量为不可避免杂质；
水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉末的质量比65～85:1。
所述水雾化Cu-Al合金粉以质量百分比包括下述组分：
Al 2-10wt％；
余量为Cu；
所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质。
所述弥散强化铝合金以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒3～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al和不可避免杂质。
7.根据权利要求6所述的一种高速列车制动盘的制备方法，其特征在于：制备复合式双层金属骨架(2)包括下述步骤：
步骤Ⅰ
按铜基合金盘(2-1)的设计组分制备出铜基合金；对所得铜基合金进行粗加工，得到铜基合金盘粗坯；
按铝基合金盘(2-2)的设计组分制备出铝基合金；对所得铝基合金进行粗加工，得到铝基合金盘粗坯；
步骤Ⅱ
将铜基合金盘粗坯与铝基合金盘粗坯的待连接面打磨至表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，清洗、烘干；
步骤Ⅲ
将步骤Ⅱ处理后铜基合金和铝基合金的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加20～40MPa的压力，空气中热压，热压温度为520～620℃，保温时间为5～30分钟，之后卸压，空气中自然冷却，得到复合式双层金属骨架坯体；
步骤Ⅳ
将步骤Ⅱ的复合式双层金属骨架坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，以及沉孔(4)和中孔(5)；即得到由铜基合金盘(2-1)和铝基合金盘(2-2)组成的复合式双层金属骨架(2)。
8.根据权利要求7所述的一种高速列车制动盘的制备方法，其特征在于；
当铜基合金盘(2-1)的材质为铜合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤①
按设计组分配取Ni源、Sn源、Mg源、Al源、Cr源、Zn源、Fe源、Si源、Cu，将Cu在真空感应熔炼炉内熔化，然后将配取的Ni源、Sn源、Cr源、Fe源、Si源置于熔融铜中；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源、Al源和Zn源，搅拌均匀，再升温至在1200-1250℃，在氮气保护下浇铸；得到铸坯；
步骤②
对步骤①所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为900～1060℃、时间为4-8小时；
步骤③
对步骤②所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热轧，控制热挤压或热锻造温度为820～860℃，热挤压比为10～12：1，热轧控制变形量为75-85％，得到变形件；
步骤④
将变形件进行固溶处理，固溶温度为960～980℃，固溶时间0.5～4小时，之后出炉水淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤⑤
淬火后的坯料继续进行冷轧或冷锻，冷轧或冷锻变形量为50-70％；
步骤⑥
对步骤⑤得到的冷变形件进行时效处理，控制时效温度为440～490℃、时效时间为0.3～4小时；时效处理后，进行粗加工，得到铜合金盘粗坯，铜合金盘粗坯按设计尺寸加工，得到铜合金盘。
当铜基合金盘(2-1)的材质为弥散强化铜合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤一
按按设计组分配取水雾化Cu-Al合金粉和Cu2O粉，其中水雾化Cu-Al合金粉的粒度为40～150μm，Cu2O粉的平均粒度约为50μm。
步骤二
将步骤一的原材料投入混料器中，混料1～4小时。
步骤三
将混合料在氮气中于900～920℃内氧化1～2.5h。再在氢气中于900～920℃还原1～2h，经粉碎、过筛后制得Al2O3弥散铜合金粉末。
步骤四
冷压成型，压制压力500～600MPa，压制速度为5～8mm/min，保压40～50秒，得到Al2O3弥散铜合金压坯。
步骤五
将Al2O3弥散铜合金压坯在H2气氛炉中进行烧结处理，烧结温度为950～1080℃，保温时间为1～2小时，得到弥散强化铜烧结坯。
步骤六
将烧结坯经200MPa冷等静压致密化处理，处理时间1～2h。再将其冷轧或冷锻成板状件，冷轧或冷锻变形量为50-70％；
步骤七
对步骤六得到的冷变形件在H2气氛保护下进行中间退火处理，控制时效温度为800～850℃、时效时间为0.5～2小时；处理后进行粗加工，得到弥散强化铜合金盘粗坯，弥散强化铜合金盘粗坯按设计尺寸加工后得到弥散强化铜合金盘；
当所述铝基合金盘(2-2)的材质为铝合金时，其制备方法包括下述步骤：
步骤A-1
按设计组分配取Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤B-1
对步骤A-1所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36-48小时；
步骤C-1
对步骤B-1所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤D-1
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤E-1
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到铝合金盘粗坯，按设计尺寸对铝合金盘粗坯进行加工后，得到铝合金盘；
当所述铝基合金盘(2-2)的材质为弥散强化铝合金时；其制备方法包括下述步骤：
步骤1-1
按设计组分配取SiC颗粒、Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源、SiC颗粒置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤1-2
对步骤1-1所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36-48小时；
步骤1-3
对步骤1-2所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤1-4
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤1-5
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到弥散强化铝合金盘粗坯，按设计尺寸对弥散强化铝合金盘粗坯进行加工后，得到弥散强化铝合金盘。
9.根据权利要求6所述的一种高速列车制动盘的制备方法，其特征在于；碳陶摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比7.5～9：3～1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.3～0.6g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1500～2100℃，进行3～10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.0～1.5g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:1～3，沉积温度为900～1050℃，沉积时间为100～300小时。
步骤D
在惰性保护气氛下，于1800～2300℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间2～5小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与复合式双层金属骨架连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.01～0.1μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的1.2～2.0倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1500～1900℃进行渗硅，处理时间为1～2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为1.8～2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶摩擦盘。
10.一种如权利要求1-5任意一项所述制动盘的应用，包括将所述制动盘应用于高速列车上。
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