CN108644260A - 一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高速列车制动技术，具体涉及一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法。所述轻量一体化制动轴盘1内设有带导气槽的轴向散热孔21和径向通气孔22；所述轻量一体化制动轴盘1的制备方法为：先选用塑料作为径向孔和轴向孔的模具，并加工成既定形状，再在其表面包裹具有特殊结构和功能的石墨纸，或经预处理的石墨纸或碳纤维纸；然后设计图纸将其固定后采用碳纤维进行编织，得到编织体；然后进行脱胶、增密处理，以及渗硅处理；渗硅后，进行精加工，得到设定尺寸和结构的轻量一体化制动轴盘。本发明制备工艺简单可控，特别适用于制备对散热要求特别高，且散热孔特备复杂的碳陶轻量一体化制动轴盘。

Description

一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法
技术领域
本发明属于高速列车制动技术，具体涉及一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法。
背景技术
目前高速列车使用的制动盘主要有轴装制动盘(安装在轴上)和轮装制动盘(安装在轮上)两种，两种制动盘多采用铸钢或锻钢整体结构。其中，轴装制动盘通常包括两片盘环和在两片盘环之间的多个里面轴向的散热筋，利用散热筋之间的空隙构成气流通道，以改善散热效果，减少热应力。轮装制动盘的外侧为摩擦面，内侧设有多个散热筋，在散热筋之间形成径向空气通道，实现散热功能。
但是传统的铸钢或锻钢制动盘重量较大，并且由于制造工艺等原因，这类制动盘内部不可避免的会存在夹杂、偏析和孔隙等缺陷；同时，在制动过程中，巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度，导致热应力的产生。缺陷的存在以及不均匀温度场和应力场的循环作用容易使制动盘产生微裂纹，当微裂纹扩展到一定程度时，制动盘就会发生疲劳断裂。而且随着列车不断增速，其速度达到甚至高于350Km/h时，刹车产生的温升急剧增加，现有制动盘材料容易产生摩擦面裂纹，基本达到了材料的极限。
采用碳陶复合材料制动盘替代现有的合金钢制动盘，可以减少制动盘盘数，减轻了列车簧下重量，降低了牵引功率损耗，而且其具有密度低、摩擦性能优异、耐高温等一系列优点。但是碳陶复合材料的散热性较金属材料要差，且高速下摩擦带来的热量更多，因此结构上需要设计散热性更为优异的结构来大幅提高盘的散热效果。但是碳陶复合材料的脆性大，加工性能差，尤其是轴装制动盘，制动盘内部的散热筋很难机加工成型。除此之外，针对碳陶轴装制动盘，如何实现其与列车接口结合，也是需要考虑的。
目前，大多数碳陶复合材料采用的是多片或整片碳陶摩擦块与钢背冷铆接而成(中国专利CN 103511525 A一种用于高速列车的碳陶制动闸片及其制备)，由于碳陶与钢合金的热膨胀系数差异性大，导致反复摩擦冷却后，铆接处由于膨胀系数匹配性的差异导致失效，甚至在运行过程中发生松动或者脱落现象，危及到刹车系统的稳定运行。
中国专利CN 105541364 A公开了一种一步致密化生产碳陶汽车制动盘的方法，先将石墨粉、硅粉等添加剂与树脂混合溶解，然后预先涂覆在由碳纤维丝束编织而成的碳纤维布上，晾干叠层后再进行模压成型，最后加工炭化得到碳纤维增强的陶瓷复合材料制动盘。虽然该发明可通过石墨粉、硅粉的添加达到一步致密化获得较高密度的碳陶复合材料，但并未提及碳陶盘上的散热孔的加工方式及如何控制精度，或是制备带特殊功能的散热孔(如散热同时，高电热、导电)，以及可否获得异形散热孔。
到目前为止，还未见塑料模具参与编织，利用高温使模具消除，以制备带内孔的碳陶复合材料的相关报道。目前，大多数碳陶复合材料内孔的加工主要以机加工形式获得。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种预埋预定形状、尺寸的塑料模具，并在其表面包裹具有特殊结构和功能的石墨纸，或经预处理的石墨纸或碳纤维纸的方法，结合碳纤维编织工艺，制备具有低成本、少加工等优点，且拥有高精度异形内孔结构及功能的、散热效果好、制动运行平稳等优点的轻量一体化碳陶复合材料制动轴盘的制备方法。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；所述轻量一体化制动轴盘(1)内设有轴向散热孔(21)和径向通气孔(22)；所述轻量一体化制动轴盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤一
按单个径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的形貌和尺寸选择塑料材质的模具，再在其表面包裹石墨纸和/或碳纤维纸；按设定的径向通气孔和轴向散热孔的个数和分布方式将备用模具固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到预制体；所述预制体由备用模具和编织体组成；所述编织体的密度为0.5g/cm3～0.7g/cm3；
步骤二
将步骤一所得预制体中的碳纤维束和预埋的塑料模具进行脱胶处理后，得到预留径向散热孔和轴向散热孔、且散热孔表面附着石墨纸或碳纤维纸的预制体，进行C增密处理直至编织的密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3；得到增密后的坯体；
步骤三
对坯体进行清洗、干燥；接着将其放入Si粉中，在1500～2000℃进行渗硅，得到密度为1.6g/cm3～2.4g/cm3的碳陶制动盘；
步骤四
按设计尺寸进行机加工；得到成品。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；石墨纸和/或碳纤维纸经过预处理后用于制备带内孔的碳碳复合材料和碳陶复合材料；
其中，石墨纸的预处理工艺包括下述方式中至少一种：采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在石墨纸的一面上生成一层熔点高于2000℃的金属、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在石墨纸的一面上生成一层熔点高于者2000℃的碳化物；
其中，碳纤维纸的预处理包括下述方式中至少一种：在碳纤维纸上开具3D导气槽、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应生成一层热解碳，采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在碳纤维纸的一面上生成一层熔点高于2000℃的金属、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在碳纤维纸的一面上生成一层熔点高于者2000℃的碳化物。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；径向通气孔(22)为的孔形包括圆形、腰形、椭圆形或方形中的一种；轴向通气孔(21)的孔形为圆形孔、腰形孔或椭圆形孔中的一种。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；部分或全部径向通气孔(22)上设有带导气槽(23)。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；当任意一个径向散热孔22带有导气槽(23)时，其所带导气槽在动轴盘上的表面积为其所对应径向散热孔在动轴盘上表面积的1/20-1/2。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；当任意一个径向散热孔22带有导气槽(23)时，在径向散热孔该导气槽的个数为2-12个。且导气槽呈对称分布。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；部分轴向散热孔(21)与导气槽(23)联通。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；制动轴盘上轴向散热孔21的个数为12-72个，且单个轴向散热孔的当量孔径为2-8毫米。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；制动轴盘上径向散热孔22的个数为9-63个。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；本发明实施例中，轴向散热孔的当量孔径与径向散热孔22的当量孔径之比为0.05-0.5：1。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；定义制动轴盘的厚度为d，径向散热孔22在制动轴盘厚度方向的最大距离为d1；则d1/d＝1/4-1/2。本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；石墨纸和/或碳纤维纸提供部分或者全部导气槽。同时本发明所有石墨纸和/或碳纤维纸还可以设置附加功能层。碳纤维纸优选为导气槽汽车3D碳纤纸。作为进一步的优选，所述碳纤维纸的产品型号为XL-A1000。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；径向通气孔可为通孔。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；径向通气孔(22)由制动轴盘的外沿向内部延伸的过程中，通气孔的孔形保持不变，但气孔的当量孔径逐步缩小。在本发明中，所述当量孔径指的是，将气孔的面积换算成圆，然后以该圆的直径作为其当量孔径。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；所述塑料材质为环氧树脂、聚酰胺66、ABS、PC、PP或聚醚醚酮中的一种。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；步骤一所得预制体中，塑料材质的模具是可以随时抽出的。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；步骤二中，将步骤一所得预制体置于保护气气氛中于1500～2300℃进行碳纤维的脱胶和预埋塑料模具脱除处理，然后进行C增密处理直至编织的密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3；得到增密后的坯体。所述保护气氛选自真空、氮气、氩气中的至少一种。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；步骤二中，所述C增密处理包括CVI增密。在本发明中C增密优选为CVI增密；尤其是产品进度要求较高时，只能用CVI工艺。为了保证CVI增密时，不出现径向通气孔和轴向散热孔预留位置的闭孔现象，必须对条件进行控制。所述CVI增密的条件为：将脱胶后预制体放入气相沉积炉中，持续通入碳源气体(天然气或丙烯)和稀释气体(氮气或氢气)，碳源气体与稀释气体的体积比为0.5～2，并控制炉内气压为500～5000Pa，在900～1100℃进行化学气相沉积300～500小时，得到密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3的碳碳盘。所述碳源气体为天然气和/或丙烯；所述稀释气体为氮气和/或氢气。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；步骤三中，在1500～2000℃进行渗硅，渗硅时间为0.5～3小时，得到密度为1.6g/cm3～2.4g/cm3的碳陶制动盘。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；步骤五中，所述机加工包括表面，以及径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的一个和/或两个外端的打磨，以获得气孔的通气结构。
本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；径向通气孔的当量孔径为轴向气孔当量孔径的2-20倍。
作为优选，本发明在制动轴盘上分别设计为轴向贯通和径向贯通的散热通道，特别是将制动轴盘侧面的径向散热孔与内圆沉台面打通，形成贯通结构，空气可以通过该贯通空间进行流动，从而利于带走制动时产生的热量。并且增加了轴向和径向散热孔的设计面积整体，能及时并且更有效地把摩擦热能散发出去。
本发明首次采用了在径向孔和轴向孔处预埋塑料，一次成型的工艺，减少加工。而且所得产品的径向孔和轴向孔可以得到较高精度的控制。
本发明采用在成型碳纤维针刺预制体过程中，预埋塑料模具的方法进行成型制备，可以有效解决碳陶制动盘内部散热孔成型和加工难度大的问题，且塑料模具易于成形，可根据要求获得尺寸各异的散热孔形状，而且在编织成预成型体后即可高温脱除，或是被预制体内部吸收。同时，本发明还可将部分功能元素设置于塑料内；当塑料分解时，部分功能元素可富集于碳基体上。
此外，预埋模具表面包裹具有特殊结构和功能的石墨纸，或经预处理的石墨纸或碳纤维纸，不仅可以防止径向孔和轴向孔中液态硅的渗入，减少熔体硅堵死径向孔和轴向孔，提高径向孔和轴向孔的表面精度，还可在内孔表面形成有特殊功能的包覆层，如散热、导热、导电等功能。
例如，在制备碳陶复合材料时，石墨纸的一边采用物理沉积或化学沉积或化学反应一层熔点高于2000℃的碳化物，如SiC等，可以使石墨纸紧密地与碳陶复合材料结合。若沉积一层高熔点金属，如W、Re、Mo等，可使内孔带有优异导热等功能，或是高温时与C形成致密碳化物层，使其更抗高温氧化等。
还如，在制备碳陶复合材料时，使用3D导气槽碳纤维纸，进一步提高内孔的导热效果，或是采用物理沉积或化学沉积或化学反应一层热解碳，使其与复合材料紧密结合。或在碳纤维纸表面沉积一层高熔点金属，如W、Re、Mo等，同样可使内孔带有优异导热等功能，或是高温时与C形成致密碳化物层，使其更抗高温氧化等。
渗硅后，对散热孔的一端和/或两端进行简单的机加工处理，即可获得所需的成品。
作为优选，本发明的一种高速列车用轻量化制动轴盘，制动轴盘1的内圆周设有内圆沉台法兰11，通过内圆沉台法兰11与固定在车轮轴上的盘毂固定连接；
所述制动轴盘1的两个盘面平整，其上设有若干轴向散热孔21，沿轴向贯通制动轴盘的两个盘面；
所述制动轴盘1的外圆周侧面设有若干径向散热孔22，沿径向贯通至制动轴盘的内圆周。
进一步的，所述轴向散热孔21以制动轴盘1的圆心为中心对称分布。
具体的，所述轴向散热孔21为圆形孔、腰形孔或椭圆形孔中的一种。
作为本发明的一种优选方案，所述径向散热孔22靠近制动轴盘内圆周的截面高度超过内圆沉台法兰11的厚度，所述径向散热孔22位于制动轴盘内圆周的贯通口221分布在内圆沉台法兰11的上侧和下侧。
作为本发明的又一种优选方案，所述径向散热孔22靠近制动轴盘内圆周向内圆沉台法兰11的上侧或下侧倾斜，所述径向散热孔22位于制动轴盘内圆周的贯通口221交替分布在内圆沉台法兰11的上侧或下侧。
作为本发明的又一种优选方案，所述径向散热孔22靠近制动轴盘内圆周的截面高度小于内圆沉台法兰11的厚度，所述径向散热孔22位于制动轴盘内圆周的贯通口221贯穿至内圆沉台法兰11的内侧面。
在上述方案中，所述径向散热孔22为圆形孔、腰形孔、椭圆形孔或方形孔中的一种。
当然，本发明一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其所涉及到的制动轴盘的结构可以和现有钢质制动轴盘相同。
附图说明
图1a为实施例一中的制动轴盘立体示意图。
图1b为实施例一中的制动轴盘侧视图。
图1c为实施例一中的制动轴盘主剖视图A-A。
图1d为实施例一中的制动轴盘主视图。
图1e为实施例一中的制动轴盘侧面剖视图B-B。
图1f为实施例一中的制动轴盘径向散热孔的局部放大示意图C。
图2a为实施例二中的制动轴盘立体示意图。
图2b为实施例二中的制动轴盘侧视图。
图2c为实施例二中的制动轴盘主剖视图A-A。
图2d为实施例二中的制动轴盘主视图。
图2e为实施例二中的制动轴盘侧面剖视图B-B。
图2f为实施例二中的制动轴盘径向散热孔的局部放大示意图C。
图3a为实施例三中的制动轴盘立体示意图。
图3b为实施例三中的制动轴盘侧视图。
图3c为实施例三中的制动轴盘主剖视图A-A。
图3d为实施例三中的制动轴盘主视图。
图3e为实施例三中的制动轴盘侧面剖视图B-B。
图3f为实施例三中的制动轴盘径向散热孔的局部放大示意图C。
图4为实施例三中的制动轴盘与列车接口主视图。
图中标号：1-制动轴盘，11-内圆沉台法兰，12-螺栓孔，21-轴向散热孔，22-径向散热孔，23-导气槽，221-贯通口。
具体实施方式
本发明实施例中，径向散热孔22上还设有导气槽23，所述导气槽23沿制动轴盘径向方向投影，所得图形为弧形；所述缺口为径向散热孔22边缘沿制动轴盘径向方向投影所得。
本发明实施例中，当任意一个径向散热孔22带有导气槽23时，其所带导气槽在动轴盘上的表面积为其所对应径向散热孔在动轴盘上表面积的1/20-1/2。
本发明实施例中，当任意一个径向散热孔22带有导气槽23时，在径向散热孔该导气槽的个数为2-12个。且导气槽呈对称分布。
部分轴向散热孔21与导气槽23联通。
制动轴盘上轴向散热孔21的个数为12-72个，且单个轴向散热孔的当量孔径为2-8毫米。
制动轴盘上径向散热孔22的个数为9-63个。
本发明实施例中，轴向散热孔的当量孔径与径向散热孔22的当量孔径之比为0.05-0.5：1。
本发明实施例中，定义制动轴盘的厚度为d，径向散热孔22在制动轴盘厚度方向的最大距离为d1；则d1/d＝1/4-1/2。
实施例一 所设计的制动轴盘的径向散热孔上带有导气槽
参见图1a-1f，图示中的制动轴盘1为本发明的一种优选方案，制动轴盘1为圆环形盘体，密度为1.6g/cm3～2.0g/cm3，两面为平整盘面，内圆周加工内圆沉台法兰11，内圆沉台法兰11上设置的螺栓孔12，制动轴盘1整体通过内圆沉台法兰11以及螺栓组件固定装配在车轮轴的盘毂上，高速列车运行过程中，制动轴盘1随车轮轴一同转动，通过列车制动系统的闸片迅速压紧贴合制动轴盘，相互摩擦，将动能转化为热能，实现列车的制动。
具体如图1a所示，为了迅速将制动轴盘1在制动摩擦过程中产生的热量散发，本实施例在制动轴盘1上分别加工有两种散热通道，
其中一种是位于制动轴盘1盘面上的若干椭圆轴向散热孔21，轴向散热孔21沿制动轴盘1的轴向设置，并且每个轴向散热孔21均贯通制动轴盘1的两个盘面，这样轴向的空气流动通过轴向散热孔21，带走制动轴盘1内部的热量。
轴向散热孔21以制动轴盘1的圆心为中心对称分布在盘面上，轴向散热孔21为椭圆形孔。
另一种是位于制动轴盘1外圆周侧面均匀布置的若干径向圆形散热孔22，径向散热孔沿制动轴盘的径向贯通至制动轴盘内圆周，这样径向的空气流动通过径向散热孔22，带走制动轴盘1内部的热量。
内圆沉台法兰11的上侧和下侧分别与制动轴盘1的内圆轴形成台阶面，本实施例中的径向散热孔22在靠近制动轴盘内圆周的截面高度逐渐超过内圆沉台法兰11的厚度，同时径向散热孔22沿制动轴盘的径向水平开设，这样径向散热孔22在内圆周的端面大于内圆沉台法兰11，在内圆沉台法兰11的上侧和下侧形成径向散热孔22位于制动轴盘内圆周的贯通口221，如图1e和1f所示，空气可以通过该贯通空间进行流动，从而利于带走制动时产生的热量。
其具体制备方法为：
将椭圆形轴向塑料材质模具和圆柱形径向塑料材质模具上包覆一层带导气槽碳纤纸(导气槽碳纤纸的厚度为20mm、型号为XL-A1000)，得到备用模具；按设定的径向通气孔和轴向散热孔的个数、形状和分布方式将塑料材质模具固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到密度为0.5g/cm3的预制体；
将预制体置于真空保护气气氛中于1600℃进行碳纤维的脱胶和预埋塑料模具的脱除处理，然后在气相沉积炉中进行CVI的C增密处理处理，期间持续通入碳源气体丙烯和稀释气体氮气，碳源气体与稀释气体的体积比为1，并控制炉内气压为1000Pa，在1100℃进行化学气相沉积120小时，得到密度为1.3g/cm3的碳碳盘；
对坯体外表面进行清洗、干燥；将增密后坯体放入Si粉中，最后在1800℃进行渗硅，渗硅时间为1小时，得到密度为1.6g/cm3的碳陶制动盘；
将碳陶制动盘中的表面，以及径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的一个和/或两个外端的打磨，获得气孔的通气结构，且所得成品的内孔中带有导气槽。
其径向和轴向散热孔上设置导气槽后，其散热温度可进一步降低10～20℃，且散热速度也高于现有技术，同时产品的使用寿命还优于一般现有钢制制动盘。同时本发明所设计的制动盘还带有自洁净功能。所产生粉尘，在导气槽、径向孔、轴向孔的作用下，自动吹离制动盘。
实施例二
结合参见图2a-2f，图示中的制动轴盘1为本发明的第二种优选方案，制动轴盘1为圆环形盘体，密度为1.8g/cm3～2.2g/cm3，两面为平整盘面，内圆周加工内圆沉台法兰11，内圆沉台法兰11上设置的螺栓孔12，制动轴盘1整体通过内圆沉台法兰11以及螺栓组件固定装配在车轮轴的盘毂上，高速列车运行过程中，制动轴盘1随车轮轴一同转动，通过列车制动系统的闸片迅速压紧贴合制动轴盘，相互摩擦，将动能转化为热能，实现列车的制动。
具体如图2a所示，为了迅速将制动轴盘1在制动摩擦过程中产生的热量散发，本实施例在制动轴盘1上分别加工有两种散热通道，其中一种是位于制动轴盘1盘面上的若干轴向散热孔21，轴向散热孔21沿制动轴盘1的轴向设置，并且每个轴向散热孔21均贯通制动轴盘1的两个盘面，这样轴向的空气流动通过轴向散热孔21，带走制动轴盘1内部的热量。
轴向散热孔21以制动轴盘1的圆心为中心对称分布在盘面上，轴向散热孔21为圆形孔。
另一种是位于制动轴盘1外圆周侧面均匀布置的若干径向散热孔22，径向散热孔沿制动轴盘的径向贯通至制动轴盘内圆周，这样径向的空气流动通过径向散热孔22，带走制动轴盘1内部的热量。
内圆沉台法兰11的上侧和下侧分别与制动轴盘1的内圆轴形成台阶面，径向散热孔22靠近制动轴盘内圆周向内圆沉台法兰11的上侧或下侧倾斜,并最终与内圆沉台法兰11上侧或下侧的制动轴盘内侧面贯通形成贯通口221，同时径向散热孔22的截面由制动轴盘外圆周向内圆周逐渐缩小。本实施例中的所有径向散热孔在内圆沉台法兰11上侧和下侧交替贯通设置，如图2e和2f所示，虽然空气通道体积较实施例一变小，但制动轴盘盘体和保留的厚度更大，结构强度比实施例的方案得到提高，空气可以通过该贯通空间进行流动，从而利于带走制动时产生的热量。
其具体制备方法为：
将塑料材质模具上包覆一层喷涂了均匀且致密金属W粉的碳纤维纸，按设定的径向通气孔和轴向散热孔的个数、形状和分布方式将塑料材质模具固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到密度为0.6g/cm3的预制体；
将预制体置于氩气保护气气氛中于1600℃进行碳纤维的脱胶和预埋塑料模具的脱除处理，然后在气相沉积炉中进行CVI的C增密处理处理，期间持续通入碳源气体丙烯和稀释气体氮气，碳源气体与稀释气体的体积比为1，并控制炉内气压为800Pa，在1100℃进行化学气相沉积160小时，得到密度为1.5g/cm3的碳碳盘；
对坯体进行然后清洗、干燥；将其放入Si粉中，在2000℃进行渗硅，渗硅时间为2小时，得到密度为2.4g/cm3的碳陶制动盘；
将碳陶制动盘中的表面，以及径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的一个和/或两个外端的打磨，获得气孔的通气结构，且所得成品的内孔中带有WC层。
实施例三
结合参见图3a-3f，图示中的制动轴盘1为本发明的第三种优选方案，制动轴盘1为圆环形盘体，密度为2.2g/cm3～2.4g/cm3，两面为平整盘面，内圆周加工内圆沉台法兰11，内圆沉台法兰11上设置的螺栓孔12，制动轴盘1整体通过内圆沉台法兰11以及螺栓组件固定装配在车轮轴的盘毂上，高速列车运行过程中，制动轴盘1随车轮轴一同转动，通过列车制动系统的闸片迅速压紧贴合制动轴盘，相互摩擦，将动能转化为热能，实现列车的制动。
具体如图3a所示，为了迅速将制动轴盘1在制动摩擦过程中产生的热量散发，本实施例在制动轴盘1上分别加工有两种散热通道，其中一种是位于制动轴盘1盘面上的若干轴向散热孔21，轴向散热孔21沿制动轴盘1的轴向设置，并且每个轴向散热孔21均贯通制动轴盘1的两个盘面，这样轴向的空气流动通过轴向散热孔21，带走制动轴盘1内部的热量。
轴向散热孔21以制动轴盘1的圆心为中心对称分布在盘面上，轴向散热孔21为腰形孔。
另一种是位于制动轴盘1外圆周侧面均匀布置的若干径向散热孔22，径向散热孔沿制动轴盘的径向贯通至制动轴盘内圆周，这样径向的空气流动通过径向散热孔22，带走制动轴盘1内部的热量。
内圆沉台法兰11的上侧和下侧分别与制动轴盘1的内圆轴形成台阶面，径向散热孔22沿制动轴盘的径向水平设置，这样径向散热孔22与实施例一一样在靠近制动轴盘1的内圆周时与内圆沉台法兰11相贯，不同的是，径向散热孔22靠近制动轴盘内圆周的截面高度小于内圆沉台法兰11的厚度，这样，径向散热孔22同时沿径向贯穿通过内圆沉台法兰11，使得径向散热孔22位于制动轴盘内圆周的贯通口221延伸到内圆沉台法兰11的内侧面。本实施例的径向散热孔22的贯通结构从中心贯穿内圆沉台法兰，两侧呈对称结构，空气可以通过该贯通空间进行流动，从而利于带走制动时产生的热量。该方案两侧摩擦面较厚，盘体的结构强度较高。
由于本实施例的径向散热孔22贯穿通过了内圆沉台法兰11，因此在内圆沉台法兰11上的螺栓孔12与径向散热孔22错开分布，保证了制动轴盘的连接强度。
在以上的具体实施方式中，径向散热孔22的截面可采用圆形孔、腰形孔、椭圆形孔或方形孔，轴向散热孔21和径向散热孔22布置的数量根据制动轴盘的尺寸来设定，一般轴线散热孔21不超过100个，径向散热孔22不超过60个。
其具体制备方法为：
将塑料材质模具上包覆一面已热喷涂SiC的石墨纸，得到备用模具；按设定的径向通气孔和轴向散热孔的个数、形状和分布方式将塑料材质模具固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到密度为0.7g/cm3的预制体；
将预制体置于氮气保护气气氛中于1800℃进行碳纤维的脱胶和预埋塑料模具的脱除处理，然后在气相沉积炉中进行CVI的C增密处理处理，期间持续通入碳源气体丙烯和稀释气体氮气，碳源气体与稀释气体的体积比为1，并控制炉内气压为2000Pa，在1100℃进行化学气相沉积200小时，得到密度为1.6g/cm3的碳碳盘；
对坯体进行清洗、干燥；将增密后坯体的放入Si粉中，在2000℃进行渗硅，渗硅时间为3小时，得到密度为2.4g/cm3的碳陶制动盘；
将碳陶制动盘中的表面，以及径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的一个和/或两个外端的打磨，获得气孔的通气结构，且所得成品的内孔中带有WC层。
对比例1
散热孔的设计与实施例1相同，区别在于轴向塑料材质模具和圆柱形径向塑料材质模具上包覆一层不带导气槽的石墨纸，按设定的径向通气孔和轴向通气孔的形状、个数和分布方式将高温合金固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到预制体，制动盘的制备工艺参数与实施例1相同。虽然制备的散热孔的尺寸精度较高，散热性能与实施例1相比，明显要略差。
对比例2
散热孔的设计和制动盘的制备工艺参数与实施例2相同，区别在于轴向塑料材质模具和圆柱形径向塑料材质模具上不包覆石墨纸或是碳纤维纸，按设定的径向通气孔和轴向通气孔的形状、个数和分布方式将高温合金固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到预制体。预埋的塑料模具在之后的脱胶处理过程中直接挥发脱出，散热孔裸露，可能导致CVI增密、树脂浸渍增密，以及后续的高温渗硅过程中，散热孔内部残余并在部分区域可能富集碳化硅，导致散热孔的形状和尺寸均远远偏离了当时的设计值。
以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；所述轻量一体化制动轴盘(1)内设有轴向散热孔(21)和径向通气孔(22)；其特征在于：所述轻量一体化制动轴盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤一
按单个径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的形貌和尺寸选择塑料材质的模具，再在其表面包裹石墨纸和/或碳纤维纸；按设定的径向通气孔和轴向散热孔的个数和分布方式将备用模具固定，然后以碳纤维为原料按轻量一体化制动轴盘的尺寸进行编织，得到预制体；所述预制体由备用模具和编织体组成；所述编织体的密度为0.5g/cm3～0.7g/cm3；
步骤二
将步骤一所得预制体中的碳纤维束和预埋的塑料模具进行脱胶处理后，得到预留径向散热孔和轴向散热孔、且散热孔表面附着石墨纸或碳纤维纸的预制体，进行CVI增密处理直至编织的密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3；得到增密后的坯体；
步骤三
对坯体进行清洗、干燥；接着将其放入Si粉中，在1500～2000℃进行渗硅，得到密度为1.6g/cm3～2.4g/cm3的碳陶制动盘；
步骤四
按设计尺寸进行机加工；得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：石墨纸和/或碳纤维纸经过预处理后用于制备带内孔的碳碳复合材料和碳陶复合材料；
其中，石墨纸的预处理工艺包括下述方式中至少一种：采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在石墨纸的一面上生成一层熔点高于2000℃的金属、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在石墨纸的一面上生成一层熔点高于者2000℃的碳化物；
其中，碳纤维纸的预处理包括下述方式中至少一种：在碳纤维纸上开具3D导气槽、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应生成一层热解碳，采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在碳纤维纸的一面上生成一层熔点高于2000℃的金属、采用物理沉积和/或化学沉积和/或化学反应在碳纤维纸的一面上生成一层熔点高于者2000℃的碳化物。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：径向通气孔(22)的孔形包括圆形、腰形、椭圆形或方形中的一种；轴向通气孔(21)的孔形为圆形孔、腰形孔或椭圆形孔中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：部分或全部径向通气孔(22)上设有带导气槽(23)。
5.根据权利要求4所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：石墨纸和/或碳纤维纸提供导气槽。
6.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：径向通气孔(22)由制动轴盘的外沿向内部延伸的过程中，通气孔的孔形保持不变，但气孔的当量孔径逐步缩小。
7.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于；所述塑料材质为环氧树脂、聚酰胺66、ABS、PC、PP或聚醚醚酮中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：步骤二中，将步骤一所得预制体置于保护气气氛中于1500～2300℃进行碳纤维的脱胶和预埋塑料模具脱除处理，然后进行CVI增密处理直至编织的密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3；得到增密后的坯体；所述保护气氛选自真空、氮气、氩气中的至少一种；
所述C增密处理包括CVI增密；
所述CVI增密的条件为：将预成型后的预制体放入气相沉积炉中，持续通入碳源气体和稀释气体，碳源气体与稀释气体的体积比为0.5～2，并控制炉内气压为500～5000Pa，在900～1100℃进行化学气相沉积300～500小时，得到密度为1.3g/cm3～1.6g/cm3的碳碳盘。
9.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：步骤三中，在1500～2000℃进行渗硅，渗硅时间为0.5～3小时，得到密度为1.6g/cm3～2.4g/cm3的碳陶制动盘。
10.根据权利要求1所述的一种高速列车用轻量一体化制动轴盘的制备方法；其特征在于：步骤五中，所述机加工包括表面，以及径向通气孔(22)和轴向散热孔(21)的一个和/或两个外端的打磨，以获得气孔的通气结构。
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