CN109261941B - 一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，将TiB2粉末与添加剂混合后加入去离子水中充分搅拌制得陶瓷浆料悬浮液；将有机泡沫体浸渍在陶瓷浆料中，将浸渍后的有机泡沫体干燥后经高温烧结得到多孔网状TiB2预制体；最后采用铸渗工艺对制备的多孔网状TiB2预制体浇注金属液，经冷却脱模后制得多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块体。本发明制备的复合刹车块摩擦系数高，热膨胀系数低，刹车块内部受力均匀，强度和韧性增强,服役寿命提高。

Description

一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法。
背景技术
随着我国高速铁路的快速发展，对列车的制动性能提出了更严格的要求，制动系统中刹车块的性能好坏对列车制动效果有着非常大的影响。目前列车的紧急制动主要是依靠车辆制动系统中的制动盘和刹车块摩擦副的摩擦实现的，刹车块材料应具有耐热性强、磨损量小、摩擦系数高、机械强度高等特点。多孔网状TiB2陶瓷增强钢铁基复合刹车块是通过铸造的方式进行冶金熔炼，铸造出具有强耐热性、高摩擦系数和低磨损量的新型材料。
现有刹车块主要采用整体铸铁材料制备，或者复合材料进行制备，存在耐热性较差，服役过程中磨损量较大，机械强度较低，进而导致服役寿命低等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，使复合材料的摩擦磨损性能得到进一步提高。
本发明采用以下技术方案：
一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，将TiB2粉末与添加剂混合后加入去离子水中充分搅拌制得陶瓷浆料悬浮液；将有机泡沫体浸渍在陶瓷浆料悬浮液中，将浸渍后的有机泡沫体干燥后经高温烧结得到多孔网状TiB2预制体；最后采用铸渗工艺对制备的多孔网状TiB2预制体浇注金属液，经冷却脱模后制得多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块体。
可选的，TiB2粉末占陶瓷浆料总质量的60～80％，添加剂占陶瓷浆料总质量的10～30％，去离子水占10～25％。
进一步的，添加剂包括不锈钢粉、柠檬酸铵、羧甲基纤维素和硅溶胶。
进一步的，不锈钢粉占添加剂质量的60～80％，柠檬酸铵占添加剂质量的5～8％，羧甲基纤维素占添加剂质量的4～6％，硅溶胶占添加剂质量的10～30％。
可选的，有机泡沫体为软质聚氨酯，在陶瓷浆料悬浮液中浸渍1～5min后取出并挤出多余浆料。
进一步的，软质聚氨酯的孔径为5～50PPI。
可选的，高温烧结处理具体为：自室温以1～2℃/min的升温速率升至600～800℃并保温30～60min，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，再以2～5℃/min的升温速率升至1550～1600℃烧结1～3h，随炉冷却得到多孔网状TiB2预制体。
可选的，金属液为用于制造刹车块的HT250。
可选的，金属液按质量百分比包括如下：C占3.5％～3.6％，Si占1.5％～2.0％，Mn占0.5％～1.0％，Cr占0.3％～0.5％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，TiB2陶瓷与其他增强陶瓷相比同样具有高熔点、高硬度、高稳定性、高抗氧化性和耐磨损等特点；TiB2陶瓷与铁液的润湿性好，不会直接发生反应，能形成结合良好的界面；TiB2与铁具有相匹配的热膨胀系数，在复合材料制备过程中不易形成裂纹；另外，增强体的增强方式为三维网状结构增强，其基体与增强体均为连续结构，两者相互约束，互为支撑，与颗粒增强金属基复合材料相比不用考虑增强相在基体内均匀分布的问题，与纤维增强金属基复合材料相比此类复合材料具有各向同性，本发明制备得到的复合刹车块的复合层中，金属基体分布在多孔网状TiB2陶瓷的孔隙中，当列车制动时，刹车块与制动盘之间摩擦时，TiB2陶瓷对金属基体起到一定的保护作用，从而提高了刹车块的摩擦系数并降低其磨损量。
进一步的，TiB2粉末占陶瓷浆料总质量的60～80％，添加剂占陶瓷浆料总质量的10～30％，去离子水占10～25％，此时陶瓷浆料的固含量较高，有利于浸渍时保持较高的挂浆量。
进一步的，铁粉的加入是作为高温烧结助剂，保证烧结后的多孔陶瓷具有一定的强度；柠檬酸铵的加入是作为浆料分散剂，保证粉末在浆料中分散均匀，不会快速团聚或沉降；羧甲基纤维素的加入是作为流变剂以保证浸渍时浆料能够流进泡沫体内部实现均匀挂浆，挤出多余浆料时又能短时间内快速失去流动性使浆料固化；硅溶胶的加入是作为低温烧结助剂，以保证在烧结温度达到铁的熔点之前多孔陶瓷能保持其骨架结构而不坍塌。
进一步的，不锈钢粉占添加剂质量的60～80％，，烧结出的多孔陶瓷具有较高的强度且不会对后续制备的复合材料的高温强度不会产生较大的影响；柠檬酸铵占添加剂质量的5～8％，此时浆料的分散性较好；羧甲基纤维素占添加剂质量的4～6％，，此时浆料的流动性和触变性较好；硅溶胶占添加剂质量的10～30％，能保证烧结过程中多孔陶瓷骨架不坍塌。
进一步的，有机泡沫体为软质聚氨酯，具有三维开孔结构、孔径合适、具有一定的亲水性、具有足够的回弹性，且其炭化温度低于烧结温度，反应产物不污染环境且不会对多孔陶瓷制品的性能产生较大的负面影响。
进一步的，软质聚氨酯的孔径为5～50PPI，可根据需要选取不同孔径的聚氨酯，制备出具有不同孔径的多孔陶瓷。
进一步的，高温烧结过程中，铁粉会熔化为液态，填充TiB2颗粒周围的空隙，提高多孔陶瓷的致密度。
进一步的，本发明中制备的多孔网状预制体中主要为Fe和TiB2，两者为扩散结合。预制体经浇铸后得到的复合材料中，TiB2与铁基体的界面处发生化学反应，有TiC、Fe2Ti和Ti3B4等产物生成，大大提高了复合材料界面的结合强度。
进一步的，使多孔网状TiB2陶瓷在铁基材料内部分布均匀，从而提高了复合刹车块的界面结合强度。
综上所述，本发明制备的复合刹车块摩擦系数高，热膨胀系数低，刹车块内部受力均匀，强度和韧性增强,服役寿命提高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的复合刹车块示意图。
其中：1.多孔网状陶瓷与金属基体复合区；2.金属基体。
具体实施方式
本发明一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，包括以下步骤：
S1、将TiB2粉末与添加剂加入至去离子水中并充分搅拌均匀得到陶瓷浆料悬浮液；
添加剂包括不锈钢粉、柠檬酸铵、羧甲基纤维素、硅溶胶。
TiB2粉末占陶瓷浆料总质量的60～80％，添加剂占陶瓷浆料总质量的10～30％，去离子水占10～25％；不锈钢粉占添加剂质量的60～80％，柠檬酸铵占添加剂质量的5～8％，羧甲基纤维素占添加剂质量的4～6％，硅溶胶占添加剂质量的10～30％。
S2、选取合适孔径的有机泡沫体，浸渍在陶瓷浆料中，1～5min后取出并挤出多余浆料；
有机泡沫体为孔径为5～50PPI的软质聚氨酯。
S3、将浸渍后的有机泡沫体干燥，在真空炉中自室温以1～2℃/min的升温速率升至600～800℃并保温30～60min，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，再以2～5℃/min的升温速率升至1550～1600℃烧结1～3h，随炉冷却得到多孔网状预制体；
S4、将预制体固定在铸型的端面或工作面，采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合刹车块。
金属液为用于制造刹车块的HT250(灰铸铁，抗拉强度不低于250MPa)，其成分按质量百分比包括：C占3.5％～3.6％，Si占1.5％～2.0％，Mn占0.5％～1.0％，Cr占0.3％～0.5％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明方法冷却脱模后得到复合刹车块体与增强体均为连续结构，两者相互约束，互为支撑，能够提高复合材料摩擦磨损性能，保证刹车块具有较长的使用寿命。
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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1：
1)首先，将99.4g TiB2粉、42.6g不锈钢粉、1.42g柠檬酸铵和0.71g羧甲基纤维素加入至32mL去离子水中并加入8mL硅溶胶，充分搅拌均匀得到陶瓷浆料悬浮液；
2)其次，选取5PPI的软质聚氨酯泡沫，浸渍在陶瓷浆料中，1min后取出并挤出多余浆料；
3)将浸渍后的有机泡沫体干燥后，再在真空炉中自室温以1℃/min的升温速率升至600℃并保温55min，然后以10℃/min的升温速率升温至1200℃，再以5℃/min的升温速率升至1550℃烧结1h，随炉冷却得到多孔网状预制体；
4)将预制体固定在铸型的端面或工作面，采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合刹车块。
实施例2：
1)首先，将84g TiB2粉、36g不锈钢粉、1.42g柠檬酸铵和0.71g羧甲基纤维素加入至32mL去离子水中并加入8mL硅溶胶，充分搅拌均匀得到陶瓷浆料悬浮液；
2)其次，选取15PPI的软质聚氨酯泡沫，浸渍在陶瓷浆料中，5min后取出并挤出多余浆料；
3)将浸渍后的有机泡沫体干燥后，再在真空炉中自室温以2℃/min的升温速率升至800℃并保温60min，然后以9℃/min的升温速率升温至1000℃，再以2℃/min的升温速率升至1550℃烧结1.5h，随炉冷却得到多孔网状预制体；
4)将预制体固定在铸型的端面或工作面，采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合刹车块。
实施例3：
1)首先，将72.1g TiB2粉、30.9g不锈钢粉、1.42g柠檬酸铵和0.71g羧甲基纤维素加入至32mL去离子水中并加入8mL硅溶胶，充分搅拌均匀得到陶瓷浆料悬浮液；
2)其次，选取20PPI的软质聚氨酯泡沫，浸渍在陶瓷浆料中，3min后取出并挤出多余浆料；
3)将浸渍后的有机泡沫体干燥后，再在真空炉中自室温以1.5℃/min的升温速率升至700℃并保温45min，然后以7.5℃/min的升温速率升温至1100℃，再以4℃/min的升温速率升至1580℃烧结2h，随炉冷却得到多孔网状预制体；
4)将预制体固定在铸型的端面或工作面，采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合刹车块。
实施例4：
1)首先，将99.4g TiB2粉、42.6g不锈钢粉、1.42g柠檬酸铵和0.71g羧甲基纤维素加入至32mL去离子水中并加入8mL硅溶胶，充分搅拌均匀得到陶瓷浆料悬浮液；
2)其次，选取50PPI的软质聚氨酯泡沫，浸渍在陶瓷浆料中，2min后取出并挤出多余浆料；
3)将浸渍后的有机泡沫体干燥后，再在真空炉中自室温以2℃/min的升温速率升至750℃并保温30min，然后以5℃/min的升温速率升温至1200℃，再以4.5℃/min的升温速率升至1600℃烧结3h，随炉冷却得到多孔网状预制体；
4)将预制体固定在铸型的端面或工作面，采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合刹车块。
综上所述，通过本发明制备成的复合刹车块耐磨损和耐热性增强，刹车块内部各向同性，强度和韧性都得到提高，服役寿命提高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，其特征在于，将TiB2粉末与添加剂混合后加入去离子水中充分搅拌制得陶瓷浆料，添加剂包括不锈钢粉、柠檬酸铵、羧甲基纤维素和硅溶胶，不锈钢粉占添加剂质量的60～80％，柠檬酸铵占添加剂质量的5～8％，羧甲基纤维素占添加剂质量的4～6％，硅溶胶占添加剂质量的10～30％，TiB2粉末占陶瓷浆料总质量的60～80％，添加剂占陶瓷浆料总质量的10～30％，去离子水占10～25％；将有机泡沫体浸渍在陶瓷浆料中，有机泡沫体为孔径5～50PPI的软质聚氨酯，在陶瓷浆料悬浮液中浸渍1～5min后取出并挤出多余浆料，将浸渍后的有机泡沫体干燥后经高温烧结得到多孔网状TiB2预制体，高温烧结处理具体为：自室温以1～2℃/min的升温速率升至600～800℃并保温30～60min，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，再以2～5℃/min的升温速率升至1550～1600℃烧结1～3h，随炉冷却得到多孔网状TiB2预制体；最后采用铸渗工艺对制备的多孔网状TiB2预制体浇注金属液，金属液为用于制造刹车块的HT250，经冷却脱模后制得多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块体。
2.根据权利要求1所述的一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合刹车块的制备方法，其特征在于，金属液按质量百分比包括如下：C占3.5％～3.6％，Si占1.5％～2.0％，Mn占0.5％～1.0％，Cr占0.3％～0.5％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
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