CN109293360A - 高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法。通过碳/碳预制体沉积、高温热处理、机械加工和改性处理，采用相同的工艺参数制备出碳陶制动盘的密度为2.05g/cm3～2.15g/cm3，碳陶闸片的密度为1.80g/cm3～2.40g/cm3。本发明得到的高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶能够满足300km/h以上高速列车制动要求、摩擦对偶磨损低、刹车过程平稳，并且制备工艺简单、周期较短，节约了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及高速列车制动装置领域，具体是一种高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法。
技术背景
目前高速列车常用的制动装置摩擦对偶(制动盘和闸片)的制动盘采用铸钢材料制备，闸片摩擦块采用粉末冶金材料制备，这种摩擦对偶的设计仅仅可以满足目前高 铁运行的速度在250km/h～350km/h的要求。随着高速铁路高速化的发展，高速列车 的制动装置已经被提出了更高的使用要求。不仅要求刹车装置满足更高运行速度的刹 车要求，还要求刹车装置达到进一步减重的目的。新一代陶瓷基复合材料(碳陶)，是 继粉末冶金材料和碳/碳刹车材料后，近几年快速发展起来的一种刹车材料。其材料质 量小、耐高温、摩擦系数高而稳定、刹车性能对外界环境(雨雪天或沿海地区)不敏 感，这些优点使碳陶复合材料已经成功应用于飞机刹车装置，目前在航空飞行器刹车 领域已广泛使用。在2007年，日本将碳陶刹车材料试制成东海道新干线的制动盘，并 分别与铜系烧结合金闸片和铁系烧结合金闸片组成对偶，在铁路综合技术研究所的制 动试验机上进行制动试验。结果显示，碳陶制动盘与这两种烧结合金闸片组成对偶的 平均摩擦系数，比当前东海道新干线使用的锻钢制动盘与烧结合金闸片的平均摩擦系 数高。在300km/h紧急制动时，碳陶制动盘与铜系烧结合金闸片和铁系烧结合金闸片 制动过程中的最高温度分别为400℃、500℃；在低速下，闸片的磨损率与当前的相当， 但在高速下，闸片的磨损率明显减少。试制的碳陶制动盘每个约重31kg，是一个锻钢 制动盘质量(约为71kg)的1/2不到，有效降低了簧下的质量。制动过程中，碳陶制 动盘变形量非常小，比锻钢制动盘更具耐热裂性。实验认为，如果能够确认C/C-SiC 制动盘的耐久性，就可以进行实际应用。
专利ZL201410116599.5中公开了一种高速列车碳陶复合材料摩擦对偶的制备方法。采用化学气相沉积法制备制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体，制动盘碳/碳坯体沉 积气源为丙烯气，沉积时间为300h～400h；闸片碳/碳坯体沉积气源为天然气，沉积时 间为350h～450h。然后对制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体进行熔融渗硅处理，制得碳 陶制动盘和碳陶闸片。将碳陶制动盘与碳陶闸片组成摩擦对偶，在制动试验机上进行 制动试验。结果显示，高速下，碳陶制动盘与碳陶闸片组成的摩擦对偶刹车过程平稳， 解决了目前粉末冶金与铸钢组成的刹车对偶在刹车后期，摩擦对偶因温度过高容易粘 结出现抱死的现象。碳陶闸片的平均磨耗为0.022cm3/MJ，比粉末冶金闸片低50％左 右；碳陶制动盘的平均线磨损为2μm/次·面，比铸钢制动盘降低20％左右，有效提高 了高速列车制动装置摩擦对偶的使用寿命。
然而，碳陶制动盘与碳陶闸片的制备工艺比较复杂，制备周期长，增加了生产成本。尤其是沉积阶段，制动盘与闸片沉积气源不同，沉积时间较长。因此生产成本较 粉末冶金材料有显著的提高。
发明内容
为了解决高速列车碳陶复合材料摩擦对偶制备周期长，生产成本较高的问题，本发明提出了一种高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，碳/碳预制体的沉积。
Ⅰ制动盘碳/碳预制体的沉积：
将制动盘碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中进行沉积至密度为1.3g/cm3～1.4g/cm3。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h。
Ⅱ闸片碳/碳预制体的沉积：
将闸片碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中沉积至密度为1.4g/cm3～1.5g/cm3。
在沉积制动盘碳/碳预制体和闸片碳/碳预制体时，以天然气和丙烷为气源，沉积温 度为1000℃，沉积时间为300±50h。
步骤2，高温热处理：
将得到的制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体置于高温热处理炉中进行高温热处理。 热处理温度为2250±50℃，保温时间为4h。
步骤3，机械加工：
分别得到碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品。
步骤4，改性处理：
所述的改性处理是分别对得到的碳陶制动盘的半成品和对碳陶闸片的半成品进行 改性处理；具体是，称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶制动盘的半成品或碳陶闸片的半成 品置于坩埚中的硅粉上；将该坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。分别得到密度为 2.05g/cm3～2.15g/cm3的碳陶制动盘和密度为1.80g/cm3～2.0g/cm3的碳陶闸片。
在对所述碳陶制动盘的半成品进行改性处理时，所述硅粉的用量为碳陶制动盘的半成品重量的1.5倍。
在对所述碳陶闸片的半成品进行改性处理时，所述硅粉的用量为碳陶闸片的半成品重量的1.0～2.5倍。
所述改性处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。
步骤5精加工：
将得到的碳陶制动盘和碳陶闸片按照图纸要求进行精加工，得到高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶。
本发明保持高速列车碳陶复合材料摩擦对偶低磨损，刹车过程平稳的优点，通过对传统工艺的重新组合与改进，制备出密度不同的碳陶制动盘和碳陶闸片。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明得到的碳陶制动盘与碳陶闸片摩擦对偶在制动试验机上进行制动试验。本发明中碳陶制动盘和碳陶闸片摩擦对偶刹车曲线与高速列车碳陶复合材料摩擦对偶相似，随着刹车的进行，摩擦系数先降低又逐渐升高，呈现“倒梯形”，这种刹车状态有 利于实现平稳刹车。本发明中碳陶制动盘和碳陶闸片摩擦对偶保持了高速列车碳陶复 合材料摩擦对偶低磨损的优点，在高速下具有较小的磨损率。
本发明的步骤1中，制动盘碳/碳预制体和闸片碳/碳预制体沉积气源均为天然气和 丙烷，制动盘碳/碳预制体沉积时间为300±50h，闸片碳/碳预制体沉积时间为350±h。闸片碳/碳预制体可与制动盘碳/碳预制体放同一个沉积炉中进行沉积，节省生产成本。
本发明所述的一种高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，步骤3中，碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品改性处理温度均为1650±10℃，保温时间均为 2h。通过控制硅粉的添加量，制备出密度不同的碳陶制动盘和碳陶闸片。碳陶制动盘 的半成品和碳陶闸片的半成品改性处理放同一个熔融渗硅炉中进行改性，节省生产成 本。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种制备高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的方法，所述的高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶包括制动盘和闸片。具体步骤如下：
步骤1，碳/碳预制体的沉积。
Ⅰ制动盘碳/碳预制体的沉积：
将制动盘碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺进行沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h，沉积至密度为1.3g/cm3～ 1.4g/cm3。
Ⅱ闸片碳/碳预制体的沉积：
将闸片碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为350±50h，沉积至密度为1.4g/cm3～1.5g/cm3。
步骤2，高温热处理：
将达到规定密度的制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体置入高温热处理炉中，按常规 的工艺进行高温热处理。热处理温度为2250±50℃，保温时间为4h。
步骤3，机械加工：
将步骤2得到的碳陶制动盘碳/碳坯体和碳陶闸片碳/碳坯体分别按照图纸要求进行机械加工。分别得到碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品。
步骤4，改性处理：
将得到的碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品分别进行改性处理。所述改性处理的具体过程是：
Ⅰ碳陶制动盘的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶制动盘的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶制动盘的半成品重量的1.5倍。 改性处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。得到密度为2.05g/cm3～2.15g/cm3的 碳陶制动盘。
Ⅱ碳陶闸片的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶闸片的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶闸片的半成品重量的1.0倍。改性 处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。得到密度为1.80g/cm3～2.0g/cm3的碳陶闸 片。
步骤4精加工
将得到的碳陶制动盘和碳陶闸片按照图纸要求进行精加工，得到高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶。
实施例2
本实施例是一种制备高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的方法，所述的高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶包括制动盘和闸片。其具体步骤如下：
步骤1，碳/碳预制体的沉积。
Ⅰ制动盘碳/碳预制体的沉积：
将制动盘碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺进行沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h沉积至密度为1.3g/cm3～ 1.4g/cm3。
Ⅱ闸片碳/碳预制体的沉积：
将闸片碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h，沉积至密度为1.4g/cm3～1.5g/cm3。
步骤2，高温热处理：
将达到规定密度的制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体置入高温热处理炉中，按常规 的工艺进行高温热处理。热处理温度为2250±50℃，保温时间为4h。
步骤3，机械加工：
将步骤2得到的碳陶制动盘碳/碳坯体和碳陶闸片碳/碳坯体分别按照图纸要求进行机械加工。分别得到碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品。
步骤4，改性处理：
将得到的碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品分别进行改性处理。所述改性处理的具体过程是：
Ⅰ碳陶制动盘的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶制动盘的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶制动盘的半成品重量的1.5倍。 改性处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。得到密度为2.05g/cm3～2.15g/cm3的 碳陶制动盘。
Ⅱ碳陶闸片的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶闸片的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶闸片的半成品重量的2倍。改性处 理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。得到密度为2.15g/cm3～2.25g/cm3的碳陶闸 片。
步骤4精加工
将得到的碳陶制动盘和碳陶闸片按照图纸要求进行精加工，得到高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶。
实施例3
本实施例是一种制备高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的方法，所述的高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶包括制动盘和闸片。具体步骤如下：
步骤1，碳/碳预制体的沉积。
Ⅰ制动盘碳/碳预制体的沉积：
将制动盘碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺进行沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h，沉积至密度为1.3g/cm3～ 1.4g/cm3。
Ⅱ闸片碳/碳预制体的沉积：
将闸片碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中，按常规的工艺沉积。以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为350±50h，沉积至密度为1.4g/cm3～1.5g/cm3。
步骤2，高温热处理：
将达到规定密度的制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体置入高温热处理炉中，按常规 的工艺进行高温热处理。热处理温度为2250±50℃，保温时间为4h。
步骤3，机械加工：
将步骤2得到的碳陶制动盘碳/碳坯体和碳陶闸片碳/碳坯体分别按照图纸要求进行机械加工。分别得到碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品。
步骤3，改性处理：
将得到的碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品分别进行改性处理。所述改性处理的具体过程是：
Ⅰ碳陶制动盘的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶制动盘的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶制动盘的半成品重量的1.5倍。 改性处理的温度为1640℃～1660℃，保温时间为2h。得到密度为2.05g/cm3～2.15g/cm3的碳陶制动盘。
Ⅱ碳陶闸片的半成品的改性处理
称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶闸片的半成品置于坩埚中的硅粉上；将坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理。所述硅粉的用量为碳陶闸片的半成品重量的2.5倍。改性 处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。得到密度为2.25g/cm3～2.40g/cm3的碳陶 闸片。
步骤4精加工
将得到的碳陶制动盘和碳陶闸片按照图纸要求进行精加工，得到高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶。
Claims (5)
1.一种高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，碳/碳预制体的沉积；
Ⅰ制动盘碳/碳预制体的沉积：
将制动盘碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中进行沉积至密度为1.3g/cm3～1.4g/cm3；以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h；
Ⅱ闸片碳/碳预制体的沉积：
将闸片碳/碳预制体置入化学气相沉积炉中沉积至密度为1.4g/cm3～1.5g/cm3；
步骤2，高温热处理：
将得到的制动盘碳/碳坯体和闸片碳/碳坯体置于高温热处理炉中进行高温热处理；
热处理温度为2250±50℃，保温时间为4h；
步骤3，机械加工：
分别得到碳陶制动盘的半成品和碳陶闸片的半成品；
步骤4，改性处理：
所述的改性处理是分别对得到的碳陶制动盘的半成品和对碳陶闸片的半成品进行改性处理；具体是，称取硅粉倒入坩埚中，将碳陶制动盘的半成品或碳陶闸片的半成品置于坩埚中的硅粉上；将该坩埚放入熔融渗硅炉中进行改性处理；分别得到密度为2.05g/cm3～2.15g/cm3的碳陶制动盘和密度为1.80g/cm3～2.0g/cm3的碳陶闸片；
步骤5精加工：
将得到的碳陶制动盘和碳陶闸片按照图纸要求进行精加工，得到高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶。
2.如权利要求1所述高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，其特征在于，步骤1中沉积制动盘碳/碳预制体和闸片碳/碳预制体时，以天然气和丙烷为气源，沉积温度为1000℃，沉积时间为300±50h。
3.如权利要求1所述高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，其特征在于，在对所述碳陶制动盘的半成品进行改性处理时，所述硅粉的用量为碳陶制动盘的半成品重量的1.5倍。
4.如权利要求1所述高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，其特征在于，在对所述碳陶闸片的半成品进行改性处理时，所述硅粉的用量为碳陶闸片的半成品重量的1.0～2.5倍。
5.如权利要求1所述高速列车陶瓷基复合材料摩擦对偶的制备方法，其特征在于，所述改性处理的温度为1650±10℃，保温时间为2h。
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