CN111390175B - 一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法 - Google Patents

一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法。该方法是将模具进行预热处理；在经过预热处理的模具内腔表面喷涂脱模剂；将轨道交通制动盘烧结粗坯放入模具内腔进行热压处理后，脱模，即得。该方法能够有效避免传统铸造工艺中轨道交通制动盘易产生气孔和裂纹等问题，同时增加轨道交通制动盘烧的致密性，去除前期烧结过程中产生的内部和表面缺陷，该方法制得的轨道交通制动盘成型体尺寸接近成品，散热筋成型好，强度高且无缺陷，同时该方法操作简便，对设备吨位要求低，成品率高，可用于制备各尺寸及结构的轨道交通制动盘，满足工业化大批量连续生产要求。

Description

一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法
技术领域
本发明涉及一种轨道交通制动盘烧结粗坯的加工方法，特别涉及一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成型热压方法，属于轨道交通制动盘制备技术领域。
背景技术
节能降耗对保护环境有非常重要的意义，在轨道交通领域，传统制动盘采用的铸铁、铸钢等铁质金属材料密度大且易出现热龟裂等缺陷。因此采用高性能轻金属材料制备制动盘，可减轻车身重量，改善动力性能，同时降低能耗，起到节能减排的效果。但目前国内的轻量化制动盘完全被国外垄断，对我国长远发展非常不利。因此，制备轻量化轨道交通制动盘已迫在眉睫。
铝基复合材料具有密度小、热稳定性好等一系列优势，尤其以陶瓷颗粒作为增强体时，可大大提高强度，有望成为新一代轨道交通制动盘的材料。德国、日本等已开展了铝基复合材料制动盘的研究，但其使用的铸造法难以避免气孔、缺陷等问题，且复合材料中陶瓷颗粒含量难以突破20％的上限，因此耐磨性能难以大幅提高，无法满足更高速列车的制动要求。国内的研究也仅处于起步阶段，未有成果出现。
使用粉末冶金法(即混粉-冷压-烧结)可提高陶瓷颗粒含量，达到制动盘使用要求，但其通常用以制备小尺寸产品，在制备制动盘这样尺寸较大的产品时会出现均一性较差及裂纹、断裂等缺陷。且后期机加出复杂的散热筋形状也会导致生产成本大幅度增加。因此加入一道近净成型热压工艺，有望增加材料致密性，减少裂纹，同时直接成形散热筋形状，降低成本。但铝基复合材料烧结后疏松多孔，且散热筋成型难度很大，因此通过热压工艺中模具的设计和工艺参数的创新，有望通过该工艺制备得到无缺陷、均一性好、成型完整、接近净尺寸的铝基复合材料轨道交通制动盘成型体，后续经过简单机加工便可得到成品。
中国专利(申请号：CN201310692416.X)公开了一种高速列车制动盘的生产方法及锻造模具，具体公开了将23CrNiMoV圆钢通过镦粗、碾压、锻造、车加工制备成列车制动盘的方法及锻造模具的设计。但该锻造模具及参数不适用于疏松多孔的铝基复合材料烧结坯体，散热筋顶端会有缺失。
中国专利(申请号：CN201710861063.X)公开了一种铝基复合材料制动盘的制备方法，具体公开了以纯铝为基体，BN粉末、MoS2粉末及镀钛金刚石微粉为增强体，通过球磨、压制预成型、热压烧结获得制动盘的方法。该方法的热压仅是压制成表面水平的坯体，后续机加成本很高。且其模具也不适用于压制散热筋形状，而且压制温度高，不利于节能。
发明内容
针对铝基复合材料制动盘在轨道交通装备轻量化中的应用趋势和现有铝基复合材料制动盘制备技术中的缺陷，及散热筋形状机加工的高昂成本，本发明的目的是在于提供一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘的近净成型热压工艺，解决了冷压和烧结后坯体均一性不好及内部易有缺陷的问题，同时解决了散热筋需要机加工，成本高昂的问题。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其包括以下步骤：
1)将模具进行预热处理；
2)在经过预热处理的模具内腔表面喷涂脱模剂；
3)将轨道交通制动盘烧结粗坯放入模具内腔进行热压处理后，脱模，即得。
优选的方案，所述预热处理的温度为300～500℃。
优选的方案，所述热压处理的条件为：热压温度为530～590℃，压力为100～300MPa，加压速率为1～5mm/s，保压时间为5～30s。在优选的压制条件下可以获得外形完整，精确度高，致密性高，力学性能较好的轨道交通制动盘。在优选的温度条件下，烧结坯体已经充分软化，并出现了部分液相，有较好的流动性，可很好地填充模腔，形成完整的产品形状。以往铝合金热压时，需要加热至更高的温度才能起到良好充填的效果，该方案节省了能源和成本。选择该该压制参数，一方面是可以增加坯体的致密性，确保产品内部无裂纹和缺陷；另一方面在该条件下，坯体可以成型完整，压制出的外形尺寸和散热筋与成品图纸尺寸相差很小。
优选的方案，所述热压处理的次数为1～3次。最好是选择两次压制，可以更好地成型，更有利于模腔中气体的排出，同时缩短保压时间。
优选的方案，所述轨道交通制动盘烧结粗坯优选为由耐磨铝基复合材料通过粉末冶金烧结而成。轨道交通制动盘烧结粗坯可以是铝基复合材料，也可以是现有技术中其他用于制备轨道交通制动盘的常规材料。
优选的方案，所述耐磨铝基复合材料由铝粉、合金元素、微量元素和陶瓷颗粒组成；所述合金元素为Cu、Si、Fe、Ni、Mg中至少一种；所述微量元素为Sr、Ce、Sn中至少一种；所述陶瓷颗粒为SiC、Al2O3、Si3N4中至少一种。这些合金元素可在内部产生液相体，并原位生成以这些元素为主的二元或多元的细小金属间化合物强化相，起到强化铝基复合材料的机械性能的作用，改善其耐磨性能。
进一步优选的方案，所述耐磨铝基复合材料的质量百分比组成为：合金元素2.2～4.5％；微量元素不大于0.8％；陶瓷颗粒10～50％；铝粉，余量。本发明的耐磨铝基复合材料中合金元素组分的质量百分比含量低于优选的范围，起不到强化效果；若质量分数过大，高于优选的范围，非但无法形成上述金属间化合物、提高耐磨性能，而且会增加制动盘质量，达不到减重效果。加入的少量微量元素可促进合金元素形成金属间化合物。陶瓷颗粒可大幅度提高复合材料的机械性能，增强效果显著，在优选的比例范围内陶瓷颗粒含量越高耐磨性能越好，但是含量越高会影响成型和力学性能，通过本发明的成型工艺，相对现有技术中的耐磨铝基复合材料可以提高陶瓷颗粒比例，如进一步优选为20～50％，更进一步优选为30～50％。
优选的方案，所述模具包括上模、脱模柱和下模，所述上模内的上模腔和下模内的下模腔构成封闭的型腔，所述上模腔包括根据制动盘设计要求布设的多个散热筋型腔，所述散热筋型腔在对应散热筋顶部四周的位置上设有便于脱模的散热筋拔模角，所述上模上在每个散热筋型腔对应的位置设有与散热筋型腔连通的排气孔，所述上模上设有多个与上模腔连通的脱模孔，所述脱模孔内安装有长度大于脱模孔深度的脱模柱，在脱模状态时，所述脱模柱与上模反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的轨道交通制动盘。采用本发明的模具在轨道交通制动盘烧结粗坯的脱模过程中，首先保持阴模固定，压机上压头卸压，下压头加压，带动下模、模腔内的制动盘、上模、上模压板及上压头一起以1～3mm/s的速率上升，至样品离开阴模25～30mm停止，该过程中芯柱随样品一同上移。其后下压头带动下模以3～5mm/s的速率下移20～30mm，因制动盘散热筋处摩擦力较大，制动盘会留在上模模腔中，下模与样品脱离。上压头内打料油缸带动六个脱模柱共同往下顶出5mm，通过散热筋拔模角和脱模柱的共同作用，从而将铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体从模具内完整的脱离，经测量，本模具压制的成型体与图纸规定成品尺寸差值大小在0.8％范围内。因此需要后续机加工的量极少，可减少机加成本达80～90％，加工时长也大大提高，极大地提高了制动盘的生产效率。
较优选的方案，所述散热筋型腔以上模中心轴为中心分为多组，每组所述散热筋型腔组中所述散热筋型腔的排列方式相同，每组所述散热筋型腔的两端设有散热筋端部凸起型腔，每组所述散热筋型腔组中至少三根所述散热筋型腔的中部设有散热筋中部凸起型腔，所述散热筋端部凸起型腔和散热筋中部凸起型腔设置在同一与制动盘轴线垂直的平面上，所述散热筋端部凸起型腔使得成型后的散热筋两端沿径向向外凸起，所述散热筋中部凸起型腔使得成型后的散热筋中部沿径向向外凸起。
较优选的方案，所述散热筋拔模角为1.5°～7°。
较优选的方案，所述下模中部设有芯柱，所述芯柱为活动芯柱，所述上模和下模的中部设有与芯柱对应的芯柱孔，所述芯柱从下模底部插装在所述下模的芯柱孔内，所述芯柱插装到位后，所述芯柱通过轴向限位装置限位在下模上，且所述芯柱的顶部插入上模的芯柱孔内，所述芯柱的侧壁分别与上模和下模的芯柱孔内壁滑动连接。所述芯柱由独立的下气缸控制轴向移动。采用上述结构，在脱模时，芯柱因摩擦力随制动盘成型体一同上移，阴模脱出后，芯柱由其下气缸带动以3～5mm/s的速率下移5～10mm，后由自重带动回归压机原位，与制动盘成型体分离，然后下压头带动下模以3～5mm/s的速率下移20～30mm，使得下模脱离，将下模的芯柱设计为活动式，这样实现分段脱模，减小下模在脱模过程中受到制动盘成型体的摩擦力，减小了下模脱模的难度，保证制动盘脱模的完整。
进一步优选的方案，所述散热筋型腔在每个散热筋端部凸起型腔的位置设有一个排气孔。所述排气孔为Φ1～4mm，优选为2mm。由于制动盘散热筋数量众多且散热筋型腔窄小，粉末冶金制备的铝基复合材料又疏松多孔，在热压时易因排气不良、材料流动不畅等而无法成型，通过在散热筋端部凸起型腔的排气孔，可以保证压制时顺利排出模腔中的气体，完整填充散热筋模腔，同时设计开孔直径小，材料无法流动入孔径内，不会导致孔隙堵塞。
进一步优选的方案，所述脱模孔对应设置在散热筋中部凸起型腔的位置，并且与散热筋中部凸起型腔连通。
进一步优选的方案，所述上模上固定有上模盖板，上模和上模盖板的分体设计是为了方便独立更换单个部件，从而节省维修成本，所述上模盖板固定在压机上压头上，所述上模盖板在上模脱模孔对应位置同轴设置有直径大于脱模孔的通孔，所述脱模柱为T型脱模柱，所述T型脱模柱的头端直径与所述通孔直径相匹配，尾端直径与脱模孔直径相匹配。所述脱模柱由打料油缸单独控制，可独立于上模动作，从而实现在脱模状态时，所述脱模柱与上模的反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的制动盘，另外将脱模柱设计为T型脱模柱，从而方便控制脱模时脱模柱顶入上模腔内的距离，防止对产品的损伤。
进一步优选的方案，所述上模上设有导气槽，所述导气槽包括两个圆形的第一导气槽和多根沿径向排布的第二导气槽，两个所述第一导气槽分别将设置在散热筋端部凸起型腔上的排气孔连通，所述第二导气槽将第一导气槽与上模侧面联通。第一导气槽的作用是将所有处于同一直径范围内的排气孔连通，第二导气槽的作用是将第一导气槽从上模的侧面导通，这样防止上模盖板安装在上模上后，将排气孔堵塞。
进一步优选的方案，所述芯柱与上模间距为0.3～1.0mm。设置的间隙有利于材料的流动和成型。
进一步优选的方案，所述芯柱在上模腔和下模腔内的部分设有3～8°外向芯柱拔模角。散热筋拔模角和芯柱拔模角的设计一方面减小摩擦力，便于脱模，同时避免脱模时对产品有损伤，另一方面可以减少压制时的成型压力，使其在较小的压力下即可成型。
本发明涉及的用于轨道交通制动盘烧结粗坯模具可压制出散热筋形状及外形完整的轨道交通制动盘成型体。经测量，本模具压制的成型体与图纸规定成品尺寸差值大小在0.8％范围内。因此需要后续机加工的量极少，可减少机加成本达80～90％，加工时长也大大提高，极大地提高了制动盘的生产效率。
优选的方案，所述脱模剂为水、高温润滑剂和切削液的混合液，三者体积比例为(0.8～1.2)：(0.8～1.2)：(0.8～1.2)，进一步优选为由水、高温润滑剂和切削液以1:0.8:1.2的体积比例混合而成的混合液。所述高温润滑剂为市面上常见的高温润滑剂，如
Figure BDA0002428969090000061
122GLW 30，所述切削液为市面上常见的切削液，优选为全合成切削液，如OMT-QQ101全合成切削液等。本发明的关键是将水、高温润滑剂和切削液组合作为切削液使用，在优选的比例下脱模剂能减小模具与坯体表面的摩擦力，起到润滑作用，利于脱模，同时满足在该工艺温度下的使用要求，不会挥发或失效。
优选的方案，所述轨道交通制动盘烧结粗坯为环形件。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明工艺制备的轨道交通制动盘压烧结粗坯制成型体与烧结坯体相比，致密性和机械性能方面均有很大的提高，测试结果表明，轨道交通制动盘压制成型体密度在2.88～2.95g/cm3，硬度在60HRB以上，拉伸强度高于230MPa，符合制动盘的性能要求，而烧结坯密度在2.20g/cm3以下，硬度和拉伸强度仅为压制成型体的一半左右。
2)本发明工艺制备的的轨道交通制动盘烧结粗坯压制成型体，通过铝合金基体的软化和在模腔中的塑性流动，大大提高了内部成分的均一性，经测量，制动盘不同位置最大密度差小于2％。同时消弭了烧结坯体内部可能存在的裂纹和缺陷，提高了产品的合格率。
3)本发明可压制出散热筋形状及外形完整，且尺寸接近成品图纸尺寸的轨道交通制动盘压制体。经测量，该成型体与图纸规定成品尺寸差值大小在0.8％范围内。因此后续机加工量极少，可减少机加成本达80～90％，加工时长也大大提高，极大地提高了制动盘的生产效率。
4)本发明可用以制备各种超大尺寸的轨道交通制动盘烧结粗坯，其外直径可达到600～900mm，内直径达200～450mm，高可达20～140mm。
5)本发明的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压工艺通过模具一步压制成型，操作简便、成本低、成品率高，对设备要求低，且可应用于各种形状的轨道交通制动盘的制备，可进行工业化大批量连续生产。
附图说明
【图1】为本发明的模具的纵向剖面图。
【图2】为本发明的模具上模的仰视图。
【图3】为本发明的模具上模的俯视图。
【图4】为图3A处的放大图。
【图5】为图2E-E处的剖视图。
【图6】为Al-40％SiC复合材料轨道交通制动盘成型体的显微结构图。
【图7】为轨道交通制动盘成型体实物图。
【图8】为轨道交通制动盘成型体X射线探伤图。
【图9】为模具未开排气孔压制得到的轨道交通制动盘成型体图片。
【图10】为压制参数不在要求范围内得到的轨道交通制动盘成型体图片。
【图11】为脱模剂比例不在要求范围内得到的轨道交通制动盘成型体图片。
其中，1为阴模；2为上模；21为散热筋型腔；22为散热筋端部凸起型腔；23为散热筋中部凸起型腔；24为脱模孔；25为排气孔；26为导气槽；3为上模盖板；4为脱模柱；6为芯柱；7为下模。
具体实施方案
为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施实例，对发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
参见图1～图5，例举一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具I，包括阴模1、上模2、上模盖板3、脱模柱4和下模7，其中上模2和下模7设置在阴模1内，上模盖板3通过螺栓固定在压机上压头上，并通过紧固件与下方上模2相连，下模7与压机下压头通过螺栓相连。所述上膜腔包括根据制动盘设计要求布设的多个散热筋型腔21，所述散热筋型腔21以上模中心轴为中心分为多组，每组所述散热筋型腔组中散热筋型腔的排列方式相同，每组散热筋型腔21的两端设有散热筋端部凸起型腔22，每组所述散热筋型腔组中至少三根所述散热筋型腔的中部设有散热筋中部凸起型腔23，所述散热筋端部凸起型腔22和散热筋中部凸起型腔23设置在同一与制动盘轴线垂直的平面上，所述散热筋端部凸起型腔22使得成型后的散热筋两端沿径向向外凸起，所述散热筋中部凸起型腔23使得成型后的散热筋中部沿径向向外凸起，所述散热筋型腔在每个散热筋端部凸起型腔的位置设有一个排气孔25，所述上模上设有导气槽26，所述导气槽26包括两个圆形的第一导气槽和多根沿径向排布的第二导气槽，两个所述第一导气槽分别将设置在散热筋端部凸起型腔上的排气孔连通，所述第二导气槽将第一导气槽与上模侧面联通。所述散热筋型腔在对应散热筋顶部四周的位置上设有便于脱模的散热筋拔模角，本实施例中，所述散热筋拔模角为1.5°～7°。所述上模2上设有多个与上膜腔连通的脱模孔24，所述脱模孔24对应设置在散热筋中部凸起型腔23的位置，并且与散热筋中部凸起型腔23连通。所述上模2上固定有上模盖板3，所述上模盖板3在上模脱模孔对应位置同轴设置有直径大于脱模孔的通孔，所述脱模柱4为T型脱模柱，所述T型脱模柱的头端直径与所述通孔直径相匹配，尾端直径与脱模孔直径相匹配，所述脱模柱4由独立的打料油缸控制轴向移动，在脱模状态时，所述脱模柱与上模反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的制动盘。
参见图1～图5，例举另一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具II，与模具I的区别仅仅在于：与中上模2和下模7的中部在与制动盘轴孔位置对应处设有芯柱孔，所述芯柱孔内安装有芯柱6，所述芯柱6从下模底部插装在所述芯柱孔内，所述芯柱6插装进入下模腔内后，所述芯柱6的底部通过轴向限位装置限位在下模7上，所述芯柱6的顶部插装在上模2的芯柱孔内，所述芯柱6的侧壁分别与上模2和下模7的芯柱孔内壁滑动连接，所述芯柱6由独立的下气缸控制轴向移动，所述上模2与阴模1之间、上模2与芯柱6之间间隙为0.3～1.0mm。所述芯柱6在上膜腔和下模腔内的部分设有3～8°外向芯柱拔模角。
以下实施例采用上述模具来实现铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘烧结粗坯的热压成型(如没有其他特殊说明模具设置参数如上述模具I结构)：
实施例1
本实施方式的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到400℃，其中芯柱外向拔模角为4°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ1.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000092
122GLW 30高温润滑剂:OMT-QQ101全合成切削液＝1:1:1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为550℃，第一次压制条件为：压力为150MPa，加压速率为1mm/s，保压时间为20s，第二次压制条件为：压力为250MPa，加压速率为3mm/s，保压时间为10s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
经检测，通过该方法制备的铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体的密度为2.90g/cm3，硬度为87HRB，外形尺寸与图纸尺寸差值为0.6％，盘体不同位置密度差为1.5％，具有完整的散热筋形状且表面平整。图6为该Al-40％复合材料轨道交通制动盘成型体的扫描电镜显微结构图，由图可见制动盘内部致密，无气孔及细小裂纹，且颗粒分布均匀。图7为该轨道交通制动盘成型体照片。
实施例2
本实施方式的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到450℃，其中芯柱外向拔模角为3°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000091
122GLW 30高温润滑剂:SCC760B-H全合成切削液＝1:0.8:1.2；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为570℃，第一、二次压制条件均为：压力为200MPa，加压速率为2mm/s，保压时间为15s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
经检测，通过该方法制备的铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体内部无缺陷，外部结构完整，图8为该轨道交通制动盘成型体的X射线探伤照片。
实施例3
本实施方式的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到500℃，其中芯柱外向拔模角为5°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000101
122GLW 30高温润滑剂:SF17全合成切削液＝0.9:1.1:1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为590℃，第一次压制条件为：压力为100MPa，加压速率为4mm/s，保压时间为30s，第二次压制条件为：压力为300MPa，加压速率为3mm/s，保压时间为5s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
经检测，通过该方法制备的铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体及烧结坯体的机械性能如表1所示。可见热压后材料具有优异的抗拉强度和延伸率，刚性和塑性性能都有所增强，且性能参数较烧结坯体的有近一倍的增长。
表1铝基复合材料轨道交通制动盘成型体及烧结坯体的机械性能
Figure BDA0002428969090000111
实施例4
本实施方式的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到300℃，其中芯柱外向拔模角为8°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000113
122GLW 30高温润滑剂:切削液＝0.85:1.05:1.1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为530℃，第一次压制条件为：压力为250MPa，加压速率为1mm/s，保压时间为10s，第二次压制条件为：压力为150MPa，加压速率为5mm/s，保压时间为30s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
经检测，通过该方法制备的铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体的机械性能如表2所示。可见材料具有优异的抗拉强度和延伸率，刚性和塑性性能都有所增强。
表2铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体的机械性能
Figure BDA0002428969090000112
对比实施例1
对比实施例1为模具上模未开设散热孔的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到400℃，其中芯柱外向拔模角为4°，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000122
122GLW30高温润滑剂:OMT-QQ101全合成切削液＝1:1:1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为550℃，第一次压制条件为：压力为150MPa，加压速率为1mm/s，保压时间为20s，第二次压制条件为：压力为250MPa，加压速率为3mm/s，保压时间为10s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
图9为该轨道交通制动盘成型体图片，由图片可见，散热筋末端未能成形，存在较大的缺陷。
对比实施例2
对比实施例2为压制压力不在权利要求范围的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到450℃，其中芯柱外向拔模角为3°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000121
122GLW 30高温润滑剂:SCC760B-H全合成切削液＝；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为570℃，第一、二次压制条件均为：压力为80MPa，加压速率为2mm/s，保压时间为15s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
图10为该轨道交通制动盘成型体图片，由图可见，制动盘表面有明显的裂纹。
对比实施例3
对比实施例3为压制温度不在权利要求范围的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到400℃，其中芯柱外向拔模角为4°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ1.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000131
122GLW 30高温润滑剂:SF17全合成切削液＝1:1:1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为500℃，第一次压制条件为：压力为150MPa，加压速率为1mm/s，保压时间为20s，第二次压制条件为：压力为250MPa，加压速率为3mm/s，保压时间为10s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
由于坯体温度低，压制过程中无法很好地流动，导致散热筋处无法成形。
对比实施例4
对比实施例4为加压速率不在权利要求范围的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到300℃，其中芯柱外向拔模角为8°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000141
122GLW 30高温润滑剂:OMT-QQ101全合成切削液＝0.85:1.05:1.1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为530℃，第一次压制条件为：压力为250MPa，加压速率为6mm/s，保压时间为10s，第二次压制条件为：压力为150MPa，加压速率为8mm/s，保压时间为30s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
该压制速度下，模腔角落内无法得到很好填充，制动盘形状有缺失。
对比实施例5
对比实施例5为脱模剂比例不在权利要求范围的轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，按照下列各步骤实施：一、将模具单独加热至到500℃，其中芯柱外向拔模角为5°，上模对应于散热筋的位置两端开设96个Φ2.5的排气孔进行排气，散热筋四周拔模角度为3°，上模与阴模、上模与芯柱之间间隙为0.6mm；二、将脱模剂均匀喷涂在步骤一处理的模具与坯料接触的表面，脱模剂比例为水:
Figure BDA0002428969090000142
122GLW 30高温润滑剂:OMT-QQ101全合成切削液＝0.6:1.3:1.1；三、将轨道交通制动盘烧结坯体放入步骤二处理的模具型腔内，进行两次压制，烧结坯体成分为1.5％的Cu、2.2％的Mg、0.3％的Ce、40％的SiC及56％的铝粉(以上均为质量分数)，压制时烧结坯体温度为590℃，第一次压制条件为：压力为100MPa，加压速率为4mm/s，保压时间为30s，第二次压制条件为：压力为300MPa，加压速率为3mm/s，保压时间为5s；四、将步骤三压制的坯体脱模，阴模不动，上、下压头卸压后以同一速度上移，将上模压板、上模、下模和坯体一同带出，芯柱随制动盘一同上移，阴模脱出后芯柱自然脱落，下压头带动下模下移，制动盘留在上模模腔中，下模脱出，后通过脱模T形柱将制动盘顶出，脱出上模，即得到轨道交通制动盘成型体。
图11为该轨道交通制动盘成型体图片，因比例不对，脱模剂未起到作用，导致脱模时坯体与模具摩擦力过大，脱模时坯体无法完全脱出，导致撕扯断裂。

Claims (8)

1.一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将模具进行预热处理；
2）在经过预热处理的模具内腔表面喷涂脱模剂；
3）将轨道交通制动盘烧结粗坯放入模具内腔进行热压处理1~3次后，脱模，即得；
所述热压处理的条件为：热压温度为530~590℃，压力为100~300 MPa，加压速率为1~5mm/s，保压时间为5~30 s；
所述轨道交通制动盘烧结粗坯由耐磨铝基复合材料通过粉末冶金烧结而成；所述耐磨铝基复合材料由铝粉、合金元素、微量元素和陶瓷颗粒组成；所述合金元素为Cu、Si、Fe、Ni、Mg中至少一种；所述微量元素为Sr、Ce、Sn中至少一种；所述陶瓷颗粒为SiC、Al2O3、Si3N4中至少一种；
所述耐磨铝基复合材料的质量百分比组成为：
合金元素2.2~4.5%；
微量元素不大于0.8%；
陶瓷颗粒10~50%；
铝粉，余量。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：所述预热处理的温度为300~500℃。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：所述脱模剂由水、高温润滑剂和切削液按体积比（0.8~1.2）：（0.8~1.2）：（0.8~1.2）组成。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：所述模具包括上模、脱模柱和下模，所述上模内的上膜腔和下模内的下模腔构成封闭的型腔，所述上膜腔包括根据制动盘设计要求布设的多个散热筋型腔，所述散热筋型腔在对应散热筋顶部四周的位置上设有便于脱模的散热筋拔模角，所述上模上在每个散热筋型腔对应的位置设有与散热筋型腔连通的排气孔，所述上模上设有多个与上膜腔连通的脱模孔，所述脱模孔内安装有长度大于脱模孔深度的脱模柱，在脱模状态时，所述脱模柱与上模反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的轨道交通制动盘。
5.根据权利要求4所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：所述散热筋型腔以上模中心轴为中心分为多组，每组所述散热筋型腔组中所述散热筋型腔的排列方式相同，每组所述散热筋型腔的两端设有散热筋端部凸起型腔，每组所述散热筋型腔组中至少三根所述散热筋型腔的中部设有散热筋中部凸起型腔，所述散热筋端部凸起型腔和散热筋中部凸起型腔设置在同一与制动盘轴线垂直的平面上，所述散热筋端部凸起型腔使得成型后的散热筋两端沿径向向外凸起，所述散热筋中部凸起型腔使得成型后的散热筋中部沿径向向外凸起；所述散热筋拔模角为1.5°~7°；
所述下模中部设有芯柱，所述芯柱为活动芯柱，所述上模和下模的中部设有与芯柱对应的芯柱孔，所述芯柱从下模底部插装在所述下模的芯柱孔内，所述芯柱插装到位后，所述芯柱通过轴向限位装置限位在下模上，且所述芯柱的顶部插入上模的芯柱孔内，所述芯柱的侧壁分别与上模和下模的芯柱孔内壁滑动连接，所述芯柱由独立的下气缸控制轴向移动。
6.根据权利要求5所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：
所述散热筋型腔在每个散热筋端部凸起型腔的位置设有一个排气孔；
所述脱模孔对应设置在散热筋中部凸起型腔的位置，并且与散热筋中部凸起型腔连通；
所述上模上固定有上模盖板，所述上模盖板固定在压机上压头上，所述上模盖板在上模脱模孔对应位置同轴设置有直径大于脱模孔的通孔，所述脱模柱为T型脱模柱，所述T型脱模柱的头端直径与所述通孔直径相匹配，尾端直径与脱模孔直径相匹配；所述脱模柱由独立的打料油缸控制轴向移动。
7.根据权利要求6所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：
所述上模上设有导气槽，所述导气槽包括两个圆形的第一导气槽和多根沿径向排布的第二导气槽，两个所述第一导气槽分别将设置在散热筋端部凸起型腔上的排气孔连通，所述第二导气槽将第一导气槽与上模侧面联通。
8.根据权利要求6所述的一种轨道交通制动盘烧结粗坯的近净成形热压方法，其特征在于：
所述芯柱与上模间距为0.3~1.0mm；
所述芯柱在上模腔和下模腔内的部分设有3~8°外向芯柱拔模角。
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Address after: 416100 Jintian South Road, Wuxi Town, Luxi County, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hunan Province

Patentee after: Hunan Xiangtou Light Material Technology Co.,Ltd.

Address before: 416100 Jintian South Road, Wuxi Town, Luxi County, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hunan Province

Patentee before: HUNAN GOLDSKY ALUMINUM INDUSTRY HIGH-TECH CO.,LTD.