CN112539233B - 一种碳陶制动摩擦块及制备方法 - Google Patents

一种碳陶制动摩擦块及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机动车制动技术领域，尤其涉及一种碳陶制动摩擦块及制备方法。所述碳陶制动摩擦块，包括碳陶摩擦体与钢背；所述与碳陶摩擦体待粘结的钢背表面设有凹槽，所述钢背的厚度为d，其中，凹槽的宽度为0.5mm～3mm，凹槽的深度为d/2～2d/3；部分或全部凹槽呈相间的方式布置；或部分或全部凹槽呈交错的方式分布；当凹槽与凹槽存在不交错的情况时，不交错的凹槽中，相邻凹槽之间的最小间距为10mm～20mm。其制备方法为：将备用碳陶摩擦体的待粘结的面与备用钢背待粘结的面贴合在一起进行钎焊加压烧结；然后经时效处理得到产品。本发明结构设计合理，制备工艺简单可控，便于大规模工业化应用。

Description

一种碳陶制动摩擦块及制备方法
技术领域：
本发明涉及机动车制动技术领域，尤其涉及一种碳陶制动摩擦块及制备方法。
背景技术：
碳纤维增强碳/碳化硅复合陶瓷基材料(以下简称碳陶)由于具有质量轻，耐高温且耐磨等优良特性，目前作为新一代制动摩擦材料，可广泛应用于轨道交通及汽车领域，特别是针对高速列车，比如：目前我国即将推出磁浮600km/h的高速列车，对于该等级的高速列车在紧急制动过程中，会对制动系统(包括制动摩擦块)产生强大的热冲击，而此时碳陶制动摩擦块刚好可以满足要求。
目前碳陶制动摩擦块通常都是采用铆接的方式将碳陶摩擦体与钢背铆接在一起，即：在碳陶摩擦体中设计一个或多个贯穿孔，然后通过铆钉从贯穿孔穿过而将碳陶摩擦体与钢背铆接在一起而形成的碳陶制动摩擦块。然而以上结构设计存在一些不足之处：①.碳陶摩擦体在铆接前需要提前进行钻孔，其制备工艺一般都是在熔渗前进行初加工钻孔，熔渗过后再进行细加工，以获得所需的孔位大小，然后再对其进行铆接处理，所以这样在实际生产过程中流程过于复杂；②.碳陶摩擦体需要在其中设计数个贯穿孔，这样的设计间接地减少了碳陶摩擦体地摩擦面积，同时，在进行结构设计地过程中，也需要考虑碳陶摩擦体地铆接孔孔位的具体位置要求；所以目前的碳陶制动摩擦块结构设计与应用会增加整个产品的生产加工成本，而本身碳陶摩擦材料的成本相比目前粉末冶金摩擦块的成本高，所以以上最终会限制碳陶制动摩擦块的大规模的推广及应用。
另外，关于碳纤维增强陶瓷基复合材料与金属材料之间的连接，目前常用的方式也有提出采用钎焊的方式进行连接。对于实现碳纤维增强陶瓷基复合材料与金属之间的钎焊，所使用的钎料大部分主要集中于Ag-Cu-Ti基以及在其基础上进行改性的钎料体系。然而，对于Ag-Cu-Ti体系的钎料，由于其含有贵金属元素，因此所需的材料成本相对较高。另外，专利CN111085796A提出采用Fe基活性钎料以实现碳纤维增强陶瓷基复合材料与金属之间的钎焊连接，但其所使用的钎料需要先进行熔炼然后再进行切割薄片，该方案在实际生产应用过程中操作可行性过于复杂，不利用大规模进行推广应用。
发明内容：
针对上诉问题，本发明提供一种碳陶制动摩擦块及制备方法，其在实现碳陶摩擦体与钢背之间连接的同时，不但简化了目前碳陶制动摩擦块的生产加工流程，而且优化了结构设计，达到降低成本的目的。
本发明所采取的技术方案是：
本发明一种碳陶制动摩擦块，包括碳陶摩擦体与钢背；所述钢背中，与碳陶摩擦体待粘结的钢背表面设有凹槽，所述钢背的厚度为d，其中，凹槽的宽度为0.5mm～3mm，凹槽的深度为d/3～2d/3；
部分或全部凹槽呈相间的方式布置；或
部分或全部凹槽呈交错的方式分布；
当凹槽与凹槽存在不交错的情况时，若凹槽与凹槽彼此相互平行时，相邻凹槽之间的间距为10mm～20mm；若存在凹槽与凹槽之间不相互平行且不交错的情况下，相邻凹槽之间的最小间距为10mm～20mm；当存在凹槽与凹槽之间相互平行的情况时，相邻凹槽之间的间距为10mm～20mm。
垂直于钢背进行投影；凹槽的投影面积占整个钢背投影面积的2％～20％、优选为5％-15％、进一步优选为8％-12％。
作为优选方案；本发明一种碳陶制动摩擦块，所述钢背的厚度d≥2mm。
作为优选方案；本发明一种碳陶制动摩擦块，垂直于钢背进行投影；凹槽的投影选自环状、弧状、椭圆状、圆形、多边形、三角形、梯形、长方形、正方形中的至少一种。
本发明通过控制凹槽的投影面积占整个钢背投影面积；配合凹槽的分布方式可以达到降低钢背在升温降温过程中所产生的应力收缩程度以及优化应力分布均匀性的目的。在本发明中，部分或全部凹槽呈交错的方式分布是较佳方案。作为并列的较佳方案；凹槽的投影所得图形中，至少有一个图形选自环形、弧形、圆形、椭圆状中的至少一种。
作为优选方案；本发明一种碳陶制动摩擦块，所述碳陶摩擦体为碳纤维增强陶瓷基复合材料。所述碳陶摩擦体优选碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料。
作为优选方案；本发明一种碳陶制动摩擦块，所述钢背的成分主要包括以下：
Fe含量：≥70％，
Cr含量：1.5％～20％，
Mo含量：0.2％～2％，
C含量：＜1.0％，
其它合金元素不受限。
作为优选方案；本发明一种碳陶制动摩擦块，所述碳陶摩擦体的厚度≥10mm。
本发明一种碳陶制动摩擦块的制备方法，包括以下制备步骤：
⑴将钢背待粘结的面加工出设定尺寸的凹槽；将碳陶摩擦体待粘结的面与带有凹槽的钢背待粘结的面用砂纸打磨并在酒精溶剂中进行超声清洗，晾干，得到备用碳陶摩擦体和备用钢背；
⑵将备用碳陶摩擦体的待粘结的面与备用钢背待粘结的面贴合在一起进行钎焊加压烧结；
⑶钎焊加压烧结完成后，将碳陶摩擦体与钢背连接体缓慢降温至温度I进行时效处理；所述温度I的范围为500～900℃，优选550℃～850℃；
⑷时效处理完成后，再将碳陶摩擦体与钢背连接体降温，得到产品。
作为优选方案，本发明一种碳陶制动摩擦块的制备方法，所述步骤⑵中加压烧结的压力为0.01MPa～1MPa，钎焊烧结温度为1100℃～1250℃；烧结时间为0.5h～2h。
作为优选方案，本发明一种碳陶制动摩擦块的制备方法，所述步骤⑶中时效处理的温度I为钎焊烧结温度的(1/2～2/3)倍，时效处理的时间为2～5h。
作为优选方案，本发明一种碳陶制动摩擦块的制备方法，所述步骤⑶与步骤⑷降温速率＜1℃/min。
作为优选方案，本发明一种碳陶制动摩擦块的制备方法，所述步骤⑵、步骤⑶以及步骤⑷过程处于惰性气体氛围或还原性气体氛围。
本发明由于采取以上技术方案，具有如下有益效果：
与现有技术相比，本发明所提供的一种碳陶制动摩擦块，且结构设计简单，其直接通过钢背与碳陶摩擦体的钎焊烧结工艺，主要利用钢背当中的Fe元素与碳陶摩擦体中的碳/碳纤维在高温下发生共晶反应以实现碳陶表面的润湿；本发明所提出的结构设计可以适当地增大碳陶摩擦体的摩擦面积，有效地提高碳陶制动块的制动效率；同时，本发明提出对钢背与碳陶摩擦体粘结的界面进行适当的凹坑结构设计，以及钎焊烧结后通过时效处理工艺及缓慢降温过程，可有效地缓解碳陶与钢背之间的残余热应力，降低碳陶与钢背之间由于错配力而导致界面出现裂纹。另外，本发明提供的碳陶制动摩擦块的制备方法，该方法简单易操作，工艺流程简单，成本较低，易于进行大规模工业化量产。
附图说明：
图1为本发明的碳陶制动摩擦块的结构示意图I；
图2为本发明的碳陶制动摩擦块的结构示意图II；
图3为本发明的碳陶制动摩擦块的钢背的粘结界面I；
图4为本发明的碳陶制动摩擦块的钢背的粘结界面II；
标号说明：
11、钢背；12、碳陶摩擦体I；13、凹槽a；
21、凹槽b；22、紧固销；23、钢背；24、层孔；25、碳陶摩擦体II；
31、圆弧凹槽I；32、圆凹槽II；33、圆凹槽III；34、限位孔I；
41、横向凹槽；42、纵向凹槽；43、限位孔II；
具体实施方式：
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出一种碳陶制动摩擦块及制备方法，沿厚度方向依次层叠钢背11、碳陶摩擦体12以及在钢背表面铣雕的凹槽13；图2作为本发明的一种优选方案，在包括钢背23、碳陶摩擦体25以及在钢背表面铣雕的凹槽21的同时，还包括设置于钢背23上的紧固销22与设置于碳陶摩擦体24中的层孔22，层孔的设计既可以作为钢背的定位孔，又可以通过紧固销与层孔之间的镶嵌以进一步提高碳陶摩擦体与钢背之间的剪切强度。图3、图4为在钢背表面进行开槽，其中图3的开槽形状由圆弧凹槽和圆凹槽组合在一起为形成，凹槽与凹槽之间不形成相互交错；而图4的开槽形状有直线装凹槽组合而成，凹槽与凹槽之间形成横纵交错。
在本发明中，所述碳陶制动摩擦块由碳陶摩擦体与钢背构成；所述与碳陶摩擦体待粘结的钢背表面设有凹槽，所述钢背的厚度为d，其中，凹槽的宽度为0.5mm～3mm，凹槽的深度为d/3～2d/3；
部分或全部凹槽呈相间的方式布置；或
部分或全部凹槽呈交错的方式分布；
当凹槽与凹槽存在不交错的情况时，若凹槽与凹槽彼此相互平行时，相邻凹槽之间的间距为10mm～20mm；若存在凹槽与凹槽之间不相互平行且不交错的情况下，相邻凹槽之间的最小间距为10mm～20mm；
垂直于钢背进行投影；凹槽的投影面积占整个钢背投影面积的2％～20％、优选为5％-15％、进一步优选为8％-12％。
所述钢背的厚度d≥2mm，优选3mm～6mm；
所述垂直于钢背进行投影；凹槽的投影选自环状、弧状、椭圆状、圆形、多边形、三角形、梯形、长方形、正方形中的至少一种，优选圆形；
所述钢背的成分主要包括以下：
Fe含量：≥70％，
Cr含量：1.5％～20％
Mo含量：0.2％～2％
C含量：＜1.0％
其它合金元素不限；
在本发明中，所述凹槽的开口角度优选≤90°，优选10°～80°，更优选30°～60°；
在本发明中，所述凹槽可选自激光雕刻或铣刀完成；
在本发明中，所述碳陶摩擦体为碳纤维增强陶瓷基复合材料，优选碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料，其中碳陶摩擦体中的碳/碳纤维含量为40％～50％。
在本发明中，所述碳陶摩擦体选自碳纤维增强陶瓷基复合材料，优选碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料；
在本发明中，所述碳陶摩擦体的厚度≥10mm，优选15mm～30mm；
所述本发明提供上述碳陶制动摩擦块的制备方法，包括以下步骤：
①.将碳陶摩擦体待粘结的界面与钢背待粘结的界面用砂纸打磨并在酒精溶剂中进行超声清洗，晾干备用；
②.将碳陶摩擦体待粘结的界面与钢背待粘结的界面贴合在一起进行钎焊加压烧结；
③.钎焊加压烧结完成后，将碳陶摩擦体与钢背连接体缓慢降温至温度I进行时效处理；
④.时效处理完成后，再将碳陶摩擦体与钢背连接体缓慢降温至室温；
在本发明中，所述步骤①中砂纸优选200目～400目，超声清洗的时间优选20min～40min；
在本发明中，所述步骤②中加压烧结的压力为0.01MPa～1MPa，优选0.1～0.5MPa，钎焊加压烧结的温度为1100℃～1250℃；优选1150℃～1200℃，烧结时间为10min～60min，优选20min～40min；
在本发明中，步骤③中时效处理的温度I为钎焊烧结温度的(1/2～2/3)倍，时效处理的时间为2～5h，优选3h～4h；
在本发明中，步骤③与步骤④降温速率≤1℃/min，优选0.3℃/min～0.7℃/min；
在本发明中，所述步骤②中加压烧结过程处于惰性气体氛围或还原性气体氛围，优选N2或H2氛围。
下面结合具体实施例对本发明提供的一种碳陶制动块及制备方法进行详细描述，但并非将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
选择25Cr2MoV的合金钢作为钢背，含碳/碳纤维占40％的碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料作为碳陶摩擦体，钢背的厚度为3mm，钢背待粘结的界面上的凹槽的宽度1mm，凹槽的深度为1.5mm，凹槽与凹槽之间的间距为20mm，凹槽与凹槽之间不形成相互交错，凹槽为圆弧形和圆形，凹槽的投影面积占整个钢背面积的8％，凹槽的开口角度为60°，碳陶摩擦体的厚度为15mm，选用200目的砂纸将25Cr2MoV的钢背待粘结界面与碳陶摩擦体的待粘结界面打磨并在酒精当中超声清洗20min，然后将碳陶摩擦体与钢背在0.5MPa的压力，钎焊烧结温度为1150℃条件下保温40min，保护气体为N2，钎焊烧结保温时间完成后，以0.7℃/min的降温速率降至750℃，保温4h进行时效处理，时效处理完成后，再以0.7℃/min的速率降低室温。
对比例1
将实施例1中所示的25Cr2MoV的钢背不进行刻槽处理，其它制备条件与实施例1一致。
实施例2
选择25Cr2MoV的合金钢作为钢背，含碳/碳纤维占40％的碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料作为碳陶摩擦体，钢背的厚度为3mm，钢背待粘结的界面上的凹槽的宽度1mm，凹槽的深度为1.5mm，凹槽由相互平行和垂直的直线状凹槽所构成，相互交错的凹槽呈“十”字，相互平行的直线凹槽之间的间距为20mm，凹槽的投影面积占整个钢背面积的8％，凹槽的开口角度为60°，碳陶摩擦体的厚度为15mm，选用200目的砂纸将25Cr2MoV的钢背待粘结界面与碳陶摩擦体的待粘结界面打磨并在酒精当中超声清洗20min，然后将碳陶摩擦体与钢背在0.5MPa的压力，钎焊烧结温度为1150℃条件下保温40min，保护气体为N2，钎焊烧结保温时间完成后，以0.7℃/min的降温速率降至750℃，保温4h进行时效处理，时效处理完成后，再以0.7℃/min的速率降低室温。
对比例2
将实施例2中时效处理工艺省略，在钎焊加压烧结完成后，直接以0.7℃/min的降温速率降至室温，其它的制备条件与实施例2一致。
实施例3
选择25Cr2MoV的合金钢作为钢背，含碳/碳纤维占50％的碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料作为碳陶摩擦体，钢背的厚度为6mm，钢背待粘结的界面上的凹槽的宽度2mm，凹槽的深度为4mm，凹槽由相互平行和垂直的直线状凹槽所构成，相互交错的凹槽呈“十”字，相互平行的直线凹槽之间的间距为15mm，凹槽的投影面积占整个钢背面积的10％，凹槽的开口角度为45°，碳陶摩擦体的厚度为30mm，选用400目的砂纸将25Cr2MoV的钢背待粘结界面与碳陶摩擦体的待粘结界面打磨并在酒精当中超声清洗40min，然后将碳陶摩擦体与钢背在0.1MPa的压力，钎焊烧结温度为1200℃条件下保温20min，保护气体为H2，钎焊烧结保温时间完成后，以0.3℃/min的降温速率降至600℃，保温3h进行时效处理，时效处理完成后，再以0.3℃/min的速率降低室温。
实施例4
选择2Cr12MoV马氏体耐热钢作为钢背材质，含碳/碳纤维占45％的碳纤维增强碳/碳化硅陶瓷基复合材料作为碳陶摩擦体，钢背的厚度为4.5mm，钢背待粘结的界面上的凹槽的宽度1.5mm，凹槽的深度为2.5mm，凹槽与凹槽之间的间距为10mm，凹槽与凹槽之间不形成相互交错，凹槽由圆弧形和圆形所构成，凹槽的投影面积占整个钢背面积的12％，凹槽的开口角度为30°，碳陶摩擦体的厚度为22.5mm，选用300目的砂纸将2Cr12MoV的钢背待粘结界面与碳陶摩擦体的待粘结界面打磨并在酒精当中超声清洗30min，然后将碳陶摩擦体与钢背在0.25MPa的压力，钎焊烧结温度为1170℃条件下保温30min，保护气体为N2，钎焊烧结保温时间完成后，以0.5℃/min的降温速率降至590℃，保温3.5h进行时效处理，时效处理完成后，再以0.5℃/min的速率降低室温。
表1
Figure BDA0002808497350000101
Figure BDA0002808497350000111
通过表1的数据可知，本发明通过对钢背粘结界面的凹槽设计以及钎焊加压烧结后的时效处理以及缓慢降温控制，可以有效地消除了碳陶摩擦体与钢背之间由于热膨胀系数不匹配而产生的错配力而导致碳陶摩擦体边界处产生裂纹的不利影响。另外，目前我国对于动车组暂行技术条件要求钢背与摩擦体之间的剪切强度达到7MPa，根据表1数据显示，以上实施例所获得碳陶摩擦块的剪切强度均可满足该标准要求。
以上内容对本发明所述的碳陶制动摩擦块及制备方法进行了具体描述，其可应用汽车或轨道交通制动摩擦系统，但是本发明不受以上描述的具体实施方式内容的局限，所以凡依据本发明的技术要点进行的任何改进、等同修改和替换等，均属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种碳陶制动摩擦块，其特征在于：包括碳陶摩擦体与钢背；
所述钢背中，与碳陶摩擦体待粘结的钢背表面设有凹槽，所述钢背的厚度为d，其中，凹槽的宽度为0.5mm~3mm，凹槽的深度为d/3~2d/3；
部分或全部凹槽呈相间的方式布置；或
部分或全部凹槽呈交错的方式分布；
若凹槽与凹槽彼此相互平行时，相邻凹槽之间的间距为10mm~20mm；若存在凹槽与凹槽之间不相互平行且不交错的情况下，相邻凹槽之间的最小间距为10mm~20mm；
垂直于钢背进行投影；凹槽的投影面积占整个钢背投影面积的2%~20%；
所述碳陶摩擦体为碳纤维增强陶瓷基复合材料；
所述钢背的成分主要包括以下：
Fe含量：≥70%，
Cr含量：1.5%~20%，
Mo含量：0.2%~2%，
C含量：＜1.0%，
其它合金元素不受限；
将备用碳陶摩擦体的待粘结的面与备用钢背待粘结的面贴合在一起进行钎焊加压烧结；钎焊加压烧结完成后，将碳陶摩擦体与钢背连接体缓慢降温至温度I进行时效处理；所述温度I的范围为500~900℃；时效处理完成后，再将碳陶摩擦体与钢背连接体降温，得到产品。
2.根据权利要求1所述的一种碳陶制动摩擦块，其特征在于：所述钢背的厚度d≥2mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳陶制动摩擦块，其特征在于：垂直于钢背进行投影；凹槽的投影选自环状、弧状、椭圆状、圆形、多边形、三角形、梯形、长方形、正方形中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种碳陶制动摩擦块，其特征在于：所述碳陶摩擦体的厚度≥10mm。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的碳陶制动摩擦块的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
⑴将钢背待粘结的面加工出设定尺寸的凹槽；将碳陶摩擦体待粘结的面与带有凹槽的钢背待粘结的面用砂纸打磨并在酒精溶剂中进行超声清洗，晾干，得到备用碳陶摩擦体和备用钢背；
⑵将备用碳陶摩擦体的待粘结的面与备用钢背待粘结的面贴合在一起进行钎焊加压烧结；
⑶钎焊加压烧结完成后，将碳陶摩擦体与钢背连接体缓慢降温至温度I进行时效处理；所述温度I的范围为500~900℃；
⑷时效处理完成后，再将碳陶摩擦体与钢背连接体降温，得到产品。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中加压烧结的压力为0.01MPa~1MPa，钎焊烧结温度为1100℃~1250℃；烧结时间为10min~60min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中时效处理的温度I为钎焊烧结温度的（1/2~2/3）倍，时效处理的时间为2~5h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶与步骤⑷降温速率＜1℃/min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵、步骤⑶以及步骤⑷过程处于惰性气体氛围或还原性气体氛围。
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