CN116324207A - 轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘（鼓） - Google Patents

轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘（鼓） Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻金属结构‑功能双梯度复合材料制动盘(鼓)。不同于传统的金属或金属陶瓷复合材料制动盘，其是由承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属一体复合铸造而成。这样的结构形式不但可以充分发挥轻金属热容大、散热快、对裂纹不敏感及陶瓷骨架高硬度、高抗剪切、高弹性模量、抗热震性优点，使得制动盘(鼓)的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属形成双梯度组合，保证了金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层能够耐受更高的温度而不软化、不变形，而且金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层在摩擦制动过程中的温度更加均匀，摩擦系数也更加稳定。

Description

轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓) 技术领域
本发明涉及一种由承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属一体复合铸造制成的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其应用包括但不限于轨道交通、公路交通车辆的离合、制动。
背景技术
目前，绝大多数包括但不限于轨道交通、公路交通车辆的制动盘(鼓)，主要采用的是整体黑色金属材料制成。其缺点是密度大，不利于减轻重量；导热性差，造成摩擦制动时摩擦表面温升过高；温差大，容易在摩擦表面不同区域形成热斑，产生热裂纹；也容易造成盘体内部热应力集中、形成内裂纹。
即使是已有的金属陶瓷复合材料制动盘(鼓)，也往往是摩擦层与基体结构部分是同种材料制成。不但制作成本高，而且金属与陶瓷的结合界面容易产生热疲劳裂纹，影响其使用寿命。而碳/碳、碳/陶复合材料制动盘(鼓)又价格昂贵，如使用机械方法与金属结构部分连接，又会由于两种材料的接触界面问题，影响热传导而使得摩擦层温度过高，凡此种种均为影响其使用的不利因素。
随着减重、节能减排及降低成本为目的的轻量化技术的推广应用，用陶瓷增强铝合金制备成轻量化制动盘(鼓)，不但可以显著降低制动盘(鼓)的重量，还可以大幅减少摩擦制动时的噪音和温升，提高离合器片、制动盘(鼓)的耐磨性和使用寿命。但由于陶瓷颗粒增强铝合金复合材料的弹性模量较低，特别是随着铝合金基体的高温软化，陶瓷颗粒增强铝合金复合材料制动盘的弹性模量急剧下降。再加上各种车辆不断向高速、重载方向发展，对陶瓷颗粒增强金属复合材料界面的结合强度、陶瓷增强体的形状、陶瓷增强体在被增强金属中的均匀性等直接影响金属/陶瓷复合材料性能的诸多因素提出了更高的要求。
与传统的黑色金属及已有的铝合金复合材料制动盘(鼓)相比，本发明轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，因设计思想是依据制动盘(鼓)的结构及不同部位的功能而定，质量轻且承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层具有高比压强度、比刚度、比模量，耐疲劳、耐磨损，抗热震性、热稳定性好，以及热膨胀系数低，并且与承载连接及结构功能的轻金属一体复合铸造而成，克服了其它种 类制动盘的诸多缺点。
本发明轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)相比目前在役的同尺寸黑色金属制动鼓(盘)不但减重60％左右，而且提高了散热性能(相同制动条件下温升降低20％，降至同样温度时间少用近50％，摩擦表面不同区域的温差更小)，优化了摩擦磨损性能(相同冷却等时摩擦系数更加平稳)，而且可以低成本产业化生产。因而在轨道交通、公路交通、机械制造等领域，特别是在摩擦制动材料领域展现了良好的应用前景。
发明内容
本发明为一种轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)。包括但不限于为轨道交通、公路交通车辆提供一种质量轻、生产周期短、散热快、热稳定性好、服役寿命长的制动盘(鼓)。这种制动盘(鼓)不但具有承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属之间形成的结构-功能双梯度材料特性，而且造价低、摩擦制动平稳、噪音低，以及拆卸、安装方便、省力等优点。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
首先筛选高温性能满足使用要求，铸造性能好，与增强体陶瓷骨架不发生剧烈反应的轻金属材料。以价格低、热容大、导热快、综合性能好、生产工艺成熟的铝合金为优选。然后将制备好的连续相陶瓷骨架放入铸造模具的型腔中，与轻金属一体复合铸造成为由承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属组成的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)。这样的制动盘(图1、图2)，不但显著提高了金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层的摩擦磨损性能，保证了热量在导热性能好的轻金属中无缝、快速传导，而且极易实现低成本、规模化生产。
承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续相结构陶瓷骨架，从抗热震性能、耐磨损性能、导热性能、比热容性能、密度、烧结时收缩变形、价格等方面综合考虑，采用包括但不限于三维网络结构形式、二维蜂窝结构形式的碳化硅陶瓷，优选成本更低的反应烧结碳化硅陶瓷。
因为反应烧结碳化硅陶瓷骨架中的游离硅不但可以明显改善轻金属对陶瓷骨架的浸润性，而且还提高了高温复合铸造过程中碳化硅陶瓷与铝合金基体发生反应的难度：
3SiC+4Al＝Al 4C 3+3Si
进而避免了因形成Al 4C 3而使SiC与铝合金基体的界面受到损伤，以及其遇水发生电化学腐蚀而导致的复合材料机械性能降低，改善了复合材料的各项性能。
为使摩擦制动过程中的热量能被制动盘整体快速、均匀的吸收，减少承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层不同区域间的表面温差，降低金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属结合部位的热应力，金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续相结构陶瓷骨架与承载连接及结构功能的轻金属结合面包括但不限于斜面(图3)、凸面(图4)、凹面(图5)、锯齿状(图6)等形状，以形成金属/陶瓷复合材料摩擦层的功能梯度变化。
承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续相结构陶瓷骨架的孔洞直径，由垂直于摩擦表面向盘体内延伸时由小变大(图7)，或是由大变小呈梯度变化。
承载摩擦磨损功能的复合材料摩擦层的厚度，为在制动盘(鼓)的磨耗到限尺寸基础上加厚1～5mm，以保证复合材料摩擦层磨损到磨耗到限位置时，弹性模量在制动压力作用下不变，摩擦表面不出现犁沟，摩擦系数还平稳不变。
为提高轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)中基体轻金属的高温性能，可用纳米材料对其进行强化和韧化。连续结构相陶瓷骨架也可采用纳米陶瓷颗粒或是陶瓷纤维对其进行强化和韧化。
为保证轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)的基体轻金属在较大的制动压力情况下既不开裂也不破碎，并且在摩擦制动温度较高的情况下，也不会因轻金属基体自身的热膨胀系数较大，加大制动蹄片的制动行程，滞后制动效果，本发明轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)还可一体复合铸有即不影响散热效果、又能增强轻金属基体强度、限制轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)基体轻金属产生热膨胀或变形的黑色金属网、网孔状黑色金属板。
附图说明
图1是轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)剖面示意图
图2是轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)实物照片
图3是复合材料摩擦层与轻金属结合部位中的斜面陶瓷骨架示意图
图4是复合材料摩擦层与轻金属结合部位中的凸面陶瓷骨架示意图
图5是复合材料摩擦层与轻金属结合部位中的凹面陶瓷骨架示意图
图6是复合材料摩擦表面与轻金属结合部位中的锯齿面陶瓷骨架示意图
图7是陶瓷骨架向轻金属基体延伸时陶瓷骨架孔洞由小到大示意图
图8是使用本发明制动盘进行地铁1:1台架试验时曲线
图9是使用本发明制动盘与铸钢盘进行1:1台架试验循环制动时间比较
图10是使用本发明制动盘与铸钢盘进行1:1台架试验时温升比较
图11是使用本发明制动盘与铸钢盘进行1:1台架试验摩擦系数比较
图12是使用本发明制动盘与铸钢盘1:1台架试验时六个测温点的温度比较
图13是使用本发明制动盘进行时速400km/h 1:1台架试验时摩擦系数
图14是使用本发明制动盘进行时速400km/h 1:1台架试验前、磨合后及试验后照片
图15是使用本发明制动盘进行乘用车1:1台架试验数据
图16是使用本发明制动盘进行乘用车1:1台架试验前及试验后照片
示例1
本示例1为使用本发明制动盘，在第三方依据CZJS/T 0012-2016《城市轨道交通车辆合成闸片技术规范》，使用BD2500/15000制动动力1:1试验台所做地铁车辆台架试验的部分数据曲线。
由图8中全部试验数据曲线(a)、不同速度情况下摩擦系数曲线(b)以及模拟工况试验数据曲线(c)、(d)可见，摩擦系数不但非常均匀稳定,而且温升还低。
示例2：
本示例2为使用本发明制动盘及铸钢制动盘，在第三方依据TB/T2980-2014《机车车辆用制动盘》，使用BD2500/15000制动动力1:1试验台所做时速250km/h动车组台架试验的部分数据曲线。
由图9可见，相同制动条件下，本发明制动盘(左)相比铸钢制动盘(右)冷却时间少用近50％。
由图10可见，相同制动条件下，本发明制动盘(左)相比铸钢制动盘(右)的温升低20％。
由图11可见，相同制动条件下，本发明制动盘(左)的摩擦系数相比铸钢制动盘(右)更加平滑。
由图12可见，相同制动条件下，本发明制动盘(左)相比铸钢制动盘(右) 的6个测温点的温度不但更低，而且也更均匀，更有规律。
示例3：
本示例3为使用本发明制动盘，在第三方比照TB/T2980-2014《机车车辆用制动盘》，使用BD2500/15000制动动力1:1试验台所做时速400km/h高速列车台架试验的部分数据曲线。
由图13试验数据可知，轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘不但可以满足时速400km/h高速列车制动要求，而且可以在摩擦表面最高520℃的温度的情况下，保持稳定的摩擦系数。
从时速400km/h试验前、磨合后及试验后摩擦表面的照片(图14)可见，轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘不但可以满足最高520℃温度要求，而且由于连续相陶瓷骨架对复合材料摩擦层的支撑作用，使得摩擦表面不软化、不变形、无犁沟，各项性能满足作为制动盘的使用要求。确实能对各类旋转机械实行安全、有效的离合、制动，而且有明显的减重及节能、减排效果。
示例4：
示例4为使用本发明制动盘，在第三方按AK MASTER试验大纲，进行的乘用车1:1台架试验的部分数据曲线。
由图15试验数据可见，本发明制动盘完全可以满足乘用车使用要求。
从试验完成后的照片可见，本发明制动盘摩擦表面完好，无划痕(图16)

Claims (7)

  1. 一种轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)：是由承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层与承载连接及结构功能的轻金属一体复合铸造而成。
  2. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的陶瓷，是由抗热震性能好、耐磨损、导热系数高的陶瓷制成的连续结构相骨架；
  3. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续结构相陶瓷骨架的孔洞直径，由垂直于摩擦表面向盘体内延伸时呈梯度变化；
  4. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续结构相陶瓷骨架与承载连接及结构功能的轻金属的结合面与摩擦表面为非垂直关系；
  5. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层的厚度，为在制动盘(鼓)的磨耗到限尺寸基础上加厚1～5mm；
  6. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    承载连接及结构功能的轻金属可用纳米材料对其进行强化和韧化。承载摩擦磨损功能的金属/陶瓷梯度复合材料摩擦层中的连续结构相陶瓷骨架也可采用纳米陶瓷颗粒或陶瓷纤维对其进行强化和韧化；
  7. 所述的轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)，其特征在于：
    轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)还可一体复合铸有能增强轻金属基体强度、限制轻金属结构-功能双梯度复合材料制动盘(鼓)中的轻金属基体膨胀、变形的黑色金属网。
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