一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副及其制备方法技术

一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副及其制备方法，属于摩擦副制造技术领域。现有技术存在生产工艺复杂、导热差、寿命短缺陷。本发明专利技术的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架，另一侧圆周方向上设有若干散热筋，散热筋的中部设有贯穿制动盘的通风槽，Cu/Sic闸片的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架，另一侧有网格状散热片；本发明专利技术的制造步骤：网络碳化硅陶瓷骨架制备→骨架预处理→制动盘、闸片铸造模具的设计与制作→制动盘、闸片低压铸造→制动盘、闸片热处理→制动盘、闸片精密加工→成品入库。本发明专利技术的制作工艺简单、质量轻、摩擦系数高而稳定、导热性好、寿命长，适用于现有轨道车辆。

【技术实现步骤摘要】
一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副及其制备方法
本专利技术属于摩擦副制造
，尤其与一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副及其制备方法有关。
技术介绍
轻量化是高速列车的关键技术之一。随着我国高速铁路的快速发展，列车时速或超过380km/h，因此对制动盘和闸片的性能提出了更加严格的要求。陶瓷增强金属基复合材料，特别是网络结构的碳化硅陶瓷增强铝基、铜基复合材料用于高速列车的摩擦副，可显著减少簧下重量、实现轻量化。碳化硅陶瓷具有高模量、高耐磨、高强度和低密度等优异性能，金属材料具有良好的韧性，将碳化硅制成网络陶瓷，再和金属进行复合，制成的双联通金属陶瓷复合材料既可以在三维方向上发挥碳化硅陶瓷的高硬度、高耐磨、高耐热，又可以充分发挥金属材料的高韧性、良好的导热性等优点，因此是一种理想的摩擦副材料。制动盘的摩擦面采用Al/Sic复合材料，在制动过程中碳化硅陶瓷形成硬的微突体起到承载作用，抑制了铝合金的塑性变形和高温软化，可显著提高复合材料的高温摩擦性能。即使摩擦热产生的高温使得铝发生软化，甚至熔化，由于网孔中的铝受到骨架的限制，在剪切力的作用下铝基体也难以产生严重的粘着磨损，从而避免了粘结。闸片的摩擦面采用Cu/Sic复合材料，避免了发生在传统的碳化硅陶瓷颗粒增强金属基复合材料上的裂纹易扩展，明显的掉粉、甚至是较大面积掉块、剥落的现象，并解决了传统金属基复合材料存在的各向异性的弊端。目前，网络陶瓷增强金属基复合材料的制备方法很复杂，例如本专利技术人的中国专利ZL200510046691.x“网络陶瓷—金属摩擦复合材料的真空气压铸造方法”就很难实现大试样的制备。中国专利“一种轴装式碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘”(专利号:CN200510086696)，与本专利技术专利采用网络陶瓷骨架为增强相明显不同的是，其采用的是碳化硅颗粒作为增强相，故在高速重载条件下，铝基体容易软化，碳化硅颗粒还易剥落，不适合作为高铁制动盘材料。而专利技术专利“一种低压铸造制备高铁整体闸片”(专利号:ZL201220451047.6)，“一种新型高速列车用强散热制动盘”(专利号:ZL201220450881.3)，“一种用于高速列车的金属陶瓷复合材料制动盘”(专利号:201210394997.4)，和“一种用于高速列车的陶瓷金属复合材料闸片及其制备方法”(专利号:201310010792.6)，均为本专利技术人申请的专利，涉及摩擦副的外观，联体柱状陶瓷块增强金属基复合材料摩擦副及其制备方法。不涉及本专利的低压铸造技术和网络碳化硅陶瓷增强金属基复合材料技术。我们知道，低压铸造时液体是由铸型底部向铸型顶部流动，保证液体平稳上升和气体顺畅外排，且低压铸造的补缩方向又与重力铸造补缩相反，压力由下向上，底部压力大于顶部压力，合金温度上低下高，铸件从最远端开始凝固，逐步向下到底部浇注系统，最后到升液管，符合顺序凝固次序。因而低压铸造非常有利于铸件补缩，能生产出优质铸件。同时，加压凝固能够强化合金结晶期间补缩能力，从而提高铸件致密度。因此，本专利技术专利提出的低压铸造工艺可低成本实现大尺寸摩擦副的制备。制备出能耐高温的铝基复合摩擦材料，再结合制动盘结构的优化设计--改变制动盘自身结构的约束和释放装配机械约束，可以发挥制动盘材料的最佳性能。众所周知，制动盘温度的不均匀分布是导致制动盘产生热应力的根本原因,这也是导致制动盘产生热裂纹的根本原因。本专利技术专利提出了以下几种途径来均匀化制动盘的温度:①增加散热筋数量和加大散热筋的截面尺寸，可以使制动盘的整体温度下降；②增加制动盘连接柱的数量，减小内侧圆柱散热筋和连接柱的体积差别，此种方法虽会增加制动盘的体积，但热应力下降明显。对于采用铝基复合材料的本专利技术专利来讲，相比钢制动盘减重仍在50%以上；③制动盘材料的径向不均匀分布，如摩擦面的内外厚度不同，内侧厚度小而外侧厚度大，这可以实现制动盘整体温度的均匀化；④采用盘体通透的通风槽结构，可以利用风流带走大量的热量。以本专利技术专利所述方法制作的、外径670mm的网络碳化硅陶瓷增强铝合金（Al/Sic）轴装制动盘，与网络碳化硅陶瓷增强铜合金（Cu/Sic）闸片组成的摩擦副，进行了1:1台架实验。测试数据表明：在380km/h紧急制动时，一个Al/Sic制动盘吸收总能量约为24MJ，经过通风盘散热～12MJ，而制动盘吸收热能～10MJ，闸片吸收动能转化的热能～2MJ，摩擦表面最高温度520℃，温度梯度均匀，热疲劳裂纹＜0.003mm，摩擦表面无粘结，平均摩擦系数0.35，刹车距离＜8000m，制动平稳，噪音低。对摩擦表面的扫描电镜观测表明，Al/Sic制动盘在摩擦时发生剥离磨损产生的细小磨屑为纳米颗粒，能填充陶瓷增强体和金属基体间的缺陷。这些纳米磨屑微粒还具有较高的扩散能力和自扩散能力，容易在摩擦表面形成具有极佳抗磨性能的渗透层或扩散层，该扩散层具有自修复能力，可根据摩擦力大小和摩擦副的间隙来自动调整、修复摩擦层，使摩擦副间隙最佳化。因此可显著改善摩擦表面的物理化学性能，大幅度延长制动盘的使用寿命，可满足时速≥380km/h高速列车使用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的生产工艺复杂、制造周期长、摩擦副质量大、导热性差、抗热疲劳性能差、寿命短等缺陷，提供一种生产工艺简单、制作周期短、摩擦副质量小、导热性能好、寿命长的用于轨道车辆的强散热型摩擦副及其制备方法。为此，本专利技术采用以下技术方案：一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副，包括Al/Sic制动盘、Cu/Sic闸片，闸片通过背板连接到轨道车辆的制动夹钳上，制动盘的盘体安装在轨道车辆的轮毂或车轮上，闸片的摩擦面抵靠在制动盘的摩擦面上，其特征在于：所述制动盘的摩擦面上嵌有网络碳化硅陶瓷骨架，所述制动盘另一面的圆周方向上设有若干散热筋，散热筋的中部设有贯穿所述制动盘的通风槽；所述闸片包括嵌有网络碳化硅陶瓷骨架的摩擦面、散热片和基体组成，若干散热片成网状分设在基体上构成若干个网络状内腔。一种制造上述用于轨道车辆的强散热型金属/碳化硅复合材料摩擦副的方法，具体步骤如下：步骤1:网络碳化硅陶瓷骨架的制备:采用模板注浆法、前驱体浸渍法、凝胶-注模法、发泡法、三维打印法等成形方式，将按照一定比例配好的碳化硅浆料，制备成碳化硅陶瓷素坯烘干、修整外形、烧结，获得网络碳化硅陶瓷骨架。考虑到碳化硅陶瓷素坯在烧结时有收缩，严格按照收缩率来制备体积略大的碳化硅陶瓷素坯以获得确定尺寸的网络碳化硅陶瓷骨架。优选的方案为：碳化硅陶瓷骨架的气孔率50%，网孔平均直径2.5mm，网络碳化硅陶瓷中碳化硅所占质量百分比～97%，密度～3.0g/cm3，维氏硬度(HVS)～23Gpa，抗折强度～15MPa，抗压强度～20MPa，热传导率～130W/(Mk)。步骤2:网络碳化硅陶瓷骨架的表面预处理:①制备多壁碳纳米管水溶液：将多壁碳纳米管、分散剂、蒸馏水和粘结剂经高剪切分散和研磨处理后，得到多壁碳纳米管的水溶液。该多壁碳纳米管水溶液具有碳纳米管不易沉降，储存稳定性好等优点。优选方案：多壁碳纳米管选用工业级，外径＞50nm，长度10-20um，纯度＞90。②采用表面活性剂对网络碳化硅陶瓷骨架进行表面活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副，包括Al/Sic制动盘⑶、Cu/Sic闸片⑺，闸片⑺通过背板⑵连接到轨道车辆的制动夹钳上，制动盘⑶通过安装孔⑸固装在轨道车辆的轮毂或车轮上，闸片⑺的摩擦面抵靠在制动盘⑶的摩擦面上，其特征在于：所述制动盘⑶的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架⑼，所述制动盘⑶另一侧面的圆周方向上设有若干散热筋⑷；所述闸片⑺的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架⑽，背面由若干散热片⑻和基体⑴组成，所述的散热筋⑷的中部设有贯穿所述制动盘⑶的通风槽⑹；所述的碳化硅陶瓷骨架（9）占碳化硅陶瓷/铝合金复合材料体积百分比为10~50 vol.%，占制动盘整体⑶的体积百分比为5~40 vol.%；所述的碳化硅陶瓷骨架（9）占碳化硅陶瓷/铜合金复合体积百分比为10~50 vol.%，占闸片整体⑺的体积百分比为5~40vol. %，所述制动盘⑶中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5~15 mm；所述闸片⑺中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5~18 mm。

【技术特征摘要】
1.一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副的制造方法，该摩擦副包括Al/Sic制动盘⑶、Cu/Sic闸片⑺，Cu/Sic闸片⑺通过背板⑵连接到轨道车辆的制动夹钳上，Al/Sic制动盘⑶通过安装孔⑸固装在轨道车辆的轮毂或车轮上，Cu/Sic闸片⑺的摩擦面抵靠在Al/Sic制动盘⑶的摩擦面上，所述Al/Sic制动盘⑶的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架⑼，所述Al/Sic制动盘⑶另一侧面的圆周方向上设有若干散热筋⑷；所述Cu/Sic闸片⑺的摩擦面嵌有网络碳化硅陶瓷骨架⑽，背面由若干散热片⑻和基体⑴组成，所述的散热筋⑷的中部设有贯穿所述Al/Sic制动盘⑶的通风槽⑹；所述的碳化硅陶瓷骨架(9)占碳化硅陶瓷/铝合金复合材料体积百分比为10～50vol.％，占Al/Sic制动盘⑶整体的体积百分比为5～40vol.％；所述的碳化硅陶瓷骨架(9)占碳化硅陶瓷/铜合金复合体积百分比为10～50vol.％，占Cu/Sic闸片⑺整体的体积百分比为5～40vol.％，所述Al/Sic制动盘⑶中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5～15mm；所述Cu/Sic闸片⑺中嵌入的网络碳化硅陶瓷片厚度为5～18mm，其特征在于：所述的摩擦副的制造方法具体步骤如下：网络碳化硅陶瓷骨架的制备→网络碳化硅陶瓷骨架的预处理→制动盘、闸片铸造模具的设计、制作→制动盘、闸片的低压铸造→制动盘、闸片的热处理→制动盘、闸片的精密加工→成品入库,所述的网络碳化硅陶瓷骨架的制备：采用模板注浆法、前驱体浸渍法、凝胶-注模法、发泡法或三维打印的方法制备出网络陶瓷坯体；采用无压烧结方法：烧结温度1950～2200℃，保温0.5～3小时得到长度为10～400mm，宽度为10～400mm，厚度为3～25mm的网络碳化硅陶瓷片，所述的网络碳化硅陶瓷的气孔率40～90％，网孔直径1～8mm，网络碳化硅陶瓷中碳化硅所占质量百分比70～99％，密度2.6～3.2g/cm3，抗折强度0.5～15MPa，抗压强度1.5～20MPa，热传导率130～180W/MK，所述网络碳化硅陶瓷骨架的表面处理具体步骤如下：1、将骨架置于800～950℃氧化气氛炉内，保温2～24小时，进行氧化处理，2、在骨架的表面喷涂一层含有碳元素材料的浆料，经烘干获得厚度20～500μm的碳元素材料层，所述的碳元素材料采用纳米碳管、石油焦、炭黑、石墨或导电炭浆、印刷用的油墨。2.根据权利要求1所述的一种用于轨道车辆的Al/Sic和Cu/Sic复合材料摩擦副的制造方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：房明，喻亮，房殊，
申请(专利权)人：浙江天乐新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33