轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法技术

本申请涉及轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法，该轨道交通制动盘由铝基粉末冶金复合材料通过冷压成形、烧结和一体化热压整形工艺制成，制得的轨道交通制动盘具有无损伤、无缺陷、致密性好、强度高等一系列优点，能够很好地满足轨道交通制动盘的制动和耐磨要求，同时比传统铸铁制动盘减重40％～60％，极大地节省了能源消耗，符合国家节能减排的要求；且其制备方法简便，成本低，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。

【技术实现步骤摘要】
轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法本申请要求于2020年02月19日提交中国专利局、申请号为202010101037.9、专利技术名称为“一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本专利技术涉及轨道交通制动盘
，特别是涉及一种利用轻质耐磨的铝基粉末冶金复合材料制备的轨道交通制动盘，还涉及利用该轻质耐磨铝基复合材料通过冷压成形、烧结和热压整形相结合的工艺制备轨道交通制动盘的方法，属于轨道交通制动盘制备

技术介绍
轻量化是实现轨道交通车辆节能降耗最有效的手段之一。传统交通装备发动机、制动盘等采用的为铁质金属材料，主要包括铸铁系、铸钢和锻钢等，其密度大，导热性差，易出现热龟裂等缺陷。而其中最常用的灰铸铁，抗拉强度约为250MPa左右，延伸率仅有0.3％～0.8％。因此采用高性能轻金属材料代替钢铁材料应用于上述关键运动零部件，不仅可减轻整车重量，降低交通装备高速运动部件的动量，更能显著改善交通装备的动力性能，同时降低能耗。高性能制动转子是发展高速列车的基础。随着高速列车快速发展，其对制动材料也提出了更高、更新的要求。制动材料必须保证在高速、高能下具有较高的摩擦性能、稳定性，以及优异的抗疲劳性能、抗热裂纹扩展能力和较高的耐磨损性能。同时，在紧急情况下，必须保证高速列车具有安全的紧急制动距离。目前，纯空气盘形制动是300km/h等级的高速列车实施安全制动的最重要的手段。高铁制动盘属于簧下质量，其质量几乎占整个转向架的20％，制动盘的轻量化有助于提高转向架的动力学品质，减少牵引能耗。日本新干线的试验结果表明，将轴重由16吨减少到11.3吨，可减少34％的运行成本。因此，制备轻量化轨道交通制动盘已成为迫切需要解决的问题。铝基复合材料具有密度小、比强度高、热稳定性好、导热性能好等一系列优势，以此作为轨道交通制动盘的材料，可大大降低其重量，达到节能减排的效果。但单纯的颗粒增强铝基复合材料较软，难以满足汽车多变工况下的刹车磨损要求，因此在其中添加其他合金元素及微量元素以及提高增强体陶瓷颗粒含量有望改善这一情况。德国率先开展了铝基复合材料制动盘的研究，据报道每个制动盘的质量已从115kg减少到了65kg，但其使用的为铸造法，难以避免铸造过程中产生气孔、缺陷等问题，同时该方法限制了铝基复合材料中陶瓷颗粒含量的上限，使其含量只能在20％以下，导致其机械性能难以大幅提高，难以满足更高速度列车的制动要求。日本、法国也开展了对铝基复合材料制动盘的研究，但都尚处于研究与试验阶段。而国内在此领域的研究基本上还是空白。其难点是轨道交通制动盘尺寸极大，采用传统制备工艺制造在组织和性能上难以达到使用要求。传统粉末冶金法虽可提高陶瓷颗粒含量，达到使用要求，却无法制备这样尺寸较大、结构复杂的产品，极易产生开裂。因此利用粉末冶金的原理，通过工艺和参数的创新和改进，有望制备得到符合要求的陶瓷颗粒增强铝基复合材料轨道交通制动盘。
技术实现思路
针对传统轨道交通制动盘大多采用铁制金属材料，其密度大、导热性差，易出现热龟裂等缺陷，并且存在能耗大、不利于环保的问题；以及现有搅拌铸造等制备方法制备的铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒含量难以突破上限或存在陶瓷颗粒分布不均匀的问题，制备成型过程中易产生气孔、缩松、开裂的问题。本专利技术的目的是在于提供一种轻质、耐磨的铝基复合材料轨道交通制动盘，解决了传统铸铁制动盘能耗大、不利于环保的问题，以及纯铝基粉末冶金复合材料制动盘不耐磨，达不到制动要求的难题。本专利技术的另一个目的是在于提供一种通过冷压成形、烧结和热压整形相结合的工艺制备轨道交通制动盘的方法，该方法制备的轨道交通制动盘具有轻量化以及优异的耐磨性能和制动性能，可广泛用于制造各种轨道交通制动系统，并解决了制动盘中陶瓷颗粒含量难以突破上限，以及制备成型过程中易产生气孔、开裂的难题。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘，其由耐磨铝基复合材料构成；所述耐磨铝基复合材料由铝粉、主要合金元素、微量元素和陶瓷颗粒四者组成；所述主要合金元素为Cu、Si、Fe、Ni及Mg中至少一种；所述微量元素选自Sr、Ce及Sn中至少一种。优选的方案，所述耐磨铝基复合材料的质量百分比组成：主要合金元素3％～12％(每种主要合金元素的质量分数在0.2％～12％范围内可调)；微量元素不大于1.5％(每种微量元素的质量分数在0～1.5％范围内可调)；陶瓷颗粒20％～75％(每种陶瓷颗粒的质量分数在20％～75％的范围内可调)；铝粉，余量，(以铝粉、主要合金元素、微量元素和陶瓷颗粒总质量为100％计量)。本专利技术的技术方案中提出在铝基复合材料中引入适量的Cu、Si、Fe、Ni及Mg等合金元素，通过控制化学成分和烧结制度，上述合金元素在烧结过程中可在内部产生液相体促进烧结，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。质量分数对强化效果起到重要作用，若质量分数低于优选的范围，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、提高其耐磨性能，而且会增加制动盘质量，达不到减重效果。本专利技术的技术方案还提出在铝基复合材料中加入少量的Sr、Ce及Sn等微量元素，少量微量元素可促进合金元素形成金属间化合物，但若微量元素含量过高，会生成其他的金属间化合物杂质，影响其性能。优选的方案，所述陶瓷颗粒选自SiC、Al2O3及Si3N4中的至少一种。本专利技术技术方案在铝基复合材料中引入SiC、Al2O3、Si3N4等陶瓷颗粒，这些陶瓷颗粒具有极高的强度和优异的耐高温性能，一直是复合材料增强体的首选，可大幅度提高复合材料的综合性能，且含量越高，耐磨耐温性能增强效果越显著。但由于现有制备方法限制，一直无法突破制动盘中由于陶瓷与铝合金浸润性不佳，导致的陶瓷颗粒含量不能过高、综合性能较差的难题。本专利技术技术方案采用冷压成形、烧结和热压整形相结合的工艺，提高了陶瓷颗粒的含量上限，如陶瓷颗粒质量百分比含量可以高于20％，优选高于40％，甚至高于60％，最高可以达到75％，进一步提高了制动盘的耐磨性能。本专利技术的另一个目的是在于提供一种通过冷压成形、烧结和热压整形相结合的工艺制备轨道交通制动盘的方法，该方法制备的轨道交通制动盘具有轻量化以及优异的耐磨性能和制动性能，可广泛用于制造各种轨道交通制动系统，并解决了铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒含量难以突破上限且分布不均匀，以及制备成型过程中易产生气孔、缩松、开裂的难题。本专利技术还提供了一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘的制备方法，其包括以下步骤：1)将耐磨铝基复合材料混合粉体填充至环盘形模具中，在室温下冷压成形，脱模，得到轨道交通制动盘坯体；2)将所述轨道交通制动盘坯体进行烧结成型，得到轨道交通制动盘前体；3)将所述轨道交通制动盘前体置于热压整形模具中压制整形，得到轨道交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘，其特征在于：由耐磨铝基复合材料构成；所述耐磨铝基复合材料由铝粉、主要合金元素、微量元素和陶瓷颗粒四者组成；所述主要合金元素选自Cu、Si、Fe、Ni及Mg中至少一种；所述微量元素选自Sr、Ce及Sn中至少一种；所述陶瓷颗粒选自Al

【技术特征摘要】
20200219 CN 20201010103791.一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘，其特征在于：由耐磨铝基复合材料构成；所述耐磨铝基复合材料由铝粉、主要合金元素、微量元素和陶瓷颗粒四者组成；所述主要合金元素选自Cu、Si、Fe、Ni及Mg中至少一种；所述微量元素选自Sr、Ce及Sn中至少一种；所述陶瓷颗粒选自Al2O3及Si3N4中的至少一种；或所述陶瓷颗粒为SiC和Al2O3的混合物；或所述陶瓷颗粒为SiC和Si3N4的混合物；或所述陶瓷颗粒为SiC、Al2O3和Si3N4的混合物。


2.根据权利要求1所述的轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘，其特征在于：
所述耐磨铝基复合材料的质量百分比组成：
主要合金元素3％～12％；
微量元素不大于1.5％；
陶瓷颗粒20％～75％；
铝粉，余量。


3.一种权利要求1或2所述的轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将耐磨铝基复合材料混合粉体填充至环盘形模具中，在室温下冷压成形，脱模，得到轨道交通制动盘坯体；
2)将所述轨道交通制动盘坯体进行烧结成型，得到轨道交通制动盘前体；
3)将所述轨道交通制动盘前体置于热压整形模具中压制整形，得到轨道交通制动盘粗制体；
4)将所述轨道交通制动盘粗制体经过机加工，即得。


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【专利技术属性】
技术研发人员：霍树海，曹柳絮，
申请(专利权)人：湖南金天铝业高科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43