一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘制造技术

一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，属于高速列车的制动盘制备技术领域。现有的制动盘容易热疲劳裂纹并且裂纹容易扩展，造成制动盘存在安全隐患的缺点。本发明专利技术包括金属基体，规则排列在金属基体内的陶瓷块和金属基体上的通风槽，制动盘的制备步骤可分为陶瓷块的烧结和表面处理，制动盘的铸造，精密加工及热处理。采用本发明专利技术方法易于制备不同材质､截面形状和体积百分比的柱状阵列的联体陶瓷块增强金属的制动盘，其金属和陶瓷界面结合力强，极大消除了制动盘的内部铸造缺陷，具有高而稳定的摩擦系数和较低的磨损率和良好的制动性能，能对380km/h的高速列车实行有效的制动。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘
本专利技术属于高速列车的制动盘制备
，具体涉及一种具有通风槽散热结构的柱状阵列联体陶瓷块增强金属基复合材料的高速列车制动盘及其制备方法。
技术介绍
轻量化是高速列车的关键技术之一。陶瓷增强金属基，特别是碳化硅陶瓷增强铝基，钛基，铝镁合金的复合材料用于高速列车制动盘可减少簧下重量、实现轻量化。但陶瓷增强体的均匀性，形状，陶瓷、金属界面强度等关键因素直接影响制动盘的性能。随着我国高速铁路的快速发展，列车时速已超过350 km/h,因此对制动盘的性能提出了更加严格的要求。目前，陶瓷增强相主要包括颗粒、纤维、晶须、多孔或网络陶瓷预制体等。其中陶瓷颗粒、纤维和晶须增强相为最常见的增强体，但其与金属复合形成非连续界面，故增强相在使用过程中容易脱落而大大降低复合材料性能。三维网络陶瓷增强金属基复合材料是近年的研究热点，但由于网络陶瓷的闭孔问题得不到有效解决，难以铸造成无缺陷的产品，特别是很难实现大试样的制备。中国专利“陶瓷柱形阵列状阵列增强金属复合材料或部件及其制备方法(专利号CN102581259 A)涉及陶瓷柱形阵列状阵列陶瓷增强金属基复合材料，但其柱状陶瓷是单根支柱，必须一根根固定在铸腔内后，才能进行浇注与金属复合成复合材料。而本专利的采用的联体陶瓷素坯是通过注浆，模压，等静压等成形方式得到的，故在烧结之前就联成一体，烧结之后得到由一定规则的柱形阵列和与之相连接的衬底的联体陶瓷块，与其有本质的区另O。中国专利陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法”(专利号:CN101463182A)的陶瓷阵列则属于微观范畴，用于制备功能材料，与本专利采用宏观陶瓷阵列制备结构材料不同。中国专利ZL200510046691.x “三维网络陶瓷一金属摩擦复合材料的真空气压铸造方法”中对三维网络陶瓷的骨架采用的表面预氧化处理等方法是本专利技术人前期的工作，与本专利技术专利提出的陶瓷表面活化与钝化工艺明显不同。中国专利“一种轴装式SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘”(专利号=CN 200510086696)，采用SiC颗粒作为增强相，与本专利技术专利采用的柱状阵列的联体陶瓷块为增强相的制动盘明显不同。由于制动盘中的陶瓷和金属的热膨胀系数不匹配，故在制动过程中的循环热力耦合作用下，制动盘的金属与陶瓷界面在外载应力下会发生微区屈服，特别是柱状陶瓷尖端的应力张量较大，容易在界面处的基体中形成微孔。微孔容易形成热疲劳裂纹并且裂纹容易扩展，造成制动盘的安全隐患。专利技术专利内容 本专利技术目的就是要克服上述高速列车存在制动盘质量大，热稳定性的不足等问题，制备一种通风槽散热结构的柱状阵列联体陶瓷块增强金属基复合材料的高速列车制动盘，目的在于提供一种坚固耐用，寿命长，制作工艺简单，生产周期短，散热快，热稳定性好，制动平稳，刹车时噪音低，服役寿命长，变形小，拆卸方便，适用于时速380 km/h高速列车的制动盘。为此本专利技术采用如下技术方案:一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，其特征是:所述的制动盘包括金属基体、规则排列在金属基体内的陶瓷块和设置在金属基体上的通风槽，所述的陶瓷块由按一定规则排列的陶瓷柱形阵列形阵列和与之相连接的陶瓷衬底构成联体的陶瓷素坯烧结得到；所述制动盘的制备步骤分为，1、陶瓷块的烧结和表面处理，2、制动盘的铸造，3、精密加工及热处理；所述的陶瓷柱形阵列的横截面为圆形、椭圆形、菱形、正方形、矩形的几何图形；所述的陶瓷素坯可由注浆，模压，等静压等方式成形。作为对上述方案的进一步 完善和补充，本专利技术还包括以下技术方案: 所述的陶瓷柱形阵列形阵列和陶瓷衬底为同一材质，为Al2O3, SiC, B4C, Si3N4, Ti3SiC2,TiB2中的一种单相或复相陶瓷，所述按一定规则的陶瓷柱形阵列形阵列和陶瓷衬底是联体。所述金属基体材质为铝合金、镁铝合金、钛合金、铸钢或铸铁中的一种或多种的复合。所述的一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘的制备方法，包括如下步骤: 步骤1:陶瓷块的制备:按照陶瓷柱形阵列形阵列的横截面和纵截面的几何形状，柱间距，阵列方式，制备出石膏、金属等不同材质的阴模具，将按照一定比例配好的浆料或粉料置入于所述的阴模具内，采用由注浆，凝胶注模，模压，等静压等成形方式获得所述的陶瓷柱形阵列和陶瓷衬底联体陶瓷素坯；将所述的联体陶瓷素坯进行烘干，修整外形，抛光，烧结，获得陶瓷块；考虑到联体陶瓷素坯在烧结时有收缩，须严格按照收缩率来制备体积略大的联体陶瓷素坯来获得确定的尺寸的陶瓷块； 步骤2:陶瓷块的表面预处理:采用表面活化或者钝化的方法对陶瓷块进行表面预处理，根据陶瓷块的不同材质，采用相应的表面预处理工艺，表面钝化的方法包括在陶瓷块表面覆盖上氧化铁、氧化锆、氧化镁和氧化钛等氧化物薄膜来减缓某些易于与金属熔液的反应的Al2O3, Ti3SiC2, SiC陶瓷块的腐蚀；所述的表面活化的方法包括在陶瓷块表面覆盖上氧化铬、氧化钇、稀土氧化物和碱土氧化物等薄膜来增加SiC，B4C，TiB2, Si3N4陶瓷块与金属基体的润湿性，提高陶瓷和金属的界面强度。步骤3:制动盘的铸造:将陶瓷块按照设计要求固定在铸腔内，采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场铸造等技术将熔融金属浇铸于所述的铸腔内，将陶瓷阵列与金属复合为一体获得制动盘；根据不同的金属基体材料而采用相应的铸造工艺，对于铝合金、镁铝合金采用常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造或负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为55(Γ750 V ;对于钛合金采用差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为180(Γ2100 V ;对于铸铁、铸钢材料采用负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造、负压-电磁场等铸造工艺，浇铸温度为130(Γ1700V ； 步骤4:所述的制动盘的精密加工:所述的制动盘盘环表面粗糙度要达到Ra 3.2以上，盘环、盘毂以及连接座的平面要和其回转中心垂直，垂直度小于0.05 _，经过探伤检测无裂纹，满足动平衡； 步骤5:制动盘的热处理:以陶瓷增强铝合金制动盘为例，采用Τ61，Τ6等热处理工艺，其他的制动盘则根据不同的金属基体材料，采用相应的热处理工艺。本专利技术的有益效果是:1、采用本方法进行浇注时，不需要将陶瓷柱形阵列一根根植入铸腔，而直接将陶瓷块置入铸腔内固定即可，同时还方便于陶瓷增强金属复合材料大试样的工程化制备，而且提高了金属基复合材料陶瓷增强体的宏观均匀性，对陶瓷进行表面处理，能够获得更优良的陶瓷和金属界面结合，有利于提高复合材料制动盘的可靠性；2、采用制动盘上开设通风槽的技术方案后，制动盘在制动时产生的摩擦热的大部分被通风槽带走，减少了变形量，获得更好的耐磨性和抗热衰退能力；3、柱状联体陶瓷块增强金属基复合材料制动盘在摩擦时发生剥离磨损而产生的细小磨屑通常为纳米颗粒，这些纳米磨屑能填充陶瓷增强体和金属基体间的缺陷，同时，这些纳米磨屑微粒具有较高的扩散能力和自扩散能力，易在摩擦表面形成具有极佳抗磨性能的渗透层或扩散层，这类扩散层具有自修复能力，可根据摩擦力大小和摩擦副间隙能自动调整自修复保护层的厚度，使摩擦副间隙最佳化，显著改善摩擦副表面的物理化学性能，大幅度延长制动盘的使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高速列车的金属/陶瓷复合材料制动盘，其特征在于：所述的制动盘包括金属基体(1)，排列在金属基体(1)内的陶瓷块(2)，所述陶瓷块(2)由按一定规则排列的陶瓷柱形阵列形阵列(3)和陶瓷衬底(4) 构成联体的陶瓷素坯烧结得到，所述金属基体(1)上有通风槽(5)｡

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房明，喻亮，葛锦明，张显南，俞晓祥，
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