[發明專利]列車制動盤用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201611116307.3
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106521252B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 方華嬋;肖鵬
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C21/02;C22C32/00;C22C1/03;F16D65/12
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉本發明涉及一種列車制動盤用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及制備方法，特別是指一種列車制動盤用高強、耐熱、抗沖擊的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法，屬于軌道交通用的制動裝置領域。

背景技術

在軌道交通技術領域，制動盤的材料對于機車有效制動極為關鍵。高速列車緊急制動時，巨大的制動熱負荷使制動盤產生很大的溫度梯度，并由此產生熱應力并可能導致熱裂紋。制動盤的材質要求具有良好的抗熱疲勞性能，各種工況下摩擦副的摩擦系數平穩、磨損率低，且機械性能和耐熱性好，同時還應具有相當高的導熱性、熱容和盡可能小的線脹系數。

目前，國內外制動盤的傳統材料仍主要以鑄鋼、鍛鋼等為主。在減輕列車自重、提高列車行駛速度已迫在眉睫的形勢下，鑄鐵(鋼)制動盤已無法滿足列車的制動要求，主要表現在以下兩方面：(1)制動盤使用壽命短，其中絕大部分是由于熱容量不足產生熱龜裂而更換。因而，為了實現高速條件下制動的安全性和可靠性，需要增加制動盤的數量，降低制動盤熱負荷，從而引起牽引功率消耗大大增加且需頻繁更換制動閘片。(2)鑄鐵(鋼)的密度大，不利于車輛的輕量化，極大地限制了列車速度的提高。以日本新干線電動車組為例，每根車軸上，安裝四個鋼質制動盤，一臺轉向架有8個制動盤，重量約為0.5t，約占列車簧下重量的20％，而高速列車理想的制動盤重量應為簧下重量的10％左右。

陶瓷顆粒增強鋁基復合材料具有其陶瓷顆粒組份的高耐磨性、高硬度(強度)及低膨脹系數的特點,又具有其基體組份鋁合金的良好熱傳導性和低密度的特點，因而在制動盤方面的應用得到了世界各國的廣泛關注和研究，被認為是高速列車制動盤鋼鐵材料的理想替代材料。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、熔滲法、攪拌鑄造法、噴射沉積法等。粉末冶金法制備的材料微觀組織更細更均勻，界面結合較好，增強體含量高達70％，剛度和強度高，塑韌性良好(≥5％)、導熱性良好、膨脹系數適中，主要用于航空航天結構件、直升機旋翼連接件、飛機腹鰭、導流葉片、支撐結構件、支架等。但該工藝復雜，制備周期長，零件尺寸受到限制。液態金屬攪拌鑄造法獲得的基體合金晶粒細小，但是由于陶瓷增強體顆粒與鋁熔液的潤濕性差，因此，實現增強體顆粒均勻分布較為困難，在金屬中容易團聚，而且增強體顆粒極易與鋁熔液發生嚴重化學反應，致使界面結合也較差。與粉末冶金方法相比，該工藝簡單、生產效率高、制造成本低，雖然制備的材料剛度較高，但是強度與塑性較低。目前主要用于制備汽車剎車盤、活塞、活塞環、連桿、高速列車制動盤等。

中國專利申請號201510854685.0公開了一種碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制動盤，其組分包括75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，錳：0.02％-1.2％，≤0.5％的鐵，0.4％-2.0％的鎂，0.05％-1％的鈦。其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以鋁硅合金和碳化硅顆粒兩種形式存在。碳化硅顆粒粒度名義值為15μm，5μm-25μm內正態分布。中國專利CN100575520“一種汽車制動盤用鋁基復合材料及其制備方法”公開了一種鋁基復合材料，其中增強相硼化鈦和碳化硅均勻的分布在含有鎂、銅的鋁基材料中。中國專利CN100406598“一種汽車制動盤用復合材料及其制備方法”公開了一種特別適用于制備汽車制動盤的顆粒增強鋁基復合材料及其制備方法。該材料是以在鑄造凝固過程中原位生成的Mg₂Si增強顆粒彌散分布在含有Si、Cu的鋁合金基體中而組成，其組分重量百分比含量為：Mg₂Si 15-35％、Si 1-15％、Cu 1-5％、Al余量。其制備工藝過程是：以工業純鎂、純銅、重量百分比為Al-20％Si中間合金為原料，配料熔化后，加入覆蓋劑；在690-720℃加入工業純鎂至熔化并溫度均勻后，加入精煉劑，保溫5-10分鐘；再加入變質劑，保溫5分鐘以上；按普通鑄造工藝澆注成型。該材料具有較高的強度、硬度、塑性、尺寸穩定性及良好的耐磨性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在碳化硅顆粒和鋁合金的相容性不好，導致碳化硅顆粒極易團聚，以及鋁基復合材料耐熱性和強韌性較差的問題，提供一種列車制動盤用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料及制備方法。本發明制備的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具有高強、耐熱、抗沖擊的優點。