本发明涉本发明涉及一种列车制动盘用碳化硅颗粒增强铝基复合材料及制备方法，特别是指一种列车制动盘用高强、耐热、抗冲击的碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，属于轨道交通用的制动装置领域。
背景技术：
：在轨道交通
技术领域：
，制动盘的材料对于机车有效制动极为关键。高速列车紧急制动时，巨大的制动热负荷使制动盘产生很大的温度梯度，并由此产生热应力并可能导致热裂纹。制动盘的材质要求具有良好的抗热疲劳性能，各种工况下摩擦副的摩擦系数平稳、磨损率低，且机械性能和耐热性好，同时还应具有相当高的导热性、热容和尽可能小的线胀系数。目前，国内外制动盘的传统材料仍主要以铸钢、锻钢等为主。在减轻列车自重、提高列车行驶速度已迫在眉睫的形势下，铸铁(钢)制动盘已无法满足列车的制动要求，主要表现在以下两方面：(1)制动盘使用寿命短，其中绝大部分是由于热容量不足产生热龟裂而更换。因而，为了实现高速条件下制动的安全性和可靠性，需要增加制动盘的数量，降低制动盘热负荷，从而引起牵引功率消耗大大增加且需频繁更换制动闸片。(2)铸铁(钢)的密度大，不利于车辆的轻量化，极大地限制了列车速度的提高。以日本新干线电动车组为例，每根车轴上，安装四个钢质制动盘，一台转向架有8个制动盘，重量约为0.5t，约占列车簧下重量的20％，而高速列车理想的制动盘重量应为簧下重量的10％左右。陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有其陶瓷颗粒组份的高耐磨性、高硬度(强度)及低膨胀系数的特点,又具有其基体组份铝合金的良好热传导性和低密度的特点，因而在制动盘方面的应用得到了世界各国的广泛关注和研究，被认为是高速列车制动盘钢铁材料的理想替代材料。碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、熔渗法、搅拌铸造法、喷射沉积法等。粉末冶金法制备的材料微观组织更细更均匀，界面结合较好，增强体含量高达70％，刚度和强度高，塑韧性良好(≥5％)、导热性良好、膨胀系数适中，主要用于航空航天结构件、直升机旋翼连接件、飞机腹鳍、导流叶片、支撑结构件、支架等。但该工艺复杂，制备周期长，零件尺寸受到限制。液态金属搅拌铸造法获得的基体合金晶粒细小，但是由于陶瓷增强体颗粒与铝熔液的润湿性差，因此，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，在金属中容易团聚，而且增强体颗粒极易与铝熔液发生严重化学反应，致使界面结合也较差。与粉末冶金方法相比，该工艺简单、生产效率高、制造成本低，虽然制备的材料刚度较高，但是强度与塑性较低。目前主要用于制备汽车刹车盘、活塞、活塞环、连杆、高速列车制动盘等。中国专利申请号201510854685.0公开了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘，其组分包括75％-60％的Al，20％-30％的硅，5％-12％的碳，锰：0.02％-1.2％，≤0.5％的铁，0.4％-2.0％的镁，0.05％-1％的钛。其中碳元素以碳化硅的形式存在，硅元素以铝硅合金和碳化硅颗粒两种形式存在。碳化硅颗粒粒度名义值为15μm，5μm-25μm内正态分布。中国专利CN100575520“一种汽车制动盘用铝基复合材料及其制备方法”公开了一种铝基复合材料，其中增强相硼化钛和碳化硅均匀的分布在含有镁、铜的铝基材料中。中国专利CN100406598“一种汽车制动盘用复合材料及其制备方法”公开了一种特别适用于制备汽车制动盘的颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该材料是以在铸造凝固过程中原位生成的Mg2Si增强颗粒弥散分布在含有Si、Cu的铝合金基体中而组成，其组分重量百分比含量为：Mg2Si15-35％、Si1-15％、Cu1-5％、Al余量。其制备工艺过程是：以工业纯镁、纯铜、重量百分比为Al-20％Si中间合金为原料，配料熔化后，加入覆盖剂；在690-720℃加入工业纯镁至熔化并温度均匀后，加入精炼剂，保温5-10分钟；再加入变质剂，保温5分钟以上；按普通铸造工艺浇注成型。该材料具有较高的强度、硬度、塑性、尺寸稳定性及良好的耐磨性。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术存在碳化硅颗粒和铝合金的相容性不好，导致碳化硅颗粒极易团聚，以及铝基复合材料耐热性和强韧性较差的问题，提供一种列车制动盘用碳化硅颗粒增强铝基复合材料及制备方法。本发明制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高强、耐热、抗冲击的优点。陶瓷颗粒增强铝基复合材料的塑性较低，含SiC颗粒20vol％的铝基复合材料的延伸率仅为0.5％左右，制动盘在承受交变热负荷时，在铝基复合材料中一旦出现裂纹萌生，就很容易扩展，结果导致突发事故。解决铝基合金和碳化硅颗粒的界面问题，提高合金基体的耐热性，是实现铝基复合材料高强、耐热、抗冲击的关键。本发明列车制动盘用碳化硅颗粒增强铝基复合材料，包括下述组分按质量百分比组成：SiC颗粒15～25％、Si18-24％、Mg0.6-3.5％、Zr0.15-0.35％、Sc0.12-0.45％、余量为Al和不可避免杂质；所述复合材料中，SiC颗粒弥散均匀分布在含有Zr、Sc的高硅铝合金基体中；SiC颗粒由5～10μm的SiC颗粒与10～25μm的SiC颗粒级配组成，其中：粒度为10～25μm的SiC颗粒占SiC颗粒总质量的百分数为93～96％，粒度为5～10μm的SiC颗粒占SiC颗粒总质量的百分数为4～7％。本发明一种列车制动盘用碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，以Mg和粒度为5～10μm的SiC为原料，采用半固态涡流搅拌铸造方法制备Mg-SiC中间合金，Mg-SiC中间合金中SiC的质量百分含量为5～20％；步骤二，Si、Zr、Sc以Al-Si、Al-Zr、Al-Sc中间合金形式，粒度为10～25μm的SiC以颗粒形式，按如下质量百分比加入到铝熔体里：Si18-24％、Zr0.15-0.35％、Sc0.12-0.45％，SiC颗粒14～24％，熔炼温度为780～900℃，充分搅拌均匀；步骤三，熔炼温度降低至650～760℃，加入步骤一得到是Mg-SiC中间合金，充分搅拌均匀后；加入占熔体质量0.2％～0.4％的精炼剂排渣除气，静置10～15分钟后，浇注成形；Mg-SiC中间合金的加入量占熔体质量的0.6-3％。本发明一种适用于列车制动盘的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法；制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，包括以下化学成分(质量百分比)：硅：18-24％，碳化硅：15-25％，锆：0.15-0.35％，钪：0.12-0.45％，镁：0.6-3.5％，余量为Al和不可避免杂质；其中，碳化硅以颗粒形式存在，其粒度为5～25μm，粒度(10～25μm)SiC颗粒质量百分数为14～24％，粒度(5～10μm)SiC颗粒质量百分数为1～2％，其他元素均以元素形式存在于合金中。本发明一种高强、耐热、抗冲击的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法；所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料，还可以含有稀土元素；所述稀土元素占碳化硅颗粒增强铝基复合材料总质量的0.01-1.0％。本发明一种高强、耐热、抗冲击的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法；所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料，还可以含有Fe、Mn、Ni等有益的微量元素。本发明一种适用于列车制动盘的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法；制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐热性达到并超过现有列车制动盘用铸铁(钢)材料，其伸长率大于等于2％。碳化硅颗粒增强相的存在使制动盘具有较强的抗磨损、抗擦伤能力。原理和优势：(1)鉴于Mg和SiC具有很好的润湿性，形成的复合材料界面光滑且无界面反应，并且能显著改善铝液在SiC颗粒表面的润湿性，因此液相法制备的铝基复合材料中会添加Mg，以改善界面润湿性，但是常以单质Mg形式加入无法解决铝液中SiC粉末团聚的问题。因此本专利提出先将Mg和(5～10μm)SiC颗粒采用半固态涡流搅拌铸造等方法制备成Mg-(5～20％)SiC中间合金，再将Mg-SiC中间合金加入到铝基体溶液中，解决细颗粒碳化硅分散性差等问题。(2)由于制动盘的工作原理是通过摩擦生热将列车的动能转化为热能并通过热交换消散于大气，在实际使用过程中制动盘会频繁的承受冷热交替的热负荷变化，因此要求制动盘在相对较高的制动温度下保持稳定的力学性能。用稀土钪结合过渡元素锆，不仅可以替代钛，起到更显著细化铸态晶粒，而且钪、锆复合添加后形成的Al3(Sc,Zr)纳米强化相对材料塑性、强度和耐热性具有显著的提高，可显著降低材料热疲劳裂纹的出现。而且稀土本身具有减低铝液表面张力的作用，利于改善界面润湿性，提高铝基复合材料浆料的流动性。(3)鉴于Mg、Cu、Al形成的AlCu或是AlCuMg化合物相会导致铝合金高温发生蠕变现象，致使材料耐高温性能显著减低，因此本发明中铝合金基体中未添加铜元素。附图说明附图1为实施例1制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的金相组织。由图1可知，用本发明提供碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒分布均匀，可以有效的解决碳化硅颗粒在基体里均匀分散困难的问题，充分发挥颗粒增强效果。具体实施方式：实施1～5：制备表中1～5#合金。首先在真空下半固态制备Mg-SiC合金。在真空环境下熔化镁锭，待镁完全熔化后再将5～10μmSiC颗粒混入液态镁基体中，加入碳化硅颗粒前开始进行液态镁浆料的搅拌，加入过程中搅拌不能停止，搅拌过程需正向搅拌和反向搅拌交替进行，确保碳化硅颗粒均匀弥散分布，碳化硅混合完成后通过停止加热，浇入铁模中，冷却后脱模。之后，再在电阻坩埚炉中熔炼铝基复合材料，熔炼温度为800℃。纯铝熔化后，先加入Al-Si、Al-Zr、Al-Sc中间合金，再将(10～25μm)SiC颗粒混入液态镁基体中，加入碳化硅颗粒前开始进行熔融铝合金浆料的搅拌，加入过程中搅拌继续，搅拌过程需正向搅拌和反向搅拌交替进行，确保碳化硅颗粒均匀弥散分布，碳化硅混合完成后通过停止加热；再将溶液降至650℃，加入Mg-SiC中间合金，熔化并充分搅拌均匀，除去表面渣后，加入0.2％～0.4％的六氯乙烷(C2Cl6)精炼剂排渣除气，静置10～15分钟，浇入铁模中，冷却后脱模。所得铝基复合材料的金相显微组织图见附图1。本实施方式制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能如下：室温抗拉强度：≥280MPa断后伸长率：≥1.2％硬度(HB)：120～160瞬间耐高温：250℃100℃时抗拉强度320～280MPa，布氏硬度为135～150，伸长率≥1.5％；200℃时抗拉强度为270～280MPa，布氏硬度为125～130，伸长率≥2.5％；300℃时抗拉强度为260～265MPa，布氏硬度为116～125，伸长率≥5％。本发明所提出的碳化硅颗粒增强铝基复合材料可具有其他用途，并不局限于轨道交通车辆的制动盘。表1各实施例中的合金成分(质量百分数，％)编号Mg-SiCSiZrSc(10～25μm)SiCAl实施例11#3.0(Mg-20％SiC)180.160.1214Bal实施例22#2.5(Mg-14％SiC)200.200.2118Bal实施例33#1.6(Mg-10％SiC)220.250.3020Bal实施例43#1.0(Mg-8％SiC)240.280.3622Bal实施例55#0.6(Mg-6％SiC)240.350.4524Bal当前第1页1 2 3