一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及轨道交通用的制动装置领域，特别地涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘。
【背景技术】
[0002]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。国外制动盘的传统材料为HT20-40、HT25-47、HT30-54，日本的窄轨线、新干线，法国的东南列车均使用过铸铁制动盘。另外，国外先后研制并试用了蠕墨铸铁盘(如日本、英国的FCV50)、金属包层制动盘(如日本以锻钢SCC60为结构增强材料，以HT25-47为摩擦面材料)、合金铸钢和锻钢制动盘(如德国、法国的耐热合金钢，日本新干线的Al SI4330锻钢制动盘)ο国内在制动盘材料的研制方面起步较晚，先后采用过普通铸铁、N1-Cr-Mo合金铸铁、HT20-40、HT30-54、QT40-
10、Cr-Mo铸铁、特种铸铁等材料。从世界各国列车制动盘材料的发展历程来看，其主要经历了普通铸铁、铸钢低合金铸铁、特种铸铁、特种铸钢、低合金锻钢以及复合材料等过程。
[0003]由于火车的大提速及轻量化要求，世界各国对制动盘材料的研究已从普通铸铁、普通铸钢、低合金铸铁等，逐渐发展到了合金铸钢、锻钢、蠕墨铸铁，陶瓷增强铝基复合材料，碳/碳纤维复合材料，陶瓷材料以及碳/碳化硅陶瓷复合材料等。
[0004]碳/碳纤维复合材料质量轻，高温强度高，高温摩擦性能优异，但制作成本高，低温强度低，低温易磨损;碳/碳化硅陶瓷复合材料的研究还处在实验室阶段，其成本高，离实用还有较长的时间；陶瓷材料的韧性差，易脆裂，尤其不适合制造大尺寸部件，成为制造高速列车制动盘的主要障碍；
[0005]陶瓷增强铝基复合材料具有生产周期短、制作成本低，能显著减轻列车簧下重量，降低牵引功率耗损而成为目前摩擦材料研究领域中非常热门的材料之一。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种复合材料，包括以下成分:
[0007]75%-60%的厶1，20%-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娃颗粒两种形式存在。碳化娃颗粒粒度名义值为15μηι，5μηι-25μηι内正态分布。
[0008]根据本发明的另一个方面，提供一种利用上述的复合材料制造的轨道交通车辆的制动盘。
【附图说明】
[0009]下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中:
[0010]图1是应用本发明的B型车90km/h速度模拟运营过程制动盘温度变化情况；
[0011]图2是应用本发明的B型车100km/h速度模拟运营过程制动盘温度变化情况；
[0012]图3是示出本发明复合材料的制造过程的流程图；
[0013]图4A-C示出了用本发明制造的制动盘金相组织。
【具体实施方式】
[0014]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015]陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有密度低、比强度高、比刚度高、耐磨性能优异，以及良好的导热性能和低的热膨胀系数等一系列优点，在制动材料方面的应用有着广阔的前景。采用铝基复合材料制备高速列车制动盘不仅可以降低车辆自身重量，为列车速度的提高创造有力条件，而且降低能耗。
[0016]本发明提供了一种用于轨道交通车辆制动盘的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其包括以下化学成分(重量百分比):
[0017]Al:75-60，硅:20-30，碳:5-12，锰:0.02-1.2，铁:< 0.5，镁:0.4-2.0，钛:<0.05-1o
[0018]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。碳化娃颗粒粒度名义值为15μηι，5μηι-25μηι内正态分布。碳化娃颗粒在招合金制动盘材料中所占的质量百分数为15-25%。
[0019]镁元素主要起到提高材料机械强度的作用，镁元素含量太少是，材料力学性能不能达到设计指标要求，制动盘在使用过程中易产生划伤，但镁元素增多的同时会降低铝基复合材料浆料的流动性，造成成型困难，因此需要控制在适当范围。
[0020]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，因此要求制动盘相对较高的制动温度下保持稳定的力学性能。钛元素的加入可显著提高制动盘材料的耐热性能，同时还能起到细化晶粒的作用，提高材料延伸性，降低出现材料热疲劳裂纹出现的概率。
[0021]当然，本发明所提出的复合材料可具有其他用途，并不限于轨道交通车辆的制动盘。
[0022]本发明还提供了一种制动盘，该制动盘是采用上述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造的。
[0023]用本发明制造的制动盘力学性能及使用性能如下:
[0024]抗拉强度:2200MPa
[0025]断后伸长率:>0.5%
[0026]硬度(HB):80?100
[0027]导热系数(W/(m.Κ)):> 180(室温下)
[0028]比热容(J/g.°C):2 0.8(室温下)
[0029]动态摩擦系数:2 0.35
[0030]静摩擦系数:2 0.35
[0031]瞬间耐高温:250°C
[0032]持续耐高温:200°C
[0033]用本发明提供的稀土蠕墨合金铸铁材料制造的制动盘与现有技术相比较，具有以下优点:
[0034]1、常温具有较高的导热性能，可有效降低制动盘内部的温度梯度，从而降低制动盘热应力；
[0035]2、与普通铝合金材料相比，高温力学性能稳定，有良好的热强性；
[0036]3、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；
[0037]4、材料晶粒组织细小、致密，具有良好的抗低温冲击性能
[0038]5、具有较强的耐热裂性能和耐腐蚀性能，从而提高制动盘的使用寿命。
[0039]研究表明车辆自身重量每增加10%，其能量消耗将增加5.5%，在资源日益短缺的今天，这一点尤为重要。
[0040]本发明从车辆减重及节能环保的思路出发，开发一种轨道交通车辆用碳化硅颗粒增强招基复合材料制动盘。
[0041 ]轨道交通车辆采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘具有众多优点，由于铝合金密度远远小于铸铁和铸钢材料，因此采用铝合金制动盘可显著降低城轨车辆质量，特别是簧下质量。车辆减重后，其运行过程的能量消耗必然降低，因