專利名稱：一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤的制作方法
一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于高速列車的制動盤制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有通風(fēng)槽散熱結(jié)構(gòu)的柱狀陣列聯(lián)體陶瓷塊增強金屬基復(fù)合材料的高速列車制動盤及其制備方法。
背景技術(shù)：
輕量化是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一。陶瓷增強金屬基，特別是碳化硅陶瓷增強鋁基，鈦基，鋁鎂合金的復(fù)合材料用于高速列車制動盤可減少簧下重量、實現(xiàn)輕量化。但陶瓷增強體的均勻性，形狀，陶瓷、金屬界面強度等關(guān)鍵因素直接影響制動盤的性能。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，列車時速已超過350 km/h,因此對制動盤的性能提出了更加嚴格的要求。
目前，陶瓷增強相主要包括顆粒、纖維、晶須、多孔或網(wǎng)絡(luò)陶瓷預(yù)制體等。其中陶瓷顆粒、纖維和晶須增強相為最常見的增強體，但其與金屬復(fù)合形成非連續(xù)界面，故增強相在使用過程中容易脫落而大大降低復(fù)合材料性能。三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強金屬基復(fù)合材料是近年的研究熱點，但由于網(wǎng)絡(luò)陶瓷的閉孔問題得不到有效解決，難以鑄造成無缺陷的產(chǎn)品，特別是很難實現(xiàn)大試樣的制備。
中國專利“陶瓷柱形陣列狀陣列增強金屬復(fù)合材料或部件及其制備方法(專利號CN102581259 A)涉及陶瓷柱形陣列狀陣列陶瓷增強金屬基復(fù)合材料，但其柱狀陶瓷是單根支柱，必須一根根固定在鑄腔內(nèi)后，才能進行澆注與金屬復(fù)合成復(fù)合材料。而本專利的采用的聯(lián)體陶瓷素坯是通過注漿，模壓，等靜壓等成形方式得到的，故在燒結(jié)之前就聯(lián)成一體，燒結(jié)之后得到由一定規(guī)則的柱形陣列和與之相連接的襯底的聯(lián)體陶瓷塊，與其有本質(zhì)的區(qū)另O。中國專利陶瓷陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法”(專利號:CN101463182A)的陶瓷陣列則屬于微觀范疇，用于制備功能材料，與本專利采用宏觀陶瓷陣列制備結(jié)構(gòu)材料不同。中國專利ZL200510046691.x “三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷一金屬摩擦復(fù)合材料的真空氣壓鑄造方法”中對三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷的骨架采用的表面預(yù)氧化處理等方法是本發(fā)明人前期的工作，與本發(fā)明專利提出的陶瓷表面活化與鈍化工藝明顯不同。中國專利“一種軸裝式SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制動盤”(專利號=CN 200510086696)，采用SiC顆粒作為增強相，與本發(fā)明專利采用的柱狀陣列的聯(lián)體陶瓷塊為增強相的制動盤明顯不同。
由于制動盤中的陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)不匹配，故在制動過程中的循環(huán)熱力耦合作用下，制動盤的金屬與陶瓷界面在外載應(yīng)力下會發(fā)生微區(qū)屈服，特別是柱狀陶瓷尖端的應(yīng)力張量較大，容易在界面處的基體中形成微孔。微孔容易形成熱疲勞裂紋并且裂紋容易擴展，造成制動盤的安全隱患。
發(fā)明專利內(nèi)容 本發(fā)明目的就是要克服上述高速列車存在制動盤質(zhì)量大，熱穩(wěn)定性的不足等問題，制備一種通風(fēng)槽散熱結(jié)構(gòu)的柱狀陣列聯(lián)體陶瓷塊增強金屬基復(fù)合材料的高速列車制動盤，目的在于提供一種堅固耐用，壽命長，制作工藝簡單，生產(chǎn)周期短，散熱快，熱穩(wěn)定性好，制動平穩(wěn)，剎車時噪音低，服役壽命長，變形小，拆卸方便，適用于時速380 km/h高速列車的制動盤。
為此本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征是:所述的制動盤包括金屬基體、規(guī)則排列在金屬基體內(nèi)的陶瓷塊和設(shè)置在金屬基體上的通風(fēng)槽，所述的陶瓷塊由按一定規(guī)則排列的陶瓷柱形陣列形陣列和與之相連接的陶瓷襯底構(gòu)成聯(lián)體的陶瓷素坯燒結(jié)得到；所述制動盤的制備步驟分為，1、陶瓷塊的燒結(jié)和表面處理，2、制動盤的鑄造，3、精密加工及熱處理；所述的陶瓷柱形陣列的橫截面為圓形、橢圓形、菱形、正方形、矩形的幾何圖形；所述的陶瓷素坯可由注漿，模壓，等靜壓等方式成形。
作為對上述方案的進一步 完善和補充，本發(fā)明還包括以下技術(shù)方案: 所述的陶瓷柱形陣列形陣列和陶瓷襯底為同一材質(zhì)，為Al2O3, SiC, B4C, Si3N4, Ti3SiC2,TiB2中的一種單相或復(fù)相陶瓷，所述按一定規(guī)則的陶瓷柱形陣列形陣列和陶瓷襯底是聯(lián)體。
所述金屬基體材質(zhì)為鋁合金、鎂鋁合金、鈦合金、鑄鋼或鑄鐵中的一種或多種的復(fù)合。
所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:陶瓷塊的制備:按照陶瓷柱形陣列形陣列的橫截面和縱截面的幾何形狀，柱間距，陣列方式，制備出石膏、金屬等不同材質(zhì)的陰模具，將按照一定比例配好的漿料或粉料置入于所述的陰模具內(nèi)，采用由注漿，凝膠注模，模壓，等靜壓等成形方式獲得所述的陶瓷柱形陣列和陶瓷襯底聯(lián)體陶瓷素坯；將所述的聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，燒結(jié)，獲得陶瓷塊；考慮到聯(lián)體陶瓷素坯在燒結(jié)時有收縮，須嚴格按照收縮率來制備體積略大的聯(lián)體陶瓷素坯來獲得確定的尺寸的陶瓷塊； 步驟2:陶瓷塊的表面預(yù)處理:采用表面活化或者鈍化的方法對陶瓷塊進行表面預(yù)處理，根據(jù)陶瓷塊的不同材質(zhì)，采用相應(yīng)的表面預(yù)處理工藝，表面鈍化的方法包括在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鐵、氧化鋯、氧化鎂和氧化鈦等氧化物薄膜來減緩某些易于與金屬熔液的反應(yīng)的Al2O3, Ti3SiC2, SiC陶瓷塊的腐蝕；所述的表面活化的方法包括在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鉻、氧化釔、稀土氧化物和堿土氧化物等薄膜來增加SiC，B4C，TiB2, Si3N4陶瓷塊與金屬基體的潤濕性，提高陶瓷和金屬的界面強度。
步驟3:制動盤的鑄造:將陶瓷塊按照設(shè)計要求固定在鑄腔內(nèi)，采用常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造或負壓-電磁場鑄造等技術(shù)將熔融金屬澆鑄于所述的鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與金屬復(fù)合為一體獲得制動盤；根據(jù)不同的金屬基體材料而采用相應(yīng)的鑄造工藝，對于鋁合金、鎂鋁合金采用常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造或負壓-電磁場等鑄造工藝，澆鑄溫度為55(Γ750 V ;對于鈦合金采用差壓鑄造，重力-電磁場鑄造、負壓-電磁場等鑄造工藝，澆鑄溫度為180(Γ2100 V ;對于鑄鐵、鑄鋼材料采用負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造、負壓-電磁場等鑄造工藝，澆鑄溫度為130(Γ1700V ； 步驟4:所述的制動盤的精密加工:所述的制動盤盤環(huán)表面粗糙度要達到Ra 3.2以上，盤環(huán)、盤轂以及連接座的平面要和其回轉(zhuǎn)中心垂直，垂直度小于0.05 _，經(jīng)過探傷檢測無裂紋，滿足動平衡； 步驟5:制動盤的熱處理:以陶瓷增強鋁合金制動盤為例，采用Τ61，Τ6等熱處理工藝，其他的制動盤則根據(jù)不同的金屬基體材料，采用相應(yīng)的熱處理工藝。
本發(fā)明的有益效果是:1、采用本方法進行澆注時，不需要將陶瓷柱形陣列一根根植入鑄腔，而直接將陶瓷塊置入鑄腔內(nèi)固定即可，同時還方便于陶瓷增強金屬復(fù)合材料大試樣的工程化制備，而且提高了金屬基復(fù)合材料陶瓷增強體的宏觀均勻性，對陶瓷進行表面處理，能夠獲得更優(yōu)良的陶瓷和金屬界面結(jié)合，有利于提高復(fù)合材料制動盤的可靠性；2、采用制動盤上開設(shè)通風(fēng)槽的技術(shù)方案后，制動盤在制動時產(chǎn)生的摩擦熱的大部分被通風(fēng)槽帶走，減少了變形量，獲得更好的耐磨性和抗熱衰退能力；3、柱狀聯(lián)體陶瓷塊增強金屬基復(fù)合材料制動盤在摩擦?xí)r發(fā)生剝離磨損而產(chǎn)生的細小磨屑通常為納米顆粒，這些納米磨屑能填充陶瓷增強體和金屬基體間的缺陷，同時，這些納米磨屑微粒具有較高的擴散能力和自擴散能力，易在摩擦表面形成具有極佳抗磨性能的滲透層或擴散層，這類擴散層具有自修復(fù)能力，可根據(jù)摩擦力大小和摩擦副間隙能自動調(diào)整自修復(fù)保護層的厚度，使摩擦副間隙最佳化，顯著改善摩擦副表面的物理化學(xué)性能，大幅度延長制動盤的使用壽命；4、提高了其適用的速度上限，能對運營速度達380 km/h的高速列車實行有效的制動。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明陶瓷塊 的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是實施例1的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖4為本發(fā)明實施例1和實施例2的制動盤在380km/h緊急制動時摩擦面溫度的曲線圖。
圖5為本發(fā)明不同實施例的制動盤在380km/h緊急制動時摩擦系數(shù)的曲線圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明: 如圖f圖2所示，本發(fā)明包括金屬基體1，規(guī)則排列在金屬基體I內(nèi)的陶瓷塊2，金屬基體上的通風(fēng)槽5，陶瓷塊2由按一定規(guī)則的柱形陣列3和與之相連接的襯底4的聯(lián)體陶瓷素坯6經(jīng)過燒結(jié)得到，聯(lián)體陶瓷素坯6可由注漿、凝膠注模、模壓或靜壓方式成形；采用常壓、負壓、差壓、重力-電磁場聯(lián)合、負壓-電磁場聯(lián)合等鑄造技術(shù)將熔融金屬澆鑄于固定有陶瓷塊2的鑄腔內(nèi)，將陶瓷塊2與金屬復(fù)合成制動盤。
下面例舉幾個實施優(yōu)選方式，對本發(fā)明的制備方法做進一步說明。
如圖3所示的實施例1:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊增強鋁基復(fù)合材料制動盤的制備方法: 步驟1:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊的制備:按照需要得到SiC陶瓷柱形陣列3的橫截面為面積3的圓形和縱截面為3 X 12的矩形，柱間距為4 mm，沿著X軸與y軸等間距陣列方式，陶瓷襯底4厚度為5 mm，根據(jù)碳化硅燒結(jié)時收縮率是17 20%，做準確的放大以后，制備出石膏材質(zhì)的陰模，將按照一定比例配好的碳化硅漿料置入于所述的陰模具內(nèi)，由注漿成形獲得聯(lián)體陶瓷素坯；將所述的聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，采用無壓燒結(jié)工藝在1950 2100 °C，保溫30 60 min，獲得陶瓷塊2。步驟2:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊的預(yù)處理:將燒結(jié)后的SiC陶瓷塊2進行清洗，利用溶膠-凝膠法制備氫氧化鈦溶膠，利用提拉法將氫氧化鈦溶膠涂敷于清洗后的SiC陶瓷塊2的表面，薄膜厚度為50 500 μ m，待干燥后置于箱式爐1250 1400 °C，保溫30 60 min進行熱處理獲得氧化鈦薄膜。
步驟3:制動盤的鑄造:將表面包覆氧化鈦薄膜的SiC陶瓷塊2在鋼模具鑄腔內(nèi)規(guī)則排布并固定，在68(T760 °C的澆鑄溫度下，采用負壓鑄造方法將鋁合金(牌號為6061)澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊并預(yù)熱的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁合金復(fù)合為一體制備出制動盤，可在鋁合金熔液中加入質(zhì)量百分比0.19Γ5%的過渡族和稀土等元素來提高SiC與鋁合金的界面強度。步驟4:制動盤的精密加工:制動盤的盤環(huán)表面粗糙度Ra 0.8~3.2，盤環(huán)、盤轂以及連接座的平面要和其回轉(zhuǎn)中心垂直，垂直度小于0.03 mm,經(jīng)過探傷檢測無裂紋，通過修正通風(fēng)槽的尺寸來滿足制動盤的動平衡。
步驟5:制動盤的熱處理:所訴的制動盤采用T6熱處理工藝，熱處理后，鋁基強度達到360 MPa0
經(jīng)過測試，制動盤與網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強銅金屬基閘片組成的摩擦副在時速380 km/h實施緊急制動后，制動盤摩擦面最高溫度為430 °C，而熱應(yīng)力降低到65 MPa，無明顯熱斑產(chǎn)生，未產(chǎn)生可見熱裂紋，表現(xiàn)出良好的摩擦性能。
實施例2:柱形陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊增強鋁基復(fù)合材料制動盤的制備方法
步驟1:陶瓷柱形陣列的預(yù)處理:柱形陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊的制備:按照需要得到橫截面為邊長5 mm的六邊形，高度為20 mm的B4C陶瓷柱形陣列3，柱間距為8 mm,沿著X軸與I軸等間距陣列方式，陶瓷襯底4厚度為7 mm,根據(jù)B4C燒結(jié)時收縮率18 22%，做準確的放大以后，制備出鋼材質(zhì)的陰模。將按照一定比例配好，經(jīng)過造粒的B4C粉體置入于所述的陰模具內(nèi)，采用100 ^150 MPa的壓力成形后取出生坯，裝入軟模套再利用等靜壓成形，壓力為150 ^250 MPa，獲得聯(lián)體陶瓷素坯；將所述的聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，采用無壓燒結(jié)工藝在2000 2200 V，保溫30 60 min后獲得陶瓷塊2。
步驟2:柱陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊的預(yù)處理:將燒結(jié)后的B4C陶瓷塊2進行清洗，利用溶膠-凝膠法制備氧化釔溶膠，利用提拉法將氧化釔溶膠涂敷于清洗后的B4C陶瓷塊2的表面，待干燥后置于箱式爐85(Γ1(ΚΚ) °C，保溫3(T60 min進行熱處理獲得氧化釔薄膜。步驟3:制動盤的鑄造:在約70(T780 °C的澆鑄溫度下，采用重力鑄造方法將鋁合金(牌號為7075)，澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁合金復(fù)合為一體獲得制動盤鑄件。為了提高B4C與鋁合金的界面結(jié)合力，可在鋁合金熔液中加入質(zhì)量百分比0.1°/Γ5%的過渡族元素。步驟4:制動盤的精密加工:制動盤的盤環(huán)表面粗糙度Ra 0.8^1.6，盤環(huán)、盤轂以及連接座的平面要和其回轉(zhuǎn)中心垂直，垂直度小于0.02 _，經(jīng)過探傷檢測無裂紋，滿足動平衡。
步驟5:制動盤的熱處理:所訴的制動盤采用Τ61熱處理工藝，熱處理后，鋁基強度達到330 MPa0
經(jīng)過測試，制動盤與柱狀SiC陶瓷增強銅基閘片組成的摩擦副在380 km/h實施緊急制動后，制動盤最高溫度為450 °C，熱應(yīng)力降低到75 MPa，未產(chǎn)生可見熱裂紋，表現(xiàn)出良好的摩擦性能。
實施例3:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊增強鋁基復(fù)合材料制動盤的制備方法:
與實施例1不同的是SiC采用凝膠鑄模的方式成形，SiC陶瓷塊2的橫截面為面積2的圓形和縱截面為3X12的矩形，柱間距為3 mm，沿著X軸與y軸等間距陣列方式，陶瓷襯底(4)厚度為4 mm。采用負壓一電磁場聯(lián)合鑄造方法將鋁合金(牌號:ZL101A)，澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁合金復(fù)合為一體獲得得到制動盤鑄件。負壓一電磁場聯(lián)合鑄造提高了鋁合金熔液的流動性和充型能力，細化了晶粒，并大大降低了鑄件的缺陷。經(jīng)過精密加工和T6熱處理后，鋁基強度達到380 MPa。
經(jīng)過測試，制動盤在時速380 km/h實施緊急制動后，制動盤摩擦面最高溫度為430°C，而熱應(yīng)力降低到50 MPa，耐磨性優(yōu)于實施例1，無明顯熱斑產(chǎn)生，未產(chǎn)生可見熱裂紋，表現(xiàn)出良好的摩擦性能。
實施例4 =Al2O3, Si3N4, Ti3SiC2和TiB2陶瓷柱形陣列陣列聯(lián)體增強鋁鎂基復(fù)合材料制動盤的制備方法:
步驟1:柱形陣列的 聯(lián)體Al2O3, Si3N4, Ti3SiC2和TiB2陶瓷塊的制備:按照需要得到橫截面為邊長5 mm菱形，高度30 mm的Al2O3, Si3N4, Ti3SiC2和TiB2的陶瓷柱形陣列3，柱間距為2 mm，沿著X軸與y軸非等間距陣列方式，陶瓷襯底4厚度為4 mm，根據(jù)三種陶瓷柱形陣列燒結(jié)時收縮率做準確的放大以后，制備出鋼材質(zhì)的陰模。將按照一定比例配好，經(jīng)過造粒的粉體置入于所述的陰模具內(nèi)，采用150 ^250 MPa壓力成形獲得聯(lián)體陶瓷素坯；將所述的聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，在175(T2100 °C，采用熱壓燒結(jié)工藝獲得四種陶瓷塊2。
步驟2:陶瓷柱形陣列的預(yù)處理:首先將采用溶膠-凝膠法制備氫氧化鎂溶膠，用提拉將溶膠涂敷于清洗后的四種陶瓷柱形陣列表面，待干燥后置于真空爐內(nèi)80(T1200 °C保溫30 60 min,獲得氧化鎂薄膜。
步驟3:制動盤的鑄造:在68(T720 °C的澆鑄溫度下，采用差壓鑄造方法將熔融鎂鋁合金(牌號為AZ91D)澆鑄于設(shè)有陶瓷柱形陣列陣列預(yù)熱好的金屬鑄型內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁鎂合金復(fù)合為一體獲得制動盤鑄件。為了提高這四種陶瓷與鎂鋁合金的界面強度，可在鋁合金熔液中加入質(zhì)量百分比0.1°/Γ5%的Cr，Ti，Zr，Mn等元素。精密加工后，采用Τ6熱處理工藝獲得制動盤成品。經(jīng)過測試，制動與粉末銅基閘片組成的摩擦副在380 km/h實施緊急制動后，制動盤摩擦面溫度480°C，略有粘接，摩擦面有深度0.5mm的犁溝，未產(chǎn)生可見熱裂紋，摩擦系數(shù)為0.32，摩擦穩(wěn)定性能較好。
實施例5:柱形陣列的聯(lián)體SiC陶瓷塊增強鈦基復(fù)合材料制動盤的制備方法:
與實施例1不同的是SiC采用凝膠鑄模的方式成形，SiC陶瓷塊2的陶瓷柱形陣列的橫截面為邊長4 mm的正方形,高度為16 mm,柱間距為3 mm,沿著x軸與y軸按照非等間距陣列方式，陶瓷襯底4厚度為5 mm，采用差壓鑄造方法將鈦合金(牌號=ZTiAl5Sn2.5)，澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鈦合金復(fù)合為一體獲得得到制動盤鑄件。經(jīng)過精密加工和熱處理后，鈦基強度達到650 MPa。熱處理工藝為固溶處理溫度為890°C，保溫60 min,空冷或快冷。實施例6:陣列的SiC陶瓷柱形陣列增強Fe基復(fù)合材料的制備:
與實施例1不同的是SiC采用凝膠鑄模的方式成形，SiC陶瓷塊2的陶瓷柱形陣列的橫截面是面積5的圓形和縱截面為5 X 25的矩形，柱間距為8 mm，沿著X軸與y軸等間距陣列方式，陶瓷襯底4厚度為5 mm。實施例1和3，不同的是:將燒結(jié)后的SiC陶瓷塊2進行清洗，利用溶膠-凝膠法制備氫氧化鐵溶膠，利用提拉法將氫氧化鈦溶膠涂敷于清洗后的SiC陶瓷塊2的表面，薄膜厚度為50 500 μπι，待干燥后置于箱式爐1250 1400 °C，保溫30 60 min進行熱處理獲得
氧化鐵薄膜。采用差壓鑄造方法將40Cr鋼，澆鑄于設(shè)有柱陣列的聯(lián)體SiC陶瓷塊預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鑄鋼復(fù)合為一體獲得得到制動盤鑄件。經(jīng)過精密加工和常規(guī)的退火熱處理后，鋼基強度達到650 MPa。
實施例7:陣列的SiC陶瓷柱形 陣列增強鋁基復(fù)合材料的制備:
與實施例1不同的是SiC，實施例1和3，不同的是采用常壓鑄造方法將鋁合金(牌號:A356)在澆注溫度60(Γ750 V，澆鑄于設(shè)有柱陣列的聯(lián)體SiC陶瓷塊預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁復(fù)合為一體獲得得到制動盤鑄件，經(jīng)過精密加工和Τ6熱處理后，鋁基強度達到320 MPa，這種方法簡單，但制動盤強度和摩擦性能低于實施例1。本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方案，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導(dǎo)性的、而不是限制性的，如采用不同的陶瓷種類或組合、金屬基體材料、鑄造工藝制備具有不同陶瓷增強位置的陶瓷陣列增強金屬基制動盤。
權(quán)利要求
1.一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的制動盤包括金屬基體(1)，排列在金屬基體(1)內(nèi)的陶瓷塊(2)，所述陶瓷塊(2)由按一定規(guī)則排列的陶瓷柱形陣列形陣列(3)和陶瓷襯底(4)構(gòu)成聯(lián)體的陶瓷素坯燒結(jié)得到，所述金屬基體(1)上有通風(fēng)槽(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的陶瓷柱形陣列形陣列⑶和陶瓷襯底⑷為同一材質(zhì)，為SiC，Al2O3, B4C, Si3N4,Ti3SiC2, TiB2中的一種單相或復(fù)相陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的陶瓷柱形陣列(3)的橫截面是圓形、橢圓形、菱形、正方形或矩形，所述的陶瓷柱形陣列(3)的縱截面是梯形、正方形或矩形；所述的陶瓷襯底(4)的橫截面是圓形、橢圓形、菱形、正方形或矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的陶瓷素坯可由注漿、凝膠注模、模壓、靜壓方式成形；所述的陶瓷塊(2)采用表面活化或者鈍化的方法進行表面預(yù)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的金屬基體(1)材質(zhì)為鋁合金、鎂鋁合金、鈦合金、鑄鋼或鑄鐵中的一種或多種的復(fù)合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的制動盤的制備包括如下步驟: A:陶瓷塊(2)的制備:按照陶瓷柱形陣列的橫截面和縱截面的幾何形狀，柱間距，陣列方式，制備出石膏、金屬等不同材質(zhì)的陰模具，將按照一定比例配好的漿料或粉料置入于所述的陰模具內(nèi)，采用由注漿，凝膠注模、模壓或靜壓成形方式獲得所述的陶瓷柱形陣列(3)和陶瓷襯底(4)聯(lián)體陶瓷素坯，再將所述的陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，燒結(jié)，獲得陶瓷塊⑵； B:陶瓷塊(2)的表面預(yù)處理:根據(jù)陶瓷塊(2)不同的材質(zhì)采用表面活化或者鈍化的方法對陶瓷塊(2)進行表面預(yù)處理，所述的表面鈍化的方法包括在陶瓷塊(2)表面覆蓋上氧化鐵，氧化鋯，氧化鎂，氧化鈦等氧化物薄膜來減緩某些易于與鋼，鈦等金屬熔液的反應(yīng)的Al2O3, Ti3SiC2, SiC等陶瓷塊⑵的腐蝕；所述的表面活化的方法包括在陶瓷塊⑵表面覆蓋上氧化鉻，氧化釔，稀土氧化物，堿土氧化物等薄膜來提高SiC，B4C, TiB2, Si3N4陶瓷塊(2)與鋁，鋁鎂等金屬熔液(1)的潤濕性，提高界面強度； C:制動盤的鑄造:將陶瓷塊(2)按照設(shè)計要求固定在鑄腔內(nèi)，陶瓷塊(2)占復(fù)合材料的體積百分比可以為59Γ80%，采用常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造或負壓-電磁場鑄造等技術(shù)將熔融金屬澆鑄于所述的鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與金屬復(fù)合為一體獲得制動盤鑄件；對于鋁合金、鎂鋁合金采用常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造或負壓-電磁場鑄造工藝，澆鑄溫度為55(Γ750 V ;對于鑄鐵、鑄鋼材料采用負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造、負壓-電磁場鑄造工藝，澆鑄溫度為130(Γ1700 V;對于鈦合金采用差壓鑄造，重力-電磁場鑄造、負壓-電磁場鑄造工藝，澆鑄溫度為180(Γ2100V ； D:制動盤的精密加工:所述的制動盤盤環(huán)表面粗糙度達到Ra 3.2以上，盤環(huán)、盤轂以及連接座的平面要和其回轉(zhuǎn)中心垂直，垂直度小于0.1 _，經(jīng)過探傷檢測無裂紋，滿足動平衡； E:制動盤的熱處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，其特征在于:所述的制動盤與粉末冶金銅閘片，網(wǎng)絡(luò)陶瓷以及柱狀陶瓷增強金屬基閘片組成摩擦副。
全文摘要
一種用于高速列車的金屬/陶瓷復(fù)合材料制動盤，屬于高速列車的制動盤制備技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)有的制動盤容易熱疲勞裂紋并且裂紋容易擴展，造成制動盤存在安全隱患的缺點。本發(fā)明包括金屬基體，規(guī)則排列在金屬基體內(nèi)的陶瓷塊和金屬基體上的通風(fēng)槽，制動盤的制備步驟可分為陶瓷塊的燒結(jié)和表面處理，制動盤的鑄造，精密加工及熱處理。采用本發(fā)明方法易于制備不同材質(zhì) 截面形狀和體積百分比的柱狀陣列的聯(lián)體陶瓷塊增強金屬的制動盤，其金屬和陶瓷界面結(jié)合力強，極大消除了制動盤的內(nèi)部鑄造缺陷，具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較低的磨損率和良好的制動性能，能對380km/h的高速列車實行有效的制動。
文檔編號F16D65/847GK103104638SQ20121039499
公開日2013年5月15日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者房明, 喻亮, 葛錦明, 張顯南, 俞曉祥 申請人:浙江天樂新材料科技有限公司