專利名稱：一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速制動技術(shù)領(lǐng)域，尤其與一種用于高速列車的閘片及其制備方法有關(guān)。
背景技術(shù)：
高速列車閘片的制動性能直接影響列車運營的安全性，故對閘片的制動性能提出了更高的要求，特別是摩擦學(xué)性能。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，列車時速已超過350km/h，傳統(tǒng)的樹脂基半金屬和粉末冶金法制備金屬陶瓷燒結(jié)體制動材料已不能滿足350km/h以上緊急制動的要求。這是因為合成的樹脂制動材料摩擦片的導(dǎo)熱系數(shù)低，當(dāng)制動溫度超過350 °C時，樹脂易發(fā)生碳化，導(dǎo)致摩擦片的開裂和失效；鐵基和銅基的粉末冶金閘片價格昂貴，壽命較短，在350 km/h以上緊急制動時，此類閘片易掉粉、掉渣，摩擦系數(shù)低，熱穩(wěn)定性差，不能滿足制動要求。此外，國內(nèi)外已經(jīng)開始了用于高速列車的碳/陶瓷復(fù)合材料閘片及碳/碳復(fù)合材料閘片的研制，因價格昂貴及工藝復(fù)雜等的限制還未形成工業(yè)化生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)具有制動安全耐高溫耐磨損的可用于350km/h甚至380km/h以上高速列車的閘片成為當(dāng)務(wù)之急。陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片在高速重載制動工況具有較高而平穩(wěn)的摩擦系數(shù)和低的磨損率而被重視。陶瓷增強體的形狀很多，包括顆粒、纖維、晶須、多孔或三維網(wǎng)絡(luò)等。其中顆粒、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，增強相在制動過程中易脫落而大大降低復(fù)合材料的性能。三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強金屬基復(fù)合材料則由于網(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)品而受極大限制。因此，柱狀陶瓷增強金屬基復(fù)合材料就成為了是近年的研究熱點。其中，中國專利“陶瓷柱狀陣列增強金屬復(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。而本發(fā)明采用的聯(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)別。此外，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)的陶瓷陣列尺寸則屬于微觀范疇，用于制備功能材料，與本申請采用宏觀陶瓷陣列制備結(jié)構(gòu)材料不同。
由于本專利申請涉及的閘片中的陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)不匹配，在制動產(chǎn)生的熱力作用下，在陶瓷和金屬的界面處容易形成微孔。微孔將形成熱疲勞裂紋，擴展的裂紋會造成閘片的掉粉、掉渣，甚至掉塊而嚴(yán)重影響閘片的力學(xué)性能、摩擦性能，危及高速列車的行車安全。針對此問題，本發(fā)明采用散熱設(shè)計來優(yōu)化閘片的結(jié)構(gòu)，即把摩擦塊設(shè)計成圓柱形或多邊形等幾何圖形，摩擦塊與摩擦塊之間的寬度為3 8 mm，可大大提高排粉能力，降低閘片摩擦面溫度和熱應(yīng)力，減少熱損傷和熱衰退，提高了其適用的速度上限，能對運營速度達380km/h的高速列車實行有效的制動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有高速列車閘片存在著熱穩(wěn)定性差、摩擦系數(shù)低、摩損率高、抗熱衰減性差、壽命短的缺陷，提供一種熱穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)高、磨損率低、抗熱衰減性好、壽命長的高速列車閘片。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的閘片包括摩擦塊、基板和散熱片，摩擦塊由規(guī)則排列的陶瓷塊增強金屬復(fù)合材料構(gòu)成，陶瓷塊由陶瓷襯底上設(shè)有若干根規(guī)則排列的柱形陶瓷陣列構(gòu)成，摩擦塊、網(wǎng)狀的散熱片分別設(shè)在基板的兩側(cè)面。所述的摩擦塊可設(shè)成圓形或多邊形，摩擦塊與摩擦塊之間的間隙寬度在:Γ8 mm為最佳。所述的陶瓷柱和陶瓷襯底為同一材質(zhì)，是一個整體，由A1203、SiC、B4C, Si3N4,Ti3SiC2, TiB2, ZrB2, TiC, ZrO2中的一種單相或復(fù)相構(gòu)成。
所述的陶瓷柱的橫截面可以是圓形、橢圓形、菱形、正方形、六邊形或其他幾何圖形；所述的陶瓷柱的縱截面可以是梯形，正方形，矩形或其他幾何圖形；所述的陶瓷襯底的橫截面可以是圓形、橢圓形、菱形、正方形、六邊形或其他幾何圖形。
所述的陶瓷塊由一定規(guī)則的柱形陶瓷陣列和與之相連接的陶瓷襯底的聯(lián)體陶瓷素坯通過燒結(jié)工藝得到，所述的聯(lián)體陶瓷素坯可由注漿、凝膠注模、模壓靜壓等方式成形，所述的陶瓷塊采用表面活化或者鈍化的方法進行表面處理。所述摩擦塊的金屬材質(zhì)為鋁合金、鎂鋁合金、鈦合金、銅合金、鑄鋼或鑄鐵中的一種或多種的復(fù)合。`一種制備上述閘片的方法，其特征在于:所述的制備方法具體步驟如下:
步驟1:陶瓷塊的制備:按照陶瓷柱的橫截面和縱截面的幾何形狀、間距、陣列方式的不同，制備出石膏或者金屬等不同材質(zhì)的陰模具，將按照一定比例配好的漿料或粉料置入所述的陰模具內(nèi)，采用注漿、凝膠注模、模壓、等靜壓等成形方式獲得所述的陶瓷柱和陶瓷襯底聯(lián)體的陶瓷素坯；將所述的陶瓷素坯烘干，修整外形，拋光，燒結(jié)，獲得所述的陶瓷塊。
步驟2:陶瓷塊的表面處理:采用表面活化或者鈍化的方法對所述的陶瓷塊進行表面處理，目的是控制陶瓷塊與金屬基體的界面結(jié)合強度。根據(jù)陶瓷塊的不同材質(zhì)，采用相應(yīng)的表面處理工藝。表面鈍化的方法:在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鐵、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦等氧化物薄膜，來減緩含有A1203、Ti3SiC2, SiC、ZrO2等材料的陶瓷塊與金屬熔液發(fā)生化學(xué)腐蝕；表面活化的方法:在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鉻、氧化釔、稀土氧化物、堿土氧化物等薄膜，來增加含有SiC、B4C, TiB2, Si3N4, ZrB2等材料的陶瓷塊與金屬基體的潤濕性，提高陶瓷/金屬的界面強度；
步驟3:閘片的鑄造:將經(jīng)過了步驟2的陶瓷塊按照設(shè)計要求固定在內(nèi)壁噴涂了氮化硼等脫模劑的鑄腔內(nèi)，陶瓷塊占復(fù)合材料的體積百分比為59Γ80%，采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)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)，將陶瓷塊與金屬基體復(fù)合為一體獲得閘片。根據(jù)不同的金屬基體材料而采用相應(yīng)的鑄造工藝。如:對于鋁合金、鎂鋁合金采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為55(Γ750 V ;對于銅合金采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為100(Γ1400 V ;對于鈦合金采用低壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造、負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為180(Γ2100 V ;對于鑄鐵、鑄鋼材料采用負(fù)壓鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造、負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為 1300 1700 0C0步驟4:閘片的精密加工:所述閘片盤環(huán)的表面粗糙度要達到Ra 3.2以上，經(jīng)過探傷檢測無裂紋；
步驟5:閘片的熱處理:以陶瓷增強銅合金閘片為例，采用淬火、回火等熱處理工藝；以陶瓷增強鋁合金閘片為例，采用Τ6、Τ61等熱處理工藝；其他的閘片則根據(jù)不同的金屬基體材料，采用相應(yīng)的熱處理工藝。所述的閘片可與鑄鋼(或鑄鐵、鑄鋁)制動盤、陶瓷顆?；蛱沾删W(wǎng)絡(luò)增強鋁基(或鎂基、銅基、鈦基、鋼基等)制動盤、碳碳制動盤和碳陶瓷制動盤組成摩擦副。使用本發(fā)明可以達到以下有益效果:1、直接將陶瓷塊置入鑄腔內(nèi)固定，這大大方便了陶瓷增強金屬復(fù)合材料大試樣的工程化制備，減少了陶瓷塊在金屬液沖刷下的移動，提高了金屬基復(fù)合材料陶瓷增強體的宏觀均勻性。2、對陶瓷塊進行表面處理，能夠獲得更優(yōu)良的陶瓷/金屬界面結(jié)合，有利于提高復(fù)合材料閘片的摩擦性能。3、摩擦塊之間的間隙寬度為:Γ8 mm的設(shè)計，使得閘片在制動時產(chǎn)生的摩擦熱和磨擦的碎屑很容易被帶走，獲得更好的耐磨性和抗熱衰退能力。


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圖1是本發(fā)明的正視圖。圖2是本發(fā)明的后視立體結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的一種圓形襯底的六邊形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明的一種矩形襯底的矩形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明的一種六邊形襯底的矩形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖6是本發(fā)明的一種圓形襯底的矩形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖7是本發(fā)明的一種橢圓形襯底在矩形柱陣列中部的聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明的一種圓形襯底的不同長徑比橢圓形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。圖9是本發(fā)明的一種圓形襯底的不等高圓形柱陣列聯(lián)體陶瓷塊立體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細(xì)描述。如圖f圖9所示，本發(fā)明包括摩擦塊1，基板3和散熱片4組成，并鑄造成一個整體。摩擦塊I由陶瓷塊2增強金屬復(fù)合材料構(gòu)成，摩擦塊I與摩擦塊I間的有一定寬度的間隙。陶瓷塊2由按一定規(guī)則的柱形陶瓷陣列6和與之連接的陶瓷襯底5的聯(lián)體陶瓷素坯經(jīng)燒結(jié)得到。聯(lián)體陶瓷素坯可由注漿，凝膠注模，模壓，等靜壓等方式成形。采用常壓、低壓、負(fù)壓、差壓、重力-電磁場聯(lián)合、負(fù)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)，將陶瓷塊與金屬復(fù)合成閘片。用于制備上述的閘片方法，具體的實施例如下:
實施例1:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊增強銅基復(fù)合材料閘片的制備方法步驟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6的橫截面為3的圓形和縱截面為4X 10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5厚度為2.5 mm。根據(jù)碳化硅燒結(jié)時收縮率是17 20%，制備出合適的石膏材質(zhì)的陰模，將按照一定比例配好的碳化硅漿料置入于陰模具內(nèi)，經(jīng)注漿成形獲得聯(lián)體陶瓷素坯。將聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，在195(T2100 °C，采用無壓燒結(jié)工藝，保溫3(T60 min，獲得陶瓷塊。步驟2:柱形陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊的表面處理:將燒結(jié)后的SiC陶瓷塊進行清洗，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陶瓷塊的表面，薄膜厚度為5(Γ500 μπι，待干燥后置于125(T1400 °C的箱式爐中，保溫30飛0min進行熱處理獲得氧化鈦薄膜。步驟3:閘片的鑄造:將表面包覆氧化鈦薄膜的SiC陶瓷塊在鋼模具鑄腔內(nèi)規(guī)則排布并固定。在118(T1280 °C的澆鑄溫度下，采用負(fù)壓鑄造方法將鋁青銅澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊的預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁青銅合金復(fù)合為一體制備出閘片?？稍阡X青銅合金熔液中加入質(zhì)量百分比0.19Γ5%的過渡族和稀土等元素來提高SiC與銅合金的界面強度。步驟4:閘片的精密加工:閘片的盤環(huán)表面粗糙度Ra 0.8^3.2，經(jīng)過探傷檢測無裂紋。
步驟5:閘片的熱處理:閘片采用淬火+回`火熱處理工藝，熱處理后，閘片的斷裂強度達到 390 MPa。經(jīng)過測試，閘片與鑄鋼組成的摩擦副在時速380 km/h實施緊急制動后，閘片摩擦面最高溫度為680 1:，而熱應(yīng)力120 10^，磨損率0.03 μ m/次，無掉粉掉渣現(xiàn)象。
實施例2:柱形陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊增強銅基復(fù)合材料閘片的制備方法步驟1: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3 mm的六邊形，高度為12 mm的B4C陶瓷柱6，柱間距為4 mm，沿著x軸與y軸等間距陣列方式，陶瓷襯底5厚度為2 mm，根據(jù)B4C燒結(jié)時收縮率If 22%，制備出合適的鋼材質(zhì)的陰模。將按照一定比例配好且經(jīng)過造粒的B4C粉體置入陰模具內(nèi)，采用100 200 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。將聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，在2000 2200 °C，采用無壓燒結(jié)工藝，保溫30 60 min后獲得B4C陶瓷塊。步驟2:柱陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊的表面處理:將燒結(jié)后的B4C陶瓷塊進行清洗，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陶瓷塊的表面，待干燥后置于85(T1000 °C的箱式爐中，保溫3(T60 min進行熱處理獲得氧化釔薄膜。步驟3:閘片的鑄造:在約100(T1380 °C的澆鑄溫度下，采用重力鑄造方法將錫青銅，澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體B4C陶瓷塊的預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與錫青銅合金復(fù)合為一體獲得閘片鑄件。為了提高B4C與銅合金的界面結(jié)合力，可在銅合金熔液中加入質(zhì)量百分比0.19Γ5%的過渡族元素Ti和稀土元素Y和La等。步驟4:閘片的精密加工:閘片的盤環(huán)表面粗糙度在Ra 0.8^1.6以上，經(jīng)過探傷檢測無裂紋。步驟5:閘片的熱處理:閘片采用淬火+回火熱處理工藝，熱處理后，閘片斷裂強度達到 420 MPa。經(jīng)過測試，閘片與SiC陶瓷增強鋁基制動盤組成的摩擦副在380 km/h實施緊急制動后，閘片最高溫度為630 1:，熱應(yīng)力112 10^，磨損率0.02 μ m/次，無掉粉掉渣現(xiàn)象。
實施例3:柱形陣列聯(lián)體TiB2陶瓷塊增強鐵基復(fù)合材料閘片的制備方法與實施例1不同的是TiB2陶瓷塊的橫截面為不同長徑比的橢圓和縱截面為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5厚度為3 mm。采用負(fù)壓一電磁場聯(lián)合鑄造方法將20Cr鋼澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體TiB2陶瓷塊的預(yù)熱好的覆膜砂模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋼復(fù)合為一體獲得閘片。負(fù)壓-電磁場聯(lián)合鑄造提高了熔液的流動性和充型能力，細(xì)化了晶粒，并大大降低了鑄件的缺陷。經(jīng)過精密加工和淬火+退火熱處理·后，鋁基強度達到375 MPa。經(jīng)過測試，閘片與三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷增強鑄鋼基制動盤組成的摩擦副在時速380km/h實施緊急制動后，閘片摩擦面最高溫度為580 1:，熱應(yīng)力190 10^，磨損率0.018 μ m/次，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, TiC, ZrB2和TiB2陶瓷柱陣列聯(lián)體增強鋁鎂基復(fù)合材料閘片的制備方法
步驟1:柱形陣列的聯(lián)體Al2O3, Si3N4, Ti3SiC2, TiC, ZrB2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2。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5厚度為4 mm,陶瓷襯底5的形狀可以為矩形、六邊形或橢圓形。根據(jù)三種陶瓷柱燒結(jié)時收縮率，制備出各自合適的鋼材質(zhì)的陰模。將按照一定比例配好且經(jīng)過造粒的粉體置入陰模具內(nèi)，采用150 ^250 MPa壓力等靜壓成形獲得聯(lián)體陶瓷素坯。將聯(lián)體陶瓷素坯進行烘干，修整外形，拋光，在175(Γ2100°C，采用熱壓或者無壓燒結(jié)工藝獲得四種陶瓷塊。步驟2:陶瓷塊的表面處理: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表面，待干燥后置于80(Γ1200 V的真空爐內(nèi)，保溫30 60 min，獲得氧化鎂薄膜。步驟3:閘片的鑄造: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)有陶瓷柱陣列的預(yù)熱好的金屬鑄型內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁鎂合金復(fù)合為一體獲得閘片鑄件。為了提高這四種陶瓷與鎂鋁合金的界面強度，可在熔液中加入質(zhì)量百分比0.1°/Γ5%的Cr，Ti，Zr，Mn等元素。精密加工后，采用Τ6熱處理工藝獲得閘片成品。經(jīng)過測試，閘片與碳-碳化硅制動盤組成摩擦副在380 km/h實施緊急制動后，閘片摩擦面溫度480°C，摩擦面有深度0.5mm的犁溝，磨損率0.024 μ m/次，摩擦系數(shù)為0.34，未產(chǎn)生可見熱裂紋。實施例5:柱形陣列的聯(lián)體SiC陶瓷塊增強鈦基復(fù)合材料閘片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陶瓷塊的陶瓷柱6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5厚度為5 _，位置在柱狀碳化硅的中部。采用差壓鑄造方法將鈦合金，澆鑄于設(shè)有柱陣列聯(lián)體SiC陶瓷塊的預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鈦合金復(fù)合為一體獲得得到閘片鑄件。經(jīng)過精密加工和熱處理后，閘片強度達到450 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。經(jīng)過測試，閘片與碳-碳制動盤組成摩擦副在380 km/h實施緊急制動后，閘片摩擦面溫度750°C，摩擦面有深度0.2 mm的犁溝，磨損率0.04 μ m/次，摩擦系數(shù)為0.31，摩擦面可見機械混合層，厚度約為50 ym，未產(chǎn)生可見熱裂紋。實施例6:陣列的SiC陶瓷柱增強Fe基復(fù)合材料閘片的制備方法
步驟1:SiC采用凝膠鑄模的方式成形，SiC陶瓷塊的陶瓷柱6的橫截面是5的圓形和縱截面為5X25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5厚度為 5 mnin步驟2:將燒結(jié)后的SiC陶瓷塊進行清洗，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陶瓷塊的表面，薄膜厚度為5(Γ500 μ m,待干燥后置于125(T1400 °C的箱式爐中，保溫3(T60 min進行熱處理獲得氧化鐵薄膜。步驟3: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陶瓷塊的預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鑄鋼復(fù)合為一體獲得得到閘片鑄件。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陶瓷柱增強鋁基復(fù)合材料閘片的制備方法
與實施例1和3不同的是采用常壓鑄造方法，`在120(Γ1350 1:時，將銅合金澆鑄于設(shè)有柱陣列的聯(lián)體SiC陶瓷塊的預(yù)熱好的鋼模具鑄腔內(nèi)，將陶瓷陣列與鋁復(fù)合為一體獲得得到閘片鑄件。經(jīng)過精密加工和淬火+退火熱處理后，閘片強度達到360 MPa。
這種方法簡單，但閘片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、以及不同形狀的聯(lián)體陶瓷增強體、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閘片的制備方案，均屬于本發(fā)明范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的閘片包括摩擦塊(1)、基板⑶和散熱片(4)，摩擦塊⑴由規(guī)則排列的陶瓷塊(2)增強金屬復(fù)合材料構(gòu)成，陶瓷塊(2)由陶瓷襯底(5)上設(shè)有若干根規(guī)則排列的陶瓷柱(6)構(gòu)成，摩擦塊(1)、網(wǎng)狀的散熱片(4)分別設(shè)在基板(3)的兩側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的摩擦塊(I)可設(shè)成圓形或多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述摩擦塊(I)與摩擦塊(I)之間的間隙寬度在3 8mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的陶瓷柱(6)和陶瓷襯底(5)為同一材質(zhì)，是一個整體，由A1203、SiC、B4C, Si3N4,Ti3SiC2, TiB2, ZrB2, TiC、ZrO2中的一種單相或復(fù)相構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的陶瓷柱(6)的橫截面可以是圓形、橢圓形、菱形、正方形或六邊形；所述的陶瓷柱(6)的縱截面可以是梯形，正方形或矩形；所述的陶瓷襯底(5)的橫截面可以是圓形、橢圓形、菱形、正方形或六邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的陶瓷塊(2)由一定規(guī)則的柱形陶瓷陣列和與之相連接的陶瓷襯底的聯(lián)體陶瓷素坯通過燒結(jié)工藝得到，所述的聯(lián)體陶瓷素坯可由注漿、凝膠注模、模壓靜壓等方式成形，所述的陶瓷塊采用表面活化或者鈍化的方法進行表面處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的摩擦塊的金屬材質(zhì)為鋁合金、鎂鋁合金、鈦合金、銅合金、鑄鋼或鑄鐵中的一種或多種的復(fù)合。
8.一種制備如權(quán)利要求1所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的閘片制備方法具體步驟如下: 步驟1:陶瓷塊的制備:按照陶瓷柱￠)的橫截面和縱截面的幾何形狀、間距、陣列方式的不同，制備出石膏或者金屬等不同材質(zhì)的陰模具，將按照一定比例配好的漿料或粉料置入所述的陰模具內(nèi)，采用注漿、凝膠注模、模壓、等靜壓等成形方式獲得所述的陶瓷柱(6)和陶瓷襯底(5)聯(lián)體的陶瓷素坯；將所述的陶瓷素坯烘干，修整外形，拋光，燒結(jié)，獲得所述的陶瓷塊。
步驟2:陶瓷塊的表面處理:采用表面活化或者鈍化的方法對所述的陶瓷塊進行表面處理，目的是控制陶瓷塊與金屬基體的界面結(jié)合強度。根據(jù)陶瓷塊的不同材質(zhì)，采用相應(yīng)的表面處理工藝。表面鈍化的方法:在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鐵、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦等氧化物薄膜，來減緩含有A1203、Ti3SiC2, SiC、ZrO2等材料的陶瓷塊與金屬熔液發(fā)生化學(xué)腐蝕；表面活化的方法:在陶瓷塊表面覆蓋上氧化鉻、氧化釔、稀土氧化物、堿土氧化物等薄膜，來增加含有SiC、B4C、TiB2、Si3N4、ZrB2等材料的陶瓷塊與金屬基體的潤濕性，提高陶瓷/金屬的界面強度； 步驟3:閘片的鑄造:將經(jīng)過了步驟2的陶瓷塊按照設(shè)計要求固定在內(nèi)壁噴涂了氮化硼等脫模劑的鑄腔內(nèi)，陶瓷塊占復(fù)合材料的體積百分比為5% 80%，采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)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)，將陶瓷塊與金屬基體復(fù)合為一體獲得閘片；根據(jù)不同的金屬基體材料而采用相應(yīng)的鑄造工藝；如:對于鋁合金、鎂鋁合金采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為550 750°C ;對于銅合金采用常壓鑄造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造或負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為1000 1400°C ;對于鈦合金采用低壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造、負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為1800 2100°C ;對于鑄鐵、鑄鋼材料采用負(fù)壓鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、重力-電磁場鑄造、負(fù)壓-電磁場鑄造等鑄造工藝，澆鑄溫度為1300 1700°C ； 步驟4:閘片的精密加工:所述閘片盤環(huán)的表面粗糙度要達到Ra3.2以上，經(jīng)過探傷檢測無裂紋； 步驟5:閘片的熱處理:以陶瓷增強銅合金閘片為例，采用淬火、回火等熱處理工藝；以陶瓷增強鋁合金閘片為例，采用T6、T61等熱處理工藝；其他的閘片則根據(jù)不同的金屬基體材料，采用相應(yīng)的熱處理工藝。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片，其特征在于:所述的閘片可與鑄鋼、鑄鐵或鑄鋁制動盤、陶瓷顆粒或陶瓷網(wǎng)絡(luò)增強鋁基、鎂基、銅基、鈦基或鋼基制動盤、 碳碳制動盤和碳陶瓷制動盤組成摩擦副。
全文摘要
一種用于高速列車的陶瓷/金屬復(fù)合材料閘片及其制備方法，屬于高速制動技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)有高速列車閘片存在著熱穩(wěn)定性差、摩擦系數(shù)低、摩損率高、抗熱衰減性差、壽命短的缺陷。本發(fā)明包括摩擦塊、基板和散熱片，摩擦塊由陶瓷塊增強金屬復(fù)合材料構(gòu)成，摩擦塊之間的間隙寬度在3~8mm，陶瓷塊由按一定規(guī)則的陶瓷柱和與之連接的陶瓷襯底的聯(lián)體陶瓷素坯經(jīng)燒結(jié)得到，聯(lián)體陶瓷素坯可由注漿，凝膠注模，模壓，等靜壓等方式成形。本發(fā)明的制備方法步驟如下陶瓷塊燒結(jié)和表面處理，閘片鑄造，精密加工及熱處理。本發(fā)明具有熱穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)高、磨損率低、抗熱衰減性好、壽命長等特點，能對380km/h的高速列車實行有效制動。
文檔編號B22D19/02GK103075445SQ20131001079
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11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