本發(fā)明涉本發(fā)明涉及一種列車制動(dòng)盤用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法，特別是指一種列車制動(dòng)盤用高強(qiáng)、耐熱、抗沖擊的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，屬于軌道交通用的制動(dòng)裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在軌道交通
技術(shù)領(lǐng)域：
，制動(dòng)盤的材料對(duì)于機(jī)車有效制動(dòng)極為關(guān)鍵。高速列車緊急制動(dòng)時(shí)，巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷使制動(dòng)盤產(chǎn)生很大的溫度梯度，并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力并可能導(dǎo)致熱裂紋。制動(dòng)盤的材質(zhì)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(shù)平穩(wěn)、磨損率低，且機(jī)械性能和耐熱性好，同時(shí)還應(yīng)具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性、熱容和盡可能小的線脹系數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外制動(dòng)盤的傳統(tǒng)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(shì)下，鑄鐵(鋼)制動(dòng)盤已無法滿足列車的制動(dòng)要求，主要表現(xiàn)在以下兩方面：(1)制動(dòng)盤使用壽命短，其中絕大部分是由于熱容量不足產(chǎn)生熱龜裂而更換。因而，為了實(shí)現(xiàn)高速條件下制動(dòng)的安全性和可靠性，需要增加制動(dòng)盤的數(shù)量，降低制動(dòng)盤熱負(fù)荷，從而引起牽引功率消耗大大增加且需頻繁更換制動(dòng)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(dòng)車組為例，每根車軸上，安裝四個(gè)鋼質(zhì)制動(dòng)盤，一臺(tái)轉(zhuǎn)向架有8個(gè)制動(dòng)盤，重量約為0.5t，約占列車簧下重量的20％，而高速列車?yán)硐氲闹苿?dòng)盤重量應(yīng)為簧下重量的10％左右。陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有其陶瓷顆粒組份的高耐磨性、高硬度(強(qiáng)度)及低膨脹系數(shù)的特點(diǎn),又具有其基體組份鋁合金的良好熱傳導(dǎo)性和低密度的特點(diǎn)，因而在制動(dòng)盤方面的應(yīng)用得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和研究，被認(rèn)為是高速列車制動(dòng)盤鋼鐵材料的理想替代材料。碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)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(xì)更均勻，界面結(jié)合較好，增強(qiáng)體含量高達(dá)70％，剛度和強(qiáng)度高，塑韌性良好(≥5％)、導(dǎo)熱性良好、膨脹系數(shù)適中，主要用于航空航天結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)旋翼連接件、飛機(jī)腹鰭、導(dǎo)流葉片、支撐結(jié)構(gòu)件、支架等。但該工藝復(fù)雜，制備周期長(zhǎng)，零件尺寸受到限制。液態(tài)金屬攪拌鑄造法獲得的基體合金晶粒細(xì)小，但是由于陶瓷增強(qiáng)體顆粒與鋁熔液的潤(rùn)濕性差，因此，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒均勻分布較為困難，在金屬中容易團(tuán)聚，而且增強(qiáng)體顆粒極易與鋁熔液發(fā)生嚴(yán)重化學(xué)反應(yīng)，致使界面結(jié)合也較差。與粉末冶金方法相比，該工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、制造成本低，雖然制備的材料剛度較高，但是強(qiáng)度與塑性較低。目前主要用于制備汽車剎車盤、活塞、活塞環(huán)、連桿、高速列車制動(dòng)盤等。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01510854685.0公開了一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)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(nèi)正態(tài)分布。中國(guó)專利CN100575520“一種汽車制動(dòng)盤用鋁基復(fù)合材料及其制備方法”公開了一種鋁基復(fù)合材料，其中增強(qiáng)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(guó)專利CN100406598“一種汽車制動(dòng)盤用復(fù)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(dòng)盤的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)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(qiáng)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：Mg2Si15-35％、Si1-15％、Cu1-5％、Al余量。其制備工藝過程是：以工業(yè)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(yè)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(zhì)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(qiáng)度、硬度、塑性、尺寸穩(wěn)定性及良好的耐磨性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在碳化硅顆粒和鋁合金的相容性不好，導(dǎo)致碳化硅顆粒極易團(tuán)聚，以及鋁基復(fù)合材料耐熱性和強(qiáng)韌性較差的問題，提供一種列車制動(dòng)盤用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法。本發(fā)明制備的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)、耐熱、抗沖擊的優(yōu)點(diǎn)。陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的塑性較低，含SiC顆粒20vol％的鋁基復(fù)合材料的延伸率僅為0.5％左右，制動(dòng)盤在承受交變熱負(fù)荷時(shí)，在鋁基復(fù)合材料中一旦出現(xiàn)裂紋萌生，就很容易擴(kuò)展，結(jié)果導(dǎo)致突發(fā)事故。解決鋁基合金和碳化硅顆粒的界面問題，提高合金基體的耐熱性，是實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料高強(qiáng)、耐熱、抗沖擊的關(guān)鍵。本發(fā)明列車制動(dòng)盤用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，包括下述組分按質(zhì)量百分比組成：SiC顆粒15～25％、Si18-24％、Mg0.6-3.5％、Zr0.15-0.35％、Sc0.12-0.45％、余量為Al和不可避免雜質(zhì)；所述復(fù)合材料中，SiC顆粒彌散均勻分布在含有Zr、Sc的高硅鋁合金基體中；SiC顆粒由5～10μm的SiC顆粒與10～25μm的SiC顆粒級(jí)配組成，其中：粒度為10～25μm的SiC顆粒占SiC顆粒總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)為93～96％，粒度為5～10μm的SiC顆粒占SiC顆粒總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)為4～7％。本發(fā)明一種列車制動(dòng)盤用碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：步驟一，以Mg和粒度為5～10μm的SiC為原料，采用半固態(tài)渦流攪拌鑄造方法制備Mg-SiC中間合金，Mg-SiC中間合金中SiC的質(zhì)量百分含量為5～20％；步驟二，Si、Zr、Sc以Al-Si、Al-Zr、Al-Sc中間合金形式，粒度為10～25μm的SiC以顆粒形式，按如下質(zhì)量百分比加入到鋁熔體里：Si18-24％、Zr0.15-0.35％、Sc0.12-0.45％，SiC顆粒14～24％，熔煉溫度為780～900℃，充分?jǐn)嚢杈鶆?；步驟三，熔煉溫度降低至650～760℃，加入步驟一得到是Mg-SiC中間合金，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?；加入占熔體質(zhì)量0.2％～0.4％的精煉劑排渣除氣，靜置10～15分鐘后，澆注成形；Mg-SiC中間合金的加入量占熔體質(zhì)量的0.6-3％。本發(fā)明一種適用于列車制動(dòng)盤的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法；制備的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，包括以下化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)：硅：18-24％，碳化硅：15-25％，鋯：0.15-0.35％，鈧：0.12-0.45％，鎂：0.6-3.5％，余量為Al和不可避免雜質(zhì)；其中，碳化硅以顆粒形式存在，其粒度為5～25μm，粒度(10～25μm)SiC顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為14～24％，粒度(5～10μm)SiC顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1～2％，其他元素均以元素形式存在于合金中。本發(fā)明一種高強(qiáng)、耐熱、抗沖擊的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法；所述碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，還可以含有稀土元素；所述稀土元素占碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料總質(zhì)量的0.01-1.0％。本發(fā)明一種高強(qiáng)、耐熱、抗沖擊的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法；所述碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，還可以含有Fe、Mn、Ni等有益的微量元素。本發(fā)明一種適用于列車制動(dòng)盤的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法；制備的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐熱性達(dá)到并超過現(xiàn)有列車制動(dòng)盤用鑄鐵(鋼)材料，其伸長(zhǎng)率大于等于2％。碳化硅顆粒增強(qiáng)相的存在使制動(dòng)盤具有較強(qiáng)的抗磨損、抗擦傷能力。原理和優(yōu)勢(shì)：(1)鑒于Mg和SiC具有很好的潤(rùn)濕性，形成的復(fù)合材料界面光滑且無界面反應(yīng)，并且能顯著改善鋁液在SiC顆粒表面的潤(rùn)濕性，因此液相法制備的鋁基復(fù)合材料中會(huì)添加Mg，以改善界面潤(rùn)濕性，但是常以單質(zhì)Mg形式加入無法解決鋁液中SiC粉末團(tuán)聚的問題。因此本專利提出先將Mg和(5～10μm)SiC顆粒采用半固態(tài)渦流攪拌鑄造等方法制備成Mg-(5～20％)SiC中間合金，再將Mg-SiC中間合金加入到鋁基體溶液中，解決細(xì)顆粒碳化硅分散性差等問題。(2)由于制動(dòng)盤的工作原理是通過摩擦生熱將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并通過熱交換消散于大氣，在實(shí)際使用過程中制動(dòng)盤會(huì)頻繁的承受冷熱交替的熱負(fù)荷變化，因此要求制動(dòng)盤在相對(duì)較高的制動(dòng)溫度下保持穩(wěn)定的力學(xué)性能。用稀土鈧結(jié)合過渡元素鋯，不僅可以替代鈦，起到更顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒，而且鈧、鋯復(fù)合添加后形成的Al3(Sc,Zr)納米強(qiáng)化相對(duì)材料塑性、強(qiáng)度和耐熱性具有顯著的提高，可顯著降低材料熱疲勞裂紋的出現(xiàn)。而且稀土本身具有減低鋁液表面張力的作用，利于改善界面潤(rùn)濕性，提高鋁基復(fù)合材料漿料的流動(dòng)性。(3)鑒于Mg、Cu、Al形成的AlCu或是AlCuMg化合物相會(huì)導(dǎo)致鋁合金高溫發(fā)生蠕變現(xiàn)象，致使材料耐高溫性能顯著減低，因此本發(fā)明中鋁合金基體中未添加銅元素。附圖說明附圖1為實(shí)施例1制備的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的金相組織。由圖1可知，用本發(fā)明提供碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中碳化硅顆粒分布均勻，可以有效的解決碳化硅顆粒在基體里均勻分散困難的問題，充分發(fā)揮顆粒增強(qiáng)效果。具體實(shí)施方式：實(shí)施1～5：制備表中1～5#合金。首先在真空下半固態(tài)制備Mg-SiC合金。在真空環(huán)境下熔化鎂錠，待鎂完全熔化后再將5～10μmSiC顆?；烊胍簯B(tài)鎂基體中，加入碳化硅顆粒前開始進(jìn)行液態(tài)鎂漿料的攪拌，加入過程中攪拌不能停止，攪拌過程需正向攪拌和反向攪拌交替進(jìn)行，確保碳化硅顆粒均勻彌散分布，碳化硅混合完成后通過停止加熱，澆入鐵模中，冷卻后脫模。之后，再在電阻坩堝爐中熔煉鋁基復(fù)合材料，熔煉溫度為800℃。純鋁熔化后，先加入Al-Si、Al-Zr、Al-Sc中間合金，再將(10～25μm)SiC顆?；烊胍簯B(tài)鎂基體中，加入碳化硅顆粒前開始進(jìn)行熔融鋁合金漿料的攪拌，加入過程中攪拌繼續(xù)，攪拌過程需正向攪拌和反向攪拌交替進(jìn)行，確保碳化硅顆粒均勻彌散分布，碳化硅混合完成后通過停止加熱；再將溶液降至650℃，加入Mg-SiC中間合金，熔化并充分?jǐn)嚢杈鶆?，除去表面渣后，加?.2％～0.4％的六氯乙烷(C2Cl6)精煉劑排渣除氣，靜置10～15分鐘，澆入鐵模中，冷卻后脫模。所得鋁基復(fù)合材料的金相顯微組織圖見附圖1。本實(shí)施方式制備的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能如下：室溫抗拉強(qiáng)度：≥280MPa斷后伸長(zhǎng)率：≥1.2％硬度(HB)：120～160瞬間耐高溫：250℃100℃時(shí)抗拉強(qiáng)度320～280MPa，布氏硬度為135～150，伸長(zhǎng)率≥1.5％；200℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為270～280MPa，布氏硬度為125～130，伸長(zhǎng)率≥2.5％；300℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為260～265MPa，布氏硬度為116～125，伸長(zhǎng)率≥5％。本發(fā)明所提出的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可具有其他用途，并不局限于軌道交通車輛的制動(dòng)盤。表1各實(shí)施例中的合金成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，％)編號(hào)Mg-SiCSiZrSc(10～25μm)SiCAl實(shí)施例11#3.0(Mg-20％SiC)180.160.1214Bal實(shí)施例22#2.5(Mg-14％SiC)200.200.2118Bal實(shí)施例33#1.6(Mg-10％SiC)220.250.3020Bal實(shí)施例43#1.0(Mg-8％SiC)240.280.3622Bal實(shí)施例55#0.6(Mg-6％SiC)240.350.4524Bal當(dāng)前第1頁1 2 3