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高速列车用铝基复合材料制动盘及其闸片的制备、摩擦磨损性能及机理研究

滕杰  
【摘要】: 制动盘是涉及列车安全的关键部件之一。以往采用的铸铁盘存在两大问题:簧下重量大,影响机车车辆的动力学性能;表面温度较高,影响制动盘的机械性能。铝基复合材料具有密度低、强度和模量高、耐磨损、膨胀系数低、导热系数高以及散热速度快等一系列优点。采用铝基复合材料制动盘可以大大减轻机车车辆的簧下重量,改善列车的动力学性能,并显著降低制动盘的表面温度,提高机车车辆运行的安全性。国际上对铝基复合材料在制动盘方面的应用尚处于研究和与试验阶段。国内在此领域的研究基本上还是空白。本文首次采用喷射沉积技术制备了直径达φ1200mm的Al-Si/SiCp制动盘,同时采用二次压制工艺制备出了配套的合成闸片,研究了制动盘的楔压致密化技术、机理,复合材料摩擦磨损性能及机理。通过系统的实验研究得到如下结论: 1.基于新型的移动坩埚自动化控制喷射沉积环坯制备技术及装置,研究了大尺寸铝基复合材料环坯的制备规律,讨论了喷射沉积工艺参数对沉积坯形成过程的影响,得到了最佳工艺参数:导流管直径D=3.8mm,雾化气体压力P=0.8MPa,喷射高度H=200mm,SiC颗粒输送压力P送=0.5MPa。并在此工艺参数下,制备出了不同硅含量的铝基复合材料环坯,其尺寸为φ1200×φ600×100mm,沉积坯的组织均匀、初晶硅细小,增强相SiC颗粒的分布均匀,体积分数约为15%。结果表明:随母合金中硅含量的增加,初晶硅的数量增加,但初晶硅尺寸均在5μm以下,这说明该工艺具有较强的快速凝固效果;另外,复合材料的硬度和抗拉强度均随硅含量的增加而增加。 2.针对大尺寸铝基复合材料环坯,基于坯件多次小变形累积实现大变形的思想,发展了新型的楔形压制致密化技术及装置,为大尺寸坯件的致密化提供了新的思路。研究了楔压工艺参数对致密化过程及材料性能的影响,实验结果表明:楔压时,局部坯料发生塑性变形,使喷射沉积过程中形成的微孔隙产生剪切变形、闭合,最终实现坯件的致密化;对于厚度为80~100mm的铝基复合材料环坯,单向楔压一定程度后,因坯料与模具之间的摩擦力以及材料变形抗力的增加,坯料并不能实现全部致密化,双向楔压基本可实现坯料完全致密化;另外,楔压时适当增加坯料与模具之间的间隙有利于使坯料沿径向产生较大的塑性变形,以利于致密化;双向楔压后复合材料的密度达理论密度的99%以上,材料的硬度和抗拉强度大幅度提高。 3.大量的初晶硅颗粒起到承载以及减少软基体磨损的作用,使基体免受对偶微凸体的犁削和擦刮,降低了材料的磨损率,材料的耐磨性能随硅含量的增加大幅度提高。MM1000结果表明:随铝基复合材料母合金中硅含量的增加,摩擦副的磨损率大幅度降低,当硅含量分别为9 wt%、12 wt%和20 wt%时,铝基复合材


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