高速列車(chē)用鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)及其閘片的制備、摩擦磨損性能及機(jī)理研究.pdf

1、制動(dòng)盤(pán)是涉及列車(chē)安全的關(guān)鍵部件之一。以往采用的鑄鐵盤(pán)存在兩大問(wèn)題：簧下重量大，影響機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能；表面溫度較高，影響制動(dòng)盤(pán)的機(jī)械性能。鋁基復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度和模量高、耐磨損、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高以及散熱速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)。采用鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)可以大大減輕機(jī)車(chē)車(chē)輛的簧下重量，改善列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能，并顯著降低制動(dòng)盤(pán)的表面溫度，提高機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行的安全性。國(guó)際上對(duì)鋁基復(fù)合材料在制動(dòng)盤(pán)方面的應(yīng)用尚處于研究和與試驗(yàn)階段。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域

2、的研究基本上還是空白。本文首次采用噴射沉積技術(shù)制備了直徑達(dá)φ1200mm的Al-Si/SiCp制動(dòng)盤(pán)，同時(shí)采用二次研制工藝制備出了配套的合成閘片，研究了制動(dòng)盤(pán)的楔壓致密化技術(shù)、機(jī)理，復(fù)合材料摩擦磨損性能及機(jī)理。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究得到如下結(jié)論： 1.基于新型的移動(dòng)坩堝自動(dòng)化控制噴射沉積環(huán)坯制備技術(shù)及裝置，研究了大尺寸鋁基復(fù)合材料環(huán)坯的制備規(guī)律，討論了噴射沉積工藝參數(shù)對(duì)沉積坯形成過(guò)程的影響，得到了最佳工藝參數(shù)：導(dǎo)流管直徑D=3.8m

3、m，霧化氣體壓力P=0.8MPa，噴射高度H=200mm，SiC顆粒輸送壓力P送=0.5MPa。并在此工藝參數(shù)下，制備出了不同硅含量的鋁基復(fù)合材料環(huán)坯，其尺寸為φ1200×φ600×100mm，沉積坯的組織均勻、初晶硅細(xì)小，增強(qiáng)相SiC顆粒的分布均勻，體積分?jǐn)?shù)約為15％。結(jié)果表明：隨母合金中硅含量的增加，初晶硅的數(shù)量增加，但初晶硅尺寸均在5μm以下，這說(shuō)明該工藝具有較強(qiáng)的快速凝固效果；另外，復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度均隨硅含量的增加而增加

4、。 2.針對(duì)大尺寸鋁基復(fù)合材料環(huán)坯，基于坯件多次小變形累積實(shí)現(xiàn)大變形的思想，發(fā)展了新型的楔形壓制致密化技術(shù)及裝置，為大尺寸坯件的致密化提供了新的思路。研究了楔壓工藝參數(shù)對(duì)致密化過(guò)程及材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：楔壓時(shí)，局部坯料發(fā)生塑性變形，使噴射沉積過(guò)程中形成的微孔隙產(chǎn)生剪切變形、閉合，最終實(shí)現(xiàn)坯件的致密化；對(duì)于厚度為80～100mm的鋁基復(fù)合材料環(huán)坯，單向楔壓一定程度后，因坯料與模具之間的摩擦力以及材料變形抗力的增加，坯料并

5、不能實(shí)現(xiàn)全部致密化，雙向楔壓基本可實(shí)現(xiàn)坯料完全致密化；另外，楔壓時(shí)適當(dāng)增加坯料與模具之間的間隙有利于使坯料沿徑向產(chǎn)生較大的塑性變形，以利于致密化；雙向楔壓后復(fù)合材料的密度達(dá)理論密度的99％以上，材料的硬度和抗拉強(qiáng)度大幅度提高。 3.大量的初晶硅顆粒起到承載以及減少軟基體磨損的作用，使基體免受對(duì)偶微凸體的犁削和擦刮，降低了材料的磨損率，材料的耐磨性能隨硅含量的增加大幅度提高。MM1000結(jié)果表明：隨鋁基復(fù)合材料母合金中硅含量的增加

6、，摩擦副的磨損率大幅度降低，當(dāng)硅含量分別為9wt％、12wt％和20wt％時(shí)，鋁基復(fù)合材料的磨損率分別為11.1×10-5mm3/J、6.7×10-5mm3/J和3.6×10-5mm3/J；配副的合成閘片的磨損率分別為1.43×10-3mm3/J、1.13×10-3mm3/J和0.91×10-3mm3/J，摩擦副的摩擦系數(shù)保持在在0.31～0.34之間；另外，復(fù)合材料中的微孔隙在摩擦磨損過(guò)程中優(yōu)先成為裂紋源，并發(fā)展成大的裂紋，引起材料斷

7、裂，加劇材料的磨損。Al-20％Si/15％SiCp復(fù)合材料經(jīng)楔壓致密化處理后，有效消除了材料的微孔隙，并改善了增強(qiáng)顆粒與基體間的界面結(jié)合，進(jìn)一步改善了材料耐磨性能，鋁基復(fù)合材料和閘片的磨損率進(jìn)一步降低到1.5×10-5mm3/J和0.58×10-3mm3/J，摩擦副的摩擦系數(shù)為0.34。 4.基于合成閘片要與鋁基復(fù)合材料匹配這一要求，系統(tǒng)研究了合成閘片的配方及制備工藝對(duì)材料性能的影響，通過(guò)丁腈橡膠對(duì)腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂進(jìn)行共混

8、改性，構(gòu)成“高分子合金”，使之在保證耐熱性能的同時(shí)，改善基體韌性，采用鋼纖維/硅灰石纖維混雜增強(qiáng)，選取石墨為減磨組元，得到了最佳合成閘片配方：腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂與丁腈橡膠比為1：1，基體粘結(jié)劑總含量為20wt％，鋼纖維/硅灰石纖維含量為45wt％，石墨含量為6wt％，其余為其它填料。另外，針對(duì)直接模壓工藝引起的材料易開(kāi)裂和起泡等問(wèn)題，發(fā)展了合成閘片二次壓制成型工藝，該工藝改善了合成閘片的工藝性能、力學(xué)性能及摩擦磨損性能。 5.

9、制動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱量，并通過(guò)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)傳導(dǎo)出去，引起制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫度升高，進(jìn)而影響材料的制動(dòng)摩擦磨損性能。理論分析和計(jì)算了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫升，并與實(shí)際溫升進(jìn)行了比較，得到了盤(pán)面溫升規(guī)律：隨制動(dòng)初速度的增加，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫升增加；制動(dòng)壓力越大，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫升越大。 6.探討了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)及閘片的磨損機(jī)制，研究表明，對(duì)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)而言，主要為犁溝效應(yīng)使制動(dòng)盤(pán)摩擦層產(chǎn)生塑性變形，因塑性變形而在局

10、部區(qū)域內(nèi)微孔隙或弱界面結(jié)合處形成大量微小裂紋，裂紋在應(yīng)力的作用下不斷長(zhǎng)大并向塑性變形層內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋的最終大小以及擴(kuò)展深度受材料性能的影響，并最終根據(jù)裂紋的大小和擴(kuò)展深度使材料表現(xiàn)出層狀剝離、塊狀剝落以及增強(qiáng)顆粒的剝落和破碎等幾種磨損機(jī)制，同時(shí)伴有氧化磨損。閘片的磨損機(jī)制主要為犁削效應(yīng)導(dǎo)致的磨粒磨損，包括填料剝落、增強(qiáng)纖維斷裂、界面脫粘以及由摩擦熱引起的熱磨損。 7.在1：1慣性制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上考察了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)/合成閘片的制

11、動(dòng)摩擦磨損特性，對(duì)比研究了制動(dòng)盤(pán)楔壓致密化以及合成閘片中添加石墨減磨組元的影響。結(jié)果表明：未經(jīng)楔壓致密化的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)與未添加石墨的合成閘片制動(dòng)摩擦?xí)r，犁溝效應(yīng)顯著，摩擦副的摩擦系數(shù)過(guò)大，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫升過(guò)大，制動(dòng)盤(pán)表現(xiàn)為嚴(yán)重的磨粒磨損，合成閘片以熱磨損和磨粒磨損為主；楔壓致密化后的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)與添加石墨的合成閘片制動(dòng)摩擦?xí)r，表現(xiàn)為粘著摩擦和輕微的犁溝效應(yīng)，摩擦摩擦副的摩擦系數(shù)適中，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面溫升小，制動(dòng)盤(pán)以輕微的磨粒磨損和粘