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原文传递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

论文题名：	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
关键词：	高速列车;喷射沉积;铝基复合材料;制动盘;合成闸片;摩擦磨损
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，同时采用二次研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9wt％、12wt％和20wt％时，铝基复合材料的磨损率分别为11.1×10-5mm3/J、6.7×10-5mm3/J和3.6×10-5mm3/J；配副的合成闸片的磨损率分别为1.43×10-3mm3/J、1.13×10-3mm3/J和0.91×10-3mm3/J，摩擦副的摩擦系数保持在在0.31～0.34之间；另外，复合材料中的微孔隙在摩擦磨损过程中优先成为裂纹源，并发展成大的裂纹，引起材料断裂，加剧材料的磨损。Al-20％Si/15％SiCp复合材料经楔压致密化处理后，有效消除了材料的微孔隙，并改善了增强颗粒与基体间的界面结合，进一步改善了材料耐磨性能，铝基复合材料和闸片的磨损率进一步降低到1.5×10-5mm3/J和0.58×10-3mm3/J，摩擦副的摩擦系数为0.34。 4.基于合成闸片要与铝基复合材料匹配这一要求，系统研究了合成闸片的配方及制备工艺对材料性能的影响，通过丁腈橡胶对腰果壳油改性酚醛树脂进行共混改性，构成“高分子合金”，使之在保证耐热性能的同时，改善基体韧性，采用钢纤维/硅灰石纤维混杂增强，选取石墨为减磨组元，得到了最佳合成闸片配方：腰果壳油改性酚醛树脂与丁腈橡胶比为1：1，基体粘结剂总含量为20wt％，钢纤维/硅灰石纤维含量为45wt％，石墨含量为6wt％，其余为其它填料。另外，针对直接模压工艺引起的材料易开裂和起泡等问题，发展了合成闸片二次压制成型工艺，该工艺改善了合成闸片的工艺性能、力学性能及摩擦磨损性能。 5.制动过程中，系统动能大部分转化为热量，并通过铝基复合材料制动盘传导出去，引起制动盘盘面温度升高，进而影响材料的制动摩擦磨损性能。理论分析和计算了铝基复合材料制动盘盘面温升，并与实际温升进行了比较，得到了盘面温升规律：随制动初速度的增加，制动盘盘面温升增加；制动压力越大，制动盘盘面温升越大。 6.探讨了铝基复合材料制动盘及闸片的磨损机制，研究表明，对铝基复合材料制动盘而言，主要为犁沟效应使制动盘摩擦层产生塑性变形，因塑性变形而在局部区域内微孔隙或弱界面结合处形成大量微小裂纹，裂纹在应力的作用下不断长大并向塑性变形层内部扩展，裂纹的最终大小以及扩展深度受材料性能的影响，并最终根据裂纹的大小和扩展深度使材料表现出层状剥离、块状剥落以及增强颗粒的剥落和破碎等几种磨损机制，同时伴有氧化磨损。闸片的磨损机制主要为犁削效应导致的磨粒磨损，包括填料剥落、增强纤维断裂、界面脱粘以及由摩擦热引起的热磨损。 7.在1：1惯性制动试验台上考察了铝基复合材料制动盘/合成闸片的制动摩擦磨损特性，对比研究了制动盘楔压致密化以及合成闸片中添加石墨减磨组元的影响。结果表明：未经楔压致密化的铝基复合材料制动盘与未添加石墨的合成闸片制动摩擦时，犁沟效应显著，摩擦副的摩擦系数过大，制动盘盘面温升过大，制动盘表现为严重的磨粒磨损，合成闸片以热磨损和磨粒磨损为主；楔压致密化后的铝基复合材料制动盘与添加石墨的合成闸片制动摩擦时，表现为粘着摩擦和轻微的犁沟效应，摩擦摩擦副的摩擦系数适中，制动盘盘面温升小，制动盘以轻微的磨粒磨损和粘着磨损为主，合成闸片以粘着磨损为主；
作者：	滕杰
专业：	材料加工工程
导师：	陈振华
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文