[发明专利]轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法

说明书

本申请涉及轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘及其制备方法，该轨道交通制动盘由铝基粉末冶金复合材料通过冷压成形、烧结和一体化热压整形工艺制成，制得的轨道交通制动盘具有无损伤、无缺陷、致密性好、强度高等一系列优点，能够很好地满足轨道交通制动盘的制动和耐磨要求，同时比传统铸铁制动盘减重40％～60％，极大地节省了能源消耗，符合国家节能减排的要求；且其制备方法简便，成本低，成品率高，可用于制备各尺寸及结构的轨道交通制动盘，满足工业化大批量连续生产要求。

本申请要求于2020年02月19日提交中国专利局、申请号为 202010101037.9、发明名称为“一种轻质耐磨铝基粉末冶金复合材料轨道交通制 动盘及其制备方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本 申请中。

技术领域

本发明涉及轨道交通制动盘技术领域，特别是涉及一种利用轻质耐磨的铝 基粉末冶金复合材料制备的轨道交通制动盘，还涉及利用该轻质耐磨铝基复合 材料通过冷压成形、烧结和热压整形相结合的工艺制备轨道交通制动盘的方法， 属于轨道交通制动盘制备技术领域。

背景技术

轻量化是实现轨道交通车辆节能降耗最有效的手段之一。传统交通装备发 动机、制动盘等采用的为铁质金属材料，主要包括铸铁系、铸钢和锻钢等，其 密度大，导热性差，易出现热龟裂等缺陷。而其中最常用的灰铸铁，抗拉强度 约为250MPa左右，延伸率仅有0.3％～0.8％。因此采用高性能轻金属材料代替钢 铁材料应用于上述关键运动零部件，不仅可减轻整车重量，降低交通装备高速 运动部件的动量，更能显著改善交通装备的动力性能，同时降低能耗。高性能 制动转子是发展高速列车的基础。随着高速列车快速发展，其对制动材料也提 出了更高、更新的要求。制动材料必须保证在高速、高能下具有较高的摩擦性 能、稳定性，以及优异的抗疲劳性能、抗热裂纹扩展能力和较高的耐磨损性能。 同时，在紧急情况下，必须保证高速列车具有安全的紧急制动距离。目前，纯 空气盘形制动是300km/h等级的高速列车实施安全制动的最重要的手段。高铁 制动盘属于簧下质量，其质量几乎占整个转向架的20％，制动盘的轻量化有助 于提高转向架的动力学品质，减少牵引能耗。日本新干线的试验结果表明，将 轴重由16吨减少到11.3吨，可减少34％的运行成本。因此，制备轻量化轨道交 通制动盘已成为迫切需要解决的问题。

铝基复合材料具有密度小、比强度高、热稳定性好、导热性能好等一系列 优势，以此作为轨道交通制动盘的材料，可大大降低其重量，达到节能减排的 效果。但单纯的颗粒增强铝基复合材料较软，难以满足汽车多变工况下的刹车 磨损要求，因此在其中添加其他合金元素及微量元素以及提高增强体陶瓷颗粒 含量有望改善这一情况。德国率先开展了铝基复合材料制动盘的研究，据报道 每个制动盘的质量已从115kg减少到了65kg，但其使用的为铸造法，难以避免 铸造过程中产生气孔、缺陷等问题，同时该方法限制了铝基复合材料中陶瓷颗 粒含量的上限，使其含量只能在20％以下，导致其机械性能难以大幅提高，难 以满足更高速度列车的制动要求。日本、法国也开展了对铝基复合材料制动盘 的研究，但都尚处于研究与试验阶段。而国内在此领域的研究基本上还是空白。 其难点是轨道交通制动盘尺寸极大，采用传统制备工艺制造在组织和性能上难 以达到使用要求。传统粉末冶金法虽可提高陶瓷颗粒含量，达到使用要求，却 无法制备这样尺寸较大、结构复杂的产品，极易产生开裂。因此利用粉末冶金 的原理，通过工艺和参数的创新和改进，有望制备得到符合要求的陶瓷颗粒增 强铝基复合材料轨道交通制动盘。

发明内容

针对传统轨道交通制动盘大多采用铁制金属材料，其密度大、导热性差， 易出现热龟裂等缺陷，并且存在能耗大、不利于环保的问题；以及现有搅拌铸 造等制备方法制备的铝基复合材料制动盘中陶瓷颗粒含量难以突破上限或存在 陶瓷颗粒分布不均匀的问题，制备成型过程中易产生气孔、缩松、开裂的问题。 本发明的目的是在于提供一种轻质、耐磨的铝基复合材料轨道交通制动盘，解 决了传统铸铁制动盘能耗大、不利于环保的问题，以及纯铝基粉末冶金复合材 料制动盘不耐磨，达不到制动要求的难题。