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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高速列车制动盘材料的应用及发展
• 1.2.1 铸铁系材料
• 1.2.2 钢系材料
• 1.2.3 碳/碳复合材料
• 1.2.4 陶瓷材料
• 1.3 制动摩擦材料的应用及研究现状
• 1.3.1 粉末冶金闸片
• 1.3.2 合成闸片
• 1.3.3 碳/碳复合材料闸片
• 1.4 铝基复合材料制动盘/合成闸片摩擦副的研究现状
• 1.4.1 铝基复合材料的制备工艺
• 1.4.2 铝基复合材料制动盘应用及发展
• 1.4.3 合成闸片材料的研究现状
• 1.5 本论文的研究目的、内容及意义
• 第2章 坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸铝基复合材料环坯的原理及工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸铝基复合材料环坯的原理
• 2.3 坩埚移动式喷射沉积雾化和沉积特征分析
• 2.3.1 雾化阶段
• 2.3.2 沉积阶段
• 2.4 增强颗粒的捕获
• 2.4.1 增强颗粒插入动力学过程
• 2.4.2 增强颗粒插入过程模型
• 2.4.3 增强颗粒与雾化液滴的交互作用
• 2.5 坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸铝基复合材料环坯的工艺规律研究
• 2.5.1 雾化工艺参数的影响
• 2.5.2 喷射和沉积工艺参数的影响
• 2.5.3 工艺参数对SiC 增强颗粒的捕获的影响
• 2.6 坩埚移动式喷射沉积制备大尺寸铝基复合材料环坯
• 2.6.1 基体合金的选择
• 2.6.2 增强相颗粒的选择
• 2.6.3 大尺寸铝基复合材料环坯的制备过程
• 2.7 大尺寸铝基复合材料环坯的组织和力学性能
• 2.7.1 性能测试
• 2.7.2 硅含量对铝基复合材料组织和力学性能的影响
• 2.7.3 热处理对铝基复合材料力学性能的影响
• 本章小结
• 第3章 大尺寸铝基复合材料环坯的楔压致密化研究
• 3.1 引言
• 3.2 楔形压制技术的提出
• 3.3 多孔沉积坯料中孔隙的变形
• 3.4 大尺寸铝基复合材料环坯的楔压致密化加工
• 3.4.1 楔形压制工艺原理
• 3.4.2 楔形压制工艺过程
• 3.4.3 楔压工艺参数的影响
• 3.4.4 性能测试
• 3.5 楔压致密化对铝基复合材料组织和力学性能的影响
• 本章小结
• 第4章 铝基复合材料的摩擦磨损特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料
• 4.2.1 铝基复合材料
• 4.2.2 合成闸片材料
• 4.2.3 摩擦磨损性能测试
• 4.3 基体硅含量对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.4 热处理对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.5 楔压致密化对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.6 制动条件对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.6.1 制动初速度对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.6.2 制动压力对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.7 铝基复合材料与铸铁 HT250 摩擦磨损性能的比较
• 本章小结
• 第5章 合成闸片材料制备及摩擦磨损性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料
• 5.2.1 合成闸片体系选择
• 5.2.2 合成闸片的原材料
• 5.2.3 合成闸片的制备工艺
• 5.2.4 性能测试
• 5.3 基体组成成分及其含量对合成闸片性能的影响
• 5.3.1 基体组成成分及其含量对合成闸片力学性能的影响
• 5.3.2 基体组成成分及其含量对合成闸片摩擦磨损性能的影响
• 5.4 增强纤维含量对合成闸片摩擦磨损性能的影响
• 5.5 减磨组元对合成闸片摩擦磨损性能的影响
• 5.6 合成闸片成型工艺研究
• 5.6.1 工艺性能的比较
• 5.6.2 力学性能的比较
• 5.6.3 摩擦磨损性能的比较
• 本章小结
• 第6章 铝基复合材料制动盘摩擦磨损机理的研究
• 6.1 引言
• 6.2 铝基复合材料制动盘盘面温升的研究
• 6.2.1 制动盘盘面传热分析
• 6.2.2 制动盘盘面温升对摩擦副制动性能的影响
• 6.3 制动盘摩擦表面分析
• 6.3.1 制动盘摩擦表面组织特征
• 6.3.2 制动盘摩擦表面形貌特征
• 6.4 制动盘摩擦变形层特征分析
• 6.5 制动盘磨损机理的研究
• 6.5.1 铝基复合材料制动盘的磨损过程
• 6.5.2 铝基复合材料制动盘的磨损模型
• 本章小结
• 第7章 铝基复合材料制动盘/合成闸片制动特性
• 7.1 引言
• 7.2 试验材料
• 7.2.1 铝基复合材料制动盘
• 7.2.2 合成闸片试样
• 7.2.3 台架试验条件及方案
• 7.3 台架试验结果
• 7.3.1 紧急制动试验
• 7.3.2 常规制动试验
• 7.3.3 坡道制动试验
• 7.3.4 磨损量
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士期间主要研究成果
• 附录 B 研究成果鉴定结论