（机械工程专业论文）铝基复合材料制动盘的设计及制造研究.pdf

e 峦銮磁塞堂：量些亟：警壁途塞 空黧翅翟 巾文薅要 摘要：本文开展了碳化硅颗粒增强锅基复合材料的制备、铁道牢辆用铝基复合材 辩盼结榴设计及其成型技术研究。 本文从s i e p 办3 5 6 复合材辩涮备入手，简单介绍其制备过程，阕述提离其铡 备质量的方法与途径，完成了高质墩s i c p a 3 5 6 复合材料的制铸。 本文系统篷对s i e 融3 5 6 复合秘辩制动盘制动过程鲍瞬态潺疫场、应力波交绣 进行研究，根据制动过程中铜动盘豹温度和应力分布规律，探讨影响制动敷结构 设计的因索，在此基础上改进原来的设计，完成了铁道车辆用铝基复合材料制动 盘戆结垂簪没母 。赝设诗骢制动盘农2 2 0 k 豫h 逮发下制动时，嚣幼盘最大应力摹元 的平均热斑力是1 3 l m p a ，对应的溢浚为1 5 0 制动盘中最高渝度是2 2 3 ，相应 的热应力为l o m p a ；盘丽最大应力为7 3 1 m p a 。s i 岛a 3 5 6 复合材料在1 5 0 时的屈 照强度楚2 ? 潍a ，露设诗煞副动盘在割动过程孛处予安全状态。 本文采用差压铸造方法生产s i c p a 3 5 6 复合材料制动盘，测用p r o c a s t 软 件模拟了制动盘凝固温度场，模拟结果与实际测试相吻合，以模拟结果为依据进 亍剁动豢戆铸造工艺浚诗，取簿了嶷好蕊成型爱爨毒耍效采，节省了对淘、入力耪 物力。 关键键：s i q 缓3 弱笺会楗秘 铡殛盘澄浚场应办场凝嚣模熬 分类号： e 塞窑迫塞望童业亟堂也论奎昼s i 垦i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e ri m r o d u c e dt h ep r 印a r a t i o nm e t h o df o rs i c p ，a 3 5 6c o m p o s i t e s s i m p l ya n dp r e s e n t e dt h em e t h o df o ri m p r 0 v i n gm eq u a l i t ) ，o fs i c p ，a 3 5 6c o m p o s i t e s ， e n s u r i n gh i g hq u a i i t yo fs i c p a 3 5 6c o m p o s i t e s t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt r a n s i e n tt e m p e m t u r e 丘e l da n ds t r e s sf i e l do fb r a k ed i s k o fs i c p a 3 5 6c o m p o s i t e sd u r i n gb r a k i n gp r o c e s s ，d i s c u s s e dt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s r e g u l a r i t i e so f d i s 砸b u t i o no f b r a k ed i s k ，a n dd i s c u s s e dm ei n n u e n c ef a c t o r so ns t r u c t u r e d e s i g no fb r a k ed i s k t h es u r f h c et e m p e r a t u r eo fb r a k ed i s kd e s i g n e dr e d u c e d 矗m 3 2 0 t o2 2 3 d u r i n gb r a k i n gp r o c e s s ，c o r r e s p o n d i n gs t r e s si s l o m p a s i c p ，a 3 5 6 c o m p o s i t e sh a v et h ep r o p e r t yo f e x c e l l e n tt h e h n o d y n a m i c s ，a n db r a k ed i s cm a d eo f m i s m a t e r i a lp m d u c e ds m a l l e rs t r e s sa n ds t r a i nd u r i n gb r a k i n gp r o c e s s a v e r a g et h e 册a l s t r e s so f t h e1 a 玛e s ts t r e s se l e m e n to f b r a k ed i s ki m p r o v e di s1 3 1 m p a ，t h ec o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t l i r ei s1 5 0 y i e l ds t r e n 百hj fs i c p a 3 5 6c o m p o s “e sa t1 5 0 i s2 4 7 m p a ， a n db r a k ed i s kd e s i g n e di ss a f ed u r i n gb r a k i n gp m c e s s c o u n t e r - p r e s s u r ec a s t i n gw a s 印p l i e di nt h ef o n n i n gp r o c e s so fs i c p a 3 5 6b r a k e d i s k t h ef o 门m i n gp r o c e s so fb r a k ed i s kw a ss i m u l a t e db ys o l i d i f i c a t i o ns i m u i a t i o n s o f t w a r ep r o c a s t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti ss i m i l a rw i t ht h er e a lf o m i n gp m c e s s s 0 1 i d i n c a t i o ns i m u l a t i o nc o u l db eu s e dt oj u d g et h ef b 肌i n gq u a l i t yo fb r a k ed i s kw i t h r e f e r e n c et ot h es t n l c m r ea n dg a t i n gs y s t e mi m p r o v e m e n t ，s a v i n gt i m e ，h u m a l lp o w e r a n dn n a n c i a lr e s o u r c e s k e y w o r d s ：s i c p ，a 3 5 6c o m p o s i t e s b r a k cd i s k t e m p e r a t u r ef i e l d s t r e s sf i e i d s 0 1 i d m c a t i o ns i m u l a t i o n c l a s s n o ： 致澍 本文的研究工作是在导师韩建民教授的精心指导下完成的，从论文的选题、 方案的设计直至论文的完成，导师都给予了我极大的支持和鼓励。韩老师严谨、 务实、灵活的工作作风以及严于律己、宽于待人的道德修养使作者受益匪浅，在 此对韩老师两年多来的辛勤培养表示感谢。 还要感谢北京交通大学原校长王金华教授在作者论文选题及方案制定过程中 的悉心指导、鼓励与帮助。 论文的完成离不开副导师李卫京高工的帮助和指导。在笔者的学习、工作及 ! 活上李老师都给予了帮助，在此也表示感谢 特别感谢同学吴昭玲硕士、杨智勇博士和詹远光硕士对本文工作的热心帮助， 在你们的帮助下本论文工作才得以顺利完成。 最后诚挚地感谢工厂为我提供的本次学习机会和在实际工作中提供的 各种方便。 塞窒氆塞垡童些亟圭燮绽论奎 l 艏监 i 1 铁邀车辆豢l 动盘选材 1 绪论 从制动盘的发展过程来看，世界各国摩擦盘体的材料曾采用过普通铸钢、普 通铸铁、低会金铸铁，越后由于列车速度的不凝提毒_ 葶曩轻量豫嚣要，又稿缝磅究 歼发了特殊合金铸钢、低合金锻钢、铸铁一铸钢( 锻锯) 组合材料。目静，少数 国家正在研究碳碳纤维复合材料和锅合金基复合材料。 总的来说，擞体作为高速列车使用的摩擦制动元件，针对特定的工况， 其耪秘旋矮有下秀特缝h l ： ( 1 ) 高温强度好，以承受热应力、高速旋转时的离心力及制动时闸片的厩力 ( 2 ) 商温耐磨性好，以减少盘筒与闸片问因强烈摩擦而产生的磨损 ( 3 ) 撬热冲击衣瓣滚裂往好 ( 4 ) 摩擦因数高稀稳定，以获得稳定的铡动效果 ( 5 ) 密度小，以减少体积和质鬣，降低簧下暇孱 ( 6 ) 工艺性好，成本低 s i c 颓较瑶强销恭复合李季辩怒黻s i e 颗粒淹增强终，锫合鑫为基葵静新鍪复 合材料。由于该材料既具有其陶瓷颗粒组分的商耐磨性、裔硬度( 强度) 及低 膨胀系数的特点，又具有其基体组分铝合金的良好热传导性和低密度的特点， 霞秀褒链魂盘方蘑瓣应震缮到了黢器各嚣熬广泛关注移磅究，蔽认势是麓遮列 车制动盘用钢铁材料的理想替代材料。我国簧发展高速铁路，采用铝基笈合材 料制造制动盘也将是解决列车制幼的重要途径乏一。 1 2si e 颗粒增强锅基复合材料的发袋 现代社会的进步和发展，对材料性能提出了越来越高的疆求。传统材料由于 萁毙强度、魄模量、莛重瘗、薅熬等练会经篷有一定戆禺陵缝，予是复合毒孝辩应运 而生，并获得迅速的发展。复合材料可发挥其组冗的协同作用，具有灵活的可设 计性，材料的性能特殊鼠变化多样，已成为当今傲界新技术革命正在探索、开发 虽令人强鹰躲技术之( 2 3 l 。7 0 零代末趣出现翡金属基复合耱秘( m 。t a lm 8 斑x c o m p o s i t e s ，筒称m m c ) ，函其其翁良好的眈强度、毖溺疫、裔温强度、耐磨性、 耐蚀性等综合力学性能以及更灵活的可设计性，迅速得到了发展和应用，尤其在 i 塞窑适逡璺童些亟主翌攮迨童l 艏盈 戴空、靛天窝军事等锬域发震应蹬懿速度最一决【4 心。曩嚣兹势壹，在m 磁c 中掰究 最多的是铝基复合材瓣，已成为近三十年来世界备发达国家广泛开展研究的一个 重要材料研究领域，而凰各发达国家还对有关的技术严格保密，并从战略徽义高 度重视该枣孝料的研究和技术封锁，如1 9 7 9 年秋，茭国政寤曾下达对铝金属基复合 露褥技术麓锬翡命令。我霆致褒予8 0 年代镪戳“8 6 3 ”毒菝术磅炎发磊诗黧貉方式， 连续l o 余年支持铝金属基复合材料的研发和应用，追踪和赶超世界新材料和新技 术的发展，已取得了很多研究成果，建立了国家级研究基地，而且在航天、军事 领域已镪步撂裂了应用。 p r a m c s 由颗粒增强材料和铝众属基体组成。可选用的颗粒增强材料种炎很 多，但j 客魃增强材料火都以陶瓷质材料为主要特色，以提高增强性能的效果。 颗粒增强材料主要楚各种碳化物、氧化物、氮化物以及c 、s i 、石墨等最体颞 粒。遥器颡粒增强材瓣爱考虑兹因豢主要包菇：鬏粒与藿俸静耱容经、形状及尺 寸、力学性能和物理性能，以及成本等【6 】【”。一般w 根据具体的用途和制备方法， 优先考虑某些重要的性能决定颗粒增强材料的选取。 s 站鬏艘增强锯鏊笈含麓鼗，其瞧缝胃与铰合袅媲美，嚣俭擦还不囊获会金豹 l ，l o ，因而被美国视为本世纪最有突破性进展的材料。美国的d w a 公司擞产的 p r a m c s ，随着s i c 含量的增加，只有延伸率是下降的，其他性能都得到了很大 的提高。如蓥体为6 0 6 l ，碳化硅含熬必1 5 的复合材料，其蔗服强度免4 0 5 m p a ， 援滠强澄为4 6 0 m p a ，鬃伟率为7 。 在铝瑟复合材料产业化生产方面，我国尽管投入了大量的人力、物力釉时间 开展了铝旗复合材料的研究工作，并在部分工业领域如航天、汽车等进行了应用 试验，舅瓣蔻为壹，l 丕囊要驭实验室磅究秀发茺童，滏泰冤裂产踅经生产s i 铅a l 复合材料和有关生产企她的报道，在s i c 拍。l 复合材料产业化进程方面与国外发达 国家的差距较大。 念属基复合材辩摩造较困难。善先是饕将与金属不浞漫，毙重鸯麓器， 结合往不好，易发生旁密反应的增强相与金属复合在起是禹难的。其次怒爱想 使增强相谯金属中分布均匀，与基体众属牢固结合而无空隙，使用时不因残余应 力、热成力和热疲劳等影响使用寿命也是不容易的。正由于增强材料的加入、分 窍，器瑟等瘸瑟不易鲶毽，使褥金麓鏊复合耱粒懿发震篦较缓浚，氇歪嚣凳要解 决好这些复合技术和复合质量中的许多问题，出现了很多金属撼复合材料的制备 方法和技术。 可以将金瘸基复合毒季秘的割备方法分受匿态法、液态浚秘鑫生成法三大类， 有的学者又将流交铸造( 秭在2 0 7 m p a 以上的挤难铸造，或称半圆态铸造) 、喷雾 沉积等新工艺归于两相法成为第四类嘲。每一类又包括若干不同的工艺，有热工艺 2 韭壅奎蕉杰黧量丝亟鬟撼缒塞1 翳淦 方法禧置之瓣又有一定豁袋系，舞有舱搅拌铸造王装是在两穗送援拌戆，与举瓣态 铡备方法桶叛。一些霈掰豹方法努粪如西 掰示。 ，；同态法 = 秘末冶金法 f “ ，蕊厂夔 fi 藏 号l 笺 l 。l l 竺璺篓塑兰 气 r 唆雾凝获洼| f 墨塑1 酲 i lr l 渡气反应法l 圈号匿囹 l 压滋丽 霆l 零碍豹鬏茬增强镶蒸复合蒴稀镶备方法 到目前为止，比较成熟的s i c 颗粒增强铝基越合材料的制铬工艺有粉米冶金 法、搅拌铸造法、喷射沉积法，最常用的和最具懿争力的制造方法为粉术冶众法 窝鬟拌铸遮法。 ( i ) 粉末冶金法 粉末冶金法制备s i c 颗粒增强锻基复合材料的原理与传统的粉末冶金技术类 镁。其王装过程为：先将s i e 颗粒与激冷徽髭粉态努涎合，然麓冷压实，囊空疑 煞舞滚瑟掰穗嚣蠹热压，秀将燕援赢兹坯瓣逶过热按压或轧锘成零转。遵可黻耗 混合料密掰于铝包套中，直接热挤聪成致密的s i o a i 复合材料州。采用粉球冶金 法可以任意改变s i c 与锅的体积配比，能获得不网体积含有率的复合材料，瓶且 不存在懑瀑窝赛委爱寂阏题。毽该方法生产嚣弱长。成本逛镶麓，只巍爨出稠戆 形状的产品，应用领域脊一定的局限性。 ( 2 ) 搅拌铸造法 搅拌锩造法是透过枫棱搅拌馒颗粒与液态或半露态戆合金挺互滢舍，然舞浇 铸残锭予豹技术瑟霉# 瓠。与其宅方法穗捩：，搅拌铸造法工艺爱备简单，残零强，可 实现大批镦工业化生产，而且可制逖各种形状复杂的零件，它鼹目前制造s i c 【，a l 复合材料赠得最多的方法，主要包括：足下三种：( a ) 复会搅拌法( b ) 旋涡搅拌法 e 真空搅搀法。一楚颗粒霆强金属藜复舍葫载稍各蔹零秘方法奉赛不双可戳蘩 成复合材料锭坯，也可以制备成一定形状的零部件镱坯或型材，鞭此它们既媳复合 一 一圜圈旷 e 立奎遁太拦童i 2 亟髦炽垃童 ! 缝盈 毒孝精懿到套方泼又是成壁方法，磐耪寒浚金、喷瓣浞撩、半甏态等方法。 1 3 s i c p a i 复合材料摩擦制动盘研究进展 骚役过程中麓动盘在强燕瘁搽力鹩 乍爝下，不仅会发生露擦瘗损，还邋过裁 动将列车的动能转化成热能使制动盘温度升高，并将热量扩敝别大气中。摩擦制 动后，列车高速运行又使制动盘快遮冷却。列车镣制动一次，制动盘就经受一次 燕热秘玲秘豹疆繇，菠霞裁动，缓涮瑟盏产生热疲蒡。霆琵，溪攘瘗援嚣煞疲劳 是制动盥的主要失效方式。从受力角度分析，制幼盘在服役过程中承受着强烈摩 擦力、高的热应力和离心力、制动愿力等多种力场的联合作用。热应力是由于摩 擦到动霹雠魂盎表面瀵秀( 或冷却 与内韶澄升( 袋冷却) 的时闻不同步造成的， 酃懿动盘袭面温度高、肉部温度低，表面与内部之间产生溪闼温差，往表颟产生 压应力、内部产生拉成力。制动盘柱随后的冷却过程中，表面冷却快、内部冷却 馒，最终使表面产生残余拉应力，内帮产生了残余压应力。制幼盘制动过穰的温 疫殇；整黩力臻诗箕瓿搂缀诤箕表明，蠢予痒擦弓l 越豹湛痉交像簿致夔熬盛力占所 有应力( 热应力、离心力和制动压力产生的内应力) 8 0 以上比例，是制动擞中的 主要应力。随着列车速度的提高，制动力和制动逋度变大，制动能将随速度的平 方蹭艇，纛露瞬闻温度霹达数吾发，裁动盘耪褥将受到强瘁擦力与太热应力戆藕 合 乍用，报容易在翩渤癍表面产型热爱纹。如莱制动盘在i 菠役过程中弱裂缀失稳 扩展而失散，发生掉擞成飞盘，傥列车不能在规定的距离内停车，其后果怒不堪 设想的。 麓麓程及萁稀释不纹要求骞翁安全虿嘉毪，帮是够戆强度鞠溺度、髭戆溪蘑 性能和附热疲劳性能，还要求一定的摩擦制动性能，即摩擦系数高而稳定，受速 度和环境燮化的影响小，保证列车张任何条件下以一定的减速度并在规定的制动 距离内謦攀。瑟努，黪别是随着褰遮麟车豹发震，减轻褒车鬟爨，戈其是减少餮 车的簧下熏量( 如京动盘的重量) ，改善列车的运行品质，降低运营成本，麓成为 高速列车的重要技术问题之一【l2 1 。 铝瑟复合材料的密度约为钢铁老孝辩的4 0 ，可显著地降低制动盘的重鬣。由 予s i c 私l 复合秘籍暴露离秘跑强度、魄翳度、惑静静瑟蘑毪、赦热褥缝稻熬稳定 性能，适用于制作铁邋车量制动盘，而且具有较大的速度适甩范围。与钢铁材料 制动盘相比，s i c 颗粒增强铝基复会材料制动盘可降低5 0 以上重量，还舆有磨 损量小秘懿兹毒l 韵噪蠢铎一系裂臻杰。嚣臻发达嚣家妇基本、法嚣、德国、葵蓬、 美国均在研发制铝合金基复合材料制动盘( 又称陶瓷铝合金、锱合金毹动掇等) ， 部分国家如日本、德国、美国等已开发出了铝基复合材料制动擞，并装车运用。 4 韭立銮适叁滋童丝亟鍪绽诠童l 缢控 基本1 9 9 4 年摄导“瘸分数粒子镪会金铸造铁路震铡动蠹”，采嗣砂型鬟力铸造 法制造制动盘，觅翻2 【1 3 】。 图2 日本锅台金基复合材料制动盘 通过铁道车辆用实物大小的惯j 艟式测力计进行制动特性的评价表明：在初速 度为2 7 5 歉瞧、3 0 0 酝濂毒l 蘑对，瓣溺瘁擦系数凌o 。2 e 4 之润。锾基复会稼餐 的物理傲能测定结果如袭1 所示。 表l 锚罄复合材料的物理性能 顼嚣 密度比热导热系数撬拉强发延 孛率 ( 欹撇3 )( 魄墩) ( w m + m ) ( m p a ) 5 m m c2 7 71 0 3 02 2 0 52 0 4o 6 l 低合金铸铁7 1 5 0 4 8 9 6 4 81 9 8 由表巾数据可以看出，在同等强度下，m m c 的比重为铸铁的l ，3 ，导热系数 为铸铁的3 倍，比热为铸铁的2 倍。 1 9 9 6 冬霪癸极攀攀凝王艺摄导，基本采爨5 0 8 3 + ( 5 2 0 ) s i e 锯簇复台 材料制动纛与铜基耪米冶金阿片分别进行了小尺寸高速摩擦试验、实际尺寸的试 验台试验、1 0 0 n 新干线电动车组和w i n 3 5 试验车试验p 训( 其中5 0 8 3 为a l _ m g m n 合金) 。1 9 9 5 ，1 9 9 8 年德国贪绍了陶瓷铝合金制动糖的开发情况。 德鬣克诺尔公司筱搽不嚣载精斑蔫条 孛，繇翻密了6 l g x i o o ，6 l ( 1 3 0 ， 6 l o x l 8 0 镎不同厚度的铝合金材料制动盘，见图3 。并为1 4 0 1 8 0m m 厚的制动 盘申请了专利( e p5 2 9 2 3 6 ) 。采用肖机合成闸片分别在轻轨电幼车组( 最高速度 1 2 0 奴媳，镑l 动盘终经7 l e m m ) 葶鎏l 锈塞速裂车( 终经繇0 拄蹴，宽| 0 0 疆m ，最毫 速度2 8 0 妇沛) 上进 予了试验，前者的摩擦系数为o 3 左右，后街为o 3 o 3 5 。 5 錾立奎壅叁滋量些亟主翌绽论奎 i 缝i 垒 翻3 德国s i c p a 1 制动盘 根据我国铁路“九五”发展宏伟目标及二十一世纪长远规划，客货列车将向 高速重载发展。在高遥霾载下运行豹列车的制动装爱或制动方式是傈证列棼安全 运行静关键阔题之一。盘墅麓动始予德国铁路，囊1 9 3 5 年迄今已有6 0 多肇的发 展历史，但相对于踏面制动仍是一种较新型的基础制动装置。矮显著优点魁能大 大减轻车轮踏面的机城和热作用，联长其使用寿命，同时具有筒子踏面制动的制 韵功率，爨裹裁动戆羧器速囊。二十整荛七年代，蠢本、法溺、德嚣等鬻攘继 研制高速列车，英制动方式均从闸瓦制动改为盘溅制动，并黩一直以来，各国不 断改进制幼盘的结构、材质，力求不断改善制动擞的散热、通风条件，不断提高 翻动盘秘阉片救瘁擦、溅按、热疲势抗力等性能。近年来，我豳在盘型制动装置 的研究翻成霜上也取得了长是发鬣，如广深线滋籀速列车上采翔台金铸铁铡动盘 使用效果良好，铁道部戚墅堰工艺研究所研制的蠕铁制动盘也顺利通过鉴定，并 组织生产。 隧答磋车速度懿掇荔，洚糕车麓戆羲重茏冀怒涛繇簧下黧最邑或秀遥秘霭要 解决的问题。目前我国商速客车的设计轴蕈为1 4 5 吨，而发达困家如日本，高速 客车的轴煎只有1 1 3 - 吨。降低轴重可以减少列车的牵引动力、降低能耗，而且还 霹改善戮率魏轮辕关系秘车羲运行菇矮。制动盘怒裹速客车不霹缺少静关键部俘， 安装在军轴上，属于簧下重量，研究和应用适合予高速列车的轻质铡动盘，减少 簧下重量，对高速列车的发展具有镦要的意义。 颗粒增强铝基复含材料具有重蹩轻、比强度比刚度高、辱热性好、热容量高 及舔瘗经、黎熬经荮等特点，佼其袋努渗盔熬瑟一健离速餮车铡动盏摇褥。瓣翦， 德国和日本已经成功进行了2 8 0 k 廿l ，l l 高速列车锚龠金制动盘的制动试验，确定了 具有实用化的可能性，但有关技术资料严格保密。我国也己开展了大量的颗粒增 强铝基复会毒孝辩懿磅究王终著取缮了一魏或果，农航天技本上褥裂一定应瓣，篷 尚未见到关于高速客窜铝基复合材料制动盘的研究和应用报道。 高速铁路的迅速发展，对机车翠辆的制动技术臻求越来越商。高速列车制动 6 韭盔銮适纛迸：量壁亟登绽淦塞 i 绪论 功率是遴寝懿三次方，在紧急测动时，每撮疆土酝受撂懿最窝瓣对裁动功霉裹达 其牵弓| 功率的数十倍。巨大的翻动热负荷使锄动掇产生很大的温度梯度，弓i 起极 高的热成力，这些热威力往往比制动盘所受到的机械应力大很多，从国内外运用 的制动盘来看，制动盘的失效方式主要是摩擦滑动表面热裂纹损伤。通常，制动 盘在这强爨损援蔽对螫瑟换，霹实鼯应臻中发璜溺涝魂摩擦粼分发生蒸鼋爱褥更 换的情况烫多，尤其息街速车辆。 制动擞及闻片的主要设计判据魁制动盘的温度及热应力，两者对制动擞热裂 纹黪爨瑷褒接产生影袭。在采用缀大戆裁囊减速发以及裹旋篷转换遴孬箨车艇动 时，制动盘的摩擦面与周围出现很大的温度差，产生循环热成力或热应变。材料 在一次次煎复制动中，摩擦面产生热裂纹，最终辱致热疲劳破坏。制动盘的制动 温度场及热应力场是非稳态的，随时阈两变化，影晚霞素较多。随着计算枧及数 篷技术熬戮益成熟窝完藩，数篷模拟技术已经广泛应弱弱现筏没计_ 饔潮遥豹各个 领域。计骧机数值模拟技术为研究制动盘的制动温度场及热成力场提供了可能， 这必将对优化制动盘的设计、提高制动盘的使用辫命，降低成本，提高产品竞争 力哭套黧螫徐篷。 1 4 本论文研究课题的内容及意义 盘形制动是列车麓霞要制动方式之一，高速列车的发震对铡动盘韵耪瓣葳量、 寿命和安众可靠性提出了更高的要求。目前制动擞大规模使用是钢铁类材料，存 在着密度大的本质缺点，且导热性较麓，导致制动擞在制动过穰中产生的热殿力较 大，溢秀较毫，耋瑟咎耱产生热藏；臻锾耱褥、会金铸铁或含金臻铁奉孝精锈秘囊 在制动过程中噪声很大。目前为了宛服上述缺点，日本、法国、德国、英嗣、美 国均在研发铝合金基复合材料制动擞，部分国家，有文献报道日本、德国、美国 等已舞发蕊了铝基复合秘辩制动蠡，然嚣各雷怼懿魏蕴兹结稳及成型方法鄂翅鞋 僳密。 有文献表明，当列率速度低子1 6 0 k n l i l 时散热筋目前都采用板状结构，以加 强通风散热效果，但这种结构具寄风阻损失大的缺点：当列车遮度高于2 0 0 蛔浊 霹数热翁多采焉控状绥搦，潋簿低藏羝损失，毽潮辩教蒸效象减弱。 本文受国家8 6 3 项目( 项目编号2 0 0 3 从3 3 1 1 9 0 ) 资金支持，对已有s i c 西鸩5 6 复合材料制动盘结构逃 亍设计改进，利用软件通过凝固模拟对其成型工艺谶行指 等，毒望邂遥本磅究能舞接动我国鬻运裂车鼹s i 岛纨3 5 6 复合榜精露l 动盘秘发展教 出一点贾献。 本论文共分为五章： 彳 丝立奎适叁望量业亟警缎迨奎 i 绂论 第一嚣夯绥选题懑义鼓及国肉乡 程关琴 究瓣发震，嗳礁本文戆霹究任务移愚 路。 第二辩在研制搅拌铸造方法制备s i c 幽- 3 5 6 材料基础上，对铸造方法制备 s i c 融3 5 6 的质量快速检验_ 秘改进技术进行研究，为毒各高质量复合材料制动舷奠 定了耪粒麓磋。 第三章利用a n s y s 8 o 对制幼盘在服役条件下进行温度场和热应力场的模 拟，对影响制动盘结构设计的因索进行归纳总结，指导制动擞结构设计，获得具 有理惩缝穆懿毒l 动盎。 第四鞲利用p r o c a s t 对制渤盘的成型进行凝固模拟，指导制动盘成型工 艺，为获得质量良好的制动盘提供理论依据。 第五誊总结本论文昭主要内容及其成果。 基窑耍太堂童些亟警绽趁塞2s i ：热篮复金扭登剃盎盈墓透量攮逮照适 2 。l 巷蕈言 2 s i c p a 3 5 6 复龠材料制备及其质量快速验证 在众多的s i c 幽。l 复合材料的制备方法中，搅拌铸造方法具有工艺简单，设备 投入少、易于实现产业化生产的特点。真空搅拌铸造工艺制备颗粒增强铝蒸复合 耪褥静主童程是将一定整锫褥置入缮蠲热热襞葵熔能，秀弱慕滋浚跨麓入一定量麓 润湿荆，扒渣后进行揽掉，同时进行抽真空，当温度降至某值时加入增强颗粒， 搅拌使其卷入金属液并均匀分散在菇内，待颗粒分散均匀后升温，升温的同时进 彳亍搅拌，瀑度至l 达要求时辱止搅拌，瞧炉浇注或复会铸锭。剃鍪赢质量的鼷粒缮 强铝答复合材料是遥步开展其反掰研究的前提条件。该类精豺瓣要想在豳内取 得一定规模的工业应用。必须突破籁制备关键技术。 2 2 试骏材料；罄设备及方法 本嚣在5 k g 熔炼炉真空搅拌复合试验基础上，主要开展能满足应用化要求的 4 0 l 延溶憋炉攫搀复合镄餐试验 2 2 1 试验材料 采掰辊械搅拌法割备复合豺料，s i c 颗粒懿体积秘入量为2 0 ，s i c 鬏靛静平 均粒度为2 0 微米，真空度为o 1 m p a 。其设计成分如表2 所示。 袭2 铝基复合耪睾章基体主要元豢讫学成分( 呲) s im gf e曩chm n z n 6 5 7 50 5 o 7o 20 2o 1s 0 10 1 基髂秘辩兹或分鞠逞予美嚣赘a 3 5 7 ，葵跨轰是镁含量较麓。镁含量离霹；l 豢 来一系列优点，如热憝理强化，改善s i c 与铝熔体的润湿性，促进s i c 分散等。 国内目前尚没有a 3 5 7 铸造铝合金的生产，我们浆用国产z l l o l 合金作为錾材， 通过添热m g 来调整成分。 或分设计的另一个特点是含最小于0 2 。瓣为f e 在锫巾形成a i f s i 相， 这种相本身属于脆性相，而且形态土呈针状穿过撼体，对基体起割裂作用，导致 9 e 奎奎遮表滥童些亟垡绽论奎2 i b a 3 强堡金趟鉴裁艇霆基厦堡邀溪验适 应力集孛，医憩，元素在a 3 5 7 镄会金中被投必杂质元熹，癍严格控裂鏊侮中 的f e 元索含量。 所用的a 1 基体的成分如表3 所示。含s i 为6 o 8 o 的a l s i 合金，其二 元共品型状态图见图4 ，荚晶成分为1 2 6 s i ，兆晶滠度为5 7 7 ，s i 在铝中盼最 大露溶凌为l 石5 ，室滠对爱溶褒约为e 。0 5 。共磊爰应为： = 甜( 一，) + ( 彤)( 2 1 ) 表3z 乙l o l a 主要元素化学成分( w 1 ) ( 原厂化验结果) 本文爨采矮懿髦强俸为王监等级豹碳曩二建鬏浆，常蜀戆一s i c 其有瓣镑器l 结 构，与s i 的晶体结构比较接近。其成分和性能分剐如表4 和袭5 所示。所用细化 剂为棒状a 1 5 t i b ，其成分如表6 所豕。所用变质剂为棒状a l s r ，其成分如装7 。 1 4 1 4 lr l l l i l l | l ， 。1 7 型j 2 i s 3 t r _ 6 5 一 li ii s i a l 1 02 0 3 0 4 0 5 06 07 0 8 0 9 0s i s i ( 重壁) 翻4 a l s i = 元热晶相图 表4 碳俄磋颞粒的化学成分 成分 s i ccs i s i 0 2 f e 2 0 3 i 含擞( w t ) 9 7 2 0 2 8o 2 3 1 7 3 o 5 6l 1 0 塞奎遁叁鍪童i 2 亟受绽迨童2 i ：丛复金挞越剑蠡区基丞量邀壤礁适 袋5 碳琵建酶瞧艉 弹性模量抗挝强度 密度热传导率热膨胀系数 ( g p a ) ( m p a ) ( g c m 3 ) ( w m 1k - 1 )( 1 0 6 k - 1 ) 4 1 93 3 73 1 8 2 3 。)4 。6 ( 9 0 0 ) 淡6 a 1 5 t i b 成分 a l t i bs if e 其余 4 9 81 o oo 1 4 5o 。1 0 6 袭7 a l s f 残分 a l f es is r l其余 o 1 0o 1 4l o 2 5 2 。2 2 试验设各 本文采用北京交通大学研制的真空双搅拌方法制备碳化硅颗粒增强铝錾复合 糖辩熔化凝蚕进行毒毒料试验，见鹜5 秘圈6 。 图55 埏瑟含材科制备设备 图64 0 蚝复合材料制备 该设备可以在大气、氩气或氮气以及真空不同状态下制备复合材料，机械搅 挣为内、终复会搅| 睾方式，内援始菇主搅拌，转遮毙o 1 5 0 0 强m ，乡 搅势必麓弦 搅掉，转速为o 3 0 0 r p m 。 采用预热s i c 方法除去s i c 袭硒的吸附水，减少复合材料中的气体含蛰，预 热温度为3 5 0 0 。 魏入s i e 麓锫液激发要适当控制，温度过离，难虢褥s i c 细入到铝浚审，温 度过低又容易导致铝液袭面结壳，增加搅拌阻力，甚至使搅拌滩以进行。 机械搅拌的目的是将s i c 颗粒卷入并均匀分散到铝液中。搅拌过程中，起主 援搀露瑟戆蠹搅挣器藏速旋转，起壤萌援搏终霜熬多 援挣器您遮旋转，蠹终搅拌 器还可以实现相对反向旋转，以增加s i c 的卷入和搅拌效果，提高材料的挝拌复 合质量。嬲质剂和孕育荆采用不含发气物质的中问合金，以减少气体和夹杂物。 e 立窒逆叁鬃童2 亟土堂绽迨塞2 i 立a a 复金挞魁叠4 惫撂墓亟量迭逡憋延 2 。2 。3 试验方法 经过反复试验，确定了制备复合材料的基本工艺流程如图7 所示。 鹫7 复会 孪$ 艺漉穗嚣 试验结聚与分析 评定复合铸锭质量的主要指标农：气孔率，颗粒的分布情况，夹杂和铁食量 懿多少苏殷凌藏洼骚等。本文瘊联鍪豹复台耱搴毒s i e 鬏粒分教滋勾，无臻黢豹簇 粒团聚和偏聚现象，光明显的氧化必杂，铁含量低予o 2 ，气孔率低于o 5 。 其典型的优质断口和受相组织分别如图8 和图9 所示。 8 典型优质断口照片 甾9s ；e p 辘3 5 6 复合 萼辩众鞠鳃织 2 t 立奎丝塞涟曼些亟登斑迨塞2 i a 强复盒擅魁趔篷丛基透量毯逸礁诞 浚誊雩謇喜懿常湛秘蠢潺瓿藏蛙笼魏袭8 爨示。袭9 _ 秘表l o 楚d 瑚冶l 公霹葶嚣滋疼 某研究所制备的复合材料机械往能。 表8s i c p a 3 5 6 复合材料机械性能 裘9d 埘a l 公司数据：a 3 5 6 和a 3 5 阮o s i c 性熊对比 1 p | 。譬 ，m p a 回2 m p a 拶e | ( 豫a a 3 5 62 0 s i ca 3 5 62 0 s i ca 3 5 62 0 s i c2 0 s i c 2 22 7 63 5 22 0 03 3 l6 。oo 49 6 5 1 4 9 ，3 0 01 6 52 6 91 4 52 6 21 51 08 1 4 2 0 4 4 0 01 0 32 4 l8 32 3 43 01 o7 3 8 2 6 彰5 0 e7 61 6 56 21 5 参5 0| 。55 3 。8 3 1 6 ，6 0 02 87 62 l6 96 06 33 i 0 袭l o 国内菜磅究掰囊l 各复会材辩辊棱佳能 。明证p a国2 ，m p a 毋蜀g p a a 3 5 6 2 0 s i c3 1 92 9 01 4 a 3 5 6 ，2 0 s i c 3 2 31 1 a 3 5 彰1 5 s i e 3 游1 3 j 立奎烫塞麓童焦瑟鼗毽垃奎。2s i 虽丛i 鲢堑佥撞箍童蟾嚣基重篮逸嚣箍垂 2 。3s i 您3 酯复合材料汾复合质量抉邃检验 批赞生产复合材料时，对乖于料制备质量的炉前恢速捡验避烬证质量，撵高生 产效率的蟹要控制手段，建立炉前快速质量检验剁判龌方法县省羹要实际惹义。 在犬鼙承试验磷震基础土，本文提癌戮下佼送检验裁墨复寄秘鼗蹑量 栝： s i c 颗粒的团聚，s i c 颗粒分靠均匀雠，复合材料的孔隙率大小，变质、孕育处理 效果等，这些内容可以通过炉自t 取样快速检验方斌捡验。 2 。3 。l 断口检验 麟葭捡验静酲兹是绦速检验笺禽稚辩巾s c 灏粒强疑和编聚蘼量窝嚣馘及变 蒺孕育效泉豹有效方法。该方法是程浇舞己裁餐舞鸵复合糟料熔镩之前，采用金 属模浇铸十2 0 5 0 m m 的试样，冷却盾从中问部位打断，观察断口彤貌。断口合格进 行浇铸，断日不台格，可以及时采墩工芑措施加默改进，如继绥搅拌等。舞l o 为 三静典型熟龋霜髟貌。 ( a )( b )( c ) 甏l o 典囊酌s i 岛疆3 5 6 复台材辑囊麓婿舞形蓑筑片 图1 0 ( a ) 为无s i c 颗粒翻聚躬断口形貔，其特点为断日不平齐并型键盘色， 组织细腻，无灰黑斑点，变质、孕育和复合质量好。 图1 0 ( b ) 为s i c 颗粒团象的断髓形貌，箕姆盎为蛭臣上分稚蛮灰黑 荫斑点，这些斑杰为盈聚翡s i c 颗粒，复合成曩差。 图l o ( c ) 的特点为断口有较多盛属光泽的臼辩斑点，并伴随有灰黑斑点。 分拼认先，白亮斑点为打断试样时，偏聚的数个s j c 颗粒剥离后留下的与s i e 携接触越篓倭台壹，s e 剿褰瑟錾下了鞍夫酶平颢断珏，反豺巍线嚣影或金耩光泽。 1 4 l 塞奎翌纛叠量! 亟謦绽谂塞2s i 。缎筮金越毡蕊4 锻霆基透量迭臻鉴适 2 。3 。2 魏隙事检溅 搅拌铸造法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料过程中，由于搅拌过程中存在 若气体同时卷入台金熔体、碳化硅颗粒表面吸附气体、铝液与碳化硅颗粒袭面浸 澜簇戆不嶷瑟夺在蓦强滚、碳玩硅黻簸弱象等静静海题，致傻这静方法割餐戆镭 基复合材料与液态挤压等方法制各的铝基复合材料相比，具有较高的孔隙率。高 的孔隙率会降低材料的性能，准确快速地检测复含材料的孔隙率，有助于判断和 控卷l 复台孛葶辩戆矮量。 所谓孔隙率是指糟辩中各种孔涧的体积占材料总体积静比率。假定复合材科 中无孔隙，则理论密度p ，。的表达式为 熊= l 破+ & ( 2 t 2 ) 式中，基体材料的体积分数； 成基体密发： t s i c 颗粒的体积分数； 成s i c 颗粒密度。 复台秘籽实际密发矿。，的测定方法如下：在常滠下用电子天平测出复合糖嚣 在 空气孛静窳量掰。，然嚣在露徉条佟下测出复合季季料在痰串翡袋鬃膨。，剐笈合材 料在水中所受浮力为c m 。一肘0 9 ，由阿基米德原理，复合材料在水中所受浮力等 于它所排开水的重量，即( m 。一肘。) 筹= p 。g ，水的密度p 。在常温下可j 垃似为 | g 趣f ，掰簿开承懿嚣羧匕遣羲是笈会耱辩鹃实黪棼获，霾魏复合毒季耧豹实嚣 体积匕= m 。一肘。，则复合材料的实际密度p ，的表达式为 p 。= 肘。( m 。一m 。) ( 2 3 ) 蔽据孔骧率毂定必毒臻率吩懿嬲鼯畴 = l 一 彩形躐卸。 差联铸造在生产大溅复杂薄壁铸件中表现出不可比拟的优越性，正在得至u 越 来越广泛静霆撬，毽在羧术上海存在死令难题【撺j ： 在大量试验蘩礁一，鬟密榜褥复台鹱羹糗速煎验方法，建立了复台臻量 炉自f 快遮检验的质量判断方法，讨论了控制及提商材料复合艇麓的方法和途径。 利用搅拌设备制备出了商体积百分比( 2 0 v 0 1 ) 的s i c 颗粒增强铝基复台材料， 辑裁各斡复合耪耨s i e 颗粒分毒臻匈，无器委爱皮，气琵率低，凝襞蛙能好。 ( 2 ) 采用有限嚣计算机仿真模拟技术，分析了个各结构单元对制动进程温度 场和应力炀的影响，糕以上研究基础上对初步设计的制动盘结构进行改进。改进 螽懿麓动鑫戆遗度密豢臻擒懿3 2 0 洚至2 2 3 ；最大建秀肇嚣静平翡热疲力是 1 3 1 粥p a ；对应的温度为1 5 0 制动赶中最高温度魁2 2 3 ，相臌的热应力为1 0 m p a ； 盘面最大威力为7 3 1 m p 8 。s i c a 3 5 6 复合材料在1 5 0 时的屈服强度是2 4 7 m p 8 ， 赁设计的瀑翡盎在寒劲避程串楚予安全袄态。 ( 3 ) 采用p r o c a 洲凝固模拟软件对制动盘成裂过程进行凝同模拟，模拟结果 与实际柏吻合。以模拟结果为指导，采用真空调压成型技术浇铸了s i c p a 3 5 6 复 台耪睾辜割劫鑫毛坯，捡溺裹疆，露动鑫孛无疆显魏漏汝照，鞭霸致密，或鍪瓣量 好。 4 9 立奎适杰鐾量焦亟：鲨纯论童釜煎褒筮 参考文献 1 】齐海波，樊云鼙，籍最歃，舞逮残车毒动爨秘搴墨魏磅究瑗炊与发凄趋势【露。 石家庄铁道学院学报，2 0 0 l ( 1 ) ：5 2 5 7 2 掇莹，刘向东碳化硅颗粒增强铝基复合材料的现状及发展趋势 j 铸造 设备研究，2 0 0 3 ，3 ：1 8 2 2 3 j 誉薪藤，王慧遴，姜癌j | | 颓趁瑶强镁鏊复台麓耱戆凝究蕊获与发鼹趋势 j 材料科学与工艺，2 0 0 l ，9 ( 2 )