專利名稱：炭/炭－碳化硅復(fù)合材料剎車閘瓦閘片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造炭/炭-碳化硅(C/C-SiC)剎車閘瓦閘片的制造方法。本制造方法可用于列車、地鐵和工程機(jī)械的閘瓦閘片，汽車鼓式剎車片和盤式剎車片等制造。
背景技術(shù)：
炭纖維增強(qiáng)C-SiC(即C/C-SiC)復(fù)合材料作為剎車材料具有密度低(≤2.4g.cm-3)、耐磨性好、摩擦系數(shù)高、制動(dòng)平穩(wěn)、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(如濕態(tài)下摩擦系數(shù)不衰退)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性能的剎車閘瓦閘片用材料。
制備C/C-SiC剎車材料的方法主要有化學(xué)氣相滲透法、先驅(qū)體浸漬裂解法、熔Si浸滲法和熱壓-燒結(jié)法，以及溫壓-原位反應(yīng)法。其中，化學(xué)氣相滲透法、先驅(qū)體浸漬裂解法、熔Si浸滲法需先編織炭纖維預(yù)制體，然后進(jìn)行基體炭和SiC增密，增密的C/C-SiC坯體需經(jīng)過高強(qiáng)度的機(jī)械加工才能獲得閘瓦閘片，而C/C-SiC坯體硬度高，難以切削等加工。熱壓-燒結(jié)法是將炭纖維用C粉、Si粉等漿料進(jìn)行浸滲處理后，經(jīng)烘干制成無緯布，然后將無緯布切割成一定尺寸，層疊在一起，最后經(jīng)熱壓燒結(jié)得到復(fù)合材料。該方法需在高溫(≥1500℃)高壓(≥100MPa)下才能得到致密的復(fù)合材料，損傷炭纖維，降低其強(qiáng)度；另外，由于制造的C/C-SiC復(fù)合材料坯體邊緣不規(guī)整，同樣需后續(xù)高強(qiáng)度的機(jī)械加工才能得到閘瓦閘片。因此，這四種方法難以推廣應(yīng)用于列車、汽車、地鐵、工程機(jī)械等閘瓦閘片的制造。
“一種炭/炭-碳化硅陶瓷制動(dòng)襯片的制備工藝”的國防發(fā)明專利(申請?zhí)?00510000623.X)，主要對(duì)溫壓-原位反應(yīng)法制備炭/炭-碳化硅陶瓷制動(dòng)襯片的工藝過程申請了專利保護(hù)。但是，該發(fā)明專利只適用于摩擦面積小于60cm2，厚度小于1.5cm的制動(dòng)襯片的制造，對(duì)于大于此尺寸的剎車閘瓦閘片，采用該方法制造時(shí)，制造過程中坯體易產(chǎn)生鼓泡和開裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造C/C-SiC復(fù)合材料剎車閘瓦閘片的方法，使閘瓦或閘片產(chǎn)品一次性成形，不需高強(qiáng)度的后續(xù)機(jī)械加工；同時(shí)，解決閘瓦閘片制造過程中坯體鼓泡、開裂等問題。
炭/炭-碳化硅復(fù)合材料剎車閘瓦閘片的制造方法，本發(fā)明以短切炭纖維、炭粉、樹脂、瀝青、Si粉和SiC粉為原材料，通過配料混料、造粒、低溫?zé)釅撼尚?、高溫?zé)Y(jié)、樹脂浸漬固化、炭化、摩擦面打磨等工序制造C/C-SiC復(fù)合材料閘瓦閘片；具體工藝參數(shù)為(1)原材料長度為2～15mm的短切炭纖維，粒度為0.075～0.30mm的炭粉(可以是石墨粉、瀝青炭粉、樹脂炭粉或它們的混合物)，粒度為0.075～0.30mm的Si粉，粒度為0.075～0.15mm的樹脂粉(可以是酚醛樹脂、呋喃樹脂或環(huán)氧樹脂)或?yàn)r青粉，粒度為0.075～0.15mm的SiC粉。
(2)配料混料。將稱量好的原材料裝入混料器進(jìn)行混料。根據(jù)閘瓦閘片剎車性能要求的不同，原材料的配比可在以下范圍內(nèi)變化，短切炭纖維5～20％(質(zhì)量含量)，Si粉20～50％(質(zhì)量含量)，炭粉5～30％(質(zhì)量含量)，樹脂粉或?yàn)r青粉10～30％(質(zhì)量含量)，SiC粉0～15％(質(zhì)量含量)。
(3)造粒。將混好的原材料進(jìn)行機(jī)械造粒，75％的顆粒粒徑在5～15mm為佳，要求顆粒外觀不規(guī)則。
(4)低溫?zé)釅?。將顆粒料裝入模具腔內(nèi)，施加150～400MPa的壓力，在140℃～200℃內(nèi)保溫0.5～1小時(shí)，使顆粒通過樹脂固化粘結(jié)成坯體，坯體尺寸與要制造的閘瓦或閘片尺寸完全相同。
(5)高溫?zé)Y(jié)。將坯體通過高溫?zé)Y(jié)，使樹脂(或?yàn)r青)熱解炭化為樹脂炭(或?yàn)r青炭)，使Si粉與炭粉、樹脂炭(或?yàn)r青炭)反應(yīng)生成β-SiC。燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，最高溫度1350℃～1700℃，爐內(nèi)氣氛為真空，也可以充Ar到常壓，時(shí)間30～60小時(shí)。
(6)后續(xù)增密。采用液態(tài)樹脂(或?yàn)r青)對(duì)燒結(jié)后的坯體進(jìn)行浸漬、固化、炭化增密。浸漬溫度為50℃～80℃，固化溫度為150℃～200℃，炭化溫度800℃～900℃。
(7)摩擦表面加工。將后續(xù)增密后的坯體進(jìn)行表面加工，得到閘瓦閘片部件。
本發(fā)明以短炭纖維為增強(qiáng)相，與采用炭纖維整體氈為增強(qiáng)相相比可大幅度較低成本，且熱壓成形可有效控制各成分的含量；在原材料中預(yù)先添加SiC粉，可有效提高閘瓦閘片的摩擦系數(shù)；通過成分的調(diào)整，特別是調(diào)整原材料中Si粉和SiC粉的含量和兩者的比例，可將C/C-SiC摩擦材料的摩擦系數(shù)在0.25～0.50之間可調(diào)，磨損量低于0.3cm3/MJ；可實(shí)現(xiàn)凈尺寸成形，只需機(jī)械加工閘瓦閘片的摩擦表面，顯著降低加工強(qiáng)度；將混合料加工成外觀不規(guī)則的顆粒，然后再低溫?zé)釅撼尚?，可有效解決熱壓成形的坯體在后續(xù)工序中出現(xiàn)鼓泡和開裂的問題，降低廢品率。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用本發(fā)明技術(shù)制造了大型港機(jī)用C/C-SiC復(fù)合材料剎車閘片，閘片摩擦面積105cm2，厚度1.4cm。
原材料為長度為2～8mm的短切炭纖維，粒度為0.10mm的石墨粉，粒度為0.075mm的Si粉，粒度為0.10mm的酚醛樹脂粉。
原材料的配比為短炭纖維10％(質(zhì)量含量)，Si粉36％(質(zhì)量含量)，炭粉30％(質(zhì)量含量)，酚醛樹脂粉24％(質(zhì)量含量)。將稱量好的原材料裝入混料器進(jìn)行混料。
將混好的原材料進(jìn)行機(jī)械造粒，顆粒粒徑在5～10mm之間。將顆粒料裝入模具腔內(nèi)，施加185MPa的壓力，在180℃內(nèi)保溫0.5小時(shí)，將原材料熱壓成閘片坯體。將坯體在真空爐中高溫?zé)Y(jié)，最高溫度1450℃，爐內(nèi)充Ar保持常壓，時(shí)間45小時(shí)。采用呋喃樹脂對(duì)燒結(jié)后的坯體進(jìn)行浸漬(60℃)、固化(190℃)、炭化增密(900℃)。將坯體摩擦表面加工得到C/C-SiC復(fù)合材料剎車閘片。
在1∶1臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行C/C-SiC復(fù)合材料閘片的摩擦磨損性能測試。鋼質(zhì)制動(dòng)盤理論摩擦直徑為70cm，制動(dòng)比壓2.05N/mm2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為151.5kg.m2，閘片在不同制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速度下的摩擦系數(shù)見表1。40次剎車后閘片平均磨損量為0.173cm3/MJ。
表1不同制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速度下C/C-SiC閘片的摩擦性能

實(shí)施例2采用本技術(shù)發(fā)明制造了列車機(jī)車用C/C-SiC復(fù)合材料剎車閘片，閘片摩擦面積185cm2，厚度2.3cm。
原材料為長度為10～15mm的短切炭纖維，粒度為0.15mm的石墨粉，粒度為0.15mm的Si粉，粒度為0.10mm的酚醛樹脂粉，粒度為0.10mm的SiC粉。
原材料的配比為短炭纖維16％(質(zhì)量含量)，Si粉27％(質(zhì)量含量)，炭粉23％(質(zhì)量含量)，酚醛樹脂粉22％(質(zhì)量含量)，SiC粉12％(質(zhì)量含量)。將稱量好的原材料裝入混料器進(jìn)行混料。
將混好的原材料進(jìn)行機(jī)械造粒，最大顆粒粒徑小于15mm。將顆粒料裝入模具腔內(nèi)，施加320MPa的壓力，在180℃內(nèi)保溫0.7小時(shí)，將原材料熱壓成閘片坯體。將坯體在真空爐中高溫?zé)Y(jié)，最高溫度1700℃，爐內(nèi)充Ar保持常壓，時(shí)間50小時(shí)。采用液態(tài)呋喃樹脂對(duì)燒結(jié)后的坯體進(jìn)行浸漬(60℃)、固化(200℃)、炭化增密(850℃)。將坯體摩擦表面加工得到C/C-SiC復(fù)合材料剎車閘片。
在1∶1臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行C/C-SiC復(fù)合材料閘片的列車機(jī)車剎車測試。鑄鋼制動(dòng)盤直徑75mm，車輪直徑1050mm，軸重19.5T，閘片壓力23.2kN。閘片在不同剎車初始速度下的摩擦系數(shù)見表2。63次剎車后閘片平均磨損量為0.375cm3/MJ。
表2不同制動(dòng)初始速度下C/C-SiC閘片的摩擦性能

權(quán)利要求
1.炭/炭-碳化硅復(fù)合材料剎車閘瓦閘片的制造方法，其特征在于以短切炭纖維、炭粉、樹脂、瀝青、Si粉和SiC粉為原材料，通過配料混料、造粒、低溫?zé)釅撼尚?、高溫?zé)Y(jié)、樹脂浸漬固化、炭化、摩擦面打磨工序制造C/C-SiC復(fù)合材料閘瓦閘片；具體工藝參數(shù)為(1)原材料長度為2～15mm的短切炭纖維，粒度為0.075～0.30mm的炭粉，粒度為0.075～0.30mm的Si粉，粒度為0.075～0.15mm的樹脂粉或?yàn)r青粉，粒度為0.075～0.15mm的SiC粉；(2)配料混料 原材料的質(zhì)量含量為，短切炭纖維5～20％，Si粉20～50％，炭粉5～30％，樹脂粉或?yàn)r青粉10～30％，SiC粉0～15％；(3)造粒 將混好的原材料進(jìn)行機(jī)械造粒，75％的顆粒粒徑在5～15mm；(4)低溫?zé)釅? 將顆粒料裝入模具腔內(nèi)，施加50～400MPa的壓力，在140℃～200℃內(nèi)保溫0.5～1小時(shí)，使顆粒通過樹脂固化粘結(jié)成坯體，坯體尺寸與要制造的閘瓦或閘片尺寸相同；(5)高溫?zé)Y(jié) 將坯體通過高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)在真空爐中進(jìn)行，最高溫度1350℃～1700℃，時(shí)間30～60小時(shí)，爐內(nèi)氣氛為真空或充Ar到常壓；(6)增密采用液態(tài)樹脂或?yàn)r青對(duì)燒結(jié)后的坯體進(jìn)行浸漬、固化、炭化增密，浸漬溫度為50℃～80℃，固化溫度為150℃～200℃，炭化溫度800℃～900℃；(7)摩擦表面加工 將增密后的坯體進(jìn)行表面加工，得到閘瓦閘片部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于所述炭粉為石墨粉、瀝青炭粉、樹脂炭粉或它們的混合物；所述樹脂粉為酚醛樹脂粉、呋喃樹脂粉或環(huán)氧樹脂粉。
全文摘要
炭/炭－碳化硅復(fù)合材料剎車閘瓦閘片的制造方法。本發(fā)明通過配料混料、造粒、低溫?zé)釅撼尚?、高溫?zé)Y(jié)、樹脂浸漬固化、炭化、摩擦面打磨等工序制造C/C－SiC復(fù)合材料閘瓦閘片。本發(fā)明以短炭纖維為增強(qiáng)相，與采用炭纖維整體氈為增強(qiáng)相相比可大幅度較低成本，且熱壓成形可有效控制各成分的含量；在原材料中預(yù)先添加SiC粉，可有效提高閘瓦閘片的摩擦系數(shù)；可實(shí)現(xiàn)凈尺寸成形，只需機(jī)械加工閘瓦閘片的摩擦表面，顯著降低加工強(qiáng)度；將混合料加工成外觀不規(guī)則的顆粒，然后再低溫?zé)釅撼尚?，可有效解決熱壓成形的坯體在后續(xù)工序中出現(xiàn)鼓泡和開裂的問題，降低廢品率。
文檔編號(hào)F16D69/02GK101070395SQ20071003517
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者肖鵬 申請人:中南大學(xué)