CN101880815A - 城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘用合金蠕墨铸铁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘用合金蠕墨铸铁。以重量百分比计，上述合金蠕墨铸铁的化学组成包括：碳：3.5-3.9％，硅：2.0-3.0％，锰：0.4-1.3％，铜：0.4-1.0％，钼：0.20-0.50％，钛：0.10-0.20％，镁：0.01-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明还提供了一种利用上述合金蠕墨铸铁制造的制动盘。上述合金蠕墨铸铁具有较高的机械强度和热疲劳性能，还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能，适合用于制造城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘；利用上述合金蠕墨铸铁制成的制动盘在较高的速度下摩擦系数稳定性好，表面无热斑、热裂纹出现，无明显磨损现象。

Description

城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘用合金蠕墨铸铁

技术领域

本发明涉及一种制动盘用合金蠕墨铸铁，尤其涉及一种用于城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘的合金蠕墨铸铁，属于金属材料冶金领域。

背景技术

制动系统是城轨车辆关键技术之一，直接关系到列车的运行安全。目前大多城轨地铁制动系统采用的是踏面制动，这种制动方式在制动过程中90％以上的热量为车轮所吸收，因此在速度比较高的情况下，容易使车轮踏面产生高温剥离或热裂纹，踏面制动的噪声也比较大，所以这种制动方式一般适用于车速100km/h以下的车辆。为了改善这种状况，在超过100km/h的城市轨道交通车辆及铁路机车车辆中，基础制动装置一般采用盘形制动。

城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘都是在强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下工作，制动盘工作的可靠性几乎决定了整个基础制动装置的可靠性水平，直接影响城市轨道交通车辆及铁路机车车辆的行车安全。

目前，城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘材料均采用普通灰铸铁，这种材料具有成本低、耐磨性好等优点；但普通灰铸铁制动盘的机械强度及抗热疲劳性能难以令人满意。因此，开发具有较高的机械强度，较好的抗热疲劳性能，并且不易出现热裂纹等优点的制动盘用材料，对于保证制动装置的高可靠性以及列车运行的安全性，对制动盘材料进行研究具有重要的意义。

200510017968.6号发明专利申请公开了一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料，具有较高的抗热裂性能。在该发明专利申请公开的技术方案中，为了提高蠕墨铸铁制动材料的抗热裂性能，在该蠕墨铸铁制动材料中添加了较多的锰元素以提高珠光体含量，这在一定程度上降低制动材料的塑性；而且，该蠕墨铸铁制动材料中的珠光体尺寸较大，对于材料的强度和塑性等具有不利的影响。

因此，在保证蠕墨铸铁材料的耐磨性以及抗热疲劳等性能的前提下，研究开发一种具有较高的强度、塑性等性能的合金蠕墨铸铁材料仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制动盘用合金蠕墨铸铁材料，尤其是一种用于城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘的合金蠕墨铸铁材料，该材料具有抗拉强度高、蠕化率高、珠光体含量高等特点。利用该材料制造的制动盘具有比普通灰铸铁较高的机械强度和热疲劳性能，能够在强摩擦和高热负荷的复杂工况下连续工作而不出现热疲劳。

本发明的目的还在于提供一种采用上述合金蠕墨铸铁材料制成的制动盘。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种制动盘用合金蠕墨铸铁，以重量百分比计，其化学组成包括：

碳：3.5-3.9％，硅：2.0-3.0％，锰：0.4-1.3％，铜：0.4-1.0％，钼：0.20-0.50％，钛：0.10-0.20％，镁：0.01-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

在本发明提供的合金蠕墨铸铁的化学组成中，主要成分有碳、硅、锰、铜、铁等；提高性能的成分有铜、钼等；而钛、镁及稀土(RE)等则是在出铁时往铁水中加入稀土镁钛合金(RE-Mg-Ti)蠕化剂而带入材料之中的，其中，加入的RE-Mg-Ti蠕化剂按质量百分比占合金蠕墨铸铁总量的0.8-1.1％；磷、硫则为杂质。本发明的合金蠕墨铸铁中各种成分的作用和具体含量如下：

(1)碳和硅

碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中C、Si的含量越高，石墨化越容易进行，但含量过高，将会导致石墨多而粗大，使组织中铁素体量增多，珠光体量减少，从而导致材料力学性能的降低。因此，为了保证得到一定数量的石墨，增加珠光体的含量，优选地，本发明提供的合金蠕墨铸铁中的C含量一般为3.5-3.9wt.％，Si含量一般为2.0-3.0wt.％。

(2)锰

锰本身是阻碍石墨化的元素，但它能与S结合，形成MnS浮集到渣中，从而削弱S阻碍石墨化的作用，同时加入锰还可以提高珠光体含量，提高合金球磨铸铁的强度、硬度，但会使其塑性降低，因此，优选地，Mn的含量一般为0.5-1.3wt.％。

(3)铜

铜能显著细化珠光体，并能促进增加珠光体的含量，同时铜还能提高材料强度而又使其保持高塑性；但当铜元素的含量达到一定量时，铜含量越高，其作用反而会相应减弱，因此，优选地，铜含量的范围在0.4-1.0wt.％。

(4)钼和钛

材料中含有少量的钼和钛能够进一步提高材料的机械性能和耐热疲劳性能，但不宜过多，因此，优选地，钼和钛的含量分别可以为0.20-0.50wt.％和0.10-0.20wt.％。

(5)镁：材料中含有少量的镁主要由乳化剂带进来的，同时起到脱硫剂的作用，因此，优选地，镁的含量为0.01-0.03wt.％。

(6)硫

硫是强烈阻碍石墨化的元素，S能够阻碍C原子的扩散，还能增强Fe、C原子的结合力；同时，S能使铁水的流动性降低、收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向，因此铸铁中S含量越低越好，一般控制在0.04wt.％以下。

(7)磷

磷对石墨化稍起促进作用，能改善铸造性能，但磷具有冷脆性，是一种有害元素，因此，磷含量越低越好，一般控制在0.07wt.％以下。

本发明提供的上述合金蠕墨铸铁具有较高的机械强度和热疲劳性能，同时还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能，适合用于制造城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘。

本发明还提供了一种制动盘，该制动盘是采用上述的合金蠕墨铸铁制造的；优选地，本发明的制动盘可以是采用上述合金蠕墨铸铁通过铸造工艺制造的。

根据本发明的具体实施方案，本发明提供的制动盘可以是一种城市轨道交通车辆用制动盘，也可以是一种铁路机车车辆用制动盘。

根据本发明的具体技术方案，优选地，本发明提供的合金蠕墨铸铁可以是通过IGBT中频感应电炉熔炼工艺冶炼得到的；而本发明提供的制动盘可以是利用本发明提供的合金蠕墨铸铁通过树脂砂机器造型铸造得到的，从而保证合金蠕墨铸铁的化学成分以及制动盘的机械性能满足城市轨道交通车辆及铁路机车车辆制动盘的性能要求。

上述感应电炉冶炼工艺可以包括以下步骤：装料(其中，不易氧化的炉料直接装入电炉，易氧化的炉料在冶炼的过程中根据工艺要求分批加入)——熔化(利用大功率将炉料快速熔化)——精炼(以30％的功率对炉料进行精炼)——出铸铁锭。

制备得到本发明的合金蠕墨铸铁之后，可以利用本领域中的常规铸造工艺制造制动盘，例如采用以下的铸造工艺流程：

浇铸位置设计——分形面设计——收缩量设计——加工余量设计——浇铸系统设计——冒口、冷铁、铸筋设计——模具设计与制造——造型、造芯——砂型加热——浇铸。

与现有技术相比，本发明提供的合金蠕墨铸铁具有全新的合金蠕墨铸铁成分，到目前还没有见到相应的应用或者报道。本发明提供的合金蠕墨铸铁材料以及利用该合金蠕墨铸铁材料制造的制动盘与现有技术相比较，具有以下优点：

1、具有较高的抗拉强度和屈服强度；

2、具有较强的抗磨损、抗擦伤能力、抗变形能力；

3、具有较强的耐热裂性能和耐腐蚀性能，制动盘具有较长的使用寿命；

4、与现有的蠕墨铸铁制动材料相比，本发明提供的合金蠕墨铸铁的强度、塑性等性能也有了较大的提高。

本发明提供的合金蠕墨铸铁具有上述的优点，能够很好地保证制动装置的高可靠性以及列车运行的安全性。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的技术特点以及实施方案，但这些实施例并非用以限定本发明的保护范围。

实施例1-2：

表1和表2所显示的是实施例1与实施例2提供的合金蠕墨铸铁的成分以及所制成的制动盘的机械性能。

表1、制动盘化学成分(wt.％)

元素	C	Si	Mn	Cu	P	S	RE	Mg	Mo	Ti
											实施例1	3.62	2.31	0.89	0.70	0.043	0.020	0.025	0.014	0.30	0.11
实施例2	3.70	2.55	0.68	0.86	0.039	0.018	0.034	0.038	0.38	0.16

表2制动盘的机械性能参数

项目	抗拉强度σb(MPa)	断后伸长率δ(％)	硬度(HB)	蠕化率VG(％)	基体组织P(％)
						实施例1	438	1.1	215	78	70
实施例2	406	1.4	212	80	63

试验例

本试验例是对实施例1制备的制动盘在1∶1制动动力台架上进行150km/h速度级的试验。

试验工况为：车轮直径为840mm，制动盘直径为640mm，制动盘载荷为6.5t，闸片压力为24.0kN×2，制动的初速度为200km/h，实制动距离为1251.7m，试验测得制动盘的距离平均摩擦系数为0.341。

试验结果标明，制动盘与所配对的摩擦副摩擦系数稳定，制动盘表面无热斑及热裂纹出现，而且无明显磨损现象。

根据表1和表2以及试验例的内容可以看出，由实施例1和2提供的合金蠕墨铸铁材料制成的制动盘具有较高的抗拉强度，较强的抗磨损、抗擦伤能力、抗变形能力，以及较强的耐热裂性能和耐腐蚀性能，从而能够保证制动盘具有较长的使用寿命。

本发明提供的合金蠕墨铸铁以及制成的制动盘具有上述的优点，能够很好地保证制动装置的高可靠性以及列车运行的安全性。

Claims (8)

1.一种制动盘用合金蠕墨铸铁，以重量百分比计，其化学组成包括：

碳：3.5-3.9％，硅：2.0-3.0％，锰：0.4-1.3％，铜：0.4-1.0％，钼：0.20-0.50％，钛：0.10-0.20％，镁：0.01-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的合金蠕墨铸铁，其中，以重量百分比计，所述不可避免的杂质包括：磷：＜0.07％，硫：＜0.04％。

3.如权利要求1所述的合金蠕墨铸铁，其中，该合金蠕墨铸铁是通过IGBT中频感应电炉熔炼工艺冶炼得到的。

4.一种制动盘，其是由权利要求1-3任一项所述的合金蠕墨铸铁制造的。

5.如权利要求4所述的制动盘，其是通过铸造制造的。

6.如权利要求5所述的制动盘，其是通过树脂砂机器造型铸造得到的。

7.如权利要求4所述的制动盘，该制动盘是一种城市轨道交通车辆用制动盘。

8.如权利要求4所述的制动盘，该制动盘是一种铁路机车车辆用制动盘。