CN104775067A

CN104775067A - 一种轨道车辆制动盘用合金球墨铸铁

Info

Publication number: CN104775067A
Application number: CN201510151941.XA
Authority: CN
Inventors: 李继山; 李和平; 韩晓辉; 焦标强; 吕宝佳; 顾磊磊; 陈德峰; 宋跃超
Original assignee: Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co Ltd
Current assignee: Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co Ltd
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明涉及一种合金球墨铸铁，以重量百分比计，包括：碳：2.0-5.0％；硅：1.0-4.0％；锰：0.2-1.0％；镍：0.1-0.6％；钼：0.1-0.80％；铜：0.01-0.08％；镁：0.01-0.08％；以及稀土Re:0.01-0.06％；其余为铁和不可避免杂质。

Description

一种轨道车辆制动盘用合金球墨铸铁

技术领域

本发明涉及一种制动盘材料，尤其涉及一种用于轨道车辆制动盘的合金球墨铸铁，属于金属材料冶金领域。

背景技术

制动系统是轨道车辆关键技术之一，直接关系到列车的运行安全。目前,轨道车辆的制动系统采用的都是踏面制动。在这种制动方式下，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；而且，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的铁路机车车辆中，基础制动装置一般采用盘形制动。由于轨道车辆制动盘需要在强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力的复杂工况下工作，制动盘可靠性几乎决定了整个基础制动装置的可靠性水平，也直接影响轨道车辆的行车安全。

目前，轨道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。但是，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，在保证球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、塑性或其他性能的合金球墨铸铁材料仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

针对以上技术问题，本申请提出了一种合金球墨铸铁，以重量百分比计，包括：

碳：2.0-5.0％；

硅：1.0-4.0％；

锰：0.2-1.0％；

镍：0.1-0.6％；

钼：0.1-0.80％；

铜：0.01-0.08％；

镁：0.01-0.08％；以及

稀土Re:0.01-0.06％；

其余为铁和不可避免杂质。

如上所述的合金球墨铸铁，其中

碳：3.0-3.7％；

硅：2.0-2.8％；

锰：0.3-0.8％；

镍：0.1-0.4％；

钼：0.25-0.60％；

铜：0.02-0.06％；

镁：0.02-0.06％；以及

稀土Re:0.01-0.04％。

如上所述的合金球墨铸铁，其中

碳：3.6-3.7％；

硅：2.3-2.6％；

锰：0.6-0.8％；

镍：0.2-0.4％；

钼：0.3-0.60％；

铜：0.02-0.04％；

镁：0.02-0.04％；以及

稀土Re:0.02-0.04％。

如上所述的合金球墨铸铁，其中，所述不可避免的杂质包括:以重量百分比计,磷小于0.06％，硫小于0.04％

根据本发明的另一个方面，提出一种制动盘，包括如上所述的合金球墨铸铁。

如上所述的制动盘，其是通过树脂砂机器造型铸造。

如上所述的制动盘，其中所述的铸造包括经感应电炉冶炼工艺加工，其包括：装料和熔化。

如上所述的制动盘，其中低于50％的功率对炉料进行精炼。

如上所述的制动盘，其中低于30％的功率对炉料进行精炼。如上所述的制动盘，其中所述的铸造包括：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；以及浇铸。

本发明的合金球墨铸铁材料具有抗拉强度高、伸长率等机械性能好的特点。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。本发明还提供了一种采用上述合金球墨铸铁材料制成的制动盘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的制动盘用合金球墨铸铁材料，尤其适于应用于例如铁路机车的轨道车辆制动盘。

在本发明提供的合金球墨铸铁的化学组成中，主要成分有碳、硅、锰、铁等；提高性能的成分有镍、钼等；而铜、镁及稀土(RE)等则是提高球墨铸铁的综合性能；磷、硫则为杂质。本发明的合金球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，提高碳和硅的含量有利于发挥材料的韧性。铸铁中C、Si的含量越高，石墨化越容易进行。但是，C和Si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，本发明的材料中具有一定数量的石墨，增加珠光体的含量。优选地，本发明提供的合金球墨铸铁中的C含量一般为2.0-5.0wt.％，优选为3.0-3.7wt.％。Si含量一般为1.0-4.0 wt.％，优选为2.0-3.8wt.％。

(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0.2-1.0wt.％，优选为0.3-0.8wt.％。

(3)钼

材料中含有少量的钼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，一般钼的含量为0.1-0.80wt.％。优选地，钼的含量可以为0.25-0.60wt.％。

(4)镍

材料中含有少量的镍，能够降低碳的溶解度，有助于碳化物的分解，稳定珠光体的作用，同时可以提高材料的强度、耐磨性、抗脆断裂性，但不宜过多，因此，一般镍的含量为0.1-0.6wt.％。优选地，镍的含量可以为0.10-0.40wt.％。

(5)铜

铜能细化珠光体，并能促进增加珠光体的含量。因此，一般铜的含量为0.01-0.08wt.％。优选地，铜含量的范围在0.02-0.06wt.％。

(6)镁：材料中含有少量的镁主要其球化剂作用，有利于生成完整均匀的球化石墨，同时起到脱硫剂的作用。因此，一般镁的含量为0.01-0.08wt.％。优选地，镁的含量可以为0.02-0.06wt.％。

(7)稀土Re：

少量稀土可以抑制硫等杂质，但其具有影响球墨状态的副作用，因此要控制其含量。一般镁的含量为0.01-0.06wt.％。优选地，稀土Re的含量可以为0.01-0.04wt.％。；

(8)硫

硫含量过高会使球化不稳定，而且会产生过多的硫化物夹杂，严重影响韧性，故要求铁水采取脱硫措施。硫其实是有害元素，因此铸铁中S含量越低越好，一般控制在0.04wt.％以下。优选地，基本不含硫。

(9)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0.06wt.％以下。优选地，基本不含磷。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种制动盘用合金球墨铸铁，以重量百分比计，包括：

碳：2.0-5.0％，优选3.0-3.7％，更优选3.6-3.7％；

硅：1.0-4.0％，优选2.0-2.8％，更优选2.3-2.6％；

锰：0.2-1.0％，优选0.3-0.8％，更优选0.6-0.8％；

镍：0.1-0.6％，优选0.1-0.4％，更优选0.2-0.4％；

钼：0.1-0.80％，优选0.25-0.60％，更优选0.3-0.60％；

铜：0.01-0.08％，优选0.02-0.06％，更优选0.02-0.04％；

镁：0.01-0.08％，优选0.02-0.06％，更优选0.02-0.04％；以及

稀土Re:0.01-0.06％，优选0.01-0.04％，更优选0.02-0.04％；

其余为铁和不可避免杂质。

本发明提供的上述合金球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，适合用于制造例如铁路机车的轨道车辆制动盘。

根据本发明的一个实施例提供了一种制动盘。该制动盘是采用上述的合金球墨铸铁制造的；优选地，本发明的制动盘可以是采用上述合金球墨铸铁通过铸造工艺制造的。

根据本发明的实施例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。

根据本发明的一个实施例，优选地，本发明提供的制动盘可以是利用本发明提供的合金球墨铸铁通过树脂砂机器造型铸造得到的，从而保证合金球墨铸铁的化学成分以及制动盘的机械性能满足铁路机车车辆制动盘的性能要求。

感应电炉冶炼工艺可以包括以下步骤：

1.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；其中不易氧化的炉料包括电解镍、铬铁、铜、钼铁；易氧化的炉料包括锰铁、硅铁。所有炉料使用前必须烘烤。

2.熔化：利用大功率将炉料快速熔化；

3.精炼：以低于50％的功率对炉料进行精炼，优选低于30％的功率；

4.出铸铁锭。

制备得到本发明的合金球墨铸铁之后，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可以包括如下步骤：

1.浇铸位置设计；

2.分形面设计；

3.收缩量设计；

4.加工余量设计；

5.浇铸系统设计；

6.冒口、冷铁、铸筋设计；

7.模具设计与制造；

8.造型、造芯；

9.砂型加热；以及

10浇铸。

本发明的实施例提供的合金球墨铸铁材料以及利用该合金球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、与现有的铸铁制动材料相比，本发明提供的合金球墨铸铁的强度、塑性等性能也有了较大的提高。

本发明的实施例提供的合金球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。

实施例：

表1和表2所显示的是实施例1与实施例2提供的合金球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	Ni	P	S	RE	Mg	Mo	Cu
											实施例1	3.62	2.31	0.79	0.20	0.043	0.020	0.025	0.024	0.30	0.02
实施例2	3.70	2.55	0.68	0.36	0.039	0.018	0.034	0.038	0.57	0.043

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)
				实施例1	608	8.1	215
实施例2	636	7.4	212

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提供的合金球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。

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7t，闸片双侧压力为48.6kN，制动的初速度为150km/h。

试验结果标明，制动盘与所配对的摩擦副经过摩擦磨损以及疲劳性能试验后，制动盘表面无热斑及热裂纹出现，而且无明显磨损现象。

本发明提供的合金球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。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims

1.一种合金球墨铸铁，以重量百分比计，包括：

碳：2.0-5.0％；

硅：1.0-4.0％；

锰：0.2-1.0％；

镍：0.1-0.6％；

钼：0.1-0.80％；

铜：0.01-0.08％；

镁：0.01-0.08％；以及

稀土Re:0.01-0.06％；

其余为铁和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的合金球墨铸铁，其中

碳：3.0-3.7％；

硅：2.0-2.8％；

锰：0.3-0.8％；

镍：0.1-0.4％；

钼：0.25-0.60％；

铜：0.02-0.06％；

镁：0.02-0.06％；以及

稀土Re:0.01-0.04％。

3.根据权利要求1所述的合金球墨铸铁，其中

碳：3.6-3.7％；

硅：2.3-2.6％；

锰：0.6-0.8％；

镍：0.2-0.4％；

钼：0.3-0.60％；

铜：0.02-0.04％；

镁：0.02-0.04％；以及

稀土Re:0.02-0.04％。

4.根据权利要求1-3中任一所述的合金球墨铸铁，其中，所述不可避免的杂质包括:以重量百分比计,磷小于0.06％，硫小于0.04％。

5.一种制动盘，包括如权利要求1-4中任一所述的合金球墨铸铁。

6.根据权利要求5所述的制动盘，其是通过树脂砂机器造型铸造。

7.根据权利要求5所述的制动盘，其中所述的铸造包括经感应电炉冶炼工艺加工，其包括：装料和熔化。

8.根据权利要求7所述的制动盘，其中低于50％的功率对炉料进行精炼。

9.根据权利要求7所述的制动盘，其中低于30％的功率对炉料进行精炼。

10.根据权利要求10所述的制动盘，其中所述的铸造包括：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；以及浇铸。