CN107881504B - 一种高速列车制动盘的复合制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车制动盘的复合制造方法，属于列车制造技术领域，首先利用铁基合金铸造形成制动盘基体，制动盘基体包括由通风孔立柱固定连接的两个盘体，制动盘基体进行喷砂处理从而消除残余应力，随后利用激光熔覆技术对盘体工作端面进行合金粉末的分区、分层沉积，沉积过程中利用水冷系统进行熔覆温度的控制，每一层熔覆层沉积完毕后均进行表面平整度处理，然后再进行下一熔覆层的沉积，所有层沉积完毕后得到制动盘成品，随后进行力学性能和耐磨性能的检测，该制动盘既能够提供优良的力学性能，又能够提供满足使用要求的耐磨性能，同时还降低了制造难度和制造成本。

Description

一种高速列车制动盘的复合制造方法

技术领域

本发明属于列车制造技术领域，具体涉及一种高速列车制动盘的复合制造方法。

背景技术

高速列车一般指以最高速度200Km/h以上运行的列车，在国民经济中占有重要地位。我国高速列车以国外技术引进消化为基础，逐步开发了CRH1 型、CRH2型、CRH3型和CRH5型等列车，并逐渐形成了具有自主知识产权的中国标准动车组，交会运行时速达到420km/h，尤其“复兴号”列车运行之后，高速列车的设计时速和运营时速将会不断提升。

制动盘作为最重要的的基础制动装置之一，是保证高速列车减速、停车及紧急情况下急刹的关键部件，其性能在服役过程中的安全可靠性直接影响列车的运行安全，因此对制动盘综合性能的要求非常苛刻。按照动能的消耗方式划分，高速列车制动方式分为：盘形制动、电阻制动、再生制动、磁轨制动、轨道涡流制动、旋转涡流制动及翼板制动等方式，其中盘形制动为基础制动装置，它必须在其他制动方式失效的情况下将列车制动下来。制动初速度为380km/h时，盘形制动装置必须在8500m距离内经受住摩擦片的摩擦生热并将速度降为0km/h，工作条件十分苛刻。

列车高速制动时，制动盘将承受巨大的热冲击，由此产生极高的热应力，使其工作条件更加恶化，制动过程中制动盘与摩擦副相互作用产生的热应力造成蠕变和热疲劳损坏。研究表明，制动过程中产生的热应力造成的蠕变和热疲劳损坏是导致制动盘破坏的主要原因。

高速列车制动盘的材料有黑色金属、颗粒增强铝基复合材料、C/C复合材料三种，以黑色金属制动盘为主。适合高速列车黑色金属制动盘的制造方法主要有铸造法、锻造法和表面涂层法。铸造法制动盘的优点在于能够利用铸造成型技术制成带有散热筋的盘体，散热性能优良，凝固组织为等轴晶，具有较好的抗热裂性能和耐磨性能。锻造法制动盘的整体性能优良，但其不带通风孔，制动时制动盘温升高，对材料的轧制和热处理工艺提出了更高的要求。表面涂层法是在制动盘表面熔覆一层陶瓷涂层以提高其摩擦磨损性能，摩擦因数稳定，磨损量小于常规钢质制动盘的磨损量，但其涂层厚度有限，陶瓷涂层与基体之间结合力有限。

发明内容

本发明解决了现有技术中制动盘铸造缺陷多、耐磨性能不足、抗冲击韧性差等问题，提供了一种高速列车制动盘的复合制造方法，该方法在带通风孔的铸造制动盘基体上进行激光熔覆，形成多层结构的熔覆增强层，得到的制动盘能够满足力学性能和摩擦磨损性能的使用要求。

本发明的具体技术方案是：

一种高速列车制动盘的复合制造方法，关键点是，所述的复合制造方法包括以下步骤：

A、铸造

用铁基合金铸造带有通风孔的制动盘基体，制动盘基体包括由通风孔立柱连接固定的盘体，盘体的厚度为15-20mm；

B、熔覆

利用激光熔覆技术在盘体的工作端面进行合金粉末的沉积成型，沉积成型时为分层沉积，每层沉积厚度为0.5-1mm，每一层沉积完毕后均进行机加工至表面光滑平整，随后进入下一层沉积，沉积成型完毕后形成5-8mm 的熔覆层，此时，得到制动盘成品。

所述的步骤A中，铁基合金中包括质量分数为0.20％-0.25％的C、 0.81％-0.88％的Cr、1.05％-1.15％的Ni、0.3％-0.6％的Mo、0.50％-0.60％的 Si、1.08％-1.12％的Mn、0.02％-0.04％的Al，其余为Fe。

所述的步骤A中，铁基合金中包括质量分数为0.22％的C、0.84％的Cr、 1.10％的Ni、0.4％的Mo、0.55％的Si、1.1％的Mn、0.03％的Al，其余为Fe。

所述的步骤B中，盘体工作端面进行合金粉末沉积时采用分区沉积，各个区同时进行沉积。

所属的步骤B中，盘体工作端面分区沉积时分为4、8、10、12或16 等份。

所述的步骤B中，盘体工作端面进行分层沉积时，每层的沉积厚度为 0.7mm。

所述的步骤B中，合金粉末包括质量分数为0.20％-0.25％的C、 0.81％-0.88％的Cr、1.05％-1.15％的Ni、0.3％-0.6％的Mo、0.50％-0.60％的 Si、1.08％-1.12％的Mn、0.02％-0.04％的Al、5％-15％的WC，其余为Fe。

所述的步骤B中，合金粉末包括质量分数为0.23％的C、0.85％的Cr、 1.10％的Ni、0.4％的Mo、0.55％的Si、1.10％的Mn、0.03％的Al、10％的WC，其余为Fe。

所述的步骤B中，所述的制动盘基体下方设置有水冷基板，激光熔覆过程中通过水冷基板中冷却水的流速来调节熔覆温度，水冷基板与空气间热对流系统为120W/m²，水流速度为48L/min。

所述的步骤B中，所述的机加工为利用铣刀或者抛光机对沉积后的表面进行清理，清理后的表面平整度Ra不大于0.8。

本发明的有益效果是：本发明中首先利用铸造性能好、力学性能满足要求的铁基合金铸造出带通风孔的高速列车制动盘基体，通风孔立柱之间的间隙即为通风孔，然后利用激光熔覆技术在铸钢制动盘基体的盘体工作端面上进行分区、分层沉积合金粉末，形成满足磨损性能和摩擦因数要求的熔覆层，其内部晶粒及性能优于铸钢，熔覆层加工过程中，每一层沉积完毕后均进行机加工处理至表面光滑平整，最终得到制动盘成品；本申请技术方案能够降低合金元素多、性能要求高的铸钢制动盘的铸造缺陷，将制动盘的力学性能与摩擦磨损性能分解开来，分别由铸钢基体和熔覆层来进行承担，铸钢基体提供优良的力学性能，激光熔覆层提供满足使用要求的摩擦磨损性能，本发明中的制造方法降低了制造难度和制造成本。

附图说明

图1是本发明中制动盘成品的结构示意图。

附图中，1、熔覆层，2、盘体，3、通风孔立柱。

具体实施方式

本发明涉及一种高速列车制动盘的复合制造方法，该方法包括铸造制动盘基体、激光熔覆形成耐磨的熔覆层以及熔覆层中每一层的机加工打磨等步骤，将制动盘分解为两大部分进行成型，既能够同时满足力学性能和耐磨性能，又降低了加工难度，本发明需要用到激光器、机械手臂、送粉器、激光熔覆头、保护气体、喷砂机、水冷基板以及机加工设备，制动盘基体铸造成型后，利用喷砂机进行喷砂处理，消除应力，送粉器将合金粉末送至熔覆位置，激光熔覆头借助机械手臂进行移动并由激光器提供激光并进行合金粉末的熔覆沉积，熔覆过程中用保护气体进行保护，同时用水冷基板来控制熔覆温度，制造方法的具体操作步骤通过具体实施例展开阐述。

具体实施例，如图1所示，制动盘基体包括由通风孔立柱3连接固定的两个盘体2，盘体2为圆环形，盘体2的外端面为工作端面，在其工作端面上进行熔覆层1沉积，所述复合制造方法具体操作步骤如下所述：

A、铸造

用铁基合金铸造带有通风孔的制动盘基体，盘体2的厚度为18mm，相比于现有高速列车制动盘的盘体2厚度小了5-8mm，该5-8cm用熔覆层1 来进行沉积补充，铁基合金中包括质量分数为0.22％的C、0.84％的Cr、1.10％的Ni、0.4％的Mo、0.55％的Si、1.1％的Mn、0.03％的Al，其余为Fe，上述成分组成的铁基合金铸造形成制动盘基体，具备较好的力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、延伸率、屈强比、室温情况下冲击吸收功以及室温情况下显微硬度，为制动盘提供良好的支撑，铸造形成的制动盘基体还需要用喷砂机进行喷砂处理，消除表面的油污和锈渍，并且消除铸造过程中的残余应力，然后对制动盘基体进行无损检测，并做好检测记录，包括裂纹和孔洞，并对磨损和变形部分进行标记；

B、熔覆

利用激光熔覆技术在盘体2的工作端面进行合金粉末的沉积成型，形成5-8mm的熔覆层1，包括质量分数为0.23％的C、0.85％的Cr、1.10％的Ni、 0.4％的Mo、0.55％的Si、1.10％的Mn、0.03％的Al、10％的WC，其余为Fe，上述成分的合金粉末形成的熔覆层1具备优良的耐磨性能，对合金粉末进行混合、球磨，烘干后进行电镜分析，观察粉末是否混合彻底，并分析成分，随后进入熔覆工序：

先将制动盘基体在工作台固定夹紧，在制动盘基体的盘体2工作端面上进行沉积成型，选用的合金粉末进行激光熔覆，通过正交试验等手段调整工艺参数，保证熔覆层1单道宽度、高度及搭接率适中，既保证具有较快的沉积速度，又保证熔覆层1与盘体2、熔覆层1中各层之间为冶金结合，成型过程中用氩气进行气体保护，防止合金粉末各成分和氧气过度反应，盘体2工作端面进行合金粉末沉积时采用分区沉积和分层沉积，各个区同时进行沉积，每层的沉积厚度为0.7mm，盘体2为圆环形，其工作端面也为圆环形，盘体2工作端面分区沉积时将360度圆环分为4、8、10、12或16 等份，选用以上偶数等份，能过避免热应力引起盘体2的起翘、变形；每成型一层后，利用铣刀或者抛光机进行表面处理，使得沉积层表面平整、光滑，并进行无损检测，检测是否存在夹杂、夹渣、气孔或者裂纹，检测合格后进入下一层沉积成型，重复沉积直至熔覆层达到5-8cm厚度；

为了避免熔覆过程中温度持续升高而不能形成稳定的温度区，在制动盘基体下方设置有水冷基板，激光熔覆过程中通过水冷基板中冷却水的流速调节熔覆温度，水冷基板与空气间热对流系统为120W/m²，水流速度为 48L/min，通过水流速度的改变对熔覆过程的温度进行控制，降低制动盘表面及制动盘本体的温差，减少热应力；

熔覆加工完毕后，在盘体2工作端面上形成熔覆层1，最外层同样利用铣刀或者抛光机对熔覆层1表面进行清理、铣削，去除浮渣和氧化皮使其表面平整、光滑，得到制动盘成品。

制动盘成品刚进行过激光熔覆，需要在工作台上冷却24-48小时，然后取下，进行成品检测，检测合格后方可投入使用，检测指标包括力学性能和耐磨性能。制动盘的力学性能检测时进行整压处理，处理时间为48小时，制动盘平整不发生变形及弯曲，具体的力学性能参数应达到如下要求：屈服强度Rt≥900MPa，抗拉强度Rm≥1050MPa，延伸率A₅₀≥8％，屈强比≤0.85，室温情况下冲击吸收功A_KU≥27J，室温情况下显微硬度HV≥350，整压处理完成后，测量制动盘各处尺寸及表面粗糙度，进行小幅度的精铣，使其表面平整度Ra＝0.8即可；随后进行台架实验检测耐磨性能，耐磨性能应达到如下要求：制动盘与标准制动闸片对磨时，摩擦因数在0.3-0.5之间，制动盘在制动速度为480km/h时，单次制动摩擦磨损量在38-45g之间。上述力学性能和耐磨性能参数均达到要求后，将制动盘成品进行包装。

本发明中的制造方法将制动盘的生产分解为两大部分，分别为制动盘基体的铸造和熔覆层1的沉积，铸造时预留熔覆层1的厚度，熔覆层1加工时采用分区、分层沉积，熔覆层1与盘体2以及熔覆层1各层之间的结合均为冶金结合，相比于现有技术中的涂层，结合力显著提高，结合效果大大改善，按照本方法制造的制动盘，制动盘基体能够提供优良的力学性能，熔覆层1能够提供满足使用要求的摩擦磨损性能，降低了整个制动盘的制造难度和制造成本。

Claims (9)

1.一种高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的复合制造方法包括以下步骤：

A、铸造

用铁基合金铸造带有通风孔的制动盘基体，制动盘基体包括由通风孔立柱(3)连接固定的盘体(2)，盘体(2)的厚度为15-20mm；

B、熔覆

利用激光熔覆技术在盘体(2)的工作端面进行合金粉末的沉积成型，沉积成型时为分层沉积，每层沉积厚度为0.5-1mm，每一层沉积完毕后均进行机加工至表面光滑平整，随后进入下一层沉积，沉积成型完毕后形成5-8mm的熔覆层(1)，此时，得到制动盘成品；

所述的合金粉末包括质量分数为0.20％-0.25％的C、0.81％-0.88％的Cr、1.05％-1.15％的Ni、0.3％-0.6％的Mo、0.50％-0.60％的Si、1.08％-1.12％的Mn、0.02％-0.04％的Al、5％-15％的WC，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤A中，铁基合金中包括质量分数为0.20％-0.25％的C、0.81％-0.88％的Cr、1.05％-1.15％的Ni、0.3％-0.6％的Mo、0.50％-0.60％的Si、1.08％-1.12％的Mn、0.02％-0.04％的Al，其余为Fe。

3.根据权利要求2所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤A中，铁基合金中包括质量分数为0.22％的C、0.84％的Cr、1.10％的Ni、0.4％的Mo、0.55％的Si、1.1％的Mn、0.03％的Al，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤B中，盘体(2)工作端面进行合金粉末沉积时采用分区沉积，各个区同时进行沉积。

5.根据权利要求4所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所属的步骤B中，盘体(2)工作端面分区沉积时分为4、8、10、12或16等份。

6.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤B中，盘体(2)工作端面进行分层沉积时，每层的沉积厚度为0.7mm。

7.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤B中，合金粉末包括质量分数为0.23％的C、0.85％的Cr、1.10％的Ni、0.4％的Mo、0.55％的Si、1.10％的Mn、0.03％的Al、10％的WC，其余为Fe。

8.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤B中，所述的制动盘基体下方设置有水冷基板，激光熔覆过程中通过水冷基板中冷却水的流速来调节熔覆温度，水冷基板与空气间热对流系统为120W/m²，水流速度为48L/min。

9.根据权利要求1所述的一种所述的高速列车制动盘的复合制造方法，其特征在于，所述的步骤B中，所述的机加工为利用铣刀或者抛光机对沉积后的表面进行清理，清理后的表面平整度Ra不大于0.8。

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