CN1928141A - 抗热裂蠕墨铸铁制动材料及由其制备而成的蠕墨铸铁制动盘 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料，该制动材料主要包括以下重量百分含量的成分：C：3.4－3.6％，Si：2.35－2.65％，Mn：1.4－1.6％，P：0－0.07％，S：0－0.02％，其余为铁。同时，还涉及一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料制成的蠕墨铸铁制动盘。本发明采用Re－Mg－Ti－Ca蠕化剂及合适的蠕化工艺，可稳定地获得了蠕化率达80％的蠕墨铸铁；对制动盘实体组织性能检测表明，蠕墨铸铁制动盘组织均匀、性能一致。采用砂型铸造工艺，成功地生产出蠕墨铸铁制动盘毛坯。解剖检验表明：制动盘组织致密，无缩孔、缩松等铸造缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料，同时，还涉及一种由此抗热裂墨铸铁制动材料制备而成的蠕墨铸铁制动盘。
背景技术
铸铁材料作为摩擦制动材料在列车制动装置中的应用，已有一百多年的历史。由于灰铸铁制动盘在使用过程中磨损较快，因而在高速列车上已不被采用，若在其内部加入合金元素Ni、Cr、Mo等，可以提高材料的耐热龟裂性和高温耐磨性，但与高性能制动器材质相比仍然强度较低，热疲劳性能较差。目前，作为高速列车制动装置材料的发展趋势是采用铝基复合材料和C/C复合材料。例如在德国ICE-1线路上的高速列车采用铝基复合材料制动盘进行了模拟制动试验，效果良好。日本三菱铝业所制备的铝基复合材料制动盘也在100N系新干线电动车组上进行了装车运行试验，达到了使用要求。另外，由于铝基复合材料比重较小，采用这种材料不仅可以大大降低制动盘的质量，而且可以实现一轴多盘，从而可进一步推进列车的高速化。C/C复合材料因具有较佳的高温摩阻性能，在航空、航天领域备受青睐，多年来一直用作飞机刹车盘的摩擦材料。采用C/C复合材料作为高速列车制动盘的摩擦材料，不仅可以大大减轻盘形制动器的重量，而且因其热容量大，还可以对超高速列车施行紧急制动。但由于铝基复合材料和C/C复合材料的成本较高，因此，从列车制动盘的成本考虑，在速度较低(≤200km/h)的提速列车上采用蠕墨铸铁材料是比较合适的选择。
目前我国铁路客车及列车盘式制动盘仍然以灰铸铁盘为主，在使用中存在摩擦面热裂纹和制动盘移位、脱落等问题。蠕墨铸铁与灰铸铁相比具有较高的力学性能和较好的导热性，有优良的耐热疲劳性能。在闸瓦上的应用也说明蠕墨铸铁具有良好的摩擦磨损性能，是制造制动盘盘体的理想材料。而现有的墨铸铁材料的耐摩擦磨损性能较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐摩擦磨损性能较高，且抗热裂的抗热裂蠕墨铸铁制动材料。
同时，本发明还涉及一种由此抗热裂蠕墨铸铁制动材料制备而成的制动盘。
为了达到上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料，该制动材料主要包括以下重量百分含量的成分：C：3.4-3.6％，Si：2.35-2.65％，Mn：1.4-1.6％，P：0-0.07％，S：0-0.02％，其余为铁。
其内还加入有重量百分含量为0.55-1.0％的蠕化剂以及重量百分含量为0.9-1.1％的孕育剂。
所述的蠕化剂为Re-Mg-Ti-Ca蠕化剂，所述的孕育剂为硅含量为75％的硅铁。
同时，本发明还提供了一种由抗热裂蠕墨铸铁制动材料制成的蠕墨铸铁制动盘，该制动盘由下列方法制备而成，将含C：3.4-3.6％，Si：2.35-2.65％，Mn：1.4-1.6％，P：0-0.07％，S：0-0.02％的蠕墨铸铁的铁水在250kg中频感应电炉熔炼，以稀土镁钛合金Re-Mg-Ti-Ca为蠕化剂，硅含量为75％的硅铁为孕育剂，其加入量为0.9-1.1％(重量百分含量)，冲入法处理铁水，蠕化剂加入量范围为0.55-1.0％(重量百分含量)，蠕化后采用顶注式浇注系统进行浇注；采用潮模砂造型工艺生产，生产中使用面砂以获得较高的砂型硬度和型砂湿强度；采用CO2水玻璃砂法造型工艺成型。
浇注过程中采取先快后慢的浇注方式。
由于本发明的蠕墨铸铁制动材料中，锰含量较高，而随着锰含量增加，基体组织中珠光体含量显著增加，本发明的基体组织为珠光体。基体组织是影响蠕墨铸铁摩擦学特性的主要因素，试验结果表明：随着化学成分中锰含量的提高以及组织中珠光体含量的增多，无论是蠕墨铸铁、还是半金属材料，磨损率都显著降低，说明珠光体基体对提高蠕墨铸铁自身及其配副材料的耐磨性都是有利的。从基体组织对摩擦系数的影响规律来看，混合基体不利于获得高的摩擦系数，珠光体基体具有高的摩擦系数。
另外，蠕墨铸铁的基体组织及石墨数量对热疲劳特性有非常显著的影响。试验结果表明：不论是水淬冷却还是水雾冷却，含锰量1.4％左右，碳当量4.3％左右的蠕墨铸铁均具有低的裂纹扩展速率和较短的裂纹长度。因此从制动盘热疲劳性能、蠕墨铸铁的生产工艺性能综合考虑，珠光体基体，共晶碳当量蠕墨铸铁适合于制造列车制动盘。
本发明采用Re-Mg-Ti-Ca蠕化剂及合适的蠕化工艺，可稳定地获得了蠕化率达80％的蠕墨铸铁；对制动盘实体组织性能检测表明，蠕墨铸铁制动盘组织均匀、性能一致。采用砂型铸造工艺，成功地生产出蠕墨铸铁制动盘毛坯。解剖检验表明：制动盘组织致密，无缩孔、缩松等铸造缺陷。
本发明的蠕墨铸铁制动盘的主要性能指标
(1)制动盘外形尺寸：
外径为φ640mm，厚度为110mm，盘毂孔为φ198mm。
(2)机械性能指标：
抗拉强度： 473-513Mpa
布氏硬度： 215-249HB
延伸率： 1.1-2.0％
(3)金相指标：
蠕化率： 80％
珠光体含量：80％
(4)摩擦磨损性能
瞬时摩擦系数变化范围
制动初速度 紧急制动的 常用制动的
(km/h) 瞬时摩擦系数 瞬时摩擦系数
60 0.42-0.37 0.44-0.36
90 0.42-0.37 0.44-0.33
120 0.41-0.33 0.44-0.33
140 0.39-0.32 0.43-0.30
160 0.37-0.30 0.40-0.27
180 0.36-0.32 0.37-0.27
制动盘平均摩擦系数
制动初速度 紧急制动的 常用制动的
(km/h) 平均摩擦系数 平均摩擦系数
60 0.39 0.405
90 0.384 0.406
120 0.361 0.378
140 0.340 0.370
160 0.303 0.354
180 0.347 0.347
制动盘的静摩擦系数
盘片的静摩擦系数为0.352
制动闸片的磨耗量
制动闸片的总磨耗量为3.11g/MJ
适用范围
适用于160km/h以下速度级的铁道车辆的运用。
本发明的制动盘与现在运行的同类性制动盘毂相比：有比较好的装配性，装车进行了两万余公里的运行试验，制动盘的状况良好，无裂纹产生。
与灰铸铁制动盘相比，所研制的蠕墨铸铁制动盘耐磨性能是灰铸铁制动盘的1.67倍，蠕墨铸铁制动盘具有高的使用寿命。
附图说明
图1为不同锰含量对基体中珠光体含量的影响曲线图；
图2为锰含量对蠕墨铸铁抗拉强度、硬度及延伸率的影响曲线图；
图3为不同盘副瞬时摩擦系数极值差图。
具体实施方式
本发明的抗热裂蠕墨铸铁制动材料主要包括以下重量百分含量的成分：C3.5％，Si 2.5％，Mn 1.5％，P 0.05％，S 0.02％，加入Re-Mg-Ti-Ca蠕化剂的重量百分含量为0.6％，加入孕育剂即硅含量为75％的硅铁的重量百分含量为1.0％，其余为铁。
本发明的制动盘由下列方法制备而成，将含C 3.5％，Si 2.5％，Mn 1.5％，P 0.05％，S 0.02％的蠕墨铸铁的铁水在250kg中频感应电炉熔炼，以稀土镁钛合金Re-Mg-Ti-Ca为蠕化剂，硅含量为75％的硅铁为孕育剂，其加入量为1.0％(重量百分含量)，冲入法处理铁水，蠕化剂加入量为0.6％(重量百分含量)，蠕化后采用顶注式浇注系统进行浇注，浇注过程中采取先快后慢的浇注方式；采用潮模砂造型工艺生产，生产中使用面砂以获得较高的砂型硬度和型砂湿强度；采用CO2水玻璃砂法造型工艺成型。
从图1可以看出，随着锰含量的增加，基体中珠光体含量增加。
从图2可以看出，随着锰量增加，蠕铁抗拉强度和硬度提高，延伸率下降。
本发明的制动盘(下称洛阳盘)与现有铁路客车通用的3种制动盘即A盘、B盘及C盘(这三种制动盘是目前用于160km/h客车的通用制动盘)的摩擦——磨耗性能对比如下：
试验结果
(1)瞬时摩擦系数
A盘瞬时摩擦系数
A盘副紧急制动工况的瞬时摩擦系数基本在标准规定范围内，其中120km/h紧急制动的瞬时摩擦系数高出标准上限，140km/h紧急制动的瞬时摩擦系数高速部分偏高。
A盘副常用制动部分工况如140km/h、120km/h整条曲线和160km/h、90km/h的高速部分的瞬时摩擦系数曲线超出标准规定的上限。
洛阳盘瞬时摩擦系数曲线
洛阳盘副紧急制动工况的瞬时摩擦系数基本在标准规定范围内，只有180km/h紧急制动瞬时摩擦系数低速时较标准下限稍低。
洛阳盘副常用制动工况的瞬时摩擦系数曲线基本在标准规定的范围内，其中仅180km/h常用制动瞬时摩擦系数曲线局部低于标准规定的下限。
紧急制动和常用制动的瞬时摩擦系数曲线都较为平直，衰减很小。
C盘瞬时摩擦系数
C盘副紧急制动工况的瞬时摩擦系数曲线部分超出标准规定范围，其中120km/h、90km/h紧急制动瞬时摩擦系数低速时较标准上限稍高，160km/h、140km/h紧急制动瞬时摩擦系数高速时较标准下限稍低。
C盘副常用制动工况的瞬时摩擦系数曲线部分超过标准规定的范围，其中160km/h、140km/h、120km/h、90km/h常用制动瞬时摩擦系数曲线局部高于标准规定的上限。
B盘瞬时摩擦系数
B盘副紧急制动工况的瞬时摩擦系数曲线部分超出标准规定范围，其中160km/h、120km/h、90km/h紧急制动瞬时摩擦系数局部较标准上限稍高，180km/h及160km/h局部紧急制动瞬时摩擦系数较标准下限稍低。
B盘副常用制动工况的瞬时摩擦系数曲线部分超过标准规定的范围，其中160km/h、140km/h、120km/h常用制动瞬时摩擦系数曲线局部高于标准规定的上限。
(2)平均摩擦系数
经过对比表明：洛阳盘副平均摩擦系数全部在规定范围内，C和B盘副部分超出标准上限，A盘副全部超出标准上限(160-1是指160km/h速度的第1次紧急制动)。
(3)静摩擦系数
表1各盘副静摩擦系数
| 项目 | C盘副 | 洛阳盘副 | A盘副 | B盘副 | 标准值 |
| 数值 | 0.542 | 0.352 | 0.454 | 0.388 | ≥0.33 |
由表中数据可见，以C盘副静摩擦系数最高，洛阳盘副最低，各盘副的静摩擦系数均满足标准的要求。
(4)制动盘表面最高温度
斜率最低的是B盘副，其次是洛阳、C，A盘副的斜率最大，该斜率表示盘面最高温度随制动初速度增大而提高的速度，斜率大，温升就快，斜率小，温升就慢。
实验证明：在180km/h速度以内的紧急制动中，只有洛阳盘副的盘面最高温度没有超过400℃，其中C、A的180km/h及B盘的160km/h盘面最高温度都超过了400℃。可见，洛阳盘具有较为良好的温度特性。
(5)紧急和常用制动瞬时摩擦系数极值差
一般来讲，极值差越小，表明摩擦系数曲线的波动小，曲线平稳其制动性能相对就好；
由图3可以看出，洛阳盘副的摩擦系数极值曲线最为平缓，即随速度及闸瓦压力的影响最小，摩擦系数也最稳定。
其余三盘副的摩擦系数极值曲线均表现出不同程度的较大波动。说明摩擦系数最大值的离散性较大，既受制动初速度和闸瓦压力的影响较大；由摩擦系数曲线也可以看出，这三个盘的曲线的起伏较大、尾部翘起，即高速时摩擦系数较低，而低速时摩擦系数却又较高，分布范围比较宽，这对制动极为不利。
由图3可以看出，洛阳盘副的极值差整体上最小，高闸瓦压力和低闸瓦压力差别也最小，更证明了其制动摩擦性能非常稳定。而其余三盘副的极值差就较大且高低压存在不同程度的差别，说明了其制动摩擦系数受制动闸瓦压力等因素的影响较大。
比较所试验的4种制动盘在与同一HVD-I型闸片配副情况下的摩擦——磨耗性能，得出如下结论：
与现有铁路客车通用的3种制动盘相比，本发明的制动盘副(简称洛阳盘)具有更为稳定而良好的摩擦性能，温度也较低，在制动过程中产生的红热带及火花等较弱。
综合考虑认为本发明的制动盘完全能够满足160km/h以下速度级的铁道车辆的运用要求。
本发明所制备的蠕墨铸铁制动盘装车运行试验
1、试验时间、区段：
共试验洛阳---嘉峰、洛阳---济南两个区段
1.1洛阳---嘉峰区段：区间行程144公里，共停车16次，区间最大坡道13‰，距离6450米，最小区间半径400米，区间最高时速80公里/小时。
试验日期为2002年4月29日至2002年5月31日，共32趟，累计运行9216Km。
试验车号：47270
1.2洛阳---济南区段：区间行程676公里，共停车22次，区间最高时速119公里/小时。
试验日期为2002年6月9日至2002年7月1日，共11趟，累计运行14872Km。
试验车号：47270
2、装车方案：
试验装车为每次一辆车，机后一位，试验盘和铁科研对比盘装在同一条轮轴上，即三号位装试验盘，四号位装灰铁对比盘，两盘均为新装盘。
3、试验情况：
试验期间，采用试验小组人员跟车检验和专职列检员定时定点检验相结合的方法，对试验的制动盘表面情况进行跟踪检查。为掌握实际运行中制动盘表面的温度变化，在各试验区段各进行了一次制动盘实际表面温度的测量，即到站后立刻用便携式红外线测温仪对试验盘的表面温度进行检测，结果表明制动盘的表面温度正常，到站后测量的表面温度不高于45℃。每一试验区段结束后，用千分尺对制动盘标定点进行尺寸检测，测量尺寸为两摩擦面间距。洛阳---嘉峰、洛阳---济南两个区段共运行24088公里后，试验后检查蠕墨铸铁试验盘盘表面光滑，无剥离、热裂纹等现象，磨损总量为0.267毫米，铁科研同类盘的磨损量为0.448毫米，所研制的蠕墨铸铁制动盘的耐磨性高于灰铸铁制动盘(铁道科学院生产)。
4、结论：
本发明的研制蠕墨铸铁制动盘，经总计24088Km的实际运行后，表面光滑，未发现剥离、热裂纹等现象。且本发明所研制的蠕墨铸铁制动盘的耐磨性高于灰铸铁制动盘。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1、一种抗热裂蠕墨铸铁制动材料，其特征在于：该制动材料主要包括以下重量百分含量的成分：C：3.4-3.6％，Si：2.35-2.65％，Mn：1.4-1.6％，P：0-0.07％，S：0-0.02％，其余为铁。
2、根据权利要求1所述的抗热裂蠕墨铸铁制动材料，其特征在于：其内还加入有重量百分含量为0.55-1.0％的蠕化剂以及重量百分含量为0.9-1.1％的孕育剂。
3、根据权利要求2所述的抗热裂蠕墨铸铁制动材料，其特征在于：所述的蠕化剂为Re-Mg-Ti-Ca蠕化剂，所述的孕育剂为硅含量为75％的硅铁。
4、一种由权利要求1-3中任一条所述的抗热裂蠕墨铸铁制动材料制成的蠕墨铸铁制动盘，其特征在于：该制动盘由下列方法制备而成，将含C：3.4-3.6％，Si：2.35-2.65％，Mn：1.4-1.6％，P：0-0.07％，S：0-0.02％的蠕墨铸铁的铁水在250kg中频感应电炉熔炼，以稀土镁钛合金Re-Mg-Ti-Ca为蠕化剂，硅含量为75％的硅铁为孕育剂，其加入量为0.9-1.1％(重量百分含量)，冲入法处理铁水，蠕化剂加入量范围为0.55-1.0％(重量百分含量)，蠕化后采用顶注式浇注系统进行浇注；采用潮模砂造型工艺生产，生产中使用面砂以获得较高的砂型硬度和型砂湿强度；采用CO2水玻璃砂法造型工艺成型。
5、根据权利要求4所述的抗热裂蠕墨铸铁制动材料制成的蠕墨铸铁制动盘，其特征在于：浇注过程中采取先快后慢的浇注方式。
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