（机械工程专业论文）准高速列车制动盘材料性能的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路主要技术政策、铁路科技发展。十五”计划和2 0 1 5 年发展规划纲要指出， 要逐步实现客运专线高速化，客运高速列车的最高时速应大于3 0 0 1 m 地，紧急制动距离应 小于3 7 0 0 m 列车速度的提高。对车辆行驶安全至关重要的基础制动装置的性能提出更高 的要求 本文通过对蠕墨铸铁制动盘摩擦磨损性能的研究，研制出准高速列车蠕墨铸铁制动盘 主要研究内容：在实验室进行蠕墨铸铁的成分、组织对摩擦磨损性能的影响及蠕墨铸铁的 热疲劳性能的研究在自制的销盘式摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，配副选用高速 列车使用的蠕墨铸铁，半金属配副，以模拟列车制动时的实际工况。通过调整试验机转速和 所加载荷，获得不同速度、载荷下摩擦副的摩擦系数和磨损率，通过改变铸铁成分，石墨 形态。研究不同碳当量，不同基体组织，不同石墨形态铸铁的摩擦学特性热疲劳试验采 用反复加热胁却的方式，用水淬、雾冷两种蠕墨铸铁热疲劳的抗力的指标最后在洛阳一 一嘉峰、洛阳一一济南进行装车运行试验。 所研制制动盘的摩擦蘑损性能测定在盘形制动1 ：1 制动动力实验台上进行。由于我国 及其他国家标准中没有专门检测制动盘性能的实验方法，故采取了对比实验的方法，对新 研制动盘与现有铁路客车通用的3 种制动盘的摩擦一磨耗性能作出对比得出所研制的蠕 墨铸铁制动盘耐磨性能是灰铸铁制动盘的1 6 7 倍和蠕墨铸铁的热疲劳性能是灰铸铁的2 5 倍的结论 关键词：列车；制动盘；蠕墨铸铁材料；摩擦磨损性能；制动特性 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t ( t h em a i nr a i l w a yt e c h n i q u ep o f i c y a n d ( t h et e n t hf i v e - y e a rp l a nf o rt h e r a i l w a yt e c h n i q u ed e v e l o p m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n tp r o g r a m m i n gd e s i g n g i v et h e r e q u i r e m e n tt h a tt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r ts p 树a lr a i l w a ys h o u l db eh i g hs p e e d , t h e p a s s e n g e rt r a n s p o r th i g h - s p e e du a i n ss p e e ds h o u l db em o r et h a n3 0 0 k r a s , t h e e m e r g e n c eb r a k ed i s t a n c es h o u l db el e s st h a n3 7 0 0 m , t h er i s i n go ft h et r a i ns p e e d b r i n gt h eh i g h e rr e q u i r e m e n tt ot h eb a s i cb r a k ed e v i c e sp e r f o r m a n c ew h i c hi sv e r y i m p o r t a n tt ot h er a i l w a yv e h i c l e ss a f e t yp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h er e s e a r c ht ot h ef r e t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o n b r a k ed i s k , t h ev e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o nb r a k ed i s kh a sb e e n d e v e l o p e df o rt h eq u a s i - h l g h - s p e e dt r a i n a t t e n t i o ni sp a i dt o ：t h ee f f e c to ft h ec o m p o n e n ta n ds t r u c t u r eo ft h e v e r m i c u l s rg r a p h i t ei r o nt ot h ef r e t t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ev e r m i c u l a rg r a p h i t e i r o n st h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t y w ec a r r yo u tt h er i c t i o nf r e t t i n ge x a m i n a t i o nu s i n g t h ed i s k - t y p ef r i c t i o nf r e t t i n ge x a m i n a t i o nm a c h i n em a d e b yo u r s e l v e s , a n da d o p t i n g t h ev e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o n s e m i - m e t a le q u i p p i n gp a i ru s e db yt h eh i g h - s p e e dt r a i n t os i m u l a t et h ea c t i d a lw o r k i n gc o n d i t i o nw h i l et h et r a i nw o u l db eb r a k e d w eh a v e g o t t e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t a n dt h ef r e t t i n gr a t eu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e da n d l o a d st h r o u g ha d j u s t i i 塔t h ee x a m i n a t i o nm a c h i n e sr o t a t i n gs p e e da n dt h el o a d s w e h a v ei n v e s t i g a t e dt h ef r i c t i o np e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n t 伽r b o ne q u i v a l e n t ，b o d y s t r u c t u r ea n dt h eg r a p h i t ec o n f i g u r a t i o nt h r o u g hc h a n g i n gt h ei r o nc o m p o n e n ta n d g r a p h i t ec o n f i g u r a t i o n w eh a v eo b t a i n e dt h ev e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o n sr e s i s t a n c e i n d i c a t o rt h r o u g ht h et h e r m a lf a t i g u et e s tt h r o u g hh e a t i n ga n dc o o l i n gr e p e a t e d l y f i n a l l y , w eh a v ec a r d e do u tt h eu s i n ge x a m i n a t i o na tt h ed i s t r i c tf r o ml u o y a n gt o j i a f e n ga n df r o ml u o y a n gt oj m a n t h et e s to ft h eb r a k ed i s k sf r i c t i o nf r e t t i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e nc a r r i e do u to n t h ed i s k - t y p eb r a k e1 ：1b r a k ed y n a m i ce x a m i n a t i o nt a b l e b e c a u s et h ec o u n t r y s t a n d a r do fo u i c o u n t r ya n do t h e rc o u n t r i e sh a v en ot h ee x a m i n a t i o nm e t h o dt ot e s t t h ep e r f o r m a n c eo ft h eb r a k ed i s kw eh a v ea d o p t e dt h ec h e c ke x p e r i m e n tt oc o m p a r e t h ef r i c t i o n - f r e t t i n gp e r f o r m a n c eb e t w e e nt h en e wb r a k ed i s ka n dt h ep r e s e n tt h r e e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 k i n d so fb r a k ed i s ku s e db yt h ep a s s e n g e rv e h i c l ea n dh a v eg o t t e nt h ec o n c l u s i o nt h a t t h ea b r a s i o nr e s i s t a n c eo ft h ev e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o nb r a k ed i s ki s1 6 7t i m e st h e g r a yc a s ti r o nb r a k ed i s ka n dt h et h e r m a lf a t i g u ei s2 5t i m e s k e yw o r d s ：t r a i n ；b r a k ed i s k ；v e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o nm a t e r i a l ；f r i c t i o na n d f r e t t j n gp e r f o r m a n c e ；b r a k ep e r f o r m a n c e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1问题的提出 铁路主要技术政策、 铁路科技发展“十五”计划和2 0 1 5 年发展规划纲 要指出，要逐步实现客运专线高速化，客运高速列车的最高时速应大于 3 0 0 k m h ，紧急制动距离应小于3 7 0 0 m 列车速度的提高，将会对车辆行驶安全 至关重要的基础制动装置的性能提出更加苛刻的要求。高速列车对制动系统的 要求体现在以下几个方面： 安全性：紧急制动距离是检验列车制动性能和安全性的最基本条件。我国已 研究制定了各种高速列车的基本技术条件例如，在考虑了必要的安全裕量的 情况下，京沪2 0 0 k m k3 0 0 k i n h 的紧急制动距离分别为1 8 0 0 m 和3 7 0 0 m 。 为此，高速列车制动系统必须具有高速停车时足够的制动功率，以保证尽可能 短的制动距离。 可靠性：高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力包括计算机网络或 电控制动故障、供电网络失电( 无动力制动) 、下坡道停车时的可靠性设计 舒适性：高速列车的制动作用时间和制动减速度远大于普通旅客列车，而这 些参数是判断旅客舒适性的重要指标之一因此要求采用摩擦特性良好的盘形 制动装置等。 盘形制动通过制动盘与刹车片的相互摩擦来实现。在我国制动盘材料采用 灰铸铁与蠕墨铸铁同时并用，但由于蠕墨铸铁是一种新型的制动盘材料，对于 蠕墨铸铁制动盘的许多技术问题我国尚没用解决，故我国目前制动盘仍采用灰 铸铁制造。灰铸铁制动盘的主要不足为耐磨性差，热疲劳抗力低，制动性差 当列车运行速度高于1 2 0 1 a n h 后，其使用性能无法满足高速列车制动的需求 因此，开发研制蠕墨铸铁制动盘是非常必要的 1 2 国内外研究现状 ， 世界各国对高速列车制动盘进行了大量的研究工作，其重点主要放在制动 材料的选取上，法、德、日、英等国在这一领域走在了世界的前沿【1 1 上述国 家不仅对传统的摩擦制动材料铸铁( 钢) 和锻钢进行了一系列的材料改进和优 化工作，而且致力于开发传统制动盘材料之外的新型材料，如颗粒增强铝基复 合材料和c c 复合材料，以减轻歹车簧下重量，降低牵引功率耗损刚 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 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。 内部加入合金元素眦c bm o 等，可以提高材料的耐热龟裂性和高温耐磨性但 于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i c t 匕- i 高速列车上采用铝基复合材料制动盘进行了模拟制 动试验，效果良好【4 】。日本三菱铝业所制备的铝基复合材料制动盘也在1 0 0 n 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【珂另外，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i 坷，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。 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( 2 0 0 l m l 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、脱落等问题第六次提速后2 0 0 l u r c h 动车组的制动盘 采用高耐热性锻钢( s n c m ) 蠕墨铸铁与高耐热性锻钢相比经济性高，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。本文以客车制动盘为对象，系统研究了蠕墨铸铁的千摩擦磨损特性，以 指导蠕墨铸铁制动盘的合理选材，这对我国蠕墨铸铁制动盘的应用和产业化具 有积极的指导意义f 1 嗍 1 3 本文研究的主要内容、方法与目标 1 3 1 主要内容 1 、蠕墨铸铁材料的摩擦磨损性能的研究 以蠕墨铸铁刹车片材料为配副，进行摩擦磨损性能的试验 1 ) 在试验机条件下，模颓迸行不同成分、组织蠕墨铸铁的摩擦磨损性能 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 的试验。主要研究石墨形态与基体组织对摩擦磨损性能的影响 2 ) 在台架试验条件下，进行蠕墨铸铁制动盘的摩擦磨损性能研究 3 ) 在实际运行条件下，研究蠕墨铸铁的成分、组织与摩擦磨损性能 2 、蠕墨铸铁制动盘成型技术研究 1 ) 厚大断面蠕墨铸铁蠕化工艺与孕育及交质技术。制动盘单件重3 0 0 k g , 属厚大断面铸件，在凝固过程中会出现蠕化退化现象 2 ) 蠕墨铸铁制动盘的成型工艺拟采用离心铸造工艺、通过合理的模具设 计，生产出优质的制动盘铸件 、 3 ) 蠕墨铸铁制动盘的生产中试。在中等批量生产条件下，在生产厂进行 批量生产试验。 1 3 2 研究和试验方法 1 、对材料进行台架试验。 2 、对成品进行动平衡试验 3 、对成品进行台架试验。 4 、对成品进行装车运用试验 1 3 3 蠕墨铸铁制动盘的研究目标 以客车制动盘为对象，系统研究了蠕墨铸铁的干摩擦磨损特性，以指导蠕 墨铸铁制动盘的合理选材，这对我国蠕墨铸铁制动盘的应用和产业化具有积极 的指导意义。 1 ，预期目标 1 ) 技术目标；制动盘的制动性能( 即摩擦性能) 满足铁道部标准并超过国 内同类产品的性能。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁制动盘的使用寿命( 耐磨性及抗 疲劳开裂能力) 提高1 倍以上与现在灰铸铁相比，蠕墨铸铁制动盘的生产成 ， 本提高幅度小于1 5 ： 2 ) 产品化目标：项目完成后，在郑州铁路局范围内铁道部认证的生产厂形 成中等批量的生产能力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章蠕墨铸铁的成分、组织与摩擦磨 。损性能 蠕墨铸铁的石墨形态介于球墨铸铁与灰铸铁之间，外形呈蠕虫状。该形态 属一种亚稳定态。与其它铸铁材料相比，蠕墨铸铁成分、组织对性能的影响更 加显著。因此，需对蠕墨铸铁的摩擦磨损特性进行系统研究。 2 1 试验条件 摩擦磨损试验在自制的干滑动摩擦磨损试验机上进行试验机的结构如图 2 1 所示。 45 6 l 驱动装置；2 滑动盘；3 样本框架；4 销试样；5 销钉夹钳：6 负载传送棒；7 负载装置；8 负载：9 压力转换器 图2 1 摩擦磨损试验机结构 试验的盘试样材料采用蠕墨铸铁，销试样材料采用新乡摩擦材料厂生产的 半金属商用客车刹车片，两者组成摩擦副，摩擦副的配副体积比与制动盘刹车 片的体积比相同。盘试样尺寸为0 1 4 0 x l o m m ，销试样尺寸为 2 0 x 1 8 n 。销 试样中心与旋转轴中心的距离为5 3 m m 试验中选用的四档转速分别为：2 4 5 n m i n ；4 0 0 n m i n ；6 1 3 n m i n ；1 0 0 0 n m i n ，相当于试样线速度分别为 1 3 6 m s ；2 2 2 m s ；3 4 0 m s ；5 5 5 m s 加载装置采用杠杆机构，选用正压力分别为 5 7 2 n ；8 5 8 n ；1 1 3 3 n ；1 4 8 6 n 相当于试样上的比压分别为0 2 1 3 m p a ；0 3 2 m p a ； 0 4 2 2 m p a ；o 5 5 3 m p a 。通过检测盘试样与销试样的磨损率及摩擦副的摩擦系数， 评估所研制材料的摩擦磨损性能。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 2 2 试验结果及分析 2 2 1 石墨形态的影响 1 ) 摩擦特性 图2 - 2 为三种不同石墨形态铸铁材料在不同速度、不同接触压力下的平均摩 擦系数变化规律。由图可见，随着速度、接触压力的增加，材料的摩擦系数降 低。三种铸铁材料的摩擦系数从大到小依次为灰铁、蠕铁、球铁。但在高速、 高接触压力条件下，蠕铁的摩擦系数与灰铁相当 作为摩阻材料应该具有高而稳定的摩擦系数摩擦系数的稳定性可用摩擦 系数波动范围来表示，定义摩擦系数的波动范围为：在某试验条件下，所测得 的摩擦系数最大值与最小值之差。图2 - 3 为三种不同石墨形态铸铁材料在不同 速度、接触压力下的摩擦系数波动范围曲线。由图可见，随着速度、接触压力 的增加，灰铁、蠕铁摩擦系数的波动范围减小三种不同石墨形态铸铁材料相 比较，灰铁的摩擦系数波动范围最大，在低速、低接触压力条件下球铁摩擦系 数的波动范围小于蠕铁，在高速、高接触压力条件下，则相反即在与半金属 材料配副的高速、高接触压力条件下，蠕铁摩擦系数的稳定性最好。 综合来看，三种铸铁材料中，蠕铁的摩擦系数高于球铁，在高速、高接触 压力条件下，其摩擦系数与灰铁相当。从摩擦系数的稳定性和摩擦系数达到最 大值所需的时间上来看，蠕铁的性能最好。 图2 _ 4 为三种不同石墨形态铸铁材料在不同速度、接触压力下的平均磨损率 变化规律。由图可见：随着摩擦速度的增加，材料的磨损率降低；随着接触压 力的增加，材料的磨损率增加；石墨形态对铸铁材料的磨损率影响显著，磨损 率从大到小的顺序依次为灰铁、蠕铁、球铁。其中蠕铁、球铁的磨损率缀接近。 远小于灰铁 作为一对摩擦副，不仅要求盘试样本身材料的耐磨性能好，而且要求对配 副造成的磨损小。图2 - 5 为试验中测得的不同石墨形态铸铁盘试样和与之配副 的半金属块试样的平均磨损率。可见，蠕铁盘试样的磨损率接近球铁，约为灰 铁的二分之一：半金属摩擦材料块试样的磨损率均大于盘试样，蠕铁对配副方一 半金属摩擦材料造成的磨损，与灰铁相当，约为球铁的5 5 。因此，蠕铁与半 金属材料配副的综合耐磨性能最好 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 o j 置0 3 5 墨 罐此 蚕叫 藿o i 藿o 0 5 o l234，6 谜度v ，m f l o - 5 5 o 5 置o 盯 羹0 4 麓o 3 5 蛩0 3 眈5 心 n i0 2o 30 4o jo 6 接触压力n m i ，i ( i ) 速度与摩攘系数的关系彻接触压力与摩擦系数的关系 图2 - 2 速度、接触压力对摩擦系数的影响 2 ) 磨损特性 2356 速度v mr 1 0 2 7 i 0 2 2 纂0 1 7 蠢0 1 2 幅 鼙0 0 7 鼍 o o 10 20 30 o 6 接触压力胁 图2 - ：3 速度、接触压力对摩擦系数波动范围的影响 蚓4 颤 寻嗍 ! “罩| 基： p 彳 l _ j 曲 0i334501 e , 21 1 3 e 4 黻v 耐接麓压力 图2 _ 4 速度、接触压力对盘试样磨损率的影响 懈哺!耋临心 置凝!馨馨鼍 n z -k；喜事鼍鞲誓 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 一焉 何 盯肌舅 ( a ) 盘试样平均磨损率 q t盯h n 冀 0 垮不同材料配酗的块试样 平均磨损率 图2 - 5 盘试样及与之配副的半金属块试样的平均磨损率 簟 嘶 纛 oi 23 l | i 删 图撕不同石墨形态铸铁的干滑动摩擦磨损性能 图2 7 蠕墨铸铁基体组织与摩擦磨损性能 0 2 l事幂 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 需要说明：在蠕墨铸铁中，蠕化率对摩擦磨损特性的影响也是十分显著的。 图2 - 6 为反映蠕化率的石墨长宽比与摩擦系数及磨损率之间的关系。可以看出： 当石墨长宽比在8 1 0 ，即蠕化率在8 0 - - 9 0 之间时，铸铁的摩擦系数最高、而同 时磨损率最低。因此在蠕墨铸铁制动盘中，应对蠕化率有更高的要求，这一方 面是保证热疲劳性能所必须的，另一方面也有利于保证制动盘的摩擦磨损性能。 m n o 1 5 m n o 5 7 m n l 4 4 图2 - 8 不同锰含量的蠕墨铸铁组织( 1 0 0 x ) 2 2 2 基体组织对蠕墨铸铁摩擦磨损性能的影响 基体组织是影响蠕墨铸铁摩擦学特性的主要因素从图2 - 7 的试验结果可 以看出：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但是，从珠光体含量对磨损率的影 响幅度来看，当锰含量超过0 4 0 5 ，组织中珠光体含量超过6 0 后( 图2 8 所示) 磨损率降低的程度显著减小。 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。单纯铁素体基体或珠光体基体都具有高的摩擦系数 因此，从综合性能分析，建议蠕墨铸铁制动盘材料的基体组织应以珠光体 为主，我国蠕墨铸铁制动盘中规定的珠光体含量大于2 5 的标准偏低，不利于 控制制动盘的制动性能与使用寿命。 2 2 3 石墨数量的影响 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 c e 4 3 8 a 三3 跖 c e 3 5 7 图2 - 9 不同碳当量蠕墨铸铁的石墨数量( 1 0 0 x ) 图2 1 0 不同碳当量蟠墨铸铁的摩擦磨损性能 在制动器中，蠕墨铸铁石墨数量对摩擦磨损性能的作用远大于对铸铁其 它性能的影响。其原因是石墨数量不仅影响铸铁的力学性能而且影响制动过程 中产生的大量摩擦热从摩擦表面向内部的传递能力因此，本文对于蠕墨铸铁 石墨数量的影响进行了研究。考虑到蠕墨铸铁碳当量与石墨数量之间存在一致 性关系，研究设计了不同碳当量蠕墨铸铁摩擦磨损性能的对比研究不同碳当 量蠕墨铸铁的组织如图2 - 9 所示。 图2 - 1 0 为碳当量对蠕墨铸铁摩擦磨损性能的影响可以看出：从摩擦系数 来看，碳当量的提高使摩擦系数略有降低；而对于磨损率，当碳当量小于4 2 时， 碳当量变化对磨损率影响不大。而当碳当量超过4 2 后，蠕墨铸铁的磨损率略 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 有增加，半金属材料的磨损率有较大增加因此，作为制动盘材料，对于蠕墨 铸铁的碳当量应有所限制。综合考虑碳当量对摩擦磨损性能、热疲劳性能、铸 造性能等的影响，碳当量的选择应以共晶点附近为宜。 2 3 小结 l _ ) 在球墨铸铁、蠕墨铸铁及灰铸铁三种材料中，蠕墨铸铁具有高而稳定的摩 擦系数、低而稳定的磨损率。因此，作为制动盘材料，不但具有良好的制动性 能，而且具有高的使用寿命。 2 ) 随着碳当量的增加，摩擦副的摩擦系数略有降低当碳当量超过4 2 后 蠕墨铸铁的磨损率略有增加，同时导致半金属材料的磨损率也显著增大。因此 制动器中，综合考虑碳当量对摩擦磨损性能、热疲劳性能、铸造性能等的影响， 碳当量的选择应以共晶点附近为宣。 3 ) 在蠕墨铸铁中，随着锰含量增加，基体组织中珠光体含量显著增加。摩 擦磨损特性的试验结果表明：在中等锰含量范围内m 纽约为0 8 左右，珠光体含 量5 0 , - 6 0 1 摩擦副的摩擦系数最低，低或高的珠光体含量有利于获得高的摩擦 系数。但高珠光体含量的蠕墨铸铁有利于降低蠕墨铸铁与半金属材料的磨损率。 因此，建议制动盘材料选用高珠光体含量的蠕墨铸铁 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章蠕墨铸铁制动盘材质的热疲劳性 能研究 热疲劳是制动盘非正常损坏的主要表现形式。制动盘在使用过程中，反复 制动造成的制动盘温度上升与降低，在盘体形成交变的热应力。与灰铸铁和球 墨铸铁相比，蠕墨铸铁具有优良的热疲劳抗力，已经过了大量的试验和工业应 用的验证。因此从熬疲劳性能考虑，选用蠕墨铸铁作为制动盘材料是非常合适 的。 国外对于蠕墨铸铁的热疲劳性能进行了大量的试验研究。主要的研究手段 是采用试验室模拟研究与实际运行试验考核相结合，但针对制动盘服役条件的 热疲劳性能研究较少，为此，在实验室进行了系统的研究 3 1 试验方案 从试验角度考虑，为加快热疲劳试验的周期，国内冠类产品对制动盘材料 抵抗热疲劳能力的考核采用水淬的研究方法，但这种方法与制动盘的实际工况 条件差距很大，而材料热疲劳特性的表现行为又与材料的冷却速度之间存在非 常密切的关系，因此采用水淬冷却的研究方法来评定制动盘材料热疲劳性能有 许多不合理因素。 从热疲劳角度分析，最为苛刻的制动盘服役条件是雨天运行。对于高速列 车，处于车厢底部的制动盘在雨天很难受到雨水的直接冲击，最为可能的情况 是，高速列车带动雨水雾化后，对制动盘产生间接冷却作用，为此，本项目选 用水雾冷却方式，研究蠕墨铸铁制动盘材料的热疲劳性能。考虑到与其它科研 单位研究结果的横向对比，同时进行了水淬冷却方式的热疲劳性能研究 图：3 - i 和图3 - 2 分别为水雾冷却、水淬冷却热疲劳性能测试装置示意图。水 淬冷却时，人工将试样放置到保温炉中，加热一定时闻后，立即取出，放入水 中冷却至室温。记录首次出现裂纹的次数，并间隔一定冷却次数，采用读数显 微镜测量裂纹的长度。水雾冷却试验，采用自制的热疲劳性能测试装置进行， 试样首先在炉体内加热一定时间，然后出炉，随即喷雾冷却至室温，然后再次 入炉加热。该装置通过行程开关和时间继电器控制整个过程自动进行，采用计 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 图3 - 1 水淬冷却热疲劳性能测试装置示意图 压缩空气 软 脉试样夹头 图3 - 2 水雾冷却热疲劳性能测试装置示意图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 数器记录循环次数检测首次出现裂纹的次数，并测量裂纹扩展速率。根据裂 纹萌生温度循环次数裂纹扩展速率。评价材料的热疲劳性能。 自制水雾冷却热疲劳性能测试装置如图3 - 3 所示 圈3 - 3 自制水雾冷却热疲劳性能测试装置 热疲劳试验采用图3 - 4 所示的试样。试验前，首先采用现切割在试样圆周 上沿直径方向预制3 m m 深的裂纹。 矽3 0 1 2 厂 k& j 。 一 图3 4 热疲劳试验试样 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 热疲劳试验参数的确定 加热速度与冷却速度是材科熟疲劳的最主要服役条件根据材料热应力 的基本理论，无论是加热过程中，还是冷却过程中，产生于材料内部的热应 力正比于材料不同部位之间的温度梯度。为此，试验参数的确定以试样内外 的最大温度梯度为依据确定。 7 图3 - 5 加热时间与热疲劳试样内外温度 图3 - 5 为加热过程中试样心部与表面温度随加热时间的变化关系可见随 着加热过程的进行，试样内外温差经历从小到大，之后又重新减小的过程。 因此，热疲劳试验的加热温度、加热时间必须通过实验确定 本项目采用的工艺为 水淬气氛温度，6 0 0 0 ，加热时问8 m i n ，水冷 雾冷气氛温度，7 3 0 c ，加热时问9 0 s e c ，雾冷时间，5 0 s e e 3 3 结果分析 3 3 。1 蠕墨铸铁热疲劳特征 图3 6 为水淬冷却条件下，所研究的9 种蠕墨铸铁的平均裂纹长度和平均 裂纹扩展速率曲线可以看出：在初期出现裂纹后，随着循环次数的增加，裂 纹的尺寸增大较快，表现为裂纹的平均扩展速率很大之后，裂纹尺寸增大 幅度减小，扩展速率保持基本恒定因此，对于蠕墨铸铁，从出现裂纹，到 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 完全开裂，仍有比较长时间的稳定裂纹扩展期，这一特性对实际制动盘应用 过程中具有重要的实际意义，也就是说，在实际应用过程中，制动盘即使出 现裂纹，仍可以安全运行相当长的时间 5 舯e 0 3 4 5 0 e _ n 3 4 0 0 e - e 3 豸 j3 5 0 e - 0 3 晏3 0 0 e 0 3 i2 5 0 聃3 舅 2 伽崛一0 3 l k1 5 们啪 铽 搿l 们e _ 0 b 棼5 啪4 0 0 0 e + | m 0 5 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 ：5 水淬循环次数 一平均裂纹扩展速率；+ 平均裂纹长度 图3 - 6 蠕墨铸铁的热疲劳特性 3 3 2 水淬冷却条件下蠕墨铸铁组织与热疲劳性能 1 、基体组织的影响 o 0 0 8 q 墒n n 6 0 0 0 5 o 0 0 4 o - 伽b o 0 0 2 0 0 0 l 0 o0 5l1 5 舍锰置m n 一平均裂纹扩展速率；+ 平均裂纹长度 图3 7 水淬冷却2 3 2 0 次后蠕墨铸铁热疲劳性能与台锰量的关系 暑m)z趟举错群嚣 = ； 枷 加 抽 抛 冒邑z越举铽藤 s 7 5 3 5 l o 蟮i埘)z著瞽糟唯h搿 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 7 为水淬冷却条件下，锰含量对蠕墨铸铁热疲劳性能的影响。可以看 出：随着蠕墨铸铁中锰含量的增加、组织中珠光体含量增加，蠕墨铸铁的裂纹 长度减小锰含量较低时，裂纹的扩展速率较大，随着锰含量的增加，蠕墨 铸铁的裂纹扩展速率降低，并逐渐趋于平稳。这说明对于铁素体蠕墨铸铁， 它抵抗裂纹萌生强对蠕墨铁制动盘来说，采用珠光体基本更为合适。 o 0 0 1 3 o 0 0 1 6 露0 0 0 1 4 譬 曼0 0 0 1 2 z 暑0 0 0 1 嚣0 0 0 0 8 譬0 0 0 0 6 鬃o 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 2 53 o3 5 4 04 55 0 碳当量c e 一平均裂纹扩展速率：+ 平均裂纹长度 图3 - 8 水淬冷却2 3 2 0 次后蠕墨铸铁热疲劳性能与碳当量的关系 图3 - 9 碳当量为2 9 7 的蠕墨铸铁热疲劳裂纹 6 5 1 0 目 邑 z 魁 姒 醛 裂 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 - 1 0 碳当量为3 8 3 的蠕墨铸铁熟疲劳裂纹 图3 - 1 1 碳当量为4 5 8 的蠕墨铸铁热疲劳裂纹 2 、石墨数量的作用 图3 8 反映出水淬冷却条件下碳当量对蠕墨铸铁热疲劳性能的影响可 以看出对于抵抗裂纹萌生能力，石墨数量的增加导致抵抗裂纹萌生的能力直 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 线提高，首次出现裂纹的次数直线减少这是因为裂纹源是热疲劳裂纹萌生 的主要因素，铸铁中石墨数量的增加，裂纹源数目增多，开始萌生裂纹的次 数必然降低。 对于抵抗裂纹扩展能力，石墨数量对裂纹扩展速度的影响表现出峰值关 系中等石墨数量的蠕墨铸铁抵抗裂纹扩展的能力最差，裂纹的尺寸最长， 而低或高石墨数量的蠕墨铸铁则具有比较优怠的抵抗裂纹扩展能力蠕墨铸 铁的这种特性与铸铁中石墨对导热性有利影响及对强度性能不利影响的双重 作用有关石墨数量较低时，蠕墨铸铁的强度高，抑制裂纹扩展的能力比较 强；而在石墨数量高时，虽然强度降低，但由于石墨具有良好的导热性，因 此，铸铁内外温度梯度较小，热应力小，因此，扩展的动力减小，扩展速率 降低。 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 分别为不同碳当量蠕墨铸铁水淬2 3 2 0 次后产生的 裂纹形貌由图可见，碳当量为3 8 3 的蠕墨铸铁热疲劳裂纹长度最长，裂 纹的扩展是沿着石墨进行的。 3 3 3 水雾冷却条件下蠕墨铸铁组织与热疲劳性能 o 1 2 o 1 0 0 0 8 0 0 6 业 墓0 0 4 o 舵 0 0 0 3 6 0 0 0 4 0 0 0 04 2 0 0 0 雾冷次数 图3 1 2 不同锰含量蠕墨铸铁雾冷循环次数与裂纹长度的关系 g 眦，z 毯 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 9 页 o 1 8 o 1 6 0 1 4 0 1 2 董0 1 0 蔓0 0 8 0 0 6 群0 0 4 0 0 2 0 4 0 0 0 04 2 0 0 0 雾冷次数 图3 - 1 3 不同碳当量蠕墨铸铁雾冷循环次数与裂纹长度的关系 与水淬冷却相比，水雾冷却更接近于制动盘的实际服役情况，但由于冷 却强度低，因此出现裂纹的次数显著延长热疲劳测试试验进行到2 7 0 0 0 次时， 蠕墨铸铁尚未出现裂纹，有些试样甚至进行到4 0 0 0 0 次仍未出现裂纹( 如图 3 1 2 、图3 1 3 所示) ，而灰铸铁一般在1 0 0 0 0 - 1 5 0 0 0 次左右出现裂纹。说明蠕墨 铸铁具有十分优良的热疲劳性。 1 、基体组织的影响 图3 1 4 为水雾冷却条件下锰含量对蠕墨铸铁热疲劳性能的影响。由图可 见，在水雾冷却条件下，蠕墨铸铁裂纹长度和裂纹扩展速率随含锰量的变化 规律与水淬冷却条件下基本相同，尽管试验点的分散性较大，但仍然可以看 出随着含锰量的增加，蠕墨铸铁裂纹长度和裂纹扩展速率均星下降趋势 2 、碳当量的影响 图3 1 5 反映出水雾冷却条件下碳当量对蠕墨铸铁热疲劳性能的影响可 见，随着碳当量的增加，蠕墨铸铁的裂纹长度呈现下降的趋势，石墨数量对 裂纹扩展速率的影响仍然表现出峰值关系，即中等石墨数量的蠕墨铸铁抵抗 裂纹扩展的能力最差 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 3 5 0 e - 0 5 73 0 0 e 0 5 量 宴2 5 0 e - 0 5 蒌2 0 0 e - 0 5 蛏1 5 0 e 0 5 袭1 0 0 e 0 5 裂5 0 0 e 0 6 0 0 0 e + 0 0 o0 5l1 5 含锰量m n 一平均裂纹扩展速率：+ 平均裂纹长度 图3 1 4 雾冷4 2 0 0 0 次后蠕墨铸铁热疲劳性能与含锰量的关系 3 0 0 e - 0 5 考2 5 0 e - 0 5 j 嚣2 0 0 e 0 5 蘧1 5 0 e - 0 5 袭1 0 0 e - 0 5 裂5 0 0 e 0 6 0 0 0 e + 0 0 2 533 544 55 碳当量c e 0 1 2 0 1 0 g 0 0 8 麦 毯 0 0 6牮 0 0 4 尉 o 0 2 o 0 0 0 1 2 0 1 2 0 1 2 l 0 1 2芝 0 1 0 受 o 0 8蕊 0 0 6 群 o 0 4 0 0 2 0 o o 一裂纹扩展速率；+ 裂纹长度 图3 - 1 5 雾冷4 2 0 g 0 次后端墨铸铁热疲劳性能与碳当最的关系 3 4 小结 1 、在水雾冷却条件下，蠕墨铸铁的热疲劳抗力明显高于灰铸铁灰铸铁 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 一般经过1 0 0 0 0 - 1 5 0 0 0 次熟疲劳循环出现裂纹，试验结果表明：蠕墨铸铁出现裂 纹的热疲劳循环次数大于2 7 0 0 0 - 4 0 0 0 0 次，故蠕墨铸铁的耐热疲劳性能约为灰 铸铁的2 5 倍。 2 、蠕墨铸铁从出现裂纹，到完全开裂，有比较长时间的稳定裂纹扩展期， 这一特性对实际制动盘应用过程中具有重要的实际意义，也就是说，在实际 应用过程中，制动盘即使出现裂纹，仍可以安全运行相当长的时间。 3 、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 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 第4 章蠕墨铸铁制动盘成型工艺研究 制动盘是盘型制动的关键部件，其质量的优越对保证列车的安全运行是 至关重要的。蠕墨铸铁制动盘能否成功地应用于实际中，取决于所生产的制 动盘能达到相关的技术标准。合理的制动盘成型技术是保证制动盘安全性、 制动性能、使用寿命的关键技术铸造缺陷、加工精度对于保证制动盘的动 平衡性能有十分重要的影响，同时铸造缺陷还有可能通过影响制动盘的导热 能力而对制动性能及热疲劳抗力产生十分显著的影响。因此，本文对制动盘 的铸造工艺、蠕化工艺和机加工工艺进行了相关的研究，以便为制动盘生产 提供指导。 4 1 蠕墨铸铁制动盘的铸造工艺 4 1 1 造型和制芯工艺 制动盘简图如图4 1 。制动盘系圆盘类铸件，上、下平面之间由多条散热 筋片相连。由于筋片多而薄，考虑到铸件的出砂性及表面光洁度，我们采用 桐油砂制取砂芯芯砂配比为：砂重9 5 ，桐油3 ，膨润士2 。混制工艺为： 砂+ 膨润土在混砂机中预混3 0 秒后加入桐油，再混7 8 分钟后出砂。制备好的 砂芯放入烘箱内烘干，烘干温度1 9 0 2 1 0 c ，保温3 吩钟后随炉冷却。 由于散热筋片多而密，为保证芯子的形状完整准确，芯盒采用漏模方式， 与盘毂相连的螺栓搭子采用活块按此工艺所制制动盘砂芯形状完好、尺寸 准确，符合技术要求 潮模砂具有生产工艺成熟、回用性好及成本低等优点，应用较为普遍。 本研究试验用制动盘亦采用潮模砂造型工艺生产生产中使用面砂以获得较 高的砂型硬度和强度，所生产的制动盘铸件砂孔少、表面光洁度高。试验结 果表明，采用潮模砂造型工艺完全适合于制动盘铸件的生产，生产出的制动 盘铸件尺寸精度及表面质量均符合其技术要求 成型技术试验中采用c 0 2 水玻璃砂法造型工艺同样获得了质量优异的制 动盘铸件 4 1 2 铸造工艺设计 4 1 2 1 零件的工艺性分析 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 1 ) 生产的制动盘为对开式蠕墨铸铁制动盘，外径为6 4 0 r a m ，内径为3 6 0 m m 制动盘毛坯上平面厚度近3 0 m m ，在生产中易产生缩陷，在铸造生产中易产生 气孔、缩松、缩陷等缺陷，四个螺栓连接搭子由于尺寸较大也易产生缩松缺 陷 2 ) 两平面间的筋片较薄，易产生冷隔、浇不足等缺陷。 由于摩擦面的质量要求较高，不允许有大的铸造缺陷。因此保证上摩擦 面无缩陷等铸造缺陷是铸造工艺设计重点考虑的问题之一 4 1 2 2 铸造工艺 由于零件的对称性，沿零件中心线将砂芯分为左右完全相同的两个砂芯， 这样可减少砂芯尺寸降低制芯难度，方便砂芯运输，同时也可减少芯盒和烘 芯设备的尺寸，有利于降低生产成本；采用潮模砂制造砂型。 为验证不同的浇注系统对铸件质量的影响，试验中采用了底注、顶注、 阶梯式等不同类型的浇注系统。经过几十炉次的试验，以顶注式浇注系统最 为合适，其操作简便，铸件冲砂、冷隔等缺陷少由于铁水从冒口浇入，铁 水的温度较高，能造成强烈的顺序凝固条件，很好地发挥冒口的补缩作用， 故能有效减少上平面缩陷缺陷。在浇注过程中采取先快后慢的浇注方式，对 减少上平面凹陷和筋片冷隔有很好效果其工艺简图见图4 2 。采用此工艺后， 所生产的制动盘毛坯均无冲砂、表面缩陷等缺陷，质量良好。由于采用项注 方式，铁水可经筋片流向下平面，对于下平面而言，筋片相当于顶雨淋浇口， 这将有利于下平面