具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，原料及配比如下：C：0.20～0.35％；Si：0.21～0.31％；Mn：0.68～1.19％；V：0.18～0.42％；Cr：1.07～2.54％；Ni：0.89～2.33％；Mo：0.17～0.39％；Cu：0.12～0.75％；P：0.005～0.01％；S：0.005～0.01％；Al：2.55～4.38％；Fe:余量。本发明还公开了一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法。本发明的制动盘材料的组织中有晶内弥散分布的Fe3Al超细相，Fe3Al超细相具备低热膨胀系数和高硬度，其摩擦性能不随摩擦温度等制动条件的变化而引起摩擦性能波动性，使摩擦盘制动过程中具有稳定的摩擦系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料及其制备方法，属于高速列车制动用的摩擦材料技术领域。

背景技术

随着国民经济快速发展，我国高速铁路事业发展迅速，高铁覆盖到全国28个省份以及160多个地级以上城市。“四纵四横”干线基本成形，高铁运营里程稳居世界高铁里程榜首。2016年7月国家发改委、交通部、中国铁路公司联合发布了《中长期铁路网规划》(2016-2030年)，该规划明确指出在全国区域“八纵八横”高速铁路运输网，预计到2020年，全国高速铁路将由2015年底的1.9万公里增加到3万公里，这一蓝图进一步推动我国高铁事业的发展。

列车制动可靠性是攸关高速列车安全运行的核心因素，根据制动力产生方式，目前列车的制动主要分为摩擦制动、动力制动和电磁制动，随着技术的不断创新发展，动力制动和电磁制动发挥的作用愈加明显，但国际铁路联盟UIC仍规定：高速列车运行过程中其它制动方式失效时，摩擦制动必须确保列车能在规定的距离内停车，以保障列车安全运行。

铁路列车使用较早的摩擦制动方式为闸瓦制动，又称为踏面制动，主要通过闸瓦与车轮间的摩擦形成制动力。闸瓦制动过程中大部分热量被车轮吸收，随着列车速度的不断提升，制动产生的热量增加，车轮容易因温升发生剥离或热裂。由于动能转移能力差、制动效率低及摩擦副选择单一等问题，闸瓦制动已无法满足随着列车速度提升所需的大功率制动性能要求。

20世纪初，盘形制动装置问世，其主要是利用闸片夹紧安装在车盘轮侧面或车轴上的制动盘来产生制动力，使得车轮无需承受制动负荷，进而增加其寿命，而且制动产生的大部分热量能够通过制动盘快速散发出去，因此盘形制动具有较高的制动功率。同时，制动盘对闸片材料要求不高，半金属基合成闸片及粉末冶金闸片均可与之匹配。高速制动盘优异的摩擦制动性能可以确保列车短距离安全停车，作为摩擦制动系统关键组件其生产制造技术是限制高速列车技术发展的重要因素之一。

随着我国高速铁路事业的发展，我国列车在提速运行的同时还需面对长地域跨度和长时间摩擦的工况，这就对列车摩擦盘的摩擦稳定性和低温强韧匹配性提出了新的要求，以满足南北方地域不同引起的长距离摩擦和环境温度差引起的摩擦稳定性不足和低温脆性倾向大的问题。

综上所述，本领域技术人员亟需研究一种高稳定列车制动盘材料及其制备方法，解决高速列车制动盘摩擦稳定性不足和低温脆性倾向大的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种可以解决高速列车制动盘摩擦稳定性不足和低温脆性倾向大的问题的列车制动盘材料。

同时，本发明提供一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，以质量百分比计，其原料及配比如下：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按上述成分要求配比制动盘元素，并加入电炉将加热到1580～1690℃，使其充分熔化，得到钢水；

S2.在充分熔化的钢水中加入形核剂，随后浇铸成锭；

S3.采用多向模锻进行锻造，得到锻造坯；

S4.将得到的锻造坯进行正火-淬火-回火三段性能热处理，即得到的高稳定列车制动盘材料。

所述具有稳定摩擦系数的制动盘材料在晶内弥散分布有Fe

所述形核剂为球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S201.按原子比3:1配比粒径为50～100nm的Fe粉和Al粉，置于高纯氩气保护真空高能球磨机中，在500～800rpm球磨3～5h，冷却完全后在充有氩气保护的真空手套箱中取出，得到混合粉料；

S202.将球磨好的混合粉料置于真空管式炉中，在3×10

S203.将S202炉冷后的混合粉料置于浓度为0.8～1.5mol/L、38～45℃的联氨溶液中浸蚀13～25h，随后过滤并用酒精超声清洗，烘干得到球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S3中，所述多向模锻锻造的始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃，锻造比大于3.5:1。

S4中，所述正火-淬火-回火三段性能热处理为：正火：加热到900℃保温0.8～1h随后空冷至室温；淬火：加热到900℃随后油冷至室温；回火：加热到550℃保温2～4h，随后炉冷至室温。

所述Fe

本发明具有如下有益效果：

1.稳定性高：本发明的制动盘材料经过熔炼、结晶、锻造处理后，其组织中晶内弥散分布有Fe

2.低温脆性倾向小：本发明组织中晶内弥散分布的Fe

3.低成本：本发明的制动盘材料降低了Ni和Mo的含量，提高了Al的含量，在大大降低了材料成本的同时保证了材料的性能。

附图说明

图1为本发明的高稳定列车制动盘材料的组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，以质量百分比计，其原料及配比如下：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按上述成分要求配比制动盘元素，并加入电炉将加热到1580℃，使其充分熔化，得到钢水；

S2.在充分熔化的钢水中加入形核剂，随后浇铸成锭；

S3.采用多向模锻进行锻造，得到锻造坯；

S4.将得到的锻造坯进行正火-淬火-回火三段性能热处理，即得到的高稳定列车制动盘材料。

所述具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料在晶内弥散分布有Fe

所述形核剂为球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S201.按原子比3:1配比粒径为50nm的Fe粉和Al粉，置于高纯氩气保护真空高能球磨机中，在500rpm球磨3h，待完全冷却后在充有氩气保护的真空手套箱中取出，得到混合粉料；

S202.将球磨好的混合粉料置于真空管式炉中，在3×10

S203.将S202炉冷后的混合粉料置于浓度为0.8mol/L、38℃的联氨溶液中浸蚀13h，随后过滤并用酒精超声清洗，烘干得到球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S3中，所述多向模锻锻造的始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃，锻造比大于3.5:1。

S4中，所述正火-淬火-回火三段性能热处理为：正火：加热到900℃保温0.8h随后空冷至室温；淬火：加热到900℃随后油冷至室温；回火：加热到550℃保温2h，随后炉冷至室温。

所述Fe

实施例2：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，以质量百分比计，其原料及配比如下：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按上述成分要求配比制动盘元素，并加入电炉将加热到1690℃，使其充分熔化，得到钢水；

S2.在充分熔化的钢水中加入形核剂，随后浇铸成锭；

S3.采用多向模锻进行锻造，得到锻造坯；

S4.将得到的锻造坯进行正火-淬火-回火三段性能热处理，即得到的高稳定列车制动盘材料。

所述具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料在晶内弥散分布有Fe

所述形核剂为球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S201.按原子比3:1配比粒径为100nm的Fe粉和Al粉，置于高纯氩气保护真空高能球磨机中，在800rpm球磨5h，待完全冷却后在充有氩气保护的真空手套箱中取出，得到混合粉料；

S202.将球磨好的混合粉料置于真空管式炉中，在1×10

S203.将S202炉冷后的混合粉料置于浓度为1.5mol/L、45℃的联氨溶液中浸蚀25h，随后过滤并用酒精超声清洗，烘干得到球壳结构纳米Fe

所述球壳结构纳米Fe

S3中，所述多向模锻锻造的始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃，锻造比大于3.5:1。

S4中，所述正火-淬火-回火三段性能热处理为：正火：加热到900℃保温1h随后空冷至室温；淬火：加热到900℃随后油冷至室温；回火：加热到550℃保温4h，随后炉冷至室温。

所述Fe

实施例3：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，以质量百分比计，其原料及配比如下：C：0.25％；Si：0.25％；Mn：0.83％；V：0.30％；Cr：1.68％；Ni：1.96％；Mo：0.25％；Cu：0.50％；P：0.008％；S：0.006％；Al：3.50％；Fe:余量。

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料的制备方法，所述Fe

实施例4：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，其特征在于：以质量百分比计，其原料及配比如下：C：0.30％；Si：0.24％；Mn：1.05％；V：0.28％；Cr：2.15％；Ni：2.01％；Mo：0.23％；Cu：0.25％；P：0.006％；S：0.007％；Al：4.15％；Fe:余量。

实施例5：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

一种具有稳定摩擦系数的高速列车制动盘材料，以质量百分比计，其原料及配比如下：C：0.33％；Si：0.30％；Mn：0.75％；V：0.40％；Cr：1.07％；Ni：0.89％；Mo：0.17％；Cu：0.75％；P：0.01％；S：0.005％；Al：4.38％；Fe:余量。

经测试，本发明制备的高速列车制动盘材料的摩擦系数和冲击吸收功见下表1和下表2。

表1不同温度下高速列车制动盘试样的摩擦系数

表2不同温度下高速列车制动盘材料试样的冲击吸收功A

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。