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1、高速列车关键材料制动盘材料,董立新,主 要 内 容,制动盘的概述2. 制动盘的所用材料的性能要求3. 传统制动盘材料4. 新型制动盘材料,1. 制动盘概述,1.1 定义：固定在车轮上，随车轮转动，以端平面为摩擦工作面，通过摩擦将动能转化为热能的圆盘形运动部件。制动盘即刹车盘。制动过程是通过制动盘和制动闸的摩擦将动能转化为热能,并通过制动盘的通风设备将热能传递到空气中。,制动结构示意图,铝基复合材料制动盘,高速列车制动盘,高速重载列车制动盘,1.2 制动系统的作用使行驶中的车辆按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车；使已停驶的车辆稳定驻车；使下坡行驶的车辆速度保持稳定。 在各类车辆制动系统中，制动
2、器是车辆制动系中用以产生阻止车辆运动或运动趋势力的部件。目前，各类车辆所使用的制动器都是摩擦制动器，也就是阻止车辆运动的制动力矩来源于固定元件和旋转工作表面之间的摩擦。,1.3 制动器的分类1）鼓式制动器 鼓式刹车的主要优点：刹车蹄片磨损较少,成本较低,便于维修.由于鼓式刹车的绝对制动力远远高于盘式刹车,所以普遍用于后轮制动的卡车上.,双向增力式制动器,2）盘式制动器车辆速度在不断提高，车辆的总重不断增加。采用制动热稳定能较好的盘式制动器的日益增多。盘式制动器的主要部件包括： 制动衬块、含有活塞的卡钳、安装在轮毂上的转子,盘式制动器的工作原理,1）盘式刹车散热性较鼓式刹车佳，在连续踩踏刹车时比
3、较不会造成刹车衰退而使刹车失灵的现象。 2）刹车盘在受热之后尺寸的改变并不使踩刹车踏板的行程增加。 3）盘式刹车系统的反应快速，可做高频率的刹车动作，同时便于安装ABS等控制系统。 4）盘式刹车没有鼓式刹车的自动煞紧作用，因此左右车轮的刹车力量比较平均。 5）制动盘的排水性较佳，可以降低因为水或泥沙造成刹车不良的情形。 6）盘式刹车的构造简单，且容易维修。,盘式制动器的优点,1）因为没有鼓式刹车的自动刹紧作用，使盘式刹车的刹车力较鼓式刹车为低。 2）盘式刹车的刹车片与刹车盘之间的摩擦面积较鼓式刹车的小，使刹车的力量也比较小。 3）为改善上述盘式刹车的缺点，因此需较大的踩踏力量或是油压。因而必须
4、使用直径较大的刹车盘，或是提高刹车系统的油压，以提高刹车的力量。 4）手刹车装置不易安装。 5）刹车片之磨损较大，致更换频率可能较高。,盘式制动器的不足,锻钢轮装制动盘 锻钢轴装制动盘适用于CRH2型动车组,提速式客车制动盘,2.制动盘材料的性能要求,制动盘是制动器的关键部件，对高速列车的安全行驶起着至关重要的作用。制动盘用于高速列车相当苛刻的摩擦制动部件。 对于制动盘材料的要求主要有： 1）足够的强度。以承受高速旋转时的离心力以及制动时闸片压力。 2）高而稳定的摩擦系数。以获得良好的制动效果。 3）较高的耐磨性。以减少盘面和闸片间因强烈摩擦而产生的磨损。,4）较好的抗热裂性能。使制动盘在激热
5、激冷条件下不产生裂纹。 5）密度小。以降低车辆簧下质量。此外： 6）良好的工艺性能。 7）较低的成本。,3. 制动盘材料,大体分为两类：铁系金属材料、复合材料。前者称为传统制动盘材料，包括铸铁系和钢系；后者称为新型制动盘材料。 各国正在使用及研究开发的制动盘材质:,3.1 铁系金属材料制动盘,3.1.1 铸铁制动盘 铸铁制动盘材料的化学成分及力学性能,特点： 1）较好的摩擦特性，摩擦系数在0.25-0.35，且较稳定 2）耐磨性能好 3)变形小 4)铸造性能好 5)价格低但在速度130Km/h时，磨损严重，需频繁更换。,Ni-Cr-Mo低合金铸铁制动盘-在片状石墨铸铁中加入Ni、Cr、Mo等合
6、金元素提高承受热负荷能力高温下耐磨损性能但在更高车速下，250Km/h易产生热裂纹，致使失效。,3.1.2 蠕墨铸铁制动盘铁液经过蠕化处理，大部分石墨呈蠕虫状的铸铁蠕化剂主要是镁或稀土。迄今为止，国内外研究结果一致认为，稀土是制取蠕墨铸铁的主导元素。我国稀土资源富有，为发展我国蠕墨铸铁提供了极其有利的条件和物质基础。,1）化学成分：C%=3.4%3.6%；Si%=2.4%3.0%；Mn%=0.4%0.6%；S%0.06%；P%0.07%。2）组织特征：石墨形态介于片状和球状石墨之间。石墨形态在光学显微镜下看起来像片状，但不同于灰口铸铁的是其片较短而厚、头部较圆（形似蠕虫）。,蠕虫状石墨 蠕墨铸
7、铁的显微组织,蠕墨铸铁的显微组织 100倍,3）材料牌号：蠕墨铸铁的牌号为：RuT+数字。 牌号中，“RuT”是“蠕铁”二字汉语拼音的大写字头，为蠕墨铸铁的代号；后面的数字表示最低抗拉强度。例如：牌号RuT300表示最低抗拉强度 为300MPa的蠕墨铸铁。,常用蠕墨铸铁牌号（GB/T4403-1999）,4）性能具有良好的综合性能，力学性能较高。蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁，与灰铸铁相近高温下有较高的强度，氧化生长较小、组织致密、热导率高以及断面敏感性小等特点 我国制作蠕墨铸铁所用的蠕化剂中均含有稀土元素，如稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土
8、硅钙合金、稀土锌镁硅铁合金等。由此，形成了适合国情的蠕化剂系列。,5）热处理工艺：正火：900-950，空冷正火态的蠕墨铸铁的强度、塑性、耐磨性均比铸态的高。,退火工艺：为了获得体积分数85%以上的铁素体基体或者消除薄壁处的游离渗碳体。,3.1.3 铸钢制动盘从50年代开始使用。具有较高的强度（大于800MPa）、韧性和抗热裂性能.但由于导热性能差、热容量较大、膨胀系数大，在使用中摩擦面易出现沟槽、皱折及网状裂纹；局部表面会产生融化，以“鱼鳞状”金属崁入闸片中，大大加剧了制动盘和闸片的磨损。因此，铸钢制动盘的寿命较短，现在一些重型卡车上应用，但在高铁上应用不理想。,热处理工艺对ZDPH合金钢组
9、织和性能的影响,包层制动盘的结构,铸钢-铸铁复合层制动盘兼顾了两种材料特性，高而稳定的摩擦系数和抗热裂性能。,铸钢-铸铁复合层制动盘特点：1）与铸铁制动盘相比，提高使用寿命2倍；2）摩擦特性与铸铁的大致相同，直到高速区也有稳定的摩擦系数。3）具有较高的抗热裂性能。,3.2 复合材料制动盘,复合材料是由基体材料：（聚合物材料、金属、陶瓷）和增强体（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异综合性能的新型材料，是本世纪中发展最迅速的新材料之一复合材料已在航空、航天、交通运输、基础建设等领域中发挥了巨大的作用，成为这些领域产品性能提高和升级换代的关键材料。特征： 1）用复合材料做成的构件，质量轻、强度高、
10、刚性大，是一种理想的结构件。 2）复合材料产品制造工艺多数是近终形成型，制造出的产品，不需进行机械加工，生产效率高，制造成本低。 3）复合材料在轨道交通车辆中广泛应用，对减轻车厢质量，降噪减振，提高安全性和舒适性，减少维修等均有重要作用。,复合材料的优势 1）轻质高强质量轻、强度高、刚性大，是一种理想的结构件。复合材料比常用的轨道交通车辆材料金属材料的比强度和比模量要高出15倍。 2 ）可设计性强纤维复合材料的最显著特点是高比强度和高比刚度，并且它可以在一个很宽的范围内变化，因此复合材料可以通过材料选择、结构设计、铺层设计等方法解决各种技术难题。 3）工艺性强复合材料产品制造工艺多数是近终形成
11、型，制造出的产品，不需进行机械加工，生产效率高，制造成本低。,现在使用的纤维从弹性模量为70 GPa和抗拉强度为3 500 MPa 的玻璃纤维，到模量为60GPa 和抗拉强度为3 900 MPa的高模量碳纤维，其性能范围很宽。根据已知的有关混合物的定律，通过选择基体材料，可以改变其性能，因此每个结构件都可以根据要求找到一种最佳的铺层结构。4） 高安全性高抗疲劳强度和低缺口敏感度5） 低成本 随着原材料的发展和工艺的进步，其成本正在逐步降低； 由于采用模块化的设计技术及整体成型技术，大大减少了结构的复杂性、并缩短了生产实际以及总装所需要的工作量，降低了总体成本； 由于复合材料的耐疲劳、耐腐蚀等特
12、性，降低了维护、修理成本等。 由于减重，提高了运营能力，减少了能耗，总寿命周期成本得到了降低。,3.2.1 铝合金基的复合材料一种在铝合金母材中加入陶瓷粒子（SiC、Al2o3等）的复合材料。特点： 1）具有和铸铁一样的耐磨性能 2）质轻 3）导热性能好。由于铝合金导热性能好，不会发生局部过热 4）具有较高的抗热疲劳性能,制造工艺：1）粉末法：铝合金粉末与强化粒子混合后再固化；2）熔融法：在熔融的铝合金中，通过搅拌，均匀地混入强化粒子。,3.2.2 碳/碳纤维复合材料制动盘一种以碳纤维增强石墨的复合材料，其密度小，约为1.5g/cm3，仅为铁的1/5。特性： 1）导热性能很好、 2）热容量大 3）热膨胀系数小 4）因此具有质量小、抗热裂等优点。 应用：在飞机和赛车上作为制动材料已通过了实践应用的考验。 问题：在高摩擦速度下，随温度的上升，其摩擦系数急剧增大，与传统制动材料的摩擦特性差别很大。磨耗量较大，有待进一步改进。,
