鐵道機(jī)車用灰鑄鐵閘瓦摩擦性能控制分析

田合強(qiáng)，呂宇靖，牟 鑫，閆 龍，王 萌

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；2 中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

閘瓦是鐵道機(jī)車踏面制動(dòng)的關(guān)鍵部件，灰鑄鐵閘瓦（以下簡(jiǎn)稱“閘瓦”）具有較好的導(dǎo)熱率、對(duì)車輪的影響小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，其摩擦性能不受氣候條件的影響［1］，故目前在DF4型等機(jī)車上被批量裝車使用。但該閘瓦抗斷裂性能較差，使用中會(huì)出現(xiàn)裂紋或斷裂，直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全。實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鑄造工藝參數(shù)的選擇和調(diào)整，也會(huì)不同程度地影響閘瓦的摩擦性能和整體質(zhì)量；有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)閘瓦的理化各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合要求，但同批次不同閘瓦的磨耗量相差較大、不同制動(dòng)初速度下的摩擦系數(shù)相差較大的情況。為此，分析閘瓦斷裂發(fā)生的原因，研究化學(xué)成分、鑄鐵組織對(duì)閘瓦摩擦性能的影響，探討提高閘瓦摩擦性能的生產(chǎn)控制措施，是十分有必要的。

1 閘瓦斷裂原因分析

根據(jù)有關(guān)調(diào)查及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)更換下來(lái)的閘瓦進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢查，發(fā)現(xiàn)閘瓦一般沿瓦鼻端面一側(cè)出現(xiàn)橫向裂紋，即在所受彎矩最大、強(qiáng)度最薄弱的地方發(fā)生橫向裂紋的幾率最大；斷面處常伴有氣泡、氣孔、縮孔、與瓦鼻熔合不好等缺陷，這是造成閘瓦斷裂的主要原因。當(dāng)然，也有可能是閘瓦托的四爪與閘瓦接觸面間隙過(guò)大，閘瓦內(nèi)弧與車輪之間的間隙過(guò)大，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)受力不均，造成閘瓦斷裂。文中主要從閘瓦成品缺陷角度來(lái)分析闡述其斷裂原因。

（1）氣孔或氣泡。閘瓦氣孔缺陷如圖1所示，形成主要原因：一是閘瓦的簽卡在生產(chǎn)過(guò)程中未完全清理干凈，表面留有油污或鐵銹，在澆注過(guò)程中油污與金屬液接觸發(fā)生燃燒，在瓦鼻端面上形成氣體或聚集形成集中氣泡，沒(méi)有來(lái)得及從金屬液中排出，即在瓦鼻端面上出現(xiàn)氣孔、氣泡缺陷；二是型沙中的發(fā)氣物質(zhì)（如水分、附加物）在金屬液的作用下形成氣孔；三是金屬液氧化嚴(yán)重，型腔中未排盡氣體和澆注時(shí)卷入金屬液中的氣體，形成氣孔或氣泡。

圖1 閘瓦氣孔缺陷

（2）縮孔。閘瓦縮孔缺陷如圖2所示，形成主要原因：一是鑄型強(qiáng)度不夠，受金屬液膨脹擠壓脹大，凝固收縮后，無(wú)外來(lái)金屬液及時(shí)補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮孔；二是鐵液澆注溫度過(guò)高，澆注速度過(guò)快，液態(tài)體收縮傾向大，凝固后產(chǎn)生縮孔。

圖2 閘瓦縮孔缺陷

（3）瓦鼻與閘瓦母體熔合不好。瓦鼻與閘瓦母體熔合不好缺陷（燃燒變黑痕跡）如圖3所示，形成主要原因：一是鐵液澆注溫度過(guò)低，瓦鼻兩端面與鐵液沒(méi)有熔化凝固為一體；二是瓦鼻表面有鐵銹、高熔點(diǎn)夾雜物，在瓦鼻與鐵液之間形成隔膜，導(dǎo)致熔化不完全。

圖3 瓦鼻與閘瓦母體熔合不好缺陷

2 化學(xué)成分、鑄鐵組織對(duì)閘瓦摩擦性能的影響

根據(jù)閘瓦的工作狀態(tài)可知，閘瓦制動(dòng)屬于干燥摩擦制動(dòng)，在滑動(dòng)摩擦條件下會(huì)黏著磨損失效，這要求其摩擦表面有好的導(dǎo)熱性能、好的摩擦性能、足夠的強(qiáng)度、減少熱應(yīng)力的影響。有文獻(xiàn)顯示：顯微組織決定磨損特性，片狀石墨逐漸向A型石墨過(guò)渡、黏著磨損會(huì)減少，D型石墨及其伴生的鐵素體會(huì)增加磨損；石墨類型相同時(shí)，基體珠光體量越多、越硬，耐磨性越好［2］。

摩擦系數(shù)對(duì)閘瓦磨損也是一個(gè)需要考慮的重要因素，在其他條件不變的情況下，摩擦系數(shù)與摩擦力成正比，摩擦力越大，越易造成閘瓦的磨損，因此需要對(duì)閘瓦的摩擦系數(shù)進(jìn)行控制。試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)是由使用理想狀態(tài)下閘瓦與車輪的實(shí)際接觸面積產(chǎn)生的摩擦力計(jì)算出來(lái)的，其希望閘瓦是一種勻質(zhì)材料，但實(shí)際上閘瓦是一種非絕對(duì)勻質(zhì)材料，與車輪接觸的往往是閘瓦中硬度較高的部分，加壓后只是名義接觸面積的5%~15%［3］，因此，生產(chǎn)中要增加閘瓦的均勻度，減少凸出硬點(diǎn)。

綜合既有研究文獻(xiàn)，分析影響閘瓦磨耗性能的主要化學(xué)成分、鑄鐵組織因素有：

（1）石墨。石墨具有2方面的作用，一方面是石墨自身具有潤(rùn)滑作用，在制動(dòng)過(guò)程中形成潤(rùn)滑薄膜，從而提高了耐磨性，但會(huì)減小摩擦系數(shù)；另一方面石墨本身不具強(qiáng)度，相當(dāng)于基體中存在缺口，破壞灰鑄鐵基體的連續(xù)性，減少金屬基體的有效面積，削弱了閘瓦的耐磨性。在耐磨鑄鐵中，若石墨過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)，則使基體強(qiáng)度變低，磨損加劇；若石墨過(guò)少，則潤(rùn)滑不足，導(dǎo)熱降低?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中常以選取A型石墨、均勻細(xì)片狀石墨為佳，其保持一定的導(dǎo)熱性和潤(rùn)滑作用，又不降低基體強(qiáng)度。

（2）基體。耐磨鑄鐵要求其基體為多相組織，其中包含柔韌的基底，基底上牢固地嵌有較硬的組成成分。不同基體對(duì)耐磨性影響不同，珠光體基體比鐵素體基體耐磨，細(xì)化珠光體有利于提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，使組織均勻致密，提高閘瓦的耐磨性，并且灰鑄鐵的斷裂韌度隨鐵素體減少、強(qiáng)度的提高而提高，在鐵素體體積分?jǐn)?shù)為10%~20%時(shí)達(dá)到峰值。

（3）磷共晶。磷共晶常以不連續(xù)網(wǎng)狀或孤島狀的形式分布于原共晶團(tuán)間，具有優(yōu)良的減摩和耐磨作用，同時(shí)具有比鑄鐵基體更低的熔點(diǎn)，在車輛制動(dòng)時(shí)，可以有效地提高輪—瓦踏面的摩擦系數(shù)。二元磷共晶是α~Fe與Fe3P的共晶混合物，硬度為750~800 HV，三元磷共晶是由α~Fe+Fe3P+Fe3C組成，硬度為900~950 HV，均具有減摩性。但三元磷共晶比二元磷共晶更硬且脆，而且容易從基體上剝落下來(lái)，成為磨料，對(duì)基體本身造成磨損。所以對(duì)于灰鑄鐵閘瓦，應(yīng)避免三元磷共晶的出現(xiàn)；同時(shí)，在抗磨鑄鐵中以二元磷共晶單獨(dú)夾雜狀牢固地分布在珠光體上，有利于提高耐磨性。

（4）自由滲碳體?；w中析出一部分碳化物，可以強(qiáng)化基體組織，增加硬度，提高耐磨性，但降低摩擦系數(shù)。對(duì)于有磷共晶的鑄鐵，在出現(xiàn)碳化物后，容易形成三元磷共晶，導(dǎo)致鑄鐵的耐磨性和沖擊韌性降低。因此需嚴(yán)格控制自由滲碳體。

3 提高閘瓦摩擦性能的生產(chǎn)控制措施

3.1 閘瓦斷裂的控制

在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)強(qiáng)化如下措施來(lái)控制閘瓦斷裂：

（1）提高瓦鼻表面質(zhì)量，對(duì)瓦鼻進(jìn)行電鍍防護(hù)處理，保證表面光潔、干凈、無(wú)油污和銹蝕。

（2）造型前對(duì)瓦鼻進(jìn)行烘干處理，保證瓦鼻的干燥性。

（3）合箱前對(duì)鑄型進(jìn)行烘干處理，保證鑄型和瓦鼻表面干燥。

（4）縮短合箱后的待澆注時(shí)間，減少鑄型和瓦鼻的吸濕性。

（5）提高鑄型強(qiáng)度，提高鐵水質(zhì)量，嚴(yán)格控制澆注溫度和澆注速度［4］。

3.2 閘瓦化學(xué)成分、鑄鐵組織的控制

閘瓦的磨耗和摩擦系數(shù)主要與石墨的形態(tài)、分布、數(shù)量、基體組織、磷共晶和碳化物密切相關(guān)，在生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)控制化學(xué)成分和熔煉關(guān)鍵工藝來(lái)提高閘瓦摩擦性能。

化學(xué)成分控制：

（1）碳當(dāng)量。碳、硅都是促進(jìn)石墨化的元素，含量增加，石墨數(shù)量增加，尺寸變大，鐵素體含量增加，降低耐磨性。碳當(dāng)量過(guò)低，易形成過(guò)冷石墨，促進(jìn)滲碳體形成，降低摩擦系數(shù)。一般選擇碳當(dāng)量為3.6%~3.8%為宜。

（2）錳。錳是強(qiáng)碳化物形成元素，強(qiáng)化基體，促進(jìn)珠光體形成并細(xì)化珠光體。錳含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使?jié)B碳體數(shù)量增加，生成萊氏體。錳含量一般控制在1%~1.2%范圍內(nèi)。

（3）硫。硫是有害元素，嚴(yán)格控制。

（4）磷。在閘瓦中加入適量的磷，部分固溶在基體中強(qiáng)化基體，細(xì)化晶粒，提高閘瓦的硬度，而過(guò)量的磷形成磷共晶，提高耐磨性和摩擦系數(shù)，但需嚴(yán)格控制，并防止三元磷共晶生成。磷含量一般控制在0.6~0.8%范圍。

（5）銅。銅是一種穩(wěn)定珠光體的元素，可增加和細(xì)化珠光體，提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，提高耐磨性，但會(huì)促進(jìn)三元磷共晶生成，增加成本，因此，加入量控制在小于0.2%。

（6）鉻。鉻強(qiáng)烈阻礙石墨化元素，促進(jìn)珠光體形成，強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物，增加脆性，促進(jìn)三元磷共晶生成，降低耐磨性和摩擦系數(shù)，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制鉻含量。

熔煉關(guān)鍵工藝控制：

（1）嚴(yán)格選擇原材料，保證生鐵和鋼板潔凈，防止鐵水氧化。

（2）鐵液進(jìn)行過(guò)熱處理并靜置，加熱到1 500~1 520℃，保溫3~5 min后靜置處理，凈化鐵水。

（3）孕育處理，孕育處理既可促進(jìn)石墨化，減少白口傾向，又能影響石墨的數(shù)量和形狀，使鑄鐵共晶晶粒變小，還能提高鑄鐵組織及性能的均勻性，減輕鑄鐵對(duì)冷卻速度的敏感性；促進(jìn)細(xì)片狀珠光體形成；保證磷共晶以不連續(xù)網(wǎng)狀或孤島狀均勻分布在珠光體基體上。采用75硅鐵和硅鋇復(fù)合孕育劑，出爐時(shí)隨鐵流均勻加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的硅鋇孕育劑，鐵水包內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的硅鋇孕育劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的75硅鐵。

4 控制措施驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)采取以上生產(chǎn)控制措施，在某公司生產(chǎn)的不同批次閘瓦中抽取代表閘瓦進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，簽卡與閘瓦體熔合較好，組織致密，無(wú)縮孔、氣泡等缺陷，如圖4所示。

在不同批次閘瓦中抽取代表閘瓦，依據(jù)TB/T 3104.3-2017進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐壓性能、金相組織、1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)摩擦性能試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，通過(guò)加入一定的磷含量以及孕育處理，嚴(yán)格控制促進(jìn)碳化物形成的元素，降低了硬化相中的滲碳體，在凝固過(guò)程中形成一定量的不連續(xù)網(wǎng)狀或孤島狀二元磷共晶，有效提高了閘瓦的耐磨性、控制了閘瓦的摩擦系數(shù)，同時(shí)確保了閘瓦力學(xué)性能、金相組織、硬度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。腐蝕前、后的閘瓦金相組織如圖5所示，閘瓦的化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐壓性能和金相組織檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，閘瓦在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)摩擦磨耗性能試驗(yàn)曲線如圖6所示。

表1 閘瓦化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐壓性能和金相組織檢測(cè)結(jié)果

圖6 閘瓦在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)摩擦磨耗性能試驗(yàn)曲線

基于以上生產(chǎn)控制措施，由某公司生產(chǎn)的閘瓦已于2020年6月開(kāi)始在DF4D型機(jī)車上裝車使用，截止2021年1月，閘瓦已累計(jì)裝車30余臺(tái)，在線服役狀態(tài)良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

在鐵道機(jī)車的踏面制動(dòng)方式中，閘瓦仍在大量應(yīng)用，盡管閘瓦的需求量確實(shí)在隨著既有適用機(jī)車數(shù)量的減少而遞減，但全路機(jī)車目前每年對(duì)閘瓦仍有上萬(wàn)塊的使用需求量，其摩擦性能也將直接關(guān)系到整車的制動(dòng)安全。通過(guò)對(duì)既有閘瓦的斷裂原因進(jìn)行分析，提出了生產(chǎn)過(guò)程采取控制化學(xué)成分和熔煉關(guān)鍵工藝等控制措施，經(jīng)試驗(yàn)和裝車驗(yàn)證，該控制措施可以有效提高閘瓦的耐磨性能及控制閘瓦的摩擦系數(shù)、保證閘瓦產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到降低服役機(jī)車行車安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。該控制措施對(duì)閘瓦的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值。