高速列車制動(dòng)盤用鋼現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

朱世婷，王 芳，陳慧琴，劉 燕

（1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030001；2.東北大學(xué)多金屬共生礦業(yè)生態(tài)化冶金教育部重實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

高速列車作為現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在世界各國(guó)得到了廣泛的重視和發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，列車時(shí)速要求越來(lái)越高，我國(guó)經(jīng)過長(zhǎng)期的技術(shù)積累和不斷地創(chuàng)新研發(fā)，已處于高速鐵路發(fā)展的快速時(shí)期，成功鋪設(shè)了時(shí)速300 km～350 km 的高速鐵路網(wǎng)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)“穩(wěn)增長(zhǎng)、促改革、調(diào)結(jié)構(gòu)”做出了卓越貢獻(xiàn)[1-2]。

目前，高速列車的最高試驗(yàn)時(shí)速已達(dá)450 km/h～580 km/h[3-4]。列車時(shí)速要求越高對(duì)列車的制動(dòng)系統(tǒng)性能要求也就越高。相關(guān)研究表明，時(shí)速200 km/h～300 km/h 的高速列車在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量為普通列車制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生能量的4～9 倍[5]。高速列車的制動(dòng)主要是通過閘片組與制動(dòng)盤在一定壓力下接觸產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)減速或停車的。制動(dòng)盤作為制動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件，其性能直接影響制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命及列車的運(yùn)行安全[6-7]。隨著科技日新月異發(fā)展，交通高速化的趨勢(shì)愈加明顯，高速化已經(jīng)成為全球現(xiàn)代交通發(fā)展的重要目標(biāo)之一。中國(guó)更是率先提出了推進(jìn)鐵路高速化建設(shè)的整體構(gòu)想。因此，高速列車用制動(dòng)盤的性能研發(fā)和設(shè)計(jì)制造是我國(guó)高速列車發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 高速列車制動(dòng)盤用材料

高鐵制動(dòng)盤先后采用過普通鑄鐵、普通鑄鋼等材料，之后由于鐵路車輛高速化和輕量化的發(fā)展需求，相繼進(jìn)行了復(fù)合材料、特殊合金鋼和低合金鋼等材料的研發(fā)[8]。

灰口鑄鐵具有良好的導(dǎo)熱性、阻尼性能、蓄熱能力、耐磨性以及經(jīng)濟(jì)性，使其在普通鐵路車輛以及大多數(shù)汽車的制動(dòng)盤上得到了廣泛應(yīng)用[9]。但是其抗拉強(qiáng)度低、磨損快，因此在時(shí)速較高的鐵路列車上很難推廣應(yīng)用。

隨著對(duì)列車速度的更高追求，輕量化逐步成為高速列車的研究重點(diǎn)。目前如鋁基復(fù)合材料和碳/碳纖維復(fù)合材料之類的低密度復(fù)合材料的研發(fā)也是高速列車制動(dòng)盤的研究熱點(diǎn)。鋁基復(fù)合材料具有導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、熱疲勞性能高等優(yōu)點(diǎn)，使其在反復(fù)、連續(xù)制動(dòng)的工況條件下，表面溫升低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、不易發(fā)生疲勞破壞[10]。但該類材料所制備的制動(dòng)盤塑韌性低、延伸率小，溫度較高時(shí)熱損傷嚴(yán)重，因此在承受熱交變負(fù)荷時(shí)易萌生裂紋并迅速擴(kuò)展[11-12]，使其在高速列車上的應(yīng)用得到了很大限制。碳/碳纖維復(fù)合材料，具有密度低、力學(xué)性能好、耐摩擦磨損、抗疲勞性和熱物理性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域[13]。但該類材料制得的制動(dòng)盤存在摩擦系數(shù)的變化幅度大、臨近組件溫升過高、成本較高等技術(shù)問題，限制了其產(chǎn)業(yè)化制備和發(fā)展。

鋼系制動(dòng)盤對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)備的要求不高，成本相對(duì)較低，具有良好的綜合機(jī)械性能。鋼系制動(dòng)盤分為鍛鋼制動(dòng)盤和鑄鋼制動(dòng)盤。圖1 為鑄鋼制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，與鍛鋼制動(dòng)盤相比，鑄鋼制動(dòng)盤具有可進(jìn)行復(fù)雜散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制動(dòng)過程中盤體降溫迅速等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鑄鋼制動(dòng)盤在經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮辖鸹蜔崽幚碇?，具有較好的耐磨性、耐熱性和強(qiáng)韌性，能夠滿足高速列車的服役性能要求。目前，日本的新干線列車、法國(guó)的TGV 系列高速列車、韓國(guó)高速列車KTX、德國(guó)的ICE 系列車輛以及中國(guó)CRH2 型和CRH3 型高速列車均選用的是鑄鋼材質(zhì)的制動(dòng)盤[14]。

圖1 鑄鋼制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)圖

2 高速列車制動(dòng)盤服役性能要求

為抵消高鐵前進(jìn)時(shí)巨大的慣性力，高速列車使用復(fù)合制動(dòng)，其制動(dòng)力分別來(lái)自空氣制動(dòng)、電制動(dòng)和非黏著制動(dòng)。但是在電氣制動(dòng)失效時(shí)，需要使用空氣制動(dòng)，即通過制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤進(jìn)行摩擦，將高速行駛車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能實(shí)現(xiàn)剎車。在此過程中，制動(dòng)盤在確保自身的材料結(jié)構(gòu)和性能不被破壞的同時(shí)需要吸收制動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱能并將其散發(fā)到空氣中。因此，對(duì)制動(dòng)盤的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)提出了很高的要求，高鐵制動(dòng)盤的性能要求有強(qiáng)韌性、導(dǎo)熱性、熱疲勞性和耐磨性。

2.1 強(qiáng)韌性

列車制動(dòng)盤設(shè)置于車輪一側(cè)，在列車運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)盤是隨著車輪一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，因此需要承受高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力和制動(dòng)時(shí)制動(dòng)閘片對(duì)制動(dòng)盤施加的壓力及摩擦力。在這幾個(gè)力的長(zhǎng)期共同作用下，制動(dòng)盤會(huì)出現(xiàn)摩擦面裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤盤體斷裂失效。因此，制動(dòng)盤材料應(yīng)具有較好的強(qiáng)韌性，用來(lái)抑制裂紋萌生和擴(kuò)展[15]。

2.2 導(dǎo)熱性

純空氣緊急制動(dòng)條件下，我國(guó)RH380AL 型號(hào)和RH380BL 型號(hào)的高速列車制動(dòng)初速度為300 km/h、350 km/h 和380 km/h 時(shí)，制動(dòng)盤相對(duì)應(yīng)的所能夠達(dá)到的最高溫度分別為475 ℃～560 ℃、665 ℃～674 ℃和708 ℃～711 ℃[16]。

制動(dòng)盤需要選用導(dǎo)熱性較好的材料，降低盤體表面的溫度梯度，從而減小制動(dòng)盤的熱應(yīng)力。導(dǎo)熱性通常用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)衡量，鋼鐵材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般與其成分和溫度相關(guān)。俄羅斯的學(xué)者[17]對(duì)低合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，該研究指出，溫度在100 ℃至800 ℃范圍時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高逐漸減小，溫度在900 ℃至1 100 ℃范圍時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而升高。Wilthan 等人[18]對(duì)不同成分合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究，其研究結(jié)果表明幾種成分實(shí)驗(yàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高均呈上升趨勢(shì)。通過分析可知：在鐵素體相區(qū)時(shí)，鋼鐵材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高呈降低趨勢(shì)；在奧氏體及液相區(qū)時(shí)，鋼鐵材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高不斷增加。

2.3 熱疲勞性

高速列車在制動(dòng)過程中，尤其是在緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片劇烈摩擦，將高速列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能。由于制動(dòng)過程中制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤之間為非均勻接觸，使得制動(dòng)盤摩擦表面出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況，并在局部高溫區(qū)域出現(xiàn)熱斑[19]。同時(shí)，制動(dòng)盤摩擦面不均勻的溫度分布易導(dǎo)致制動(dòng)盤表面出現(xiàn)不均勻變形，使得熱斑區(qū)域的內(nèi)部和邊緣形成較大的熱應(yīng)力[20]。當(dāng)該區(qū)域的熱應(yīng)力超過該區(qū)域材料的強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)熱疲勞裂紋，在反復(fù)的熱循環(huán)過程中，熱裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致盤體開裂，呈現(xiàn)出如圖2 所示的熱裂紋或龜裂紋。由于長(zhǎng)期暴露于高溫中，使得材料本身表面出現(xiàn)氧化層，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的發(fā)展[21]。

圖2 熱斑與裂紋

2.4 耐磨性

摩擦材料的耐磨性是衡量摩擦材料耐用程度的重要指標(biāo)。制動(dòng)盤在高速、高溫、干摩擦的工作條件下，處于粘著磨損、腐蝕磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等多種磨損機(jī)理同時(shí)作用的高磨損狀態(tài)。除外界環(huán)境影響因素，材料自身的組織類型、力學(xué)性能以及碳化物的成分、大小和形貌等對(duì)材料的耐磨性能有很大的影響。。

研究表明，連續(xù)制動(dòng)過程中制動(dòng)盤會(huì)受到反復(fù)升溫和冷卻的熱循環(huán)變化，在熱循環(huán)過程中若制動(dòng)盤局部溫度過高發(fā)生奧氏體相變，急速冷卻時(shí)會(huì)在該摩擦面形成白層組織[22]。白層組織的產(chǎn)生雖然能夠提高制動(dòng)盤的表面硬度，但該白層組織的韌性很差，會(huì)加劇制動(dòng)盤的磨損。因此，抑制白層組織的出現(xiàn)可有效提高制動(dòng)盤的耐磨性，日本學(xué)者就通過降低制動(dòng)盤用鋼淬透性的方法抑制了摩擦面表層白層的形成，提高了制動(dòng)盤用鋼的耐磨性能[23]。

徐流杰等學(xué)者[24]在對(duì)高釩高速鋼摩擦磨損性能的研究中發(fā)現(xiàn)基體中碳化物的含量、種類、尺寸大小及其分布情況對(duì)材料的硬度和耐磨性有很大影響。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)：碳化物對(duì)硬度的改善效果與基體組織有很大的關(guān)系，例如：在珠光體-碳化物微觀結(jié)構(gòu)中，隨著碳化物含量比例的增加，材料的硬度和耐磨性可明顯提高；而在鐵素體-碳化物微觀結(jié)構(gòu)中，隨著碳化物含量比例的增加，其耐磨性的增加幅度較小，之后隨著碳化物含量比例的增加，耐磨性不會(huì)發(fā)生變化。因此，可以通過調(diào)整強(qiáng)碳化物形成元素的含量，并配合合適的熱處理手段，對(duì)碳化物含量、種類、尺寸大小及其分布進(jìn)行調(diào)控，提高制動(dòng)盤的耐磨性。

綜上所述，高鐵制動(dòng)盤用鋼需要同時(shí)具備較好的強(qiáng)韌性、導(dǎo)熱性、熱疲勞性和耐磨性。中國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（TB/T2980-2014）對(duì)動(dòng)車組列車的制動(dòng)盤和300 km/h 以上高速列車制動(dòng)盤用鋼性能要求的規(guī)定如表2 所示。

表2 動(dòng)車組列車的制動(dòng)盤和300 km/h以上高速列車制動(dòng)盤用鋼性能要求

3 鑄鋼制動(dòng)盤相關(guān)研究的進(jìn)展

3.1 國(guó)外相關(guān)研究進(jìn)展

日本學(xué)者Harada 等[23]對(duì)傳統(tǒng)A4340 鑄鋼進(jìn)行了優(yōu)化，在低合金鋼中添加0.1%的V，并通過試驗(yàn)對(duì)該材料的抗冷熱疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)果顯示微量合金元素的加入，能夠有效提高該材料的抗熱裂性和耐磨性，其抗拉強(qiáng)度大于1 037 MPa、表面硬度為380 HV.德國(guó)學(xué)者[25]通過Cr-Ni-Mo 合金化的方法開發(fā)出適用于350 km/h 的鑄鋼制動(dòng)盤，抗拉強(qiáng)度大于1 050 MPa、伸長(zhǎng)率大于等于9%、屈服強(qiáng)度大于1 000 MPa.芬蘭的Ojala[26]通過合金成分對(duì)耐磨鋼摩擦性能的影響研究，發(fā)現(xiàn)鋼的合金化以及其顯微組織和硬度特性對(duì)鋼的耐磨損性具有很大的影響。表3 為國(guó)外研究中部分高速列車制動(dòng)盤的力學(xué)性能[27]。

表3 國(guó)外研究中部分高速列車制動(dòng)盤的力學(xué)性能

3.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鑄鋼制動(dòng)盤做了很多研究。錢坤才等對(duì)鑄鋼制動(dòng)盤的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[28]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該制動(dòng)盤材料在室溫、600 ℃溫度下的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)1 445 MPa 和1 021 MPa，且其沖擊韌性為31 J/cm2（對(duì)應(yīng)沖擊功為25 J）；通過1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析后得出結(jié)果：300 km/h 速度下該該材料制動(dòng)盤的緊急制動(dòng)距離小于3 700 m，其制動(dòng)盤摩擦面的最高溫度低于610 ℃，該結(jié)果表明經(jīng)過化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的鑄鋼制動(dòng)盤可滿足高速動(dòng)車組的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)鑄鋼制動(dòng)盤早期裂紋情況進(jìn)行了研究分析[29]，結(jié)果表明鋼中大量不規(guī)則夾雜物（如MnS、Al2O3）的存在是早期裂紋的主要產(chǎn)生原因，通過對(duì)夾雜物改性處理可有效防止早期裂紋的產(chǎn)生，提高制動(dòng)盤用鋼的斷裂韌性。嚴(yán)運(yùn)濤等[30]研發(fā)出屈服強(qiáng)度為1 050 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa～1 260 MPa，伸長(zhǎng)率為13%～15%的鑄鋼制動(dòng)盤，該力學(xué)性能能夠滿足高速列車制動(dòng)盤用鋼的性能要求。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院[31]分別對(duì)制動(dòng)盤材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了具有良好高溫力學(xué)性能、抗熱疲勞性能、導(dǎo)熱性以及一定的抗氧化能力的制動(dòng)盤用鋼。岑升波[32]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)鑄鋼制動(dòng)盤熱疲勞性能及熱疲勞過程中的組織演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)盤熱疲勞壽命的預(yù)測(cè)。李志強(qiáng)等[21]對(duì)通過低周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)盤用鋼在600 ℃以下溫度時(shí)性能較為穩(wěn)定，但當(dāng)循環(huán)溫度高于600 ℃時(shí)，制動(dòng)盤摩擦面出現(xiàn)脫碳層，且基體內(nèi)部的碳化物粒子發(fā)生聚集長(zhǎng)大，使其在之后的塑性變形中極易產(chǎn)生空洞，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。表4 為國(guó)內(nèi)研究中部分高速列車制動(dòng)盤的力學(xué)性能。

表4 國(guó)內(nèi)研究中部分高速列車制動(dòng)盤的力學(xué)性能

對(duì)比表3 和表4，可知我國(guó)的鑄鋼制動(dòng)盤基本性能研究水平已經(jīng)可以滿足高速列車的運(yùn)行需求，但是高速列車制動(dòng)盤極端的服役工況，要求具有良好強(qiáng)韌性和高溫摩擦性能，兼具良好的導(dǎo)熱性能、高溫性能、抗熱疲勞性能等，代表著有別于傳統(tǒng)耐磨鋼的能夠承受大負(fù)荷循環(huán)熱沖擊的新型耐磨鋼。針對(duì)制動(dòng)盤材質(zhì)的性能、先進(jìn)制備工藝和關(guān)鍵技術(shù)的研究仍不成熟，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，大多數(shù)鋼廠都添加了較多種類的合金元素，用來(lái)達(dá)到所需性能，但是通過合金元素進(jìn)行基體強(qiáng)化的同時(shí)，會(huì)損失掉部分塑韌性，因此需要提出基于多性能目標(biāo)的耐磨鋼多元合金化成分優(yōu)化設(shè)計(jì)[33-36]。其次，由于生產(chǎn)過程控制不精準(zhǔn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)性較大，綜合力學(xué)性能無(wú)法得到有效控制，需對(duì)其熔煉和凝固工藝過程進(jìn)行控制。最后，國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的多是回火馬氏體組織鋼，國(guó)外生產(chǎn)的大多為復(fù)雜的復(fù)相組織，需要通過析出相和基體組織特征參數(shù)對(duì)鋼綜合力學(xué)性能的影響機(jī)理進(jìn)行研究，優(yōu)化熱處理工藝。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)零部件的性能要求也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。制動(dòng)盤作為高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的主要零部件，是列車安全的重要保障。目前我國(guó)的相關(guān)研究與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比還存在一定差距，制約了我國(guó)高速列車制動(dòng)盤制造技術(shù)水平的發(fā)展。因此，需要從高速列車制動(dòng)盤合金元素優(yōu)化、熔煉凝固方案設(shè)計(jì)、熱處理工藝研究及高溫、耐磨性能研究等方面著手，構(gòu)建高鐵制動(dòng)盤鑄鋼成分-工藝-組織-性能關(guān)系模型，為高性能制動(dòng)盤制造提供理論支撐，促進(jìn)我國(guó)高速制動(dòng)盤制造基礎(chǔ)理論與核心關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新和高速列車制動(dòng)盤制造技術(shù)水平的提升。