高速列车制动盘铸件铸造工艺研究

高速列车制动盘铸件铸造工艺研究
发布时间：2022-10-21T03:30:51.889Z 来源：《科技新时代》2022年第5月9期作者：曲磊王强王建立隋宝[导读] 本文对制动盘铸件铸造工艺进行了研究，针对高速列车制动盘铸件过程中摩擦工作面出现缩松、裂纹、硬度不均匀等质量问题，进行了研究
曲磊王强王建立隋宝
中车大连机车车辆有限公司辽宁省大连市 116000
摘要：本文对制动盘铸件铸造工艺进行了研究，针对高速列车制动盘铸件过程中摩擦工作面出现缩松、裂纹、硬度不均匀等质量问题，进行了研究。

首先，对比了进口制动盘和国产制动盘的铸造质量，发现了差距。

然后根据制动盘的特殊工况和技术要求设计铸造工艺。

对多种设计方案选择ProCAST软件进行数值分析，模拟比较研究以优化最佳解决方案。

工艺实施结果显示，进口件质量与铸件质量相近，新方案获能够满足制动盘铸件的技术要求。

关键词：高速列车；制动盘铸件；铸造工艺
保障高速列车安全的重要产品之一是制动盘，具有吸收制动动能，转化为热能，散发到空气中的作用，此过程不会损坏制动盘的性能、结构以及材料。

铸钢制动盘全部应用在国内外350km/h高速列车，我国目前依赖进口，世界上能生产高速列车制动盘的国家很少，如法国、德国、日本等。

350-400km/h高速列车制动系统的制动盘根据相关研究文献，采用低合金耐磨铸钢制造。

制动盘失效的主要形式是热疲劳裂纹和磨损，平衡抗热疲劳性和耐磨性之间的关系，以及工作表面内部孔隙率和硬度不均的影响，是提高制动盘使用寿命的有效途径。

在某些高速列车车轴上，350公里/小时高速列车的制动盘，采用耐磨低碳钢制成，外形尺寸为655×124毫米。

如图1所示，多个连接散热柱和两个工作摩擦面在中心构成，柱状结构具有热结分布分布的结构特点。

在17-33mm范围内平均壁厚分布，制动盘铸件两个工作面的硬度应均匀，50mm为最厚处厚度约。

铸件内外质量符合《制动器暂行技术要求》TJ/CL310-2014的质量要求。

一、国内外产品铸造质量对比分析
国内某公司试件（图2b）和国外该类型制动盘产品（图2a）的质量检测结果如下。

射线检测结果显示工件内部无缺陷，如图3所示。

进口制动盘所有表面磁粉检测无缺陷，HB279和HB315为制动盘工作面布氏硬度，HB350-401为铸造面硬度，HB351-403为非铸造面硬度。

两个工作面的硬度分布对称性很好，不仅如此，每个工作表面上的硬度分布相对均匀。

磁粉探伤检测国内某公司生产的制动盘铸件表面，铸件冒口侧对应的下冷铁侧和工作面冒口侧无缺陷，明显的线状和点状缺陷存在冷铁侧对应的工作面内浇口，制动盘工作面上各点布氏硬度分布比较大。

HB 192-284为冷铁侧硬度，冷铁侧的均匀性略好，HB 200-327为冒口侧硬度，两个工作面的对称性、分布均匀性、硬度值都远低于进口刹车盘的指标。

与原来的铸造工艺相比，考虑到中国试制制动盘时铸件的质量问题，可以考虑以下原因。

首先，由于铸型充型过程中铸型型腔过于集中，将金属液置于铸型腔内。

铸件薄壁造成铸件两个内浇口附近过热，凝固后期铸件收缩不均，过大。

在凝固过程中内浇口附近未凝固位置的强度和拉应力缓慢增加，导致相应位置出现裂纹缺陷。

其次，在铸造过程中使用较多的回料会影响金属液的纯度，这可能是铸件中夹杂包含的主要原因。

第三，由于铸件底部装有冷铁以保证连续凝固，铸件顶部的7个冒口太大，因此，铸件相应位置的凝固组织，以及两个摩擦工作面的冷却速度和凝固速度存在较大差异，硬度分布差异会更大；第四，铸造用的七冒口尺寸较大。

这是由于两个工作方面的差异，散热柱截面尺寸小且分布密集，仍有不受立管和冷铁影响的散热节点，出现缩松和缩孔缺陷。

二、制动盘铸件铸造工艺设计
（一）铸件图
按照《铸造尺寸公差和加工余量》GB/T 6414-1999，以及制动盘零件技术和制动盘零件图要求设计绘制铸造图纸，包括三维和二维铸造图纸，铸造如图1所示。

三维铸造图用于铸件充型、砂芯三维喷墨打印型芯图、绘制三维铸造工艺图和凝固过程数值模拟。

（二）铸造工艺图
为了进行对比研究，设计了方案A、方案B和方案C三种铸造工艺方案，方案A改进了供气和浇口系统的设计，但沿用了特定公司的工艺设计思路，去掉了冷铁设计，减小了每个冒口的尺寸，增加了冒口的数量。

目的是减少因内流道过分集中和制动盘工作面的硬度差异，而引起的裂纹和收缩，为了更好地分配分布内注流道。

方案B制动盘两个工作面的传热对称性旨在进一步提高。

方案C考虑了每个工作面的硬度均匀性，考虑了制动盘两个工作面的传热对称性。

铸造材料确定后，铸造微观结构主要影响因素是制动盘摩擦工作面硬度分布，与铸造和热处理工艺、制造工艺密切相关。

方案C显示了铸件两个摩擦工作面的冷却情况和凝固，以及每个摩擦工作面的凝固和冷却情况，因为去除了摩擦工作面的冒口，摩擦工作面没有使用冷铁，达到了提高工作表面硬度均匀性的目的。

铸造手册铸造技术卷第3版中描述的常规铸钢冒口供应距离参数，在方案A和方案B的冒口设计中参考使用，方案C的冒口供应距离参数是近期相关的。

30mm为盘厚T，655mm为制动盘直径，21为宽厚比约。

可以看到冒口的进料距离约为LFD-7T，210mm约为对应的进料器的进料距离。

上述三种铸造工艺方案对铸造的技术要求是：流道和浇道采用耐火砖管，制备砂芯选用呋喃树脂砂3D打印方法，并在流道接头处安装陶瓷过滤器。

根据铸造工艺图形成型芯，型芯涂有锆石粉末涂。

168kg为铸件重量，2.0%为铸件收缩率，432 kg（方案B）和308 kg（方案A）、354 kg (方案 C)为注射重量，1570至1590°C为注射温度，铸造冒口热切割和表面抛光，与炉前浇筑三个标准力学性能测试。

（三）铸造工艺设计优化
对制动盘铸造的三套铸造工艺方案中，使用Procast软件进行传热过程和金属流动的数值模拟比较和研究，数值模拟前处理的计算条件如下，28CrMoV5为铸造材料，铸造材料为呋喃树脂砂，20℃为砂型初始温度，1580℃为浇注温度，10W/(M2·K)为铸件/空气传热系数，500W/(m2-K)为铸件/型材传热系数，10W/(m2-K)为铸件/空气传热系数，计算区材料热性能采用软件默认值，0.1K05.305.mm2为临界值设置，从数值模拟结果可以看出，对应方案A的工作板与散热柱的界面处多处存在缩孔缺陷；对应方案B和C的铸件不存在缩孔现象。

55%、39% 和 48%分别为方案 A、B 和 C 的工艺产率；经比较，决定采用方案C实施工艺流程。

三、铸造工艺实施结果
在铸造工艺设计之后，3D铸造工艺图使用Solid Edge软件绘制，并执行 3D 型芯分离。

根据铸件的化学成分要求，制备硅铁、金属铬、工业纯铁、金属锰等金属炉料，常压熔炼在酸性中频炉中采用，将炉料烘烤成氢气，除去金属后熔化，熔炼完成后，将熔化的金属放入中间包。

提前加入脱氧铝，翻包浇注。

21～24秒为浇注时间，1596℃为浇注温度，浇注两件。

根据铸件技术条件的要求，研制的制动盘铸件已通过铸件尺寸检验质量检测和认证，超声检查未发现任何缺陷，表面磁粉检测未发现缺陷。

铸造时制动盘工作面硬度检测结果表明，HB316到HB356为浇口侧硬度范围，最大差HB40，在HB356和HB417之间浇口侧硬度范围，HB343到HB441为冒口侧硬度范围，最大差值HB61。

HB325到HB401为冒口侧硬度范围，最大差HB76。

铸件质量检验结果符合（TJ/CL310-2014）动车组制动盘暂行技术条件》的规定，工作面硬度测试结果与进口铸件相同。

参考文献：
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