吳射章 陳 鑫 章海輝 陳 靜 萬偉偉 楊 揚(yáng)

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

作為基礎(chǔ)制動中的關(guān)鍵零部件，制動盤是列車動能轉(zhuǎn)換成熱能的主要載體。列車每制動一次，制動盤承受摩擦的同時承受巨大的熱沖擊，短時間內(nèi)盤體溫度急劇上升，多次反復(fù)制動導(dǎo)致制動盤失效。制動盤的失效方式主要有兩種：一是盤體產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用后表面產(chǎn)生大量疲勞裂紋，裂紋的不斷擴(kuò)展使得制動盤最終失效；二是閘片對制動盤產(chǎn)生磨損，當(dāng)磨損量達(dá)到一定程度后，制動盤失效。就實際使用情況而言，熱疲勞裂紋是制動盤失效的主要原因。自2012年開始，客車運(yùn)行速度由140 km/h提升至160 km/h，且新增長交線路，停站多、距離長、坡度大、溫差大導(dǎo)致工況載荷激增，車輛2年內(nèi)運(yùn)行公里數(shù)基本達(dá)到120萬km甚至150萬km，使客車蠕鐵制動盤因熱疲勞裂紋超限而失效的數(shù)量大幅增加[1-2]。本文對該型蠕鐵制動盤進(jìn)行1∶1制動試驗，分析熱裂紋萌生區(qū)域及擴(kuò)展機(jī)理。

1 試驗方法

(1)試驗對象：客車用蠕鐵制動盤及合成閘片。

(2)試驗設(shè)備：1∶1制動動力試驗臺以及掃描電鏡等。

(3)試驗方法：依據(jù)TB/T 2980—2014《機(jī)車車輛用制動盤》，附錄A.4～A.7規(guī)定，對盤體進(jìn)行1 000次制動疲勞試驗，試驗過程中，每次稱重進(jìn)行目視檢查，每100閘進(jìn)行一次裂紋檢查。

2 試驗內(nèi)容

以客車用蠕鐵制動盤及合成閘片為摩擦副，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多個1∶1摩擦磨損試驗循環(huán)，直至制動盤表面產(chǎn)生大量的熱裂紋；對制動總能量及其對應(yīng)的制動盤表面狀態(tài)進(jìn)行跟蹤記錄與分析。

3 試驗分析

3.1 制動盤試驗后表面狀態(tài)

客車蠕鐵制動盤經(jīng)過100閘的1∶1動力制動試驗后，在盤體表面未見明顯的裂紋；經(jīng)過300閘試驗后，盤面開始出現(xiàn)龜紋，但徑向裂紋未曾出現(xiàn)；經(jīng)過600閘試驗后，開始在制動盤中間區(qū)域出現(xiàn)幾條沿徑向分布的裂紋，裂紋長度較短，不易察覺；經(jīng)過800閘試驗后，徑向裂紋變多且長度達(dá)到6 mm左右；經(jīng)過1 000閘試驗后徑向裂紋變多且變長?？蛙嚾滂F制動盤經(jīng)過1 000閘的1∶1動力制動試驗后，盤面出現(xiàn)了不同類型的裂紋(見圖1)，主要分為兩種：盤面均布的龜紋狀裂紋和沿徑向分布的長裂紋。龜紋為熱疲勞后產(chǎn)生的裂紋，與能量累積有關(guān)，龜紋較淺且普遍存在，隨著制動的進(jìn)行多數(shù)龜紋會被磨掉，而部分龜紋在擴(kuò)展速度上高于磨損速度，因而裂紋逐漸發(fā)展，最終形成徑向裂紋。最長徑向裂紋長約12 mm，大多數(shù)裂紋長度約為10 mm，且主要分布于盤面中間區(qū)域。

圖1 1000閘疲勞試驗后盤面裂紋形貌

3.2 制動盤實物取樣分析

針對上述裂紋形式，運(yùn)用合理的方法將裂紋打開觀察裂紋斷面形貌(見圖2)。此外，垂直于裂紋取樣觀察裂紋尖端的形貌。在盤面上、中、下區(qū)域沿制動盤徑向取樣，以分析制動過程中材料微觀組織的變化。

圖2 取樣位置

裂紋打開后其斷面形貌如圖3～圖6所示。圖3和圖4標(biāo)記處為原始裂紋形貌，其他為人為打開區(qū)域，圖5和圖6標(biāo)記處為裂紋源萌生及擴(kuò)展形貌。從石墨形態(tài)與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系考慮，隨著蠕化率的下降導(dǎo)熱系數(shù)也隨之下降，蠕蟲石墨逐漸變小則愈發(fā)具有球鐵的特征，長度變大則向灰鐵轉(zhuǎn)變，機(jī)械性能也隨之降低，石墨長度變小，使得石墨割裂基體的效果減弱，阻礙了龜紋的快速形成有利于基體強(qiáng)度的增加和盤體壽命的提升[3]。

圖3 裂紋打開后斷面形貌圖 4 裂紋萌生處形貌-1

圖5 裂紋萌生處形貌-2 圖6 裂紋擴(kuò)展形貌

疲勞試驗客車蠕鐵制動盤盤體石墨形貌如圖7所示，其蠕化率約為85%，基體組織為“鐵素體+約35%的珠光體+<2%的碳化物”(見圖8)。從盤面上、中、下三個區(qū)域組織形貌可知，中間區(qū)域表面珠光體組織已經(jīng)出現(xiàn)部分球化現(xiàn)象，而上、下區(qū)域珠光體組織未出現(xiàn)此類現(xiàn)象(見圖9、圖10)。表明盤體在試驗過程中中間區(qū)域溫度更高，這一結(jié)果符合盤體結(jié)構(gòu)，盤體結(jié)構(gòu)使得兩端散熱快，中間散熱慢，能量在中間聚集較多，這一結(jié)果在記錄盤面溫度的疲勞試驗數(shù)據(jù)中得到證實，盤面中間部位的溫度顯著高于上、下區(qū)域，所記錄的最高溫度已達(dá)691 ℃，并且該溫度記錄部位正好處于中間區(qū)域。

圖7 50×石墨形態(tài) 圖8 100×基體組織

圖9 500×中間區(qū)域組織 圖10 500×上、下區(qū)域組織

疲勞試驗客車蠕鐵制動盤盤體裂紋形貌間如圖11～圖13所示，裂紋基本于石墨處萌生，且所處區(qū)域均為鐵素體區(qū)，這與石墨生成后所在區(qū)域為貧碳有關(guān)，鐵素體組織強(qiáng)度低，并且石墨在盤中基本不存在強(qiáng)度，與基體的結(jié)合屬于機(jī)械結(jié)合的類型，因而裂紋易于在此處萌生。

圖11 50×裂紋形貌-1 圖12 50×裂紋形貌-2

圖13 100×裂紋兩側(cè)組織形貌

制動時閘片與制動盤摩擦產(chǎn)生的熱量使得盤面溫度急劇上升，停止制動時制動盤急劇冷卻。由于制動盤結(jié)構(gòu)和各部位散熱性能的差異，在制動盤的急劇加熱和冷卻過程中內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度。這一過程不僅會導(dǎo)致制動盤產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時局部高溫還使局部區(qū)域材料發(fā)生相變，反復(fù)的制動使制動盤承受反復(fù)的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用[2]，石墨與基體交界處高溫區(qū)周圍的應(yīng)力累積達(dá)到材料的斷裂允許值，首先產(chǎn)生龜裂紋，顯微裂紋不斷擴(kuò)展且并發(fā)生連接，快速形成長裂紋。

4 結(jié)論

通過采用1∶1制動動力試驗與斷口金相失效分析相結(jié)合的試驗驗證方法，可以得出客車蠕鐵制動盤的熱疲勞裂紋主要分為龜裂紋和徑向裂紋，一般在石墨和基體交界部位萌生顯微裂紋，經(jīng)制動

能量的累加不斷發(fā)展，最終形成危害性裂紋；通過盤體結(jié)構(gòu)可見盤體中間區(qū)域裂紋萌生的危險性最大；通過壽命比對試驗可見蠕蟲石墨長度變小將提升客車蠕鐵制動盤盤體壽命。經(jīng)過以上客車用蠕鐵制動盤熱裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)理的分析，將為后續(xù)進(jìn)行制動盤結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的研究，提高盤體壽命等提供理論數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而保障客車的安全運(yùn)行。