高速列車制動盤用鋼現狀與發展趨勢

朱世婷，王 芳，陳慧琴，劉 燕

（1.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030001；2.東北大學多金屬共生礦業生態化冶金教育部重實驗室，遼寧 沈陽 110819）

高速列車作為現代化交通運輸的重要組成部分，在世界各國得到了廣泛的重視和發展。隨著經濟的快速發展，列車時速要求越來越高，我國經過長期的技術積累和不斷地創新研發，已處于高速鐵路發展的快速時期，成功鋪設了時速300 km～350 km 的高速鐵路網，為我國經濟“穩增長、促改革、調結構”做出了卓越貢獻[1-2]。

目前，高速列車的最高試驗時速已達450 km/h～580 km/h[3-4]。列車時速要求越高對列車的制動系統性能要求也就越高。相關研究表明，時速200 km/h～300 km/h 的高速列車在制動時產生的能量為普通列車制動時所產生能量的4～9 倍[5]。高速列車的制動主要是通過閘片組與制動盤在一定壓力下接觸產生的機械摩擦阻力來實現減速或停車的。制動盤作為制動系統的核心零部件，其性能直接影響制動系統的使用壽命及列車的運行安全[6-7]。隨著科技日新月異發展，交通高速化的趨勢愈加明顯，高速化已經成為全球現代交通發展的重要目標之一。中國更是率先提出了推進鐵路高速化建設的整體構想。因此，高速列車用制動盤的性能研發和設計制造是我國高速列車發展過程中亟待解決的關鍵技術問題。

1 高速列車制動盤用材料

高鐵制動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展需求，相繼進行了復合材料、特殊合金鋼和低合金鋼等材料的研發[8]。

灰口鑄鐵具有良好的導熱性、阻尼性能、蓄熱能力、耐磨性以及經濟性，使其在普通鐵路車輛以及大多數汽車的制動盤上得到了廣泛應用[9]。但是其抗拉強度低、磨損快，因此在時速較高的鐵路列車上很難推廣應用。

隨著對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。目前如鋁基復合材料和碳/碳纖維復合材料之類的低密度復合材料的研發也是高速列車制動盤的研究熱點。鋁基復合材料具有導熱性好、熱膨脹系數小、熱疲勞性能高等優點，使其在反復、連續制動的工況條件下，表面溫升低、摩擦系數穩定、不易發生疲勞破壞[10]。但該類材料所制備的制動盤塑韌性低、延伸率小，溫度較高時熱損傷嚴重，因此在承受熱交變負荷時易萌生裂紋并迅速擴展[11-12]，使其在高速列車上的應用得到了很大限制。碳/碳纖維復合材料，具有密度低、力學性能好、耐摩擦磨損、抗疲勞性和熱物理性能優異等優點，廣泛應用于航空航天等現代高新技術領域[13]。但該類材料制得的制動盤存在摩擦系數的變化幅度大、臨近組件溫升過高、成本較高等技術問題，限制了其產業化制備和發展。

鋼系制動盤對生產工藝設備的要求不高，成本相對較低，具有良好的綜合機械性能。鋼系制動盤分為鍛鋼制動盤和鑄鋼制動盤。圖1 為鑄鋼制動盤結構，與鍛鋼制動盤相比，鑄鋼制動盤具有可進行復雜散熱結構設計、制動過程中盤體降溫迅速等優點，同時鑄鋼制動盤在經過適當的合金化和熱處理之后，具有較好的耐磨性、耐熱性和強韌性，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、法國的TGV 系列高速列車、韓國高速列車KTX、德國的ICE 系列車輛以及中國CRH2 型和CRH3 型高速列車均選用的是鑄鋼材質的制動盤[14]。

圖1 鑄鋼制動盤結構圖

2 高速列車制動盤服役性能要求

為抵消高鐵前進時巨大的慣性力，高速列車使用復合制動，其制動力分別來自空氣制動、電制動和非黏著制動。但是在電氣制動失效時，需要使用空氣制動，即通過制動閘片與制動盤進行摩擦，將高速行駛車輛的動能轉換成熱能實現剎車。在此過程中，制動盤在確保自身的材料結構和性能不被破壞的同時需要吸收制動產生的摩擦熱能并將其散發到空氣中。因此，對制動盤的材質和結構提出了很高的要求，高鐵制動盤的性能要求有強韌性、導熱性、熱疲勞性和耐磨性。

2.1 強韌性

列車制動盤設置于車輪一側，在列車運行時，制動盤是隨著車輪一起進行高速旋轉運動的，因此需要承受高速旋轉帶來的離心力和制動時制動閘片對制動盤施加的壓力及摩擦力。在這幾個力的長期共同作用下，制動盤會出現摩擦面裂紋，疲勞裂紋擴展到一定程度后，會導致制動盤盤體斷裂失效。因此，制動盤材料應具有較好的強韌性，用來抑制裂紋萌生和擴展[15]。

2.2 導熱性

純空氣緊急制動條件下，我國RH380AL 型號和RH380BL 型號的高速列車制動初速度為300 km/h、350 km/h 和380 km/h 時，制動盤相對應的所能夠達到的最高溫度分別為475 ℃～560 ℃、665 ℃～674 ℃和708 ℃～711 ℃[16]。

制動盤需要選用導熱性較好的材料，降低盤體表面的溫度梯度，從而減小制動盤的熱應力。導熱性通常用導熱系數來衡量，鋼鐵材料的導熱系數一般與其成分和溫度相關。俄羅斯的學者[17]對低合金鋼的導熱系數進行研究，該研究指出，溫度在100 ℃至800 ℃范圍時，實驗鋼的導熱系數隨溫度升高逐漸減小，溫度在900 ℃至1 100 ℃范圍時，實驗鋼的導熱系數隨溫度升高而升高。Wilthan 等人[18]對不同成分合金鋼的導熱系數規律進行了詳細研究，其研究結果表明幾種成分實驗鋼的導熱系數隨溫度升高均呈上升趨勢。通過分析可知：在鐵素體相區時，鋼鐵材料的導熱系數隨溫度升高呈降低趨勢；在奧氏體及液相區時，鋼鐵材料的導熱系數隨溫度升高不斷增加。

2.3 熱疲勞性

高速列車在制動過程中，尤其是在緊急制動時，制動盤與制動閘片劇烈摩擦，將高速列車的動能轉換成熱能。由于制動過程中制動閘片和制動盤之間為非均勻接觸，使得制動盤摩擦表面出現溫度分布不均勻的情況，并在局部高溫區域出現熱斑[19]。同時，制動盤摩擦面不均勻的溫度分布易導致制動盤表面出現不均勻變形，使得熱斑區域的內部和邊緣形成較大的熱應力[20]。當該區域的熱應力超過該區域材料的強度時，出現熱疲勞裂紋，在反復的熱循環過程中，熱裂紋不斷擴展，最終導致盤體開裂，呈現出如圖2 所示的熱裂紋或龜裂紋。由于長期暴露于高溫中，使得材料本身表面出現氧化層，進一步促進裂紋的發展[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。制動盤在高速、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理同時作用的高磨損狀態。除外界環境影響因素，材料自身的組織類型、力學性能以及碳化物的成分、大小和形貌等對材料的耐磨性能有很大的影響。。

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

徐流杰等學者[24]在對高釩高速鋼摩擦磨損性能的研究中發現基體中碳化物的含量、種類、尺寸大小及其分布情況對材料的硬度和耐磨性有很大影響。同時研究還發現：碳化物對硬度的改善效果與基體組織有很大的關系，例如：在珠光體-碳化物微觀結構中，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-碳化物微觀結構中，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，耐磨性不會發生變化。因此，可以通過調整強碳化物形成元素的含量，并配合合適的熱處理手段，對碳化物含量、種類、尺寸大小及其分布進行調控，提高制動盤的耐磨性。

綜上所述，高鐵制動盤用鋼需要同時具備較好的強韌性、導熱性、熱疲勞性和耐磨性。中國鐵路行業標準（TB/T2980-2014）對動車組列車的制動盤和300 km/h 以上高速列車制動盤用鋼性能要求的規定如表2 所示。

表2 動車組列車的制動盤和300 km/h以上高速列車制動盤用鋼性能要求

3 鑄鋼制動盤相關研究的進展

3.1 國外相關研究進展

日本學者Harada 等[23]對傳統A4340 鑄鋼進行了優化，在低合金鋼中添加0.1%的V，并通過試驗對該材料的抗冷熱疲勞性能進行了對比分析，其結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，其抗拉強度大于1 037 MPa、表面硬度為380 HV.德國學者[25]通過Cr-Ni-Mo 合金化的方法開發出適用于350 km/h 的鑄鋼制動盤，抗拉強度大于1 050 MPa、伸長率大于等于9%、屈服強度大于1 000 MPa.芬蘭的Ojala[26]通過合金成分對耐磨鋼摩擦性能的影響研究，發現鋼的合金化以及其顯微組織和硬度特性對鋼的耐磨損性具有很大的影響。表3 為國外研究中部分高速列車制動盤的力學性能[27]。

表3 國外研究中部分高速列車制動盤的力學性能

3.2 國內相關研究進展

國內學者對鑄鋼制動盤做了很多研究。錢坤才等對鑄鋼制動盤的化學成分和結構進行了設計[28]，實驗結果顯示：該制動盤材料在室溫、600 ℃溫度下的抗拉強度分別達1 445 MPa 和1 021 MPa，且其沖擊韌性為31 J/cm2（對應沖擊功為25 J）；通過1∶1制動動力試驗臺進行制動實驗分析后得出結果：300 km/h 速度下該該材料制動盤的緊急制動距離小于3 700 m，其制動盤摩擦面的最高溫度低于610 ℃，該結果表明經過化學成分和結構改進后的鑄鋼制動盤可滿足高速動車組的運行標準。該團隊還對鑄鋼制動盤早期裂紋情況進行了研究分析[29]，結果表明鋼中大量不規則夾雜物（如MnS、Al2O3）的存在是早期裂紋的主要產生原因，通過對夾雜物改性處理可有效防止早期裂紋的產生，提高制動盤用鋼的斷裂韌性。嚴運濤等[30]研發出屈服強度為1 050 MPa，抗拉強度為1 180 MPa～1 260 MPa，伸長率為13%～15%的鑄鋼制動盤，該力學性能能夠滿足高速列車制動盤用鋼的性能要求。中國鐵道科學研究院[31]分別對制動盤材料和結構進行優化，得到了具有良好高溫力學性能、抗熱疲勞性能、導熱性以及一定的抗氧化能力的制動盤用鋼。岑升波[32]采用數值模擬與實驗相結合的方式，對鑄鋼制動盤熱疲勞性能及熱疲勞過程中的組織演變規律進行了深入研究，實現對制動盤熱疲勞壽命的預測。李志強等[21]對通過低周疲勞試驗，發現制動盤用鋼在600 ℃以下溫度時性能較為穩定，但當循環溫度高于600 ℃時，制動盤摩擦面出現脫碳層，且基體內部的碳化物粒子發生聚集長大，使其在之后的塑性變形中極易產生空洞，促進裂紋的萌生和擴展。表4 為國內研究中部分高速列車制動盤的力學性能。

表4 國內研究中部分高速列車制動盤的力學性能

對比表3 和表4，可知我國的鑄鋼制動盤基本性能研究水平已經可以滿足高速列車的運行需求，但是高速列車制動盤極端的服役工況，要求具有良好強韌性和高溫摩擦性能，兼具良好的導熱性能、高溫性能、抗熱疲勞性能等，代表著有別于傳統耐磨鋼的能夠承受大負荷循環熱沖擊的新型耐磨鋼。針對制動盤材質的性能、先進制備工藝和關鍵技術的研究仍不成熟，具體體現在以下幾個方面：首先，大多數鋼廠都添加了較多種類的合金元素，用來達到所需性能，但是通過合金元素進行基體強化的同時，會損失掉部分塑韌性，因此需要提出基于多性能目標的耐磨鋼多元合金化成分優化設計[33-36]。其次，由于生產過程控制不精準，生產的產品質量波動性較大，綜合力學性能無法得到有效控制，需對其熔煉和凝固工藝過程進行控制。最后，國內目前生產的多是回火馬氏體組織鋼，國外生產的大多為復雜的復相組織，需要通過析出相和基體組織特征參數對鋼綜合力學性能的影響機理進行研究，優化熱處理工藝。

4 結論

隨著我國經濟水平的快速發展，對制動系統零部件的性能要求也有了更高的標準。制動盤作為高速列車制動系統的主要零部件，是列車安全的重要保障。目前我國的相關研究與國際先進技術相比還存在一定差距，制約了我國高速列車制動盤制造技術水平的發展。因此，需要從高速列車制動盤合金元素優化、熔煉凝固方案設計、熱處理工藝研究及高溫、耐磨性能研究等方面著手，構建高鐵制動盤鑄鋼成分-工藝-組織-性能關系模型，為高性能制動盤制造提供理論支撐，促進我國高速制動盤制造基礎理論與核心關鍵技術的自主創新和高速列車制動盤制造技術水平的提升。