鐵道機車用灰鑄鐵閘瓦摩擦性能控制分析

田合強，呂宇靖，牟 鑫，閆 龍，王 萌

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 標準計量研究所，北京 100081；2 中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

閘瓦是鐵道機車踏面制動的關鍵部件，灰鑄鐵閘瓦（以下簡稱“閘瓦”）具有較好的導熱率、對車輪的影響小、制造成本低等優點，其摩擦性能不受氣候條件的影響［1］，故目前在DF4型等機車上被批量裝車使用。但該閘瓦抗斷裂性能較差，使用中會出現裂紋或斷裂，直接關系到列車的運行安全。實際生產中，生產企業對鑄造工藝參數的選擇和調整，也會不同程度地影響閘瓦的摩擦性能和整體質量；有時還會出現閘瓦的理化各項檢測指標均符合要求，但同批次不同閘瓦的磨耗量相差較大、不同制動初速度下的摩擦系數相差較大的情況。為此，分析閘瓦斷裂發生的原因，研究化學成分、鑄鐵組織對閘瓦摩擦性能的影響，探討提高閘瓦摩擦性能的生產控制措施，是十分有必要的。

1 閘瓦斷裂原因分析

根據有關調查及對現場更換下來的閘瓦進行隨機抽樣檢查，發現閘瓦一般沿瓦鼻端面一側出現橫向裂紋，即在所受彎矩最大、強度最薄弱的地方發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。當然，也有可能是閘瓦托的四爪與閘瓦接觸面間隙過大，閘瓦內弧與車輪之間的間隙過大，導致制動時受力不均，造成閘瓦斷裂。文中主要從閘瓦成品缺陷角度來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過程中未完全清理干凈，表面留有油污或鐵銹，在澆注過程中油污與金屬液接觸發生燃燒，在瓦鼻端面上形成氣體或聚集形成集中氣泡，沒有來得及從金屬液中排出，即在瓦鼻端面上出現氣孔、氣泡缺陷；二是型沙中的發氣物質（如水分、附加物）在金屬液的作用下形成氣孔；三是金屬液氧化嚴重，型腔中未排盡氣體和澆注時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：一是鑄型強度不夠，受金屬液膨脹擠壓脹大，凝固收縮后，無外來金屬液及時補縮而產生縮孔；二是鐵液澆注溫度過高，澆注速度過快，液態體收縮傾向大，凝固后產生縮孔。

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低，瓦鼻兩端面與鐵液沒有熔化凝固為一體；二是瓦鼻表面有鐵銹、高熔點夾雜物，在瓦鼻與鐵液之間形成隔膜，導致熔化不完全。

圖3 瓦鼻與閘瓦母體熔合不好缺陷

2 化學成分、鑄鐵組織對閘瓦摩擦性能的影響

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

摩擦系數對閘瓦磨損也是一個需要考慮的重要因素，在其他條件不變的情況下，摩擦系數與摩擦力成正比，摩擦力越大，越易造成閘瓦的磨損，因此需要對閘瓦的摩擦系數進行控制。試驗中，摩擦系數是由使用理想狀態下閘瓦與車輪的實際接觸面積產生的摩擦力計算出來的，其希望閘瓦是一種勻質材料，但實際上閘瓦是一種非絕對勻質材料，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，生產中要增加閘瓦的均勻度，減少凸出硬點。

綜合既有研究文獻，分析影響閘瓦磨耗性能的主要化學成分、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滑作用，在制動過程中形成潤滑薄膜，從而提高了耐磨性，但會減小摩擦系數；另一方面石墨本身不具強度，相當于基體中存在缺口，破壞灰鑄鐵基體的連續性，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，若石墨過多、過長，則使基體強度變低，磨損加劇；若石墨過少，則潤滑不足，導熱降低。現場生產中常以選取A型石墨、均勻細片狀石墨為佳，其保持一定的導熱性和潤滑作用，又不降低基體強度。

（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。不同基體對耐磨性影響不同，珠光體基體比鐵素體基體耐磨，細化珠光體有利于提高鑄鐵的強度和硬度，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、強度的提高而提高，在鐵素體體積分數為10%~20%時達到峰值。

（3）磷共晶。磷共晶常以不連續網狀或孤島狀的形式分布于原共晶團間，具有優良的減摩和耐磨作用，同時具有比鑄鐵基體更低的熔點，在車輛制動時，可以有效地提高輪—瓦踏面的摩擦系數。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，成為磨料，對基體本身造成磨損。所以對于灰鑄鐵閘瓦，應避免三元磷共晶的出現；同時，在抗磨鑄鐵中以二元磷共晶單獨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。基體中析出一部分碳化物，可以強化基體組織，增加硬度，提高耐磨性，但降低摩擦系數。對于有磷共晶的鑄鐵，在出現碳化物后，容易形成三元磷共晶，導致鑄鐵的耐磨性和沖擊韌性降低。因此需嚴格控制自由滲碳體。

3 提高閘瓦摩擦性能的生產控制措施

3.1 閘瓦斷裂的控制

在現場生產過程中，可以通過強化如下措施來控制閘瓦斷裂：

（1）提高瓦鼻表面質量，對瓦鼻進行電鍍防護處理，保證表面光潔、干凈、無油污和銹蝕。

（2）造型前對瓦鼻進行烘干處理，保證瓦鼻的干燥性。

（3）合箱前對鑄型進行烘干處理，保證鑄型和瓦鼻表面干燥。

（4）縮短合箱后的待澆注時間，減少鑄型和瓦鼻的吸濕性。

（5）提高鑄型強度，提高鐵水質量，嚴格控制澆注溫度和澆注速度［4］。

3.2 閘瓦化學成分、鑄鐵組織的控制

閘瓦的磨耗和摩擦系數主要與石墨的形態、分布、數量、基體組織、磷共晶和碳化物密切相關，在生產過程中可通過控制化學成分和熔煉關鍵工藝來提高閘瓦摩擦性能。

化學成分控制：

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

（2）錳。錳是強碳化物形成元素，強化基體，促進珠光體形成并細化珠光體。錳含量過高時，會使滲碳體數量增加，生成萊氏體。錳含量一般控制在1%~1.2%范圍內。

（3）硫。硫是有害元素，嚴格控制。

（4）磷。在閘瓦中加入適量的磷，部分固溶在基體中強化基體，細化晶粒，提高閘瓦的硬度，而過量的磷形成磷共晶，提高耐磨性和摩擦系數，但需嚴格控制，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。銅是一種穩定珠光體的元素，可增加和細化珠光體，提高鑄鐵的強度和硬度，提高耐磨性，但會促進三元磷共晶生成，增加成本，因此，加入量控制在小于0.2%。

（6）鉻。鉻強烈阻礙石墨化元素，促進珠光體形成，強烈穩定碳化物，增加脆性，促進三元磷共晶生成，降低耐磨性和摩擦系數，因此，應嚴格控制鉻含量。

熔煉關鍵工藝控制：

（1）嚴格選擇原材料，保證生鐵和鋼板潔凈，防止鐵水氧化。

（2）鐵液進行過熱處理并靜置，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，孕育處理既可促進石墨化，減少白口傾向，又能影響石墨的數量和形狀，使鑄鐵共晶晶粒變小，還能提高鑄鐵組織及性能的均勻性，減輕鑄鐵對冷卻速度的敏感性；促進細片狀珠光體形成；保證磷共晶以不連續網狀或孤島狀均勻分布在珠光體基體上。采用75硅鐵和硅鋇復合孕育劑，出爐時隨鐵流均勻加入質量分數為0.2%的硅鋇孕育劑，鐵水包內加入質量分數為0.3%的硅鋇孕育劑、質量分數為0.3%的75硅鐵。

4 控制措施驗證結果

通過采取以上生產控制措施，在某公司生產的不同批次閘瓦中抽取代表閘瓦進行斷裂韌性試驗驗證，結果顯示，簽卡與閘瓦體熔合較好，組織致密，無縮孔、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TB/T 3104.3-2017進行化學成分、力學性能、耐壓性能、金相組織、1∶1制動動力試驗臺摩擦性能試驗驗證。結果顯示，通過加入一定的磷含量以及孕育處理，嚴格控制促進碳化物形成的元素，降低了硬化相中的滲碳體，在凝固過程中形成一定量的不連續網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，同時確保了閘瓦力學性能、金相組織、硬度在標準要求范圍內。腐蝕前、后的閘瓦金相組織如圖5所示，閘瓦的化學成分、力學性能、耐壓性能和金相組織檢測結果見表1，閘瓦在1∶1制動動力試驗臺的制動摩擦磨耗性能試驗曲線如圖6所示。

表1 閘瓦化學成分、力學性能、耐壓性能和金相組織檢測結果

圖6 閘瓦在1∶1制動動力試驗臺制動摩擦磨耗性能試驗曲線

基于以上生產控制措施，由某公司生產的閘瓦已于2020年6月開始在DF4D型機車上裝車使用，截止2021年1月，閘瓦已累計裝車30余臺，在線服役狀態良好。

5 結束語

在鐵道機車的踏面制動方式中，閘瓦仍在大量應用，盡管閘瓦的需求量確實在隨著既有適用機車數量的減少而遞減，但全路機車目前每年對閘瓦仍有上萬塊的使用需求量，其摩擦性能也將直接關系到整車的制動安全。通過對既有閘瓦的斷裂原因進行分析，提出了生產過程采取控制化學成分和熔煉關鍵工藝等控制措施，經試驗和裝車驗證，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、保證閘瓦產品質量，達到降低服役機車行車安全風險的目的。該控制措施對閘瓦的現場生產具有一定的參考價值。