7章 制动材料(制动盘部分)(9、10周)
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的动能。
由于受不均匀温度场和应力循环的作用,导致 热裂纹的萌生和扩展,最终使制动盘失效。
制动盘不同初速度下的表面温度： 300时速下，最高温度接近1200℃； 270时速下，最高温度接近800℃； 220时速下，最高温度接近700℃；
在220~300 km∙h‐1制动初速度下,盘面温度变化速度最高 可达43~80℃/s,制动盘处于非常不均匀的受热状态中。
不同回火条件下合金的硬度
摩擦系数
磨合试验 停车制动； 常用制动； 坡道连续制动； 静摩擦试验 （轴重为15.5T； 闸片压力为11.872 kN*2）
制动性能分析
服役性能分析
结构可靠性能； 摩擦表面裂纹情况； 表面磨损情况； 制动性能：200公里时速，制动距离2000m；
300公里时速，制动距离3700m。
铬(Cr)：增加钢的淬透性并有二次硬化作用， 能提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和 韧性。铬还能提高钢的高温强度，是耐热钢的重要合 金元素。
钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入适量 的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成 的碳化物在高温高压下可提高钢的抗氢腐蚀能力。
钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和 红硬性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。 钼还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。
SiC形态：球形条件下，摩擦系数略低，但稳定性更 好。各种条件下，磨损率较多角粒子低。对闸片 的影响也如此（犁沟效应）。
案例分析：铸钢制动盘的制造
前提条件
1）性能要求（力学性能、物理性能（导热系数高和热膨胀 系数小）、高温力学性能、抗冷热疲劳）
2）制造成本（铸造工艺性能好） 3）生产成本（能够批量生产）
熔融法：SiC粒子（8%）表面做预处理，改善 浸润性。半凝固状态下搅拌、升高20‐30℃ 后浇铸、热锻、切削。
特点
铝基SiC强化制动盘为例，摩擦系数稳定在0.4左右， 高于钢盘‐合成闸片的摩擦系数，当压力高于 0.3MPa时，摩擦系数仍旧高于0.2。
磨损量方面，合成闸片下，Al基复合材料的磨损量 高于钢盘。在淋水条件下，水分对磨损量影响不 大。
钢质制动盘（日本：低合金高强锻钢制动盘）
铸铁‐铸钢复层制动盘（使用寿命长，摩擦性能与铸铁 基本一致，高速区也有稳定的摩擦系数，较高的抗 热裂性能）
2. 复合材料制动盘
碳/碳纤维复合材料制动盘 铝基复合材料制动盘（汽车上）
轻量化处理
铸铁制动盘的瞬间高温性能
性能
常温
200℃
300℃
400
500
σ/Mpa
钛(Ti)：钛是强碳化物形成元素，钢中加入适 量的钛可显著细化组织晶粒，提高强度和韧性，尤其 对提高冲击韧性贡献较为明显
熔炼工艺
• 熔炼方法：重熔法制备，碱性炉衬；
• 净化工艺：铝条‐‐‐脱氧； TiReSiCa变质剂‐‐‐脱气、脱硫和脱杂质； 包内吹氩‐‐‐‐减少夹杂物及气体；
净化对性能的影响
成分的设计
C Si
Mn P
S
Ni Cr V Mo W Fe
0.20 0.2‐ 0.3‐ <0.03 <0.03 0.3‐ 0.4‐ 0.06 0.20 0.1‐ balenced
‐ 0.80 1.50
2.00 2.50 ‐ ‐1.8 1.8
0.06
1.00
化学元素在合金中的作用
钨(W)：缩小γ相区，钨是强碳化物形成元素， 钢中加入适量的钨可细化组织晶粒，提高强度和韧性。 碳化钨熔点高，在高温下阻止晶粒长大，从而提高材 料的高温强度。
性能分析
• 金相 • 冷热疲劳 • 拉伸 • V缺口冲击试验 • 气体含量分析（氢氧氮） • 硬度
合金的机械性能
热处理工艺
• 预备热处理+调质热处理 • 预备热处理： 540‐580℃1小时‐‐‐‐升温760‐800℃3—5小时，
炉冷；
淬火：910‐960℃4‐6小时，油冷。
组织：回火马氏体+贝氏体
拉压疲劳极限 /MPa
470 2.5 219
15.3
>0.13 1.49*105 207.2 256.7
（对 （脉动）
称）
铸钢制动盘
法国TGV高速列车铸造合金钢（28CDV5.08）制动盘的化学成分
C 0.24‐0.31
Cr 1.2‐1.6
Mo 0.6‐0.9
V 0.2‐0.4
极限强度1050‐1250Mpa；抗压强度>970Mpa，延伸率>10%，冲击功>23J，硬度 331‐388HB
性能比较：锻钢盘强度比铸铁高，裂纹扩展到2‐3mm后就 不扩展了，不易出现微细热龟裂和几十毫米的龟裂纹； 耐热性远高于铸铁材质；
碳/碳纤维复合材料制动盘
1981年，法国巴黎东南号进行试验。1987‐1989进行装机 实验；试验表明：速度、压力和速度导致摩擦系数的 变化幅值达6倍。雨天，磨损量急剧增加（结构需改 进）。制动能达90MJ。问题：对附件高温性能要求高。 价格昂贵、结构复杂。
0.60 ‐0.80 2.00 3
2.50
V
Mo
<0.35 0.2‐ 1.00
少了W，形变强化
工艺：始锻温度1150℃，终锻温度880℃，锻后炉冷， 热处理工艺910℃±5℃淬火，600℃ ± 5℃回火。
抗拉强度1255‐1330Mpa；屈服强度>1165‐1240Mpa， 延伸率>13‐13.5%，断面收缩率53.5‐54%; 冲击功>95‐42J， 硬度363‐378HBS
常用制动：调节或控制列车速度所施行的制动，作用平缓，制动 力可以调节。
紧急制动：为使列车尽快停住而施行的制动。全部制动能力都用 上。
非常制动：制动力达最大常用制动力的1.4‐1.5倍。 辅助制动：包括备用制动、救援制动和停车制动。
高速列车的制动装置和紧急制动距离
电阻制动、再生制动、轨道涡流制 动、旋转涡流制动等
2.2 制动盘材质及性能
主要性能要求： 1. 足够强度（离心力和压力） 2. 高而稳定的摩擦系数（制动效果） 3. 较高耐磨性（磨损量尽量少） 4. 较好的抗热裂纹性能（急冷急热下不产生裂纹） 5. 密度小（降低车辆重量）
制动盘材料
1. 铁基制动盘
铸铁制动盘（日本：Ni‐Cr‐Mo低合金铸铁）
主流
第六章 高速列车制动材料
1. 引言（现状、特点及发展） 2. 制动盘
制动盘结构 制动盘材质及性能 制动盘材料及制造工艺
3. 制动闸片
制动闸片结构 制动闸片材料 制动闸片的制造工艺（制粉、筛分、混合、压制成型、烧结） 闸片标准
4. 最新进展 5. 小结
1. 引言
比如下坡，转弯等
高速列车的制动：人为地制止列车的运动，包括使它减速，不加 速或停止运行。
虽然Al的熔点低，但铝的导热性好。只要热容量足 够就不至于是表面温度过热。
降低重量：58%相对铸钢盘。制动规律4200W，最 高温度为375℃。超过这一温度，急剧磨损。
2.3 制动盘材料及其制造工艺
• 铸铁制动盘 • 铸钢制动盘 • 锻钢制动盘 • 碳碳复合材料制动盘 • 双金属材料制动盘 • 表面涂层材料制动盘 • 陶瓷强化复合材料制动盘
4. 最新进展
5. 小结
参考书目
1. 符蓉、高飞. 高速列车制动材料.化学工业出版社. 2011.12.
470
405
398
389
345
δ/%
2.5
2.0
1.9
2.5
2.7
ψ/%
0.9
0.7
1.2
1.8
1.9
铸铁制动盘的化学成分
C
Si
Mn
P
S
Re
Mg
Mo
Cu
3.75 2.39 0.55 0.041 0.017 0.015 0.022 <0.5 <0.8
铸铁制动盘的常温性能
σ/MPa δ/% 硬度/HB Ak/J.cm‐2 热导率/ 弹性模量 (W.(m.K)‐1) /N.mm‐2
• 轮盘制动
车轴
振动盘的工作原理 • 轴盘制动
通风结构（降低温度、风阻大）‐‐‐‐实心结构（温度高）
列车的制动规律
制动的规律（踏面制动‐‐‐轮盘制动）： 列车的制动规律是列车车速的三次方。 含义：列车每提速一倍，制动功率需提高8倍。 制动规律达几十MJ。 所以，要求制动部件在很短时间内耗散大量
密度仅为铁的1/5，导热性好，热熔量大，热膨胀系数 小，抗热裂性好。
特点：在高摩擦速度下，随着温度的升高，摩擦系数急 剧增大，与传统制动材料的摩擦特性差别较大。因此， 需要对制动系统结构进行改进才能使用。另外，其磨 耗量较大。
铝基复合材料制动盘
在铝合金基体中添加SiC、Al2O3颗粒的复合材料， 耐磨性能与铸铁相当。抗热疲劳性能好。
法国TGV双层客车（15CDV4.10）制动盘的化学成分
C
Cr
Mo
0.15
1‐1.5
0.85‐1.15
V 0.15‐0.3
极限强度1030‐1200Mpa；抗压强度>900Mpa，延伸率>10%，冲击功>20J，硬度 331‐388HB
锻钢制动盘
wk.baidu.com
锻钢制动盘的化学成分
C
Si
Mn P
S
Ni
Cr
0.20‐ 0.20 0.30‐ <0.0 <0.03 0.30‐2.00 0.4‐
3. 制动闸片
• 制动闸片结构 • 制动闸片材料 • 制动闸片的制造工艺 • 制动闸片标准
3.1 制动闸片结构
3.2 制动闸片材料
3.3制动闸片的制造工艺
3.4制动闸片标准
Sintered metal matrix composite reinforced by particles Disc material: 28CrMoV5‐08 low alloy forged steel
转向架两侧、轨道上方安装电磁 铁，磨耗板，滑动摩擦产生动力。
大大减轻车轮踏面的热负荷和机械 磨耗；按制动要求选择最佳“摩擦 副”；制动平稳，几乎无噪声。
2. 制动盘
• 制动盘结构 • 制动盘材质及性能 • 制动盘材料及制造工艺
2.1 制动盘结构
• 机械构成 （1）制动盘（轴盘+轮盘） （2）闸片
铸铁制动盘
法国TGV东南线高速列车制动盘
片状石墨灰铸铁，组织为珠光体。 成分：碳化物7%；硅1.7%；锰为6%。
力学性能： Re(极限强度)：250‐350MPa； Rp0.2（抗压强度）：150‐200Mpa; 硬度：170‐230HB
铝基复合材料的制备工艺
粉末法：将铝合金粉末与强化粒子混合，再 固化的方法。
由于受不均匀温度场和应力循环的作用,导致 热裂纹的萌生和扩展,最终使制动盘失效。
制动盘不同初速度下的表面温度： 300时速下，最高温度接近1200℃； 270时速下，最高温度接近800℃； 220时速下，最高温度接近700℃；
在220~300 km∙h‐1制动初速度下,盘面温度变化速度最高 可达43~80℃/s,制动盘处于非常不均匀的受热状态中。
不同回火条件下合金的硬度
摩擦系数
磨合试验 停车制动； 常用制动； 坡道连续制动； 静摩擦试验 （轴重为15.5T； 闸片压力为11.872 kN*2）
制动性能分析
服役性能分析
结构可靠性能； 摩擦表面裂纹情况； 表面磨损情况； 制动性能：200公里时速，制动距离2000m；
300公里时速，制动距离3700m。
铬(Cr)：增加钢的淬透性并有二次硬化作用， 能提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和 韧性。铬还能提高钢的高温强度，是耐热钢的重要合 金元素。
钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入适量 的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成 的碳化物在高温高压下可提高钢的抗氢腐蚀能力。
钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和 红硬性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。 钼还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。
SiC形态：球形条件下，摩擦系数略低，但稳定性更 好。各种条件下，磨损率较多角粒子低。对闸片 的影响也如此（犁沟效应）。
案例分析：铸钢制动盘的制造
前提条件
1）性能要求（力学性能、物理性能（导热系数高和热膨胀 系数小）、高温力学性能、抗冷热疲劳）
2）制造成本（铸造工艺性能好） 3）生产成本（能够批量生产）
熔融法：SiC粒子（8%）表面做预处理，改善 浸润性。半凝固状态下搅拌、升高20‐30℃ 后浇铸、热锻、切削。
特点
铝基SiC强化制动盘为例，摩擦系数稳定在0.4左右， 高于钢盘‐合成闸片的摩擦系数，当压力高于 0.3MPa时，摩擦系数仍旧高于0.2。
磨损量方面，合成闸片下，Al基复合材料的磨损量 高于钢盘。在淋水条件下，水分对磨损量影响不 大。
钢质制动盘（日本：低合金高强锻钢制动盘）
铸铁‐铸钢复层制动盘（使用寿命长，摩擦性能与铸铁 基本一致，高速区也有稳定的摩擦系数，较高的抗 热裂性能）
2. 复合材料制动盘
碳/碳纤维复合材料制动盘 铝基复合材料制动盘（汽车上）
轻量化处理
铸铁制动盘的瞬间高温性能
性能
常温
200℃
300℃
400
500
σ/Mpa
钛(Ti)：钛是强碳化物形成元素，钢中加入适 量的钛可显著细化组织晶粒，提高强度和韧性，尤其 对提高冲击韧性贡献较为明显
熔炼工艺
• 熔炼方法：重熔法制备，碱性炉衬；
• 净化工艺：铝条‐‐‐脱氧； TiReSiCa变质剂‐‐‐脱气、脱硫和脱杂质； 包内吹氩‐‐‐‐减少夹杂物及气体；
净化对性能的影响
成分的设计
C Si
Mn P
S
Ni Cr V Mo W Fe
0.20 0.2‐ 0.3‐ <0.03 <0.03 0.3‐ 0.4‐ 0.06 0.20 0.1‐ balenced
‐ 0.80 1.50
2.00 2.50 ‐ ‐1.8 1.8
0.06
1.00
化学元素在合金中的作用
钨(W)：缩小γ相区，钨是强碳化物形成元素， 钢中加入适量的钨可细化组织晶粒，提高强度和韧性。 碳化钨熔点高，在高温下阻止晶粒长大，从而提高材 料的高温强度。
性能分析
• 金相 • 冷热疲劳 • 拉伸 • V缺口冲击试验 • 气体含量分析（氢氧氮） • 硬度
合金的机械性能
热处理工艺
• 预备热处理+调质热处理 • 预备热处理： 540‐580℃1小时‐‐‐‐升温760‐800℃3—5小时，
炉冷；
淬火：910‐960℃4‐6小时，油冷。
组织：回火马氏体+贝氏体
拉压疲劳极限 /MPa
470 2.5 219
15.3
>0.13 1.49*105 207.2 256.7
（对 （脉动）
称）
铸钢制动盘
法国TGV高速列车铸造合金钢（28CDV5.08）制动盘的化学成分
C 0.24‐0.31
Cr 1.2‐1.6
Mo 0.6‐0.9
V 0.2‐0.4
极限强度1050‐1250Mpa；抗压强度>970Mpa，延伸率>10%，冲击功>23J，硬度 331‐388HB
性能比较：锻钢盘强度比铸铁高，裂纹扩展到2‐3mm后就 不扩展了，不易出现微细热龟裂和几十毫米的龟裂纹； 耐热性远高于铸铁材质；
碳/碳纤维复合材料制动盘
1981年，法国巴黎东南号进行试验。1987‐1989进行装机 实验；试验表明：速度、压力和速度导致摩擦系数的 变化幅值达6倍。雨天，磨损量急剧增加（结构需改 进）。制动能达90MJ。问题：对附件高温性能要求高。 价格昂贵、结构复杂。
0.60 ‐0.80 2.00 3
2.50
V
Mo
<0.35 0.2‐ 1.00
少了W，形变强化
工艺：始锻温度1150℃，终锻温度880℃，锻后炉冷， 热处理工艺910℃±5℃淬火，600℃ ± 5℃回火。
抗拉强度1255‐1330Mpa；屈服强度>1165‐1240Mpa， 延伸率>13‐13.5%，断面收缩率53.5‐54%; 冲击功>95‐42J， 硬度363‐378HBS
常用制动：调节或控制列车速度所施行的制动，作用平缓，制动 力可以调节。
紧急制动：为使列车尽快停住而施行的制动。全部制动能力都用 上。
非常制动：制动力达最大常用制动力的1.4‐1.5倍。 辅助制动：包括备用制动、救援制动和停车制动。
高速列车的制动装置和紧急制动距离
电阻制动、再生制动、轨道涡流制 动、旋转涡流制动等
2.2 制动盘材质及性能
主要性能要求： 1. 足够强度（离心力和压力） 2. 高而稳定的摩擦系数（制动效果） 3. 较高耐磨性（磨损量尽量少） 4. 较好的抗热裂纹性能（急冷急热下不产生裂纹） 5. 密度小（降低车辆重量）
制动盘材料
1. 铁基制动盘
铸铁制动盘（日本：Ni‐Cr‐Mo低合金铸铁）
主流
第六章 高速列车制动材料
1. 引言（现状、特点及发展） 2. 制动盘
制动盘结构 制动盘材质及性能 制动盘材料及制造工艺
3. 制动闸片
制动闸片结构 制动闸片材料 制动闸片的制造工艺（制粉、筛分、混合、压制成型、烧结） 闸片标准
4. 最新进展 5. 小结
1. 引言
比如下坡，转弯等
高速列车的制动：人为地制止列车的运动，包括使它减速，不加 速或停止运行。
虽然Al的熔点低，但铝的导热性好。只要热容量足 够就不至于是表面温度过热。
降低重量：58%相对铸钢盘。制动规律4200W，最 高温度为375℃。超过这一温度，急剧磨损。
2.3 制动盘材料及其制造工艺
• 铸铁制动盘 • 铸钢制动盘 • 锻钢制动盘 • 碳碳复合材料制动盘 • 双金属材料制动盘 • 表面涂层材料制动盘 • 陶瓷强化复合材料制动盘
4. 最新进展
5. 小结
参考书目
1. 符蓉、高飞. 高速列车制动材料.化学工业出版社. 2011.12.
470
405
398
389
345
δ/%
2.5
2.0
1.9
2.5
2.7
ψ/%
0.9
0.7
1.2
1.8
1.9
铸铁制动盘的化学成分
C
Si
Mn
P
S
Re
Mg
Mo
Cu
3.75 2.39 0.55 0.041 0.017 0.015 0.022 <0.5 <0.8
铸铁制动盘的常温性能
σ/MPa δ/% 硬度/HB Ak/J.cm‐2 热导率/ 弹性模量 (W.(m.K)‐1) /N.mm‐2
• 轮盘制动
车轴
振动盘的工作原理 • 轴盘制动
通风结构（降低温度、风阻大）‐‐‐‐实心结构（温度高）
列车的制动规律
制动的规律（踏面制动‐‐‐轮盘制动）： 列车的制动规律是列车车速的三次方。 含义：列车每提速一倍，制动功率需提高8倍。 制动规律达几十MJ。 所以，要求制动部件在很短时间内耗散大量
密度仅为铁的1/5，导热性好，热熔量大，热膨胀系数 小，抗热裂性好。
特点：在高摩擦速度下，随着温度的升高，摩擦系数急 剧增大，与传统制动材料的摩擦特性差别较大。因此， 需要对制动系统结构进行改进才能使用。另外，其磨 耗量较大。
铝基复合材料制动盘
在铝合金基体中添加SiC、Al2O3颗粒的复合材料， 耐磨性能与铸铁相当。抗热疲劳性能好。
法国TGV双层客车（15CDV4.10）制动盘的化学成分
C
Cr
Mo
0.15
1‐1.5
0.85‐1.15
V 0.15‐0.3
极限强度1030‐1200Mpa；抗压强度>900Mpa，延伸率>10%，冲击功>20J，硬度 331‐388HB
锻钢制动盘
wk.baidu.com
锻钢制动盘的化学成分
C
Si
Mn P
S
Ni
Cr
0.20‐ 0.20 0.30‐ <0.0 <0.03 0.30‐2.00 0.4‐
3. 制动闸片
• 制动闸片结构 • 制动闸片材料 • 制动闸片的制造工艺 • 制动闸片标准
3.1 制动闸片结构
3.2 制动闸片材料
3.3制动闸片的制造工艺
3.4制动闸片标准
Sintered metal matrix composite reinforced by particles Disc material: 28CrMoV5‐08 low alloy forged steel
转向架两侧、轨道上方安装电磁 铁，磨耗板，滑动摩擦产生动力。
大大减轻车轮踏面的热负荷和机械 磨耗；按制动要求选择最佳“摩擦 副”；制动平稳，几乎无噪声。
2. 制动盘
• 制动盘结构 • 制动盘材质及性能 • 制动盘材料及制造工艺
2.1 制动盘结构
• 机械构成 （1）制动盘（轴盘+轮盘） （2）闸片
铸铁制动盘
法国TGV东南线高速列车制动盘
片状石墨灰铸铁，组织为珠光体。 成分：碳化物7%；硅1.7%；锰为6%。
力学性能： Re(极限强度)：250‐350MPa； Rp0.2（抗压强度）：150‐200Mpa; 硬度：170‐230HB
铝基复合材料的制备工艺
粉末法：将铝合金粉末与强化粒子混合，再 固化的方法。