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机车车辆有关配件制造的新材料、新技术、新工艺
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1、 碳/碳（C/C）复合材料活塞 碳/碳（C/C）复合材料（碳纤维增强碳基复合材料）是一种先进的战略材料，不仅广泛应用于航空航天和军工领域，在铸造以及其他交通装备制造中，也在逐步扩大应用。该材料具有很好的理化性能与力学性能。如：热膨胀系数低（1~5x10-6/℃），约为铝合金的1/10；导热率高(150~180W/m.K)；密度小（约为1.8g/cm3），是陶瓷的1/2~1/3；摩擦性能好（摩擦系数为0.2~0.3），且具有自润滑作用；热冲击性能好；高温性能优异（3D C/C复合材料在1700C及惰性环境下的抗弯性能为571.9Mpa）。在温度高于3000℃时，C/C复合材料具有比铝合金更高的强度。因此，C/C复合材料很适合用作内燃机的活塞材料。使用C/C复合材料活塞，具有3个明显的好处：1)减小了活塞的质量，由此可提高柴油机的热效率和机械效率；2)提高了活塞的使用温度，如在活塞顶镀敷CVR硅基涂层，其使用温度可更高。3)如汽缸套也用C/C复合材料制造，缸套与活塞的匹配间隙会很小，这有利于进一步提高柴油机的机械效率。 目前，C/C复合材料活塞在大功率内燃机车柴油机上应用的试验研究，国外已有相关报道。从短期发展来看，铸铁和铝合金在内燃机车活塞材料中仍将占主导地位。但从长远发展来看，随着柴油机功率的提高和C/C复合材料技术的日益成熟及成本的逐步下降，碳/碳（C/C）复合材料活塞肯定会取代当前其他材料的活塞，它必将成为未来内燃机发展的核心高新材料。 2、 活塞环的复合陶瓷薄膜强化技术 长期以来，柴油机使用的是喷钼活塞环。实践表明，喷钼环存在活塞环节断、喷钼层剥离而造成拉缸、活塞环与环槽磨损大导致窜气等问题。采用先进的复合陶瓷薄膜强化技术，对活塞环进行表面处理，可有效改善其各项性能，经济效益显著。 复合陶瓷薄膜强化技术是采用低温等离子化学气相沉积（CVD）新工艺，在电场作用下，使含N、B、Si的有机烷类发生电离，在摩擦副的表面生成复合陶瓷薄膜，经陶瓷薄膜与基体材料间的相互扩散，在金属表面形成一种具有网络结构和微粒子结构的新的功能材料。它能提高金属基体表面的硬度、耐磨性、韧性、抗氧化性和耐腐蚀性，并可降低其表面的摩擦因数，达到高效、节能和节材的目的。 复合陶瓷薄膜强化的活塞环与喷钼环相比，具有下列优点： ① 提高了活塞环的表面硬度，约为母体环显微硬度的1.5~2.5倍，具有较高的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性； ② CVD技术实现了低温下金属表面及镀层材料间的相互扩散，基体与镀层结合力强，活塞环表面不会产生剥离； ③ 它具有很好韧性，防止了活塞环的节断； ④ 因活塞环表面形成了微晶体与网络结构并存的薄膜，使其具有较好的储油性，改善了环与汽缸壁的润滑性能，增强了耐磨性，导热性，提高了密封性能，对节省燃油、机油、降低排放具有显著效果。 牵引齿轮渗碳后直接淬火工艺 齿轮渗碳后淬火一般有直接淬火与重新加热淬火2种方式。前者是渗碳后直接在油中淬火；后者是渗碳后先冷却到室温，然后在重新加热到奥氏体化温度保温后在油中淬火。直接淬火因只需加热1次，能耗少，成本低，且零件变形小，因此具有明显的优点。该工艺目前已在汽车齿轮行业得到了广泛的应用，但在铁路机车齿轮行业，因齿轮的金相检验标准比汽车的要求更高，故尚未推广应用。 中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所对机车牵引齿轮常用的6种渗碳钢：15CrNi6、17CrNiMo6、20CrMnMo(1)、20CrMnMo(2)、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4，进行了大量的试验研究，并对地铁齿轮和DF7G从动齿轮进行了渗碳后直接淬火的试验。通过试验与分析以及实际应用后，得出如下结论： 1） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其原材料的奥氏体晶粒度应在8级以上，钢中的酸溶铝含量应在0.030%~0.045%之间，Al/N值在3~5之间，以确保齿轮具有较细的心部组织。 2） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其表面碳浓度应控制在低限，如：含钼钢20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6，其表面碳浓度应在0.8%以下，而铬镍钢15CrNi6、20Cr2Ni4的表面碳浓度应不超过0.75%。 3） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其硬化层深度、组织、硬度均符合有关铁标的技术要求，且热处理变形小、工艺周期短。因此，该工艺值得在机车渗碳强化的牵引齿轮上推广应用。 |
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3、 制动盘的新材料、新工艺 3.1 铝—碳化硅复合材料制动盘 铝合金制动盘一方面由于磨损严重,另一方面有抱闸可能,所以,其摩擦性能难以令人满意。采用碳化硅粒子增强的铝基复合材料(CMA)制动盘具有许多优点。这些碳化硅粒子在限制磨损的同时改善了制动盘的摩擦性能。一般而言,铝合金基体具有耐高温机械性能。最好采用如AS7G06、AV4NT或AS18UNG等牌号的铝合金,增强材料碳化硅的粒径为12Lm,所占体积百分比为8%~20%。 采用“Vortex”法制备CMA制动盘。即：向装有半流体状态铝合金的烧包内逐渐加入增强材料,然后机械搅拌以获得混合效果；待增强材料分布均匀后,迅速将浇包温度升高至液相线以上20℃~30℃,以便借助于重力向砂型或钢制模型内浇注制动盘。这种制备方法操作简单,且限制了增强材料和基材之间的化学反应。机械搅拌半液体混合物缓和了混合物粘稠化,避免了增强材料和基材之间的偏析和纤维(增强材料)的团聚。重力浇注适用于制造含少量纤维(VF<10%)、形状简单的铸件。对直径160mm、厚15.75mm的制动盘，宜采用铝合金AS18UNG基体和平均粒径为12Lm的碳化硅粒子。碳化硅粒子的质量分数确定为8,浇注的厚度应具有和厚11.25mm钢制动盘相同的热容。这种制动盘被称为“AS8%”制动盘。 3.2 金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2制动盘 采用等离子喷涂获得的金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2的硬度可高达800HV。它与新开发的钛酸铝闸片匹配时,证明其不但具有稳定的摩擦因数,同时也显示了特别好的性能。因钛酸铝具有极佳的高温耐冲击强度和适中的硬度(420HV),它已成为一种很好的闸片材料。 经对盘形制动装置进行的试验：制动盘的表面涂层采用NiCr-Cr3C2材料(厚度为250Lm),底涂层采用NiCrAlY材料(厚度为80Lm)，闸片采用钛酸铝Al2TiO5相匹配，它使“金属陶瓷涂层制动盘和陶瓷闸片”这一对摩擦副具有优良的耐磨性和稳定的摩擦因数。各国正在使用及研究开发的制动盘材料及性能比较见表1。 表1 各国正在使用及研究开发的制动盘材质 材 料 特 点 强度 (Mpa) 密度 (g/cm2) 用 途 研究的国家 分 类 材料名称 铁系金属材料 铸 铁 系 片状石墨铸铁 摩擦特性 稳定、价廉 250 7.2 客车、动车 各国 Ni-Cr-Mo 低合金铸铁 摩擦特性 稳定、合金化 250 7.2 高速动车 日本、 德国 蠕虫状石墨铸铁 高强度 石墨形状改变 500 7.2 旧线动车、客车 英国、 日本 奥氏体等温 淬火处理铸铁 高强度 热处理 400 7.2 正在研究 日本 铸铁—铸钢 包层材料 摩擦材料+强度材料复合 200+500 7.2+7.8 新干线高速 动车 日本 钢系 铸钢 高强度耐热裂 800 7.8 ICE等 日本、 德国 锻钢 高强度耐热裂 800 7.8 日本新干新、 TGV、ICE 日、法、德国 复合材料 非金属系 碳/碳纤维 复合材料 质量轻耐热裂 150 1.5～1.8 在研、 在TGV试用 日、法、德、英国 金属系 铝合金基 复合材料 质量轻耐磨 300 2.9 在研 日、法、德、英、美 4、制动闸片的新材料、新工艺 4.1 粉末冶金闸片 4.1.1闸片的材料组成 用于高速列车的粉末冶金闸片，必须保证下述基本条件：磨擦表面不发生黏结；具有给定的摩擦因数值；必需的耐磨性。粉末冶金闸片主要由金属基体、摩擦稳定剂和摩擦剂等材料组成。 ① 金属基体，闸片的金属基体要有足够高的熔点、耐热强度、热稳定性及抗塑性变形能力。在铁基材料中加入适量的铜，可以提高其导热性能，但铁基材料的硬度较高，对制动盘磨耗较大。在金属基体中加入适量的镍、铬、锰、钼、钒等合金元素。可以提高其热容量和耐磨性。 ② 摩擦稳定剂材料。使用摩擦稳定剂是为了减少或消除闸片的黏结和卡滞，促使其摩擦平稳、减小其表面磨损。常用的摩擦稳定剂材料有：石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物、氮化硼及锡、铋、锑等低熔点金属。 ③ 摩擦剂材料。这种材料的作用在于补偿固体润滑剂的影响和在不损害摩擦表面的前提下增加滑动的阻力。常用的摩擦剂材料有：硅、铝、铬的氧化物，碳化硅和碳化硼、矿物质（铸石、莫来石、蓝晶石、硅石灰）等。 4.1.2闸片材料的选择 针对高速列车粉末冶金闸片的特点，考虑到各种成分的相互影响和作用，建议采用以下材料和方法： ① 合金基体。铜具有高导热率，能保证制动过程中散热良好，但不能用纯铜粉作为摩擦材料的基体，因为它易黏结在制动盘表面。为使其具有高的耐热性和改善摩擦特性，可加入4%~12%的锡，使之合金化。 ② 铜合金基体中加入适量的锰、钼、钨、铁、镍、钴元素，增强其热容量且易于氧化，从而可吸收摩擦过程产生的大量热能。 ③ 在材料中加入适量的锡、铅、锑等易熔金属。当摩擦表面温度超过易熔金属熔点时，易熔金属便熔化并在摩擦表面形成薄膜状，这可降低摩擦因数和摩擦表面的温度。随着摩擦表面温度的降低，熔融金属又重新凝固，使摩擦因数又恢复到原有水平。因润滑膜的形成而使滑动平稳，这在高温摩擦时非常重要。 ④ 石墨对摩擦材料很重要，它既抗卡又润滑。为了获得稳定的摩擦因数，石墨的加入量必须达到5%~11%。 ⑤ 在材料中加入金属硫化物，以提高摩擦因数稳定性、增加基体耐磨性。二硫化钼的加入量为2%左右。硫酸钡的加入量为6%~8%。 ⑥ 摩擦剂的选择，必须考虑它与基体相比较的硬度及其颗粒形状和大小。一般轻载和中载工作条件下，可采用二氧化硅或氧化铝，其平均粒度为80~150μm,在高速列车闸片压力较大的条件下，应加入粒度为200~300μm的碳化硅或碳化硼，以同时提高摩擦因数和耐磨性。 4.2 树脂基复合材料闸片 树脂基复合材料闸片由树脂或橡胶基体（黏结剂）、增强体和填料三部分组成。组合后的材料具有良好的力学性能、摩擦磨损性能和加工成型性能。 4.2.1 基体材料的组成 铝基复合材料与铸钢、铸铁相比，其硬度较低。如闸片的硬度值过大，易损伤对偶摩擦面，导致磨损加剧。解决的办法是采用橡胶对树脂基体进行共混改性。加入橡胶后，既提高了基体的韧性，又降低了闸片的硬度，同时还改善了基体的黏结性能。但橡胶的耐热性比改性酚醛树脂的差，因此，树脂与橡胶合适的比例非常重要。 研究表明：当树脂与橡胶为1：1时，摩擦副的摩擦磨损性能最佳；当基体为纯树脂时，闸片硬度高、脆性大，造成磨损加剧，划盘现象严重；当基体为纯橡胶时，基体耐热性差，制动时易软化，造成磨损加剧，附盘现象严重。在1：1时，铝基复合材料摩擦表面能形成稳定的摩擦膜。它对稳定摩擦因数和降低磨损量，起到了重要作用。 4.2.2 增强纤维的选择 对于铝基复合材料制动盘，宜采用钢纤维和矿物纤维混合增强。这既能保证摩擦副具有较高而且稳定的摩擦因数，又能使磨损率不太高。由于钢的硬度高于铝基复合材料，在选择钢纤维时，必须十分注意其尺寸大小。钢纤维尺寸过大时，易划伤铝基复合材料对偶，造成对偶摩擦加剧，而对偶表面因摩擦产生的凸起部分又会对闸片起犁削作用；钢纤维尺寸过小时，则起不到很好的增强作用，摩擦副的摩擦因数会较小。闸片的性能不仅与增强纤维的种类有关，而且与增强纤维的总体含量有关。随着增强纤维含量增加，摩擦副的摩擦因数增加，闸片的磨损降低，而铝基复合材料的摩擦是先降低后增加。 4.2.3 填料的选择 在选择填料时，其莫氏硬度非常重要。由于铝基复合材料的硬度值相对铸铁略低，而增强纤维采用了钢棉，故填料宜选用以中低莫氏硬度值的材料为主，并进行合理搭配。其主要作用是调整闸片的硬度和摩擦因数的稳定性。这样的填料有：腰果壳油摩擦粉、BaSO、ZnS硅灰石、沸石、Fe3O4等，经实验后得出正确的配方。 4.2.4 减磨材料的选择 在1：1台架试验试验时，如出现瞬时摩擦因数偏高、摩擦材料磨损量较大、静摩擦因数略低等问题，说明需要减低高温时的摩擦因数，并增加摩擦材料与对偶的贴和性。这可通过在树脂基摩擦材料中添加减磨料来解决。这样的减磨料有：石墨、硫化钼、焦碳粉末等。 4.2.5闸片的成型工艺 实践表明：采用同一配方与不同工艺制备的摩擦材料，其性能显著不同。 摩擦材料采用干法制备，同一试样在低速制动时，材料表现出良好的摩擦磨损性能。但在高速制动时，摩擦材料很容易在对偶的犁削作用下被破坏，不能形成稳定的摩擦表面层。此外，干法直接模压工艺不能很好地解决基体固化过程中的气体排放，易导致摩擦材料制品的开裂与内部缺陷。如果采用模料预热和成型工艺，也只能在一定程度上使排气问题得到改善。为此，研究出了一种新的制备工艺，即二次压制工艺。其主要特点是先将模压料在略低于模压温度下进行热辊压制，随后冷却破碎，再进行热模压成型。 热压过程中的压制温度、压力和保压时间，是摩擦材料成型工艺3个最重要的参数。因不同的树脂具有不同的软化温度，压制温度的确定需要结合所用树脂的性质来考虑。压制温度较低，树脂的固化速度较慢，能保证树脂对纤维和填料的充分浸润。为了使树脂彻底固化并稳定其性能，还需要对热压后的制品进行后续热处理。有关制动闸片的特性比较参见表2。 铸铁闸片 特种铸铁闸片 合成闸片 粉末冶金闸片 摩擦因数 1 1～2 2～3 2～3 润湿时摩擦 因数 稳定 稳定 不稳定 稍不稳定 磨耗量/mm 1 0.3～0.5 0.1 0.1 质量/kg 1 1 价格 1 1.5～2.5 5 6 适用车种 机车、客车，内燃、电动车组 各种车均用 高速客车，内燃、电动车组 特快高速列车 表2 各种制动闸片的特性比较 5、 铝基合金新型轴瓦 随着机车发动机的强化程度不断提高，传统三层轴瓦的疲劳强度已不能满足承载需要，于是开发了新型轴瓦。其主要特点是通过改进工作层材料的结构达到提高其性能的目的。主要有： ① 细槽轴瓦，美国GE公司AC 6000W机车用GE7HDL型柴油机、英国的VP185型系列柴油机的主轴瓦和连杆瓦，均采用细槽轴瓦。 ② 真空溅镀轴瓦，MTU 20V8000型柴油机及我国造船系统引进的德国MTU 396型等军用柴油机，主轴瓦均采用钢背铝锌合金细槽轴瓦，而连杆瓦则采用真空溅镀轴瓦。 ③ 双铝轴瓦，MAN16/24型柴油机连杆瓦采用双铝轴瓦。 细槽轴瓦电镀之前的细槽加工属于核心技术，它用专门设备和成形刀具来保证其所需要的槽形和宽度、深度，并有专用测量设备对这些参数进行检验控制。溅镀轴瓦是采用具有柱状磁控管阴极的溅镀装置，在严格的表面蚀剂清理活化和抽真空工艺条件下，通过对工艺过程和操作参数进行全程自动监控，以确保精确的溅镀层厚度公差；通过严格控制轴瓦衬基温度与溅镀层材料熔化温度的比例及溅镀气体压力，使嵌入其中的软锡相颗粒尺寸＜3μm，使镀层形成垂直于轴瓦表面的基体结构，并具有良好金相结构，从而确保其极高的疲劳强度、耐磨损和抗咬合性能以及与基体金属的牢固结合强度。 6、共轨燃油喷射系统及技术 机车柴油机第三代共轨蓄压电磁阀压力时间控制技术(简称“共轨喷油技术”)，不再采用传统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管，把高压喷油泵输出的燃油积蓄起来并消除压力波动，再输送到每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷油的控制。电磁阀的动作还受到电控单元的控制。目前第三代共轨喷油技术的优势明显超过其他电喷技术。其喷射压力完全与柴油机转速无关，真正实现了各种工况下的压力调节，改善了柴油机低速低负荷的性能。另外，它可更灵活地改变喷油规律，方便地实现预喷射、后喷射及喷油速率调节，可明显改善柴油机油耗、排放等综合性能。 国外HEUI公司生产的中压共轨电控液压式喷射系统，被认为是20世纪90年代以来世界柴油机电控燃油喷射系统最新产品之一。与Lorange 公司的共轨燃油喷射系统不同的是，它有机油、燃油两套油路，共轨中使用机油。由电控单元控制机油系统的调节阀进行压力调节，用机油压力驱动喷油器中的增压活塞来控制燃油喷射压力，通过回油控制以实现喷油率控制。新一代HEUI—B系统的喷油压力已提高到175MPa。它可以实现梯形、矩形和分段喷射三种喷油形式，能保证柴油机在各种工况下都有最佳特性和排放效果。 7、单元式空气滤清装置 机车柴油机用传统的空气滤清器滤芯材料为纸质，这种滤清器的矩形橡胶密封圈和滤纸破损后，其滤清效率将大幅下降，并且在运用过程中还无法及时发现和检修。只能通过拆检的方法来检查矩形橡胶密封圈和滤纸的状态，。 新开发的单元式空气滤清装置采用了模块化、标准化、通用化设计理念，能根据不同机车柴油机的进气量配置一定数量的空滤单元，以适应不同机车的要求。滤清装置中的多旋流管式空气滤清元件采用双面压紧结构，使进风口和排尘口都受到压紧力的作用，箱体中设有一块固定的空气滤清器安装板，在安装板上设有3个托板，托板底部设有定位销和顶紧螺柱。空气滤清器的密封圈直接压靠在箱体上盖板上，上盖板上设有滤清器在左右及后方3个方向上的定位框。安装滤清器时，拧紧顶紧螺母，定位销的限位作用使托板只能直线上升，将其顶紧在箱体上盖板上。这避免了相邻安装位置间的相互干扰和滤清器安装后的转动。其相关技术参数如下： 额定空气流量(出气口)：2160m3/h 原始阻力(抽尘率10%时)：≤1.8kPa 原始滤清率：≥99.5%(用AC粗灰) 该单元式空气滤清装置中的各滤清器均有准确的定位和可控的压紧力，杜绝了气流短路，提高了系统的密封性能；能进行全方位可视化检查，滤清率得到了提高；单元式空气滤清装置与车体实现了无火组装，彻底消除了焊接变形对系统密封性能的影响。它能够有效地去除空气中的粉尘，可满足风沙地区对内燃机车空气滤清系统的高要求。 8、新型受电弓滑板 电力机车受电弓常用滑板主要有粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属碳滑板三种。这三种滑板各有其优点与不足，如：粉末冶金滑板对铜接触网导线磨耗比较严重，易造成断线事故，故目前已很少使用；纯碳滑板机械强度较低，耐冲击性差，使用寿命短；浸金属碳滑板抗冲击能力不足，易出现掉块，且造价偏高。为满足机车提速后的发展需要，现研制了一种新型的滑板。 8.1滑板的原材料与制备 新型滑板由铜、镀铜石墨粉和镀铜碳纤维等构成。石墨的粒度为80~100 um, 碳纤维的直径为6 um,密度约1.1g/cm3. 8.1.1镀铜石墨粉的制备。 先将石墨粉预处理，将5.00g石墨粉放入20%HNO3溶液中，煮沸8分钟进行粗化，接着放入20%SnCl2-10%HCl溶液中，煮沸5分钟进行敏化，最后放入1%AgNO3溶液中进行活化，同时不断搅拌，4分钟之后取出。然后给预处理过的石墨粉镀铜。锌与硫酸铜反应Zn+2Cu2+→Zn2++2Cu+, →2Cu+ Cu2++Cu, 将Cu2+还原成Cu+, Cu+歧化生成Cu2+和Cu, 然后铜原子沉积在活化石墨粉的表面。配制15%硫酸铜溶液200mL，加入经处理过的石墨粉5.00g, 然后加入添加剂（十二烷基脂肪盐酸+醋酸钠），添加量为1%~2%。搅拌2分钟后加锌粉13.00g。石墨粉镀铜后，加入1.5%的苯并三氮唑，对石墨粉进行钝化处理，以防止石墨粉上的铜被氧化。钝化后用去离子水清洗镀铜石墨粉，然后置于真空干燥箱中烘干。 8.1.2镀铜碳纤维的制备。 先将碳纤维放在340℃的炉中进行热处理50分钟，以去掉表面的有机物，然后放入CuSO4镀液中。镀液以硫酸铜为主盐，甲醛为还原剂，以a, a`-联吡啶为稳定剂，4分钟后取出镀铜碳纤维，用去离子水清洗三遍，放入真空干燥箱中干燥。镀铜液组成为：10g/L CuSO4+20mL/L HCHO+20g/L Na2EDTA+16g/L C4H4Kna2 4H2O。碳纤维在镀铜前的直径为7um,镀铜后的直径增加到13um。 8.2滑板的制作 如表3所示，按照滑板所预设的配方，将石墨粉、镀铜碳纤维、铜粉和添加剂均匀混合后放入模具中，在200Mpa的压力下冷压成型，然后置于电炉中烧结，烧结温度为880℃，并保温4小时。 表3 新型滑板的成分与含量（%，质量百分数） 配方 铜 碳纤维 石墨 添加剂 1 88 1 10 5 2 78 2 15 5 3 74 3 20 5 按上述方法制造的滑板与传统的滑板相比，电阻率显著降低，冲击韧性明显提高，而且更加耐磨。如：与C26碳滑板和C26p浸金属碳滑板相比，导电率分别提高了87倍和27倍，冲击韧性分别提高了9.6倍和4.4倍，摩擦因数分别降低了54.5%和16%，磨损量分别降低了41%和40%。由此可见，新型受电弓滑板的性能明显优于传统的受电弓滑板。 |
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