一种轨道交通用刹车盘水平线生产工艺及刹车盘的制作方法

本发明涉及金属材料铸造，具体涉及一种轨道交通用刹车盘水平线生产工艺及刹车盘。

背景技术：

1、轨道交通刹车盘是列车制动系统的核心安全部件，其工作条件极为苛刻——制动时盘面温度瞬时可达600~800℃，同时承受巨大的摩擦力和热冲击载荷。因此，刹车盘不仅要求具有较高的抗拉强度（≥200n/mm²）和适宜的硬度（190~240hb），还要求具有良好的导热性、抗热裂性和耐磨性，且散热齿部位不得存在碳化物（白口）等脆性相。

2、刹车盘铸件的结构特征决定了其铸造难度极高：盘体直径通常为500~800mm，属于大径薄壁盘类铸件；其散热片壁厚仅约4~6mm、高度达50~60mm，高宽比超过10:1，属于典型的薄壁深腔结构；而轮毂安装凸台部位壁厚可达40~60mm，薄壁区与厚壁区的壁厚比接近1:10，凝固过程中的温度场和收缩行为差异极大。

3、现有水平线砂铸工艺在生产该类刹车盘时主要存在以下技术问题：

4、1、由于散热片壁厚极薄（≤6mm），铁水充型后冷却速度极快，过冷度大，碳原子来不及以石墨形态析出，而是与铁原子结合形成渗碳体（fe3c），即铸造白口组织。白口组织硬度高（可达hv600以上）、脆性大，加工时严重加剧刀具磨损，制动过程中极易萌生裂纹并扩展，造成散热齿断裂失效。现有工艺虽尝试通过提高浇注温度或增加孕育量来抑制白口，但受水平线节拍限制和薄壁结构影响，效果不稳定，尤其是散热片末端和根部位置碳化物超标率居高不下。

5、2、散热片处于下模深腔位置，型砂在垂直方向上的紧实度难以保证，局部砂型强度不足；同时深腔部位在浇注时受到铁水的静压力大，高温铁水（1380℃以上）极易渗入砂粒间隙形成机械粘砂；若型砂中煤粉等防粘砂材料失效，还会发生化学烧结，粘砂层与铸件表面牢固结合，常规抛丸清理难以去除，需大量打磨返工，严重时直接报废。

6、3、轮毂安装凸台等厚大部位凝固缓慢，形成孤立热节，在凝固后期缺乏足够的铁水补给，极易产生缩孔和缩松缺陷。缩松不仅降低安装孔处的有效承载截面积，还成为应力集中源，在交变载荷作用下加速疲劳失效。现有工艺通常采用加大冒口的方式，但受限于水平线的砂箱尺寸和造型效率，冒口尺寸增加有限，且大冒口会增加热节效应，反而加剧局部过热。

7、4、水平造型线生产节奏快（每小时约60~90箱），型砂性能受环境温度、旧砂回用率、混砂时间等多因素影响频繁波动。若仅控制紧实率（cb值）单一指标，无法有效保证型砂的热湿强度、透气性和韧性，导致不同批次、甚至同一批次不同箱号之间的铸件质量离散性大。

8、5、常规浇注系统多为外围切入式或底注式，铁水从铸件边缘进入型腔，流程长、温降大，先进入的铁水在薄壁处过早凝固形成冷隔或白口；同时，充型过程中液面上升不平稳，容易卷气，造成散热片部位气孔缺陷。

9、针对上述问题，现有技术中存在一些改进方案，例如通过提高碳当量来抑制白口、在型腔表面涂覆涂料等，但多为单一手段的局部优化，未能从模具结构、充型方式、孕育体系、型砂控制和补缩系统等多维度进行系统性整合。尤其缺乏一种能够同时兼顾薄壁散热片白口抑制、深腔粘砂防治和厚大部位补缩的综合性工艺解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种轨道交通用刹车盘水平线生产工艺及刹车盘；用于解决现有技术中缺乏一种能够同时兼顾薄壁散热片白口抑制、深腔粘砂防治和厚大部位补缩的综合性工艺问题。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种轨道交通用刹车盘水平线生产工艺，包括以下步骤：

4、s1、采用中心顶注式浇注系统，在铸件中心位置设置将竖浇道及内浇口，在分型面盘内设置环形蓄水块，实现铁水从中心向外周同步充型；将壁厚为4-6mm、高度为50-60mm的薄壁散热片结构全部置于下模面；在厚大凸台位置设置溢流冒口和重力柱补缩单元；

5、s2、将型砂紧实率cb值控制在30-35%，水分2.8-4.0%，湿压强度≥1.5mpa，透气性≥80；造型后在下模散热片位置喷涂醇基耐火涂料；

6、s3、以废钢、灰铁回炉料、新生铁为炉料，熔炼温度为1520℃-1550℃，高温静置5min-8min，出铁温度1480℃-1520℃；

7、s4、在出铁时进行炉前孕育，炉前孕育剂添加量为铁水总质量的0.15%-0.25%；在型腔内放置型内成型孕育块；在浇注过程中进行随流孕育，随流孕育剂添加速率8g/s-14g/s；

8、s5、浇注温度1380℃-1420℃，全盘充填时间12s-18s，铁水上升速度控制在15mm/s-25mm/s；在重力柱和溢流冒口的协同作用下实现顺序凝固；

9、s6、经机械加工和检测后获得成品。

10、作为本发明的进一步优选，所述s1中，

11、在浇注系统的所述内浇道2处设置4-6处防撞柱，用于支撑铸件落砂后散热片与台车的接触，防止下线过程中散热片碰伤、断裂；

12、所述环形蓄水块与中心浇注系统相连通，实现6个内浇口同时进水充型，分散铁水热量，避免局部过热导致齿部粘砂烧结；

13、在6处厚大凸台位置设置φ25×100mm的溢流冒口，用于排出充型时铁水顶部的渣及气体；所述重力柱材质为耐高温、耐腐蚀的zg40cr25ni20铸钢，其模数大于被补缩部位模数的1.2倍，用于高温铸造环境下提供稳定补缩压力，确保加工后连接孔内无缩孔及石墨粗大现象。

14、作为本发明的进一步优选，所述s1中，在竖浇道下方设置泡沫陶瓷滤渣片，滤渣片下方设置圆形孕育槽用于放置型内成型孕育块；在环形内浇道与型腔之间增设聚渣块结构，用于拦截充型过程中冲刷带入的渣粒，防止渣眼缺陷。

15、作为本发明的进一步优选，所述s2中，型砂混炼时紧实率cb值为32±2%，水分3.0%-3.8%，湿压强度≥1.8mpa，透气性≥90；所述醇基耐火涂料为醇基锆英粉涂料，zro2含量≥65%，波美度65°-75°bé，喷涂厚度0.2-0.4mm；造型后对下型整体面喷涂foseco xy-sy-102涂料。

16、作为本发明的进一步优选，所述s4中，炉前孕育剂为含钡高效孕育剂，其化学成分质量分数为：si≥60%，ca：1.0-3.0%，ba：0.5-1.5%，al≤2.5%，余量为fe及杂质，添加量为铁水总质量的0.20%，粒度为1-3mm。

17、作为本发明的进一步优选，所述s4中，型内成型孕育块放置于下模滤渣片下方的圆形孕育槽内，孕育块重量为90±5g，其化学成分质量分数为：si：65-75%，ba：2-4%，zr：1-3%，al≤1.5%，余量为fe及杂质。

18、作为本发明的进一步优选，所述s4中，随流孕育剂的化学成分质量分数为：si：73-78%，ca≤0.10%，ba：0.5-1.5%，al≤0.50%，sr：0.80-1.40%，zr：1.00-1.50%，余量为fe及杂质，添加速率为10-12g/秒。

19、作为本发明的进一步优选，所制备的刹车盘铸件最终化学成分质量分数为：c：3.20-3.40%，si：1.80-2.10%，mn：0.60-0.90%，p≤0.060%，s：0.06-0.09%，cr≤0.15%，余量为fe及不可避免的杂质；碳当量ce控制在3.80%-4.10%。

20、作为本发明的进一步优选，所述步骤s1之前还包括magma模流软件模拟验证步骤：对浇注系统及补缩系统的充型过程、凝固温度场、缩松缩孔进行预测，确认整体凝固方向性，优化浇口尺寸和补缩通道布局，确保关键区域金相组织及机械性能满足设计要求；所述模拟验证结果与批量生产首件验证结果进行比对，确保一致性。

21、一种轨道交通用刹车盘，材质为fc250灰口铸铁，硬度190-240hb，抗拉强度200-300n/mm²；金相组织中a型石墨为主，石墨长度3-5级，d+e型石墨≤20%；加工后安装孔内无缩松、无石墨粗大，散热齿无烧结、粘砂、断裂，齿顶部及根部无碳化物；圆跳动公差≤0.1mm，粗糙度rz≤16μm，动平衡重量偏差≤±200g。

22、本发明提出的一种轨道交通用刹车盘水平线生产工艺及刹车盘，与现有技术相比，具有如下有益效果：

23、1、中心环形蓄水块浇注系统实现铁水从中心向四周同步充型，缩短充型流程，分散热量，解决了薄壁散热片充填困难与局部过热粘砂的矛盾；重力柱与溢流冒口协同补缩，分别解决厚大部位的补缩需求与排气排渣需求，有效消除了安装孔附近的缩松缺陷；

24、2、炉前孕育（si-ba-ca）提供初始石墨核心、型内孕育（si-ba-zr）在充型前补充核心、随流孕育（si-sr-zr）在浇注末端强化孕育，三重保障彻底抑制薄壁散热片处的碳化物生成，全截面获得理想的a型石墨组织；

25、3、下模散热片喷涂高耐火度醇基锆英粉涂料、下型整体喷涂专用涂料、型砂强度系统性提升、内浇道设置防撞柱等多重手段并用，从造型、浇注到后处理全流程防范粘砂、烧结和碰伤缺陷；

26、4、对型砂cb值、水分、湿压强度、透气性等多维参数，以及孕育剂成分、加入量、浇注温度窗口、充填时间等关键工艺点进行了严格的数值限定，确保了批量生产中铸件质量的高度一致性，显著降低了不良率，满足了轨道交通对制动部件的高可靠性要求。