劉 純，陳傳玉，金建炳，郭靜云

（1 濟(jì)鋼集團(tuán) 山東鮑德金屬復(fù)合板有限公司，山東濟(jì)南250101；2 四川制動(dòng)科技股份有限公司，四川眉山620010）

目前，我國鐵路貨車制動(dòng)缸體廣泛采用鑄鐵制動(dòng)缸體，由于鑄鐵制動(dòng)缸體與后蓋分為兩體、加工裝卸工作量大、生產(chǎn)效率低、周期長、質(zhì)量大、原材料和能源消耗大、缸體內(nèi)表面粗糙度大、耐磨性差及壽命低等特點(diǎn)，致使檢修周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而國外發(fā)達(dá)國家已采用整體密封旋壓制動(dòng)缸。整體密封旋壓制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)合理，作用可靠，具有質(zhì)量輕、精度高、耐磨性好、檢修周期長、制造和檢修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，是鑄鐵缸的替代產(chǎn)品。但是目前的密封旋壓制動(dòng)缸的材料一般都是用Q235A和10＃、20＃鋼，在長期的使用過程中，由于空氣中含有水分，導(dǎo)致缸體內(nèi)壁生銹，內(nèi)壁受到腐蝕容易脫落，對(duì)制動(dòng)缸的使用壽命產(chǎn)生影響，給鐵路行車安全帶來隱患。為解決上述問題，受中國南車集團(tuán)眉山車輛廠的委托，共同開發(fā)研制優(yōu)質(zhì)碳素鋼＋不銹鋼的復(fù)合鋼板代替現(xiàn)有鋼板。

1 材料的選擇

鐵路貨車制動(dòng)配件即密封旋壓制動(dòng)缸用不銹鋼復(fù)合板材料選用主要根據(jù)用途考慮復(fù)層材料的耐腐蝕、耐磨、耐沖擊、表面摩擦系數(shù)等性能，具體根據(jù)復(fù)層所處的環(huán)境、介質(zhì)、工作條件等選擇復(fù)層材料種類；基層材料的選擇也有特殊的要求，多選用10＃、20＃和Q235A等沖壓性能優(yōu)良的鋼種，設(shè)計(jì)時(shí)基層材料承擔(dān)全部應(yīng)力。

1.1 基層材料的選擇

試制初期我們嘗試用Q235A號(hào)鋼板作為坯料進(jìn)行試驗(yàn)，由于材質(zhì)本身的原因，在沖壓或拉旋時(shí)出現(xiàn)了裂紋和夾層等現(xiàn)象。后來又選用20＃鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)證明，毛坯材料表面不得有夾雜、裂紋、隔層和斑痕，否則旋壓件易出現(xiàn)斷裂、微裂、起鱗皮及斑點(diǎn)等。整體密封旋壓制動(dòng)缸在產(chǎn)品制作工藝中經(jīng)過兩次冷沖壓預(yù)成形（中間加退火處理）、酸洗、焊接和最后強(qiáng)旋成形等階段，材料必須要有良好的塑性。延伸率和冷彎性能是衡量鋼材塑性好壞的力學(xué)性能指標(biāo)。對(duì)碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，碳當(dāng)量越高，鐵素體含量越小，珠光體含量高，塑性越差。為得到塑性組織，應(yīng)適當(dāng)降低鋼的碳當(dāng)量①。最后我們選擇低碳當(dāng)量的10＃鋼板進(jìn)行試驗(yàn)。

10＃鋼特性：強(qiáng)度稍高于08＃鋼，塑性和韌性也很好，無回火脆性，在正火或冷拉狀態(tài)下，其切削加工性較好，在冷態(tài)下容易模壓、擠壓成形，但淬硬性、淬透性低。因此選擇10＃鋼板是最適宜的。

1.2 復(fù)層材料的選擇

在GB／T 8165國家標(biāo)準(zhǔn)中列出了典型的復(fù)層材料有 1Cr13、 0Cr13Al、 0Cr18Ni10Ti、 0Cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2 等 不 銹鋼，0Cr18Ni9不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，沖壓彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性。

根據(jù)南車集團(tuán)眉山車輛有限公司委托旋壓密封式制動(dòng)缸內(nèi)部防腐環(huán)境需要、結(jié)構(gòu)受力等技術(shù)要求需要選擇10＃＋0Cr18Ni9材質(zhì)作為熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板材料，厚度規(guī)格為（9＋1）mm作為缸體材料，（4＋1）mm作為前蓋材料。

表1 10＃鋼和0Cr18Ni9的化學(xué)成分比較

1.3 生產(chǎn)研制難點(diǎn)

（1）缸體材質(zhì)采用10＃鋼，不銹鋼復(fù)層必須能滿足良好的機(jī)械加工性能，必須考慮到不銹鋼層的力學(xué)性能不同于碳鋼，如何保證熱軋完后的復(fù)合板，在制成缸體后在使用時(shí)受力狀態(tài)滿足要求是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。

（2）如何保證不銹鋼復(fù)合板的產(chǎn)品性能，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，復(fù)合率達(dá)到99%，剪切強(qiáng)度達(dá)到260MPa（國家標(biāo)準(zhǔn)為210MPa），本產(chǎn)品要進(jìn)行沖壓、熱處理和旋壓是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

（3）旋壓密封式制動(dòng)缸缸體對(duì)不銹鋼面的光潔度和表面粗糙度有很高的要求，其旋壓成形后外表面應(yīng)光潔平整，其粗糙度不高于Ra12.5，缸體內(nèi)壁表面粗糙度Ra0.8，圓度0.14，直線度0.2。

2 復(fù)合工藝技術(shù)方案和質(zhì)量控制

（1）采用真空擴(kuò)散焊專利技術(shù)保證不銹鋼復(fù)合板的復(fù)合率及復(fù)合強(qiáng)度；熱軋復(fù)合技術(shù)依據(jù)熱軋釬焊不銹鋼復(fù)合板專利技術(shù)，經(jīng)過對(duì)技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，目前形成熱軋擴(kuò)散焊復(fù)合技術(shù)，技術(shù)已經(jīng)成熟，一次復(fù)合率達(dá)到98%以上，復(fù)合板的剪切強(qiáng)度達(dá)到300～450MPa，比標(biāo)準(zhǔn)210MPa有顯著提高。

（2）采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥斫档蜔彳埐讳P鋼復(fù)合板的應(yīng)力。

（3）不銹鋼復(fù)合板經(jīng)超聲波探傷、力學(xué)性能試驗(yàn)、剪切、成形。

（4）生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

①熱軋擴(kuò)散焊復(fù)合工藝是指在高溫、高壓、真空和表面清潔的條件下通過軋制實(shí)現(xiàn)不銹鋼與碳鋼達(dá)到冶金結(jié)合，其核心是復(fù)合坯的設(shè)計(jì)。由于碳鋼和不銹鋼的延伸率有差別，在復(fù)合坯料設(shè)計(jì)時(shí)通過系數(shù)調(diào)整兩種材料的基板尺寸。合理設(shè)計(jì)不銹鋼復(fù)合板的生產(chǎn)方案，優(yōu)化組坯質(zhì)量是本工藝的關(guān)鍵；

②不銹鋼與碳鋼表面全部進(jìn)行潔凈化處理，增強(qiáng)不銹鋼與碳鋼的擴(kuò)散能力；

③采用控溫控軋制工藝提高復(fù)合鋼板的強(qiáng)韌性，保證材質(zhì)性能；

④采用熱處理工藝提高復(fù)合鋼板強(qiáng)度和降低復(fù)合板應(yīng)力，保證材料板型；

⑤技術(shù)裝備保證

在以步進(jìn)式加熱爐、4 300mm寬厚板軋機(jī)、3 500 mm中厚板軋機(jī)、1 700mm熱連軋機(jī)和2 500mm中板軋機(jī)為“四位一體”的裝備優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)的同時(shí)，又根據(jù)工藝特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)并制作了組坯、抽真空、滿焊、精整等生產(chǎn)線，連續(xù)批量生產(chǎn)熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板的技術(shù)裝備保證能力日漸雄厚，工藝線達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 復(fù)合板實(shí)物質(zhì)量

3.1 力學(xué)性能

熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板沒有表面缺陷，板型平整。經(jīng)超聲波探傷及力學(xué)性能試驗(yàn)判定合格后發(fā)貨。表2為生產(chǎn)的熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板實(shí)際力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)。

表2 熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板實(shí)際力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)

3.2 探傷情況（圖1）

按照J(rèn)B／T 4730－2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)第3部分－超聲波部分》的有關(guān)規(guī)定，通過GB／T 8165－2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》的有關(guān)缺陷波形的規(guī)定，對(duì)上述鋼板進(jìn)行了超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)有超過2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷波形（未發(fā)現(xiàn)第一次底波高度不大于熒光屏滿刻度的5%，且缺陷波大于熒光屏滿刻度的5%的部分）。

3.3 冷彎情況（圖2）

對(duì)熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板試樣進(jìn)行180°冷彎試驗(yàn)，彎曲部分的外面、里面和側(cè)面未見裂紋、裂斷和分層現(xiàn)象。

3.4 結(jié)合組織分析

通過對(duì)熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板的試樣經(jīng)拋光浸蝕后宏觀可以清楚地顯示出所有的不銹鋼與碳鋼復(fù)合交界處呈擴(kuò)散結(jié)合形態(tài)（圖3），在掃描電子顯微鏡下觀察，結(jié)合區(qū)基板和復(fù)板的結(jié)合方式是直接結(jié)合，中間沒有新合金生成，利用X射線能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析表明，從復(fù)層到基層合金元素成分發(fā)生急劇變化，大部分能保持原材料基體的成分，這種結(jié)合方式占主要方式。

圖1 剪切試件

圖2 彎曲試樣

圖3 結(jié)合區(qū)域

4 用戶使用情況跟蹤

4.1 用戶使用情況

2009年12月份眉山車輛廠生產(chǎn)的C70C型敞車裝用10＃＋0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合板制作成305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）進(jìn)行運(yùn)用考驗(yàn)，總計(jì)裝車198輛。

4.2 運(yùn)用情況

2010年6月在鐵道部相關(guān)部門的協(xié)助下，山東鮑德公司和眉山車輛有限公司對(duì)該批裝用305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）的車輛進(jìn)行了調(diào)研，主要調(diào)研區(qū)段有石太線的太原北車輛段，所調(diào)研的車輛制動(dòng)緩解均動(dòng)作靈活，無卡滯現(xiàn)象，未出現(xiàn)運(yùn)用故障。

2011年1月眉山車輛有限公司設(shè)計(jì)、山東鮑德公司售后服務(wù)人員赴太原北車輛段，在石太線（石家莊—太原）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）的運(yùn)用情況與車輛段的技術(shù)人員進(jìn)行了交流。南車集團(tuán)眉山車輛有限公司生產(chǎn)的裝用305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）的C70C型敞車，在運(yùn)用和檢修中未發(fā)現(xiàn)任何制動(dòng)缸故障，使用情況良好。具體見圖4所示。

4.3 檢測(cè)

為詳細(xì)了解305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）的缸體是否出現(xiàn)分層現(xiàn)象，南車集團(tuán)眉山車輛有限公司用兩套新的性能完全符合要求的305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）替換已經(jīng)運(yùn)行1年多舊的305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型），對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)檢測(cè)缸體的磨損情況，并對(duì)其進(jìn)行剖切，檢驗(yàn)是否出現(xiàn)分層。

圖4 安裝在C70C型敞車上的305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）

（1）性能檢測(cè)

對(duì)從現(xiàn)車上拆解下來的兩套305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）在旋壓制動(dòng)缸風(fēng)壓微機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果完全滿足試驗(yàn)要求，見圖5。

（2）外觀檢測(cè)

對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行目視檢測(cè)，均無磨損、裂紋等現(xiàn)象，缸體及前蓋內(nèi)壁無生銹現(xiàn)象，缸體內(nèi)無劃痕跡象。見圖6。

圖5 試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

圖6 外觀檢測(cè)

表3 制動(dòng)缸內(nèi)徑檢測(cè)結(jié)果 mm

（3）缸體內(nèi)徑檢測(cè)

通過使用內(nèi)徑百分表對(duì)缸體內(nèi)徑進(jìn)行檢測(cè)見圖7，尺寸完全在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，符合圖紙要求。檢測(cè)結(jié)果見表3。

（4）復(fù)合層剖切檢測(cè)

對(duì)分解后的兩個(gè)缸體進(jìn)行線切割，切割后未發(fā)現(xiàn)復(fù)合層有分開現(xiàn)象，這說明原材料沒有分層，經(jīng)過沖壓、旋壓及運(yùn)行復(fù)合材料也不會(huì)產(chǎn)生分層。

（5）工業(yè)CT成像

在重慶大學(xué)ICT研究中心，對(duì)旋壓缸缸體和缸蓋進(jìn)行CT初檢（圖8）。方法以20mm為掃描間距對(duì)工件進(jìn)行等層距CT掃描，根據(jù)CT圖像對(duì)工件進(jìn)行初步缺陷評(píng)價(jià)，見圖9。

圖7 尺寸檢測(cè)

圖8 剖切后的缸體

圖9 旋壓缸及旋壓缸蓋CT成像圖

5 結(jié)論

（1）生產(chǎn)的不銹鋼復(fù)合板采用熱軋擴(kuò)散焊技術(shù)，工藝技術(shù)先進(jìn)，生產(chǎn)成本低、周期短，其剪切強(qiáng)度、界面結(jié)合率、耐腐蝕性能、耐沖擊性能、耐磨性能較為穩(wěn)定，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

（2）鐵路用貨車制動(dòng)配件用熱軋擴(kuò)散焊不銹鋼復(fù)合板，305×254FH旋壓密封式制動(dòng)缸（A型）自在C70C型敞車裝用以來，未發(fā)現(xiàn)故障，制動(dòng)缸性能良好，使用壽命比原來碳鋼要大大增加，能夠滿足運(yùn)用要求，用戶無不良反饋，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］鄭香增，苗 釗，劉熙章.提高熱軋10號(hào)鋼板塑性的工藝措施［J］.寬厚板，2003，（3）：28－30.