第三节　铁路车辆常用材料

一、金属材料

（一）铸铁

1.概念及分类

铸铁指平均含碳量大于2.11％，且含有S、P、Si、Mn等元素的铁碳合金。

铸铁与钢相比，抗拉强度、塑性和韧性较差，但具有良好的铸造性、切削加工性、减摩性、减振性和对缺口的低敏感性。

根据碳的存在形式不同，分白口铸铁和灰口铸铁两大类。

（1）白口铸铁：碳全部以渗碳体的形式存在的铸铁，断口呈银白色。白口铸铁性质脆而硬，不容易加工，所以不宜用作结构材料，一般作为炼钢或生产铸件的原料。

（2）灰口铸铁：碳全部或大部分以游离的石墨形式存在的铸铁，断口呈暗灰色。

按石墨的形态不同，灰口铸铁可以分为普通灰口铸铁（简称灰口铁）、可锻铸铁和球墨铸铁。

①灰口铁：灰口铁的石墨呈片状。片状石墨对金属基体有割裂作用，机械性能较差，但是生产工艺简单、价格低廉。灰口铁常用的牌号有HT150、HT200、HT350等。牌号中“HT”是灰铁二字的第一个拼音字母，后面的数字表示最低抗拉强度值。

②可锻铸铁：可锻铸铁的石墨呈团絮状。团絮状石墨对金属基体的割裂作用有所减轻，所以具有较高的强度，并且具有一定的塑性，性能比灰口铁好。常用的牌号有KTH330-08、KTH370-12、KT2650-02等。牌号中“KT”是可铁二字的第一个拼音字母，“H”表示黑心，“Z”表示珠光体，二组数字分别表示最低抗拉强度（MPa）和伸长率。

③球墨铸铁：球墨铸铁的石墨呈球状。球状石墨对金属基体的割裂进一步减轻，可以充分发挥出金属基体的性能，强度和塑性比灰口铸铁和可锻铸铁都好。主要的牌号有QT400-18、QT600-3、QT900-2等。牌号中“QT”是球铁二字的第一个拼音字母，后面的二组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。

（二）碳素钢

碳素钢又称碳钢，是指含碳量小于2.11％并含有少量S、P、Si、Mn等杂质的铁碳合金。碳钢具有较好的机械性能和工艺性能。

1.分类

（1）按碳钢的化学成分

分低碳钢[w（C）<0.25％]、中碳钢[0.25％≤w（C）≤0.60％]和高碳钢（w（C）>0.60％]。

（2）按碳钢的品质

分普通碳素钢[w（S）≤0.055％、w（P）≤0.045％]、优质碳素钢[w（S）、w（P）≤0.040％]和高级优质碳素钢[w（S）≤0.030％、w（P）≤0.035％）。

（3）按钢的用途

①普通碳素结构钢

常用的牌号有Q235、Q235A、Q255等，主要用于制造不重要的机械零件，如开口销、螺母、螺栓、桥梁结构件等。

②优质碳素结构钢

常用的牌号有20钢、35钢、40钢、45钢等。主要用于制造轴、齿轮、连杆等重要零件。

③碳素工具钢

常用的牌号有T8、T10、T12等，主要用于制造低速切削刀具、模具、量具及其他工具。

④压力容器钢

常用的牌号有20R、16MnR、15MnVR等，主要用制造各种压力容器。

（三）合金钢

合金钢是指在碳钢中特意加入一种或几种合金元素以改善其性能的钢。

1.分类

（1）按用途分

①合金结构钢：用于制造机构零件和工程构件。

②合金工具钢：用于制造各种刀、量、模具。

③特殊性能钢：有特殊性能的钢，如耐热钢、不锈钢等。

（2）按所含合金元素的含量

①低合金钢：合金元素总含量小于5％。

②中合金钢：合金元素总含量为5％～10％。

③高合金钢：合金元素总含量大于10％。

2.牌号及用途

（1）合金结构钢

按热处理工艺特征不同分为合金渗碳钢和合金调质钢。

①合金渗碳钢

常用的牌号有20Cr、20Mn2、20CrMnTi等，主要用于制造既承受冲击载荷作用，表面又受到强烈磨损的零件，如变速齿轮、齿轮轴、活塞销等。

②合金调质钢

主要用于制造承受较大交变载荷与冲击载荷的重要零件，如发动机曲轴、传动齿轮等。

（2）合金工具钢

常用的牌号有9Mn2V、9SiCr、CrWMn、W18Cr4V、Cr12MoV等。主要用于制造形状复杂、尺寸大的模具、高速切削的刀具和量具等。

（3）合金弹簧钢

应用最广泛的是55Si2Mn、60Si2Mn等。主要用于制造各种弹簧或弹性元件。

（4）特殊性能钢

①不锈钢

常用的有1Cr18Ni9Ti、3Cr13等，主要用于制造在强腐蚀性介质中工作的吸收塔零部件、管道、容器等。

②耐热钢

常用的有4Cr14Ni14W2Mo、15CrMo等，主要用于汽轮机叶片、飞机发动机的排气阀等零件。

③耐磨钢

常用的为ZGMn13，主要用于制造铁路道岔、坦克的履带、挖掘机的铲齿等。

（四）金属热处理

1.普通热处理

（1）退火：将钢加热到某一温度，保温一段时间后缓慢冷却（如随炉冷却）到室温的一种热处理工艺。

退火的目的是降低硬度，提高塑性，改善切削加工性及便于冷冲压；细化晶粒，均匀组织，提高机械性能，并为淬火作组织准备；消除残余内应力。

根据目的不同，退火可分为完全退火、球化退火、等温退火、低温退火和再结晶退火等。

（2）正火：将钢加热到某一温度，保温一段时间后出炉空冷的一种热处理工艺。

与退火相比，正火冷却速度较快，所得的组织比退火细，所以正火后机械性能比退火好，但是消除内应力不如退火彻底，所以低碳钢常用正火代替退火。此外，低碳钢正火后，硬度有所提高，改善了钢的切削加工性。

（3）淬火：将钢加热到某一温度，保温一段时间后浸入冷却介质（水及水溶液、油、碱浴）中急速冷却的一种热处理工艺。

淬火的目的是使钢提高强度、硬度和耐磨性，充分发挥钢的潜能。淬火是钢件强化最有效、最经济的热处理工艺。

（4）回火：回火是将淬火后的工件重新加热到某一温度并保温一段时间后，在空气、水或油4中冷却的方法。

回火的目的是降低淬火钢的脆性，消除或减小工件淬火的内应力，稳定内部组织。

根据温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。

①低温回火

回火温度为150～250℃。目的是降低淬火件的内应力，减小脆性，主要用于各类工具、刀具、量具、模具及渗碳件。

②中温回火

回火温度为350～500℃。目的是得到较高的弹性、屈服点和适当的韧性。

③高温回火

回火温度为500～650℃。目的是使工件获得强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。生产中常把淬火后再进行高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。调质处理适用于各重要结构件，如连杆、轴、齿轮等。

2.表面热处理

表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。

（1）表面淬火

表面淬火是对工件进行快速加热，使工件一定厚度的表层迅速达到淬火温度，然后迅速冷却使工件表层获得高硬度的淬火组织，而心部却保持着原始组织的一种淬火方法。

表面淬火种类很多，常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。

火焰加热表面淬火是利用氧气、乙炔火焰的高温对工件表面进行快速加热到淬火温度，随后急冷的一种表面热处理方法。

感应加热表面淬火是利用强大的高频感应电流对工件表面快速加热到淬火温度，随即急速冷却的一种热处理方法。感应表面淬火后的工件，应当及时进行回火，以减少淬火内应力，防止开裂。

3.化学热处理

化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热和保温，使介质中的一种或几种化学元素渗入工件表层，以改变表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺。

渗碳是最常用的化学热处理之一，可使工件在热处理后表面具有较高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的强度和韧性。因此它广泛应用于较强摩擦的情况下工作，并承受交变载荷、冲击载荷和载荷较大作用的工件，如活塞销、变速齿轮等。

根据渗碳剂的不同，可分为气体渗碳法、固体渗碳法和液体渗碳法三种。

（1）气体渗碳法

气体渗碳法是将工件置于密封的加热炉（如井式气体渗碳炉）内加热，并通入含碳气体或直接滴入含碳有机液体（如煤油、丙酮等），经高温分解后产生活性碳原子先吸附在工件表面，然后向工件里层扩散而形成扩散层，从而使工件表层增碳的过程。

（2）固体渗碳法

固体渗碳是将工件装入渗碳箱内，四周填满填实渗碳剂后加以密封，然后进行加热和保温的一种渗碳方法。

二、尼龙和橡胶

1.尼龙

尼龙材料的优点是在常温下具有较高的抗拉强度，良好的冲击韧性、硬度和疲劳强度，耐油性好，摩擦系数低，缺点是热变形温度低、使用温度低（80℃以下）、吸湿性大、在日光曝晒下或浸在热水中都容易引起老化。

尼龙适合制作轴承、齿轮、凸轮、涡轮、泵及阀门零件、垫圈、密封圈、薄膜、汽车零件及油箱等。

2.橡胶

橡胶是一类弹性高分子材料，分为天然橡胶和合成橡胶两大类。广泛用于制作轮胎、软油箱、软管、运输带、胶布、密封件或减振元件等。

三、高分子材料

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。由于其独特的结构和易改性、易加工特点，广泛用于国防建设和国民经济各个领域。

高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。

由于高分子材料具有突出的耐磨性、低的摩擦系数，车辆心盘磨耗盘及旁承磨耗板、斜楔材料等均已采用高分子材料。

四、铁路车辆用润滑油脂

（一）润滑油脂的特点

根据铁路车辆滚动轴承等零件的结构和使用条件，一般均采用润滑脂润滑。

润滑脂是由润滑油稠化剂及添加剂组成的膏状混合物。特点是：油膜强度高、能承受较高的负荷；缓冲性能好，能承受较大的冲击和振动；黏附性能好，在低、中速时不易流失；密封和防护性能好，可有效防止灰尘、水分及其他有害物质侵入轴承；黏温性能好，油脂黏度受温度变化的影响较小，可在较大温度范围内使用。

（二）润滑脂种类

1.冬夏通用车轴油

利用石蜡基、中间基原油的适宜馏分作为基础油，加入适量增黏、降凝等添加剂，解决低温性、黏温性和润滑性等几项关键指标，成为冬夏通用车轴油。

2.铁道车辆滚动轴承润滑脂

换脂期为5年或50万km的铁道车辆滚动轴承Ⅱ型脂及新制的Ⅲ型脂和Ⅳ型脂可分别适用于铁路客、货车。

3.车辆心盘润滑脂

含有天然鳞片石墨及多种添加剂的锂基脂，具有优良的极压、抗磨、抗水、抗锈蚀性及高低温性能的车辆心盘润滑脂，适用于铁路车辆心盘。

4.车钩配件用润滑脂

由于黏性润滑脂通常会粘附磨损性物料，有加速零件磨耗的趋势，因此在润滑车钩系统时只能采用干性润滑剂。干性润滑剂须采用二硫化钼粉，用酒精等易挥发的非石油类物质调制。