CN101519754B - 制动盘用合金钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制动盘用合金钢。该合金钢的化学组成包括，以重量百分比计：碳：0.21-0.26％，硅：0.8-1.0％，锰：0.5-1.0％，铬：1.2-1.55％，镍：1.95-1.99％，钼：0.34-0.41％，钒：0.1-0.2％，铌：0.05-0.06％，钨：<0.01％，钛：<0.02％，铝：<0.02％，铜：0.05-0.09％，锆：0.02-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明提供的合金钢是一种铸造用钢，具有较高的机械强度和抗热疲劳性能，同时还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能和良好的导热性，尤其适合用于制造供轨道交通车辆，例如城市轨道交通车辆、铁道机车车辆、动车及高速列车等使用的制动盘。

Description

制动盘用合金钢

技术领域

本发明涉及一种制动盘用合金钢以及由这种合金钢制成的制动盘，属于金属材料冶金领域。

背景技术

车辆制动盘，特别是高速列车等的制动盘，均是在强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下工作，制动盘工作的可靠性几乎决定了整个基础制动装置的可靠性水平，直接影响列车的行车安全。

目前，世界铁路机车车辆制动盘材料基本上都是采用铸铁，这种材料具有成本低、耐磨性好等优点，在铁路机车车辆上发挥着重要的作用。

随着高速铁路飞速发展，通常采用的铸铁制动盘的机械强度及摩擦性能难以满足高速紧急制动时所需消耗的制动能，不适合用于高速列车。高速列车制动盘必须采用机械强度高、抗热疲劳性能好的钢制动盘，同时，制动盘的材质还必须具有好的抗热裂性、稳定的摩擦性能和良好的散热性(导热性)。

中国专利申请01137007.6号中公开了一种用于盘式制动器制动盘的不锈钢，该不锈钢的成分主要包括(质量百分比)：C：0.04-0.10％，Si：最多1.0％，Mn：0.1-2.0％，P：最多0.04％，S：最多0.01％，Cr：大于11.5到13.5％，Al：最多0.1％，N：最多0.04％，Cu：0-1.0％，Ni：0-1.0％，Ti：0-0.03％，还包括如下一种或多种：Nb：0.01-0.08％和V：0.05-0.5％。上述不锈钢是一种马氏体不锈钢，存在耐磨性差、易出现热裂纹等缺陷，利用这种不锈钢材料制造的制动盘，容易产生热疲劳。

中国专利申请02103951.8号中公开了一种用于高速列车制动盘的合金结构钢，该合金结构钢包括以下一些组成(重量百分比)：C：0.25-0.35％，Si：0.4-0.7％，Ni：0.2-0.5％，Cr：1.0-1.9，Mn：0.5-1.2％，Mo：0.5-1.0％，V：0.1-0.3％，S：<0.007％，P：<0.015％，其余成分为Fe。上述合金结构钢是一种锻钢材料，利用这种材料制成的锻钢制动盘的散热速度比较慢，高速制动时摩擦表面温度较高，易形成热斑，抗热疲劳能力较低。

而从国内外的经验来看，热疲劳是造成制动盘失效破坏的主要原因，因此，为保证制动装置的高可靠性以及列车运行的安全性，对制动盘材料进行研究具有重要的意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种制动盘用新型合金钢材料，利用该材料制造的制动盘具有较高的机械强度和抗热疲劳性能，能够在强摩擦和高热负荷的复杂工况下连续工作而不出现热疲劳等情况。

本发明所解决的技术问题还在于提供一种采用上述合金钢材料制成的制动盘。

首先，本发明提供了一种制动盘用合金钢，其化学组成包括，以重量百分比计：

碳(C)：0.21-0.26％，硅(Si)：0.8-1.0％，锰(Mn)：0.5-1.0％，铬(Cr)：1.2-1.55％，镍(Ni)：1.95-1.99％，钼(Mo)：0.34-0.41％，钒(V)：0.1-0.2％，铌(Nb)：0.05-0.06％，钨(W)：≤0.01％，钛(Ti)：≤0.02％，铝(Al)：≤0.02％，铜(Cu)：0.05-0.09％，锆(Zr)：0.02-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明所提供的合金钢的主要成分包括碳、铁、硅、锰、铬、镍、钼、钒等；提高性能的成分包括铌、钨、铜等；钛、锆可以起到脱氧、脱气、净化、细化晶粒成分的作用。本发明的合金钢中各种成分的作用和具体含量如下：

碳(C)是保证钢的强度和硬度等性能必不可少的元素，为保证利用本发明提供的合金钢铸造获得的制动盘的强度和硬度等性能满足复杂工况下的使用要求，本发明的合金钢中将碳的含量控制在0.21-0.26％；

硅(Si)、锰(Mn)元素的加入，可在合金钢中生成硬质点相，从而提高合金钢的耐磨性能，同时提高基体的热强性及冲击韧性，但二者需要满足一定的配比，否则将会相互影响，本发明的发明人研究发现，将合金钢中的硅元素和锰元素分别控制在0.8-1.0％和0.5-1.0％，可以使制造得到的制动盘具有最佳的性能；

铬(Cr)能增加钢的淬透性，提高钢的耐磨性，并且具有良好的高温抗氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，本发明的合金钢中将铬的含量控制在1.2-1.55％；

镍(Ni)可增强合金钢的淬透性，提高钢的强度、耐磨性、抗脆断裂性，使合金钢具有良好的冷加工成型性，本发明提供的合金钢中将镍元素的含量控制为1.95-1.99％；

钼(Mo)能提高钢的淬透性、热强性和蠕变强度，本发明的合金钢中将钼的含量控制在0.34-0.41％；

钒(V)能够细化晶粒，提高钢的强度和韧性，降低钢的过热敏性，同时钒还能增加钢的回火稳定性，并有强烈的二次硬化作用，能提高合金钢的耐磨性，延长其使用寿命，本发明的合金钢中将钒的含量控制在0.1-0.2％；

铌(Nb)可增加回火稳定性，有二次硬化作用，具有固定碳和沉淀硬化作用，可以提高钢的蠕变性能，同时铌具有细化晶粒的作用，能够提高钢的冲击韧性并降低脆性转变温度，微量铌还可以提高强度，因此，本发明添加一定量的铌以提高合金钢的性能，铌的含量可控制在0.05-0.06％；

钨(W)能提高钢在高温下的蠕变拉力与热强化，在本发明提供的合金钢中，钨的含量可控制在≤0.01％；

铜(Cu)在热处理时可产生沉淀强化，可提高钢耐大气腐蚀的性能，在本发明提供的合金钢中，铜的含量可控制为0.05-0.09％；

锆(Zr)有脱气、净化和细化晶粒作用，能提高钢的低温性能，在本发明提供的合金钢中，锆的含量可控制在0.02-0.03％；

铝(Al)有脱气、细化晶粒作用，在本发明提供的合金钢中，铝的含量可控制在<0.02％；

硫(S)、磷(P)为合金钢中不可避免的杂质，其含量越低越好，在本发明的合金钢中，其含量分别控制为：磷(P)：<0.01，硫(S)：<0.01。

本发明提供的合金钢中，对于钨、钛、铝等元素仅限定了其含量的上限，这并不代表本发明的合金钢中可以不含有上述元素，而是指只要含有少量上述元素就可以起到其所对应的作用，例如：低至痕迹量或者0.001％(重量百分比)的含量。

与现有技术相比，本发明提供的合金钢具有全新的成分组成，到目前还没有见到相关的应用和报道。该合金钢是一种铸造用钢，具有较高的机械强度和抗热疲劳性能，同时还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能和良好的散热性，适合用于制造供车辆用的制动盘，尤其适合于制造供轨道交通车辆，例如城市轨道交通车辆、铁道机车车辆、动车组、高速列车等所使用的制动盘。

因此，本发明还提供了一种制动盘，该制动盘是采用上述的合金钢制造的。优选地，本发明的制动盘可以是采用上述合金钢通过铸造的工艺制造的。

本发明提供的制动盘适合用于各种轨道交通车辆；优选地，本发明提供的制动盘具有较佳的性能，是一种高速列车用制动盘；更优选地，本发明提供的制动盘是一种速度在200-380km/h范围内的高速列车使用的制动盘。

根据本发明的具体技术方案，本发明提供的合金钢的冶炼可以采用本领域中常用的合金钢冶炼工艺进行，例如采用感应电炉冶炼工艺和电渣重溶工艺进行冶炼，具体冶炼工艺中的工艺参数也可以根据现有的冶炼工艺确定。

其中，感应电炉冶炼工艺可以包括以下步骤：装料(其中，不易氧化的炉料直接装入电炉，易氧化的炉料在冶炼的过程中根据工艺要求分批加入)——熔化(利用大功率将炉料快速熔化)——精炼(以30％的功率对炉料进行精炼)——出铸钢锭；

电渣重熔工艺可以采用单相水冷结晶电渣炉进行，其中，结晶器的直径为360mm，电极直径180mm；

经过感应电炉冶炼和电渣重溶工艺可以得到合格的母合金，满足制造制动盘的要求。经过感应电炉+电渣重熔制成的合金质量明显提高，成分均匀，基本没有缩孔疏松偏析等冶金缺陷，铸造材料利用率可达80％以上，提高了合金钢的性能。

制备得到本发明的合金钢(即母合金)之后，可以利用本领域中的常规铸造工艺制造制动盘，例如采用以下的铸造工艺流程：

浇铸位置设计——分形面设计——收缩量设计——加工余量设计——浇铸系统设计——冒口、冷铁、铸筋设计——模具设计与制造——造型、造芯——砂型加热——浇铸。

本发明的关键在于提供了一种用于制动盘的合金钢以及利用这种合金钢制造的制动盘，而合金钢的冶炼以及制动盘的制造(例如铸造)均可以根据本领域中的常规工艺进行，例如，利用合金钢铸造高速列车用制动盘时，可以采用现有的高速列车制动盘的铸造工艺进行。

在强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下工作时，本发明提供的制动盘能够满足上述工况对制动盘安全性能的要求，例如在超过250km/h的速度下刹车时，本发明的制动盘能够稳定地正常工作，保持比较稳定的摩擦系数，不会出现热裂纹、等现象问题。利用本发明提供的合金钢制造的铸钢制动盘与其它制动盘相比较，具有以下优点：

1、在高速制动条件下能保证良好的机械性能；

2、铸钢制动盘抗热疲劳性能好，能减慢疲劳裂纹扩展速率，从而提高制动盘的使用寿命；

3、铸钢制动盘的抗摩擦性能好。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的技术及特点，但这些实施例并非用以限定本发明的保护范围。

以下的实施例给出的合金钢均是通过本发明所提供的感应电炉冶炼和电渣重溶工艺冶炼得到的。

实施例1：

合金钢的成分组成如表1(重量百分比，％)所示：

表1

 

C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Nb	P	S
										0.25	0.95	0.62	1.31	1.96	0.38	0.15	0.05	0.004	0.009
										W	Ti	Al	Cu	Zr
0.008	0.011	0.01	0.06	0.02

本实施例制备的具有以上化学成分的合金钢在常温下的机械性能指标如下：σ_b＝1090MPa、σ_s＝1010MPa。

实施例2：

合金钢的成分组成如表2(重量百分比，％)所示：

表2

 

C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Nb	P	S
										0.23	0.98	0.72	1.51	1.98	0.40	0.12	0.05	0.006	0.008
										W	Ti	Al	Cu	Zr
0.009	0.018	0.01	0.08	0.03

本实施例制备的具有以上化学成分的合金钢在常温下的机械性能指标如下：σ_b＝1130MPa、σ_s＝1010MPa。

试验例

本试验例是利用实施例1中得到的合金钢制成的制动盘在1：1制动动力台架按照UIC541-3相关要求进行的试验：

试验工况1：所采用的车轮直径为890mm，制动盘载荷为4.5t，闸片压力为15.0kN×2，摩擦半径为247mm，制动的初速度为270km/h，实制动距离为1957.7m，实制动时间为52.2s，试验测得制动盘的距离平均摩擦系数为0.378。

试验工况2：所采用的车轮直径为890mm，制动盘载荷为4.5t，闸片压力为22.5kN×2，摩擦半径为247mm，制动的初速度为270km/h，实制动距离为1405.3m，实制动时间为37.7s，试验测得制动盘的距离平均摩擦系数为0.361。

试验结果标明，制动盘与所配对的摩擦副摩擦系数稳定，制动盘表面无热斑及热裂纹出现，而且无明显磨损现象。

Claims (9)

1.一种制动盘用合金钢，其化学组成包括，以重量百分比计：

碳：0.21-0.26％，硅：0.8-1.0％，锰：0.5-1.0％，铬：1.2-1.55％，镍：1.95-1.99％，钼：0.34-0.41％，钒：0.1-0.2％，铌：0.05-0.06％，钨：0.008-0.01％，钛：≤0.02％，铝：≤0.02％，铜：0.05-0.09％，锆：0.02-0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的合金钢，其中，所述不可避免的杂质包括，以重量百分比计：磷：＜0.01％，硫：＜0.01％。

3.如权利要求1所述的合金钢，其中，该合金钢是通过感应电炉冶炼工艺和电渣重熔工艺冶炼得到的。

4.如权利要求1所述的合金钢，其中，该合金钢为铸造用钢。

5.一种制动盘，其是由权利要求1-4任一项所述的合金钢制造的。

6.如权利要求5所述的制动盘，其是通过铸造制造的。

7.如权利要求5所述的制动盘，该制动盘是一种轨道交通车辆用制动盘。

8.如权利要求5所述的制动盘，该制动盘是一种高速列车用制动盘。

9.如权利要求8所述的制动盘，该制动盘是一种速度为200-380km/h的高速列车用制动盘。