CN104498835A - 钢材料、制动梁及制动梁的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢材料、制动梁及制动梁的制备方法。该钢材料包括Fe元素、C元素和微量元素，相对于钢材料的总重量而言，C元素的重量百分数为0.15～0.25％，且微量元素包括0.30～0.55％的Si元素，1.30～1.80％的Mn元素，0.015～0.080％的Al元素，0.04～0.55％的Cu元素，0～0.30％的Mo元素以及0.02～0.2％的V元素。同时添加Al元素和V元素，有利于细化晶粒，还有利于在钢材料中形成细小、弥散分布的氮化铝和碳氮化合物。该氮化铝能够和碳氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，进而在制动梁的制备过程中提高制动梁的合格率。采用该钢材料制备制动梁时无需经过风冷和回火工序。

Description

钢材料、制动梁及制动梁的制备方法

技术领域

本发明涉及铁路车辆制造技术领域，具体而言，涉及一种钢材料、制动梁及制动梁的制备方法。

背景技术

铁路经济是国民经济的大动脉，到上世纪末，我国铁路年运输货物量已经超过25亿吨。随着经济的发展，我国对铁路运输提出“扩大运输规模，实现重载、高速”的运输要求。近年来火车多次提速改变了我国铁路列车运行长期在低水平的运行速度和低效率徘徊的局面，这给铁路运输增添了新的活力；同时提速和重载也给中国铁路车辆装备能力提出了新的要求，并带来了新的发展机遇。

我国铁路货车大部分采用传统散开式基础制动装置，而传统散开式基础制动装置因为其结构位置所限，甚至需要多级杠杆的传动，制动装置的布局较为复杂。不但降低了传动效率，也降低了制动与缓解的可靠性。相对而言，集成式基础制动装置由于省去了大量的杠杆结构，使其机械传动效率得到提高，方便安装布置，同时改善了闸瓦压力分布的均匀性，具有巨大的技术优势。

制动梁是铁路车辆装备基础制动装置的关键配件之一，主要起到车辆制动时，将制动力通过制动梁传到闸瓦，以使车辆停止前进的作用。制动梁具有良好的性能是保证车辆制动稳定性的必要条件，这关乎国家铁路运输的安全。制动梁的强度是保证制动力稳定施加的重要指标，而韧、塑性指标又可保证制动梁不发生脆性瞬断。

现有集成式制动梁的材质为Q460E方钢，轧制成异型钢，然后经加热、切分、拉伸、整形后回火，制得制动梁性能满足表1要求。在集成式制动梁生产过程中，由于其外形尺寸复杂，在经过风冷和回火工序处理之后，集成式制动梁的外形尺寸发生了较大变化，且无明显规律。这使得生产出的制动梁尺寸的合格率大幅下降。然而，如果缺乏后期的风冷和回火工序，制得的集成式制动梁又难以满足性能要求。

表1

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钢材料、制动梁及制动梁的制备方法，以解决采用现有技术制备制动梁时，在加热、切分、拉伸、整形后进行风冷和回火工序导致的制动梁易发生形变，使其合格率下降的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钢材料，其包括Fe元素、C元素和微量元素，相对于钢材料的总重量而言，C元素的重量百分数为0.15～0.25％，且微量元素包括0.30～0.55％的Si元素，1.30～1.80％的Mn元素，0.015～0.08％的Al元素，0.04～0.55％的Cu元素以及0.02～0.2％的V元素。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，C元素的重量百分数大于0.2％，且小于0.25％。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，Si元素的重量百分数大于0.50％，Mn元素的重量百分数大于1.70％。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，Al元素的重量百分数为0.02～0.080％。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，微量元素还包括0.045～1.00％的Ni元素，优选地，Ni元素的重量百分数大于0.80％。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，微量元素还包括0～0.015％的P元素，0～0.010％的S元素，0～0.30％的Mo元素以及0～0.08％的Nb元素。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，微量元素还包括0.20～0.40％的Cr元素，优选地，Cr元素的重量百分数大于0.30％。

进一步地，相对于钢材料的总重量而言，Mo元素的重量百分数大于0.2％，Nb元素的重量百分数大于0.07％。

根据本发明的另一方面，提供了一种制动梁的制备方法，其包括以下步骤：

S1，将钢材料制成型钢；S2，将型钢进行加热、切分、拉伸、整形，冷却处理后，进行正火，得到制动梁。

进一步地，步骤S2中，对型钢进行加热的过程中，温度为940～960℃，保温时间为30～40min。

进一步地，步骤S2中，冷却过程中，冷却方式为空气冷却、水冷或喷雾冷却。

根据本发明的另一方面，还提供了一种制动梁，通过上述制备方法制得。

本发明提供了一种钢材料、制动梁及制动梁的制备方法。该钢材料中，添加了较多的微量元素。其中，添加V元素可以提高钢材料的强度和韧性。并且，同时添加Al元素和V元素，还有利于细化晶粒，从而避免该钢材料制得的制动梁在利用锻造余热正火时出现粗晶组织的质量问题，还有利于在钢材料中形成足够细小、弥散分布的难熔化合物—氮化铝和碳氮化合物。该氮化铝能够和碳氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，进而在制动梁的制备过程中提高其合格率。而将Al元素的含量控制在上述范围，既能提高钢水的脱氧量，又能促使钢水中含有适量的氮化铝，从而在细化晶粒的过程中，使钢材料仍具有较高的韧性。此外，其他几种微量元素同时添加，能够进一步提高钢材料的韧性和强度。以上多方面的原因使得该钢材料被用以制备制动梁时，在加热、切分、拉伸、整形后，无需经过风冷和回火工序，既能具有较高的综合性能。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所描述的，制备集成制动梁时，在加热、切分、拉伸、整形后，如果进行风冷和回火工序，容易使制动梁发生形变导致合格率下降。而如果缺乏后期的风冷和回火工序，所制得的集成式制动梁又难以满足性能要求。为了解决这一问题，本发明提供了一种钢材料，其包括Fe元素和微量元素，相对于钢材料的总重量而言，微量元素包括0.15～0.25％的C元素，0.30～0.55％的Si元素，1.30～1.80％的Mn元素，0.015～0.080％的Al元素，0.04～0.55％的Cu元素以及0.02～0.2％的V元素。

本发明所提供的钢材料中，添加了较多的微量元素。其中，添加V元素可以提高钢材料的强度和韧性。并且，同时添加Al元素和V元素，还有利于细化晶粒，从而避免该钢材料制得的制动梁在利用锻造余热正火时出现粗晶组织的质量问题，还有利于在钢材料中形成足够细小、弥散分布的难熔化合物—氮化铝和碳氮化合物。该氮化铝能够和碳氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，进而在制动梁的制备过程中提高其合格率。而将Al元素的含量控制在上述范围，既能提高钢水的脱氧量，又能促使钢水中含有适量的氮化铝，从而在细化晶粒的过程中，使钢材料仍具有较高的韧性。此外，其他几种微量元素同时添加，能够进一步提高钢材料的韧性和强度。以上多方面的原因使得该钢材料被用以制备制动梁时，在加热、切分、拉伸、整形后，无需经过风冷和回火工序，即能具有较高的综合性能。

本发明上述钢材料中，只要含有上述几种元素，并将各元素的含量控制在上述范围内，在制备制动梁的制备方法中就可以免除后续的风冷和回火工序，并使得制动梁具有较高的性能。在一种优选的实施方式中，上述钢材料中，相对于钢材料的总重量而言，C元素的重量百分数大于0.2％，且小于0.25％。C含量相对较高时，能对钢材料起到更好的强化作用，使钢材料具有更好的韧性，同时还可以通过提高细化晶粒进一步提高制动梁钢材料的综合性能。

将钢材料中各元素的含量控制在上述范围内，就可以制备出同时具有较好强度和韧性的钢材料。本发明一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，钢材料中Si元素的重量百分数大于0.50％，Mn元素的重量百分数大于1.70％。同时提高Si元素和Mn元素的重量百分数，并将二者的含量控制在上述范围内，能够进一步提高钢材料的强度。

将钢材料中Al元素的含量控制在上述范围内，就可以制备出具有较高综合性能的钢材料。在一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，Al元素的重量百分数为0.02～0.080％。将Al元素的含量控制在上述范围，有利于进一步细化晶粒，并进一步提高钢材料的韧性。

本发明提供的钢材料中，只要将Al元素的含量控制在上述范围内，就可以进一步提高该材料的韧性等综合性能。在一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，该钢材料还包括0.045～1.00％的Ni元素。添加Ni元素有利于进一步提高钢材料的强度，同时有利于提高制动梁钢材料的抗酸性。此外，还有利于使钢材料基体在低温下易于交叉滑移，从而改善钢材料的低温韧性。优选地，Ni元素的重量百分数大于0.80％。

上述微量元素中，只要包括C、Si、Mn、Al、Cu、V和可选的Ni就可以进一步提高该材料的韧性等综合性能。在一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，微量元素还包括重量百分数小于0.015％的P元素，重量百分数小于0.015％的S元素，重量百分数小于0.30％的Mo元素以及重量百分数小于0.08％的Nb元素。添加P元素、S元素、Mo元素和Nb元素有利于提高钢材料的抗腐蚀性等综合性能，并且同时降低微量元素中P元素和S元素的含量，有利于降低钢的脆性倾向，添加Mo元素可以提高钢材料的耐磨性。

上述微量元素中，只要包括C、Si、Mn、P、S、Nb、Al、Cu、V、Mo和可选的Ni元素，形成的钢材料即可具有较高的强度、韧性等综合性能。在一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，该钢材料还包括0.20～0.40％的Cr元素。Cr元素的添加可以提高制动梁钢组织的均匀性，使其具有抗腐蚀抗氧化、抗酸、耐磨和耐疲劳的优点。优选地，Cr元素的重量百分数大于0.30％。

将本发明提供的钢材料的各组成元素的含量控制在上述范围内就可以制备出具有良好的钢强度，抗腐蚀、抗氧化、抗酸、耐磨和耐疲劳性更优的钢材料。在一种优选的实施方式中，相对于钢材料的总重量而言，Mo元素的重量百分数大于0.2％，Nb元素的重量百分数大于0.07％。同时添加并控制Cr元素、Cu元素、Mo元素的含量，能进一步提高钢材料的耐磨性和耐腐蚀性。

本发明的另一方面，还提供了一种制动梁的制备方法，其包括以下步骤：S1，将本发明中提供的钢材料制成型钢；S2，将型钢进行加热、切分、拉伸、整形，冷却处理后，进行正火，得到所需的制动梁。

上述正火过程实为是利用锻造余热对型钢进行正火，然后将其从炉中取出，置于空气中自然冷却，或采用喷水或喷雾冷却的金属热冷却处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，增加材料的硬度。

上述制动梁的制备方法，没有使用现有制备方法中的风冷和回火工艺，克服了采用现有技术制备的制动梁合格率不高的缺陷。同时，本发明所提供的所制备方法中，所采用的钢材料中，添加了较多的微量元素。其中，添加V元素可以提高钢材料的强度和韧性。并且，同时添加Al元素和V元素，还有利于细化晶粒，从而避免该钢材料制得的制动梁在利用锻造余热正火时出现粗晶组织的质量问题，还有利于在钢材料中形成足够细小、弥散分布的难熔化合物—氮化铝。该氮化铝能够和碳氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，进而在制动梁的制备过程中，提高了制动梁的合格率。而将Al元素的含量控制在上述范围，既能提高钢水的脱氧量，又能促使钢水中含有适量的氮化铝，从而在细化晶粒的过程中，使钢材料仍具有较高的韧性。此外，其他几种微量元素同时添加，能够进一步提高钢材料的韧性和强度。以上多方面的原因使得该钢材料被用以制备制动梁时，采用上述简单的，无风冷和回火工序的制备方法，即可得到综合性能较高的制动梁。

上述制备方法中，各步骤采用的具体工艺可以是本领域技术人员所惯用的方法。在一种优选的实施方式中，上述步骤S2中，对型钢进行加热的过程中，温度为940～960℃，保温时间为30～40min。这既可以保证切分、拉伸所需温度，提高切分刀具的使用寿命，同时又保证了制动梁钢的正火性能。

本发明提供的制动梁的制备方法中，冷却过程无需采用强制风冷过程。优选地，步骤S2的冷却过程中，冷却方式包括但不限于空气冷却、水冷或喷雾冷却。空气冷却是指在静止的空气中冷却。以上述几种较为平缓的冷却方式即可达到较好的冷却效果。

本发明的另一方面，还提供了一种制动梁，该制动梁的组成成分与上述钢材料相同。在该制动梁的制备方法中，无需风冷过程和回火工序。但是该制动梁具有较高的强度和良好的韧性等综合性能良好，并符合现有制动梁的性能标准。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1至12及对比例1中的制备方法如下：

S1，将钢材料制成型钢；

S2，将型钢进行加热、切分、拉伸、整形，冷却处理后，进行正火，得到所需的制动梁。

不同之处在于：

实施例1至4的加热过程中，温度控制在940℃，并保温30min，采用空气进行冷却处理；

实施例5至10的加热过程中，温度控制在960℃，并保温40min，采用喷雾进行冷却处理；对比例1中加热过程中温度控制在500℃，并保温20min，采用水进行冷却处理。

实施例1至12及对比例1中钢材料的组成元素及重量百分数(wt％)，见表2：

表2

对实施例1至12及对比例1中得到的制动梁的力学性能进行表征测试，测试结果见表3。

测试方法：

1、通过光谱测试的方法测定制动梁所使用的钢材料的化学成分。

2、通过拉伸试验检测了制动梁的机械性能，以“屈服强度”、“抗拉强度”和“断后伸长率”三个参数进行表示，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率越大，制动梁的机械性能越好。

3、通过冲击试验测定“冲击功”，冲击功越大，制动梁的机械性能越好。

4、金相测试试验测定钢材料的晶粒度。

表3

表2给出了实施例1至12及对比例中钢材料制成的制动梁的性能参数。由表2可以看出，相比于对比例和没有完全包含Fe、C、Si、Mn、P、S、Nb、Al、Cu、V、Mo、Ni及Cr的钢材料，包含上述所有元素的钢材料制成的制动梁的延性、韧性和强度明显增强；进一步再选择较优的元素组分含量时，尤其是实施例11和12中制动梁的延性、韧性和强度的改善效果更加明显。相比于对比例，在制动梁制备过程中，将加热的温度及恒温的时间控制在上述范围内，有利于提高制动梁的力学性能。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

在钢材料中添加Al元素，既保证了钢水的脱氧量，又保证了钢水中含有适量的氮化铝，从而在细化晶粒的同时又不影响钢的韧性；添加V元素可提高钢材料的强度和韧性。并且在钢材料中同时添加Al元素和V元素，有利于细化晶粒，避免采用该钢材料制备出的制动梁在利用锻造余热正火时出现粗晶组织的质量问题；还有利于使钢中形成足够细小、弥散的难熔化合物(氮化铝)和细小、弥散的碳氮化物共同阻止奥氏体晶粒长大；提高C元素的含量对钢材能够起到更好的强化作用，同时使钢材料具有更好的韧性，进而可以通过微合金化细化晶粒以提高制动梁钢材料的综合性能；提高Si和Mn元素含量，可以进一步提高钢材料的强度。

采用本发明提供的制动梁的制备方法，在无风冷和回火工序的情况下，对上述组分含量的钢材料进行加工，得到了满足制动梁性能要求的制动梁钢材料，同时解决了在无风冷和回火工序时，制得的制动梁合格率不高的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种钢材料，包括Fe元素、C元素和微量元素，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述C元素的重量百分数为0.15～0.25％，所述微量元素包括0.30～0.55％的Si元素，1.30～1.80％的Mn元素，0.015～0.080％的Al元素，0.04～0.55％的Cu元素以及0.02～0.2％的V元素。

2.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述C元素的重量百分数大于0.2％，且小于0.25％。

3.根据权利要求2所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述Si元素的重量百分数大于0.50％，所述Mn元素的重量百分数大于1.70％。

4.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述Al元素的重量百分数为0.02～0.080％。

5.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述微量元素还包括0.045～1.00％的Ni元素，优选地，所述Ni元素的重量百分数大于0.80％。

6.根据权利要求1至5任一项所述的钢材料，其特征在于，所述微量元素还包括0～0.015％的P元素，0～0.010％的S元素，0～0.30％的Mo元素以及0～0.08％的Nb元素。

7.根据权利要求6中所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述微量元素还包括0.20～0.40％的Cr元素，优选地，所述Cr元素的重量百分数大于0.30％。

8.根据权利要求7所述的钢材料，其特征在于，相对于所述钢材料的总重量而言，所述Mo元素的重量百分数大于0.2％，所述Nb元素的重量百分数大于0.07％。

9.一种制动梁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将权利要求1至8中任一项所述的钢材料制成型钢；

S2，将所述型钢进行加热、切分、拉伸、整形，冷却处理后，进行正火，得到所述制动梁。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对所述型钢进行加热的过程中，温度为940～960℃，保温时间为30～40min。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述冷却过程中，冷却方式为空气冷却、水冷或喷雾冷却。

12.一种制动梁，其特征在于，由权利要求9至11中任一项所述的制备方法制得。