CN107058883B - 一种高速列车制动盘合金钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速列车制动盘合金钢材料及其制备方法，其解决了现有材料延伸率、材料的冲击功、抗疲劳、抗裂纹性能有待进一步提高的技术问题，其化学组份为碳、硅、锰、铬、镍、钼、钒、钛、铌、钨、铝、铜、锆、钴、磷、硫、氧、氮、氢及铁和微量杂质。本发明同时公布了其制备方法。本发明可广泛用于高速列车制动盘合金钢材料的制备领域。

Description

一种高速列车制动盘合金钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体地说涉及一种高速列车制动盘合金钢材料及其制备方法。
背景技术
目前，国内使用的高速列车制动盘，是高速列车主要的消耗件，主要依靠进口。高速列车制动盘存在不耐磨、韧性差、易产生裂纹，使用周期短，成本高等缺点。
公开号为CN 103215523 A的中国发明专利申请公开了一种高速列车合金铸钢制动盘材料及熔炼工艺，由铁、碳、硅、锰、铬、镍、钼、钒、铌、钨、钛、铝、铜、锆、磷、硫等组成，制动盘的化学组分的重量百分比为：0.25—0.28C、0.48—0.52Si、1—1.03Mn、0.8—0.85Cr、0.95—1Ni、0.54—0.6Mo、0.07—0.08V、0.05—0.06Nb、0.005—0.01W、<0.01Ti、<0.02Al、0.01—0.015Co、0.07—0.09Cu、0.01—0.02Zr、0.007P、0.007S，其余为Fe和不可避免的微量杂质。将各组分按配比混合，通过酸性的高频或中频感应电炉进行熔炼。该发明通过热处理后的工件，其硬度是HRC39—45，抗拉强度1100—1200MPa，屈服强度1000—1100MPa，具有良好的冲击韧性和良好的耐磨性，且生产成本低，可铸造性能好。
该发明采用优质钢锭，在中频炉中熔炼，控制磷、硫的含量，达到所需要的机械性能，其延伸率≥6.5％，材料的冲击功为≥17％，材料的抗疲劳、抗裂纹性能有待进一步提高，成本也较高。
发明内容
本发明就是为了解决现有材料延伸率、材料的冲击功、抗疲劳、抗裂纹性能有待进一步提高、成本较高的技术问题，提供一种材料延伸率、冲击功、抗疲劳、抗裂纹性能都有显著提高、成本较低的高速列车制动盘合金钢材料及其制备方法。
为此，本发明提供一种高速列车制动盘合金钢材料，其化学组份的重量百分比为：碳0.2～0.28、硅0.3～0.6、锰0.6～1.4、铬0.8～1.3、镍0.85～1.5、钼0.55～1.05、钒0.07～0.08、钛<0.01、铌0.05～0.06、钨0.005～0.01、铝≤0.03、铜0.07～0.09、锆0.01～0.02、钴0.01～0.015、磷≤0.01、硫≤0.01、氧≤0.003、氮≤0.007、氢≤0.00025，余量为铁和微量杂质。
本发明同时提供一种高速列车制动盘合金钢材料的制备方法，其包括如下步骤：步骤1：将A3钢材下脚料，装入中频感应电炉，同时加入JSS2#脱磷剂，脱磷剂的加入量占钢水重量的1.5％，通电熔化；步骤2：当温度达到1550℃～1560℃，加入碳、铬铁、镍、钼铁；步骤3：当温度达到1590℃～1600℃，加入硅铁、锰铁，取样化验成分；步骤4：当温度达到1640℃～1650℃，扒渣出炉，转入LF炉；步骤5：在LF炉中，加入石灰石造还原性渣，吹氩气，除去夹杂物，去氧、去硫、去磷；测温、取样化验，加入合金，调整成分；继续升温至1670～1690℃，喂丝机加硅钙线，脱氧；步骤6：转入VOD炉，吹氩气，抽真空，在真空状态下有效去除钢中的氮、氢、夹杂物及部分有害元素铅、锑、铋、锡，使钢水纯净；步骤7：保真空66.7Pa，加入预先烘烤好的钒、钛、铌、钨合金，测温、取样化验，微调成分；步骤8：测温、取样测氧、氮、氢的含量；步骤9：成分、温度符合后，加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇注；各组分的重量百分比为：碳0.2～0.28、硅0.3～0.6、锰0.6～1.4、铬0.8～1.3、镍0.85～1.5、钼0.55～1.05、钒0.07～0.08、钛<0.01、铌0.05～0.06、钨0.005～0.01、铝≤0.03、铜0.07～0.09、锆0.01～0.02、钴0.01～0.015、磷≤0.01、硫≤0.01、氧≤0.003、氮≤0.007、氢≤0.00025，余量为铁和微量杂质。
本发明工艺操作简单，通过热处理后的制动盘，硬度是HBW290～360，抗拉强度≥1050MPa,屈服强度≥900MPa,延伸率≥8％，冲击功KV2≥27J,具有良好的综合机械性能；本发明中，原料经过LF、VOD炉精炼后，夹杂物的含量大大降低，氧小于30ppm、氢小于2.5ppm、氮小于70ppm，提高了钢水的纯净度，提高工件的耐磨性、冲击韧性、抗裂纹性能；本发明材料来源广泛，成分范围可以变宽，降低了生产成本。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。
实施例1
用5000Kg的中频感应电炉熔炼钢水，制造工艺步骤为：1：将A3钢材下脚料，装入300HZ中频感应电炉，同时加入中科院金属研究所研发生产的JSS2#脱磷剂，脱磷剂的加入量占钢水重量的1.5％，通电熔化。2：随着炉料的熔化，不断捣打炉料，避免炉料搭桥。升温达到1550℃～1560℃，加入碳、铬铁、镍、钼铁。3：当温度达到1590℃～1600℃，加入硅铁、锰铁，取样化验成分。4：当温度达到1640℃～1650℃，出炉，转入LF炉。5：在LF炉中，加入石灰石等造还原性渣，吹氩气，除去夹杂物，去氧、去硫、去磷；测温、取样化验,加入合金，调整成分；继续升温至1670～1690℃，喂丝机加硅钙线，脱氧。6：转入VOD炉，吹氩气，抽真空，在真空状态下有效去除钢中的氮、氢、夹杂物及部分有害元素铅、锑、铋、锡等，使钢水纯净。7：保真空66.7Pa，加入预先烘烤好的钒、钛、铌、钨合金，测温、取样化验，微调成分。8：测温、取样测氧、氮、氢的含量。9：成分、温度符合后，加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇注。
本发明高铁制动盘的化学成分见表1，力学性能见表2:
表1
元素 C Si Mn Cr Ni Mo V Ti Nb W
成分 0.21 0.35 0.68 0.85 0.87 0.56 0.07 0.005 0.052 0.005
元素 Cu Co Zr P S O N H Al Fe
成分 0.071 0.011 0.011 0.009 0.008 0.0027 0.0065 0.00023 0.03 余量
表2
实施例2
用8000Kg的中频感应电炉熔炼钢水，制造工艺步骤为：1：将A3钢材下脚料，装入300HZ中频感应电炉，同时加入JSS2#脱磷剂，脱磷剂的加入量占钢水重量的1.5％，通电熔化。2：随着炉料的熔化，不断捣打炉料，避免炉料搭桥。升温达到1550℃～1560℃，加入碳、铬铁、镍、钼铁。3：当温度达到1590℃～1600℃，加入硅铁、锰铁，取样化验成分。4：当温度达到1640℃～1650℃，出炉，转入LF炉。5：在LF炉中，加入石灰石等造还原性渣，吹氩气，除去夹杂物，去氧、去硫、去磷；测温、取样化验,加入合金，调整成分；继续升温至1670～1690℃，喂丝机加硅钙线，脱氧。6：转入VOD炉，吹氩气，抽真空，在真空状态下有效去除钢中的氮、氢、夹杂物及部分有害元素铅、锑、铋、锡等，使钢水纯净。7：保真空66.7Pa,加入预先烘烤好的钒、钛、铌、钨合金，测温、取样化验，微调成分。8：测温、取样测氧、氮、氢的含量。9：成分、温度符合后，加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇注。
本发明高铁制动盘的化学成分见表3，力学性能见表4:
表3
元素 C Si Mn Cr Ni Mo V Ti Nb W
成分 0.25 0.48 0.95 1.02 1.13 0.72 0.075 0.007 0.056 0.008
元素 Cu Co Zr P S O N H Al Fe
成分 0.082 0.013 0.016 0.007 0.006 0.0021 0.0050 0.00021 0.02 余量
表4
力学性能 抗拉强度Mpa 屈服强度Mpa 延伸率％ 冲击功KV2 J 硬度HBW
实例1 1089 947 9.2 28.5 337
实施例3
用15000Kg的中频感应电炉熔炼钢水，制造工艺步骤为：1：将A3钢材下脚料，装入300HZ中频感应电炉， 同时加入JSS2#脱磷剂，脱磷剂的加入量占钢水重量的1.5％，通电熔化。2：随着炉料的熔化，不断捣打炉料，避免炉料搭桥。升温达到1550℃～1560℃，加入碳、铬铁、镍、钼铁。3：当温度达到1590℃～1600℃，加入硅铁、锰铁，取样化验成分。4：当温度达到1640℃～1650℃，出炉，转入LF炉。5：在LF炉中，加入石灰石等造还原性渣，吹氩气，除去夹杂物，去氧、去硫、去磷；测温、取样化验,加入合金，调整成分；继续升温至1670～1690℃，喂丝机加硅钙线，脱氧。6：转入VOD炉，吹氩气，抽真空，在真空状态下有效去除钢中的氧、氮、氢、夹杂物及部分有害元素铅、锑、铋、锡等，使钢水纯净。7：保真空66.7Pa,加入预先烘烤好的钒、钛、铌、钨合金，测温、取样化验，微调成分。8：测温、取样测氮、氢的含量。9：成分、温度符合后，加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇注。
本发明高铁制动盘的化学成分见表5，力学性能见表6:
表5
元素 C Si Mn Cr Ni Mo V Ti Nb W
成分 0.28 0.58 1.38 1.29 1.46 1.05 0.08 0.009 0.059 0.009
元素 Cu Co Zr P S O N H Al Fe
成分 0.089 0.015 0.02 0.006 0.005 0.0015 0.0038 0.00018 0.025 余量
表6
力学性能 抗拉强度Mpa 屈服强度Mpa 延伸率％ 冲击功KV2J 硬度HBW
实例1 1131 1045 8.4 27.7 352
本发明通过电炉熔炼，再经过LF+VOD精炼炉相配合，可以把钢中的有害元素脱除到如下范围：
表7
元素 [O] [H] [N] [P] [S]
范围×10～4 ≤30 ≤2.5 ≤70 ≤100 ≤100
表8制动性能方面的数据：
表8制动盘与进口铜合金制动片匹配台架试验结果
利用限定的制动盘材料成分和先进的生产工艺得到的制动盘，与进口铜合金制动片配套装在台架试验机上，进行台架试验，通过先期的磨合试验，常用停车制动试验、紧急停车制动试验、连续制动试验和静摩擦试验，结果证明铸造所得的制动盘与进口铜合金制动片匹配良好，制动性能优良，能充分保证刹车时的有效性和安全性，各项技术指标达到“高速动车组制动盘技术”要求，其制动性能能满足200Km/h至350Km/h高速列车运行要求。
对比例
将本发明与专利号为：ZL 2013 1 0055205.5的中国发明专利(以下称原发明)进行对比，本发明与原发明的区别在于：原发明采用优质钢锭，在中频炉中熔炼，控制磷、硫的含量，达到所需要的机械性能。
本发明采用普通钢材下脚料，在中频炉中脱磷，然后经过LF+VOD炉，精炼去气，控制磷、硫的含量，特别是控制氧、氮、氢及杂质的含量，具有良好的综合机械性能，特别是延伸率、冲击功明显提高。
原发明材料的延伸率≥6.5％，现发明材料延伸率≥8％；原发明材料的冲击功为≥17％，现发明材料的冲击功为≥27％，提高了材料的抗疲劳、抗裂纹性能。
表9所示为本发明与原发明冷热疲劳试验结果，模拟制动盘使用状况，将同样缺口的本发明试样和原发明试样加热到620℃，快速放入20℃的水中，如此反复进行试验500次后，在金相显微镜下看缺口裂纹扩展情况。表中的数据表明，本发明的裂纹扩展性能明显低于原发明。
表9本发明与原发明冷热疲劳试验结果对比
试样 缺口裂纹长度
本发明 0.26
原发明 0.41
表10所示为本发明与原发明抗裂纹试验结果，按照使用状态的制动动力试验台制动试验，直到裂纹的产生，记录制动试验次数。表中的数据表明，本发明的抗裂纹性能明显优于原发明。
表10本发明与原发明抗裂纹性能试验结果对比
试样 产生裂纹的制动次数
本发明 3560
原发明 2740
通过上述试验，本发明通过中频炉熔炼脱磷、硫，再加上LF炉二次精炼和VOD炉真空去气，提高钢水的纯净度和控制钢水中气体含量，提高材料的综合机械性能，克服以往材料的强度高，塑性、韧性明显下降的不足，与原发明对比，盘的机械性能明显提高。
与原发明对比，合金的成分范围变宽，且容易控制；钢水流动性好，成型能力好；成分均匀，气体、夹杂物含量少，裂纹倾向小；材料来源广泛，有利于生产过程控制，生产效率高，降低了制造成本，节能降耗，增加了社会效益。

Claims (1)

1.一种高速列车制动盘合金钢材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：
步骤1：将A3钢材下脚料，装入中频感应电炉，同时加入脱磷剂，脱磷剂的加入量占钢水重量的1.5％，通电熔化；
步骤2：当温度达到1550℃～1560℃，加入碳、铬铁、镍、钼铁；
步骤3：当温度达到1590℃～1600℃，加入硅铁、锰铁，取样化验成分；
步骤4：当温度达到1640℃～1650℃，扒渣出炉，转入LF炉；
步骤5：在LF炉中，加入石灰石造还原性渣，吹氩气，除去夹杂物，去氧、去硫、去磷；测温、取样化验，加入合金，调整成分；继续升温至1670～1690℃，喂丝机加硅钙线，脱氧；
步骤6：转入VOD炉，吹氩气，抽真空，在真空状态下有效去除钢中的氮、氢、夹杂物及部分有害元素铅、锑、铋、锡，使钢水纯净；
步骤7：保真空66.7Pa，加入预先烘烤好的钒、钛、铌、钨合金，测温、取样化验，微调成分；
步骤8：测温、取样测氧、氮、氢的含量；
步骤9：成分、温度符合后，加铝吹氩搅拌几分钟后，破真空浇注；
各组分的重量百分比为：碳0.2～0.28、硅0.3～0.6、锰0.6～1.4、铬0.8～1.3、镍0.85～1.5、钼0.55～1.05、钒0.07～0.08、钛<0.01、铌0.05～0.06、钨0.005～0.01、铝≤0.03、铜0.07～0.09、锆0.01～0.02、钴0.01～0.015、磷≤0.01、硫≤0.01、氧≤0.003、氮≤0.007、氢≤0.00025，余量为铁和微量杂质。
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