CN107130170B - 一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法 - Google Patents

一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法。该合金钢由以下质量百分比的成分组成：碳：0.12～0.18％、硅：0.25～0.35％、锰：1.20～1.50％、磷：0.001～0.015％、硫：0.001～0.010％、铌：0.01～0.08％、镍：0.01～0.45％、铬：0.20～0.30％、铝：0.015～0.050％、铜：0.01～0.15％、钒：0.08～0.14％、钼：0.01～0.20％、钛：0.06～0.10％，余量为铁。通过合金钢的化学成分之间的协调配合，使其具有良好的工艺适应性，并能够作为集成式制动梁架的原料，不仅能够使制得的集成式制动梁架的具有良好且稳定的性能，而且显著提高了产品的一次合格率。

Description

一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法，属于冶金材料技术领域和铁路货车技术领域。
背景技术
20世纪80年代初期，北美研制了集成制动技术，并在铁路货车上推广。随着国内外重载铁路货运技术的快速发展，集成制动技术得到了广泛应用。与传统基础制动装置杠杆布置方式相比，集成制动装置具有结构紧凑、传动效率高、质量轻等优点，能够有效利用车辆空间，并降低车辆的自重、提高车辆的载重能力。
在铁路货车的集成制动装置中，集成式制动梁架是最关键的部件，图1是集成式制动梁架的截面图，具体结构可参见文献《李洁，唐振英，郑官兴.集成式制动梁架成形工艺研究[J]，锻造与冲压，2014(13)：65-69.》。目前，集成式制动梁架是采用牌号为Q460E的热轧丁字异型钢，经加热、切分、拉伸、压弯整形后冷却并回火后得到。Q460E钢材的化学成分如表1所示。
表1Q460E钢材的化学成分(质量分数，％)
C Si Mn P S Nb V
≤0.20 ≤0.50 ≤1.70 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.07 ≤0.20
Ti Ni Cr Al Cu Mo Fe
≤0.20 ≤0.80 ≤0.30 ≤0.015 ≤0.55 ≤0.20 余量
在目前集成式制动梁架的生产制造过程中，因Q460E钢材过热敏感性难以控制、连续冷却转变曲线不唯一等原因，极易导致魏氏组织、粒状贝氏体及M-A组元等脆硬相组织的产生。图2是现有集成式制动梁架的典型金相组织照片，其中，(a)图中标注的区域为魏氏组织，魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现，一般是由锻造的加热温度过高或者冷却速度过快所致。魏氏组织的存在，会使集成式制动梁架的塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高；(b)图中标注的区域为粒状贝氏体组织，其在铁素体组织界面处形核、生长，使铁素体组织界面附近的韧性组织局部割裂，晶界表面积大幅升高。在半扩散性转变形成的晶界处，原子排列混乱，存在大量的空位、位错等缺陷，所以在承受冲击载荷过程中，粒状贝氏体附近的断裂敏感性急剧升高，从而严重影响集成式制动梁架的冲击性能；(c)图中标注的区域为M-A组元，其是在贝氏体转变区间，待转变的富碳奥氏体(奥氏体中碳原子扩散不充足)呈岛状分布在块状铁素中形成。奥氏体部分在受冲击及拉伸载荷过程中会产生应力诱发马氏体相变现象，可视为一种脆硬相的加剧反应。上述有害组织的存在，严重影响了集成式制动梁架的力学性能，尤其体现在集成式制动梁架的切分口肩部极易出现横向开裂、压弯深度92.5±2mm尺寸部位(十字钢与弓形杆部)在热成型及回火处理后压弯深度的回弹量无法控制等问题，致使大部分集成式制动梁架的性能稳定性较差，不能满足目前铁路货车对于集成式制动梁架的基本力学性能要求(参见表2)。并且，上述原因还会导致集成式制动梁架的性能稳定性较差，通常产品的一次合格率仅为20％～30％。即使经多次冷修、热修、磨修及回火调整处理，产品的总合格率也只能达到70％左右，远远不能满足实际生产的要求。
表2集成式制动梁架的力学性能指标
项目 屈服强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 断后伸长率/％ 冲击功/J
指标 420 550 17 27
并且，因集成式制动梁架局部开裂、回火后尺寸变形等原因导致的多次冷修、热修、磨修，以及因力学性能不合格导致的多次回火调整处理，不仅造成了巨大的资源浪费，也降低了生产效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种合金钢和集成式制动梁架及其制造方法。通过合理设置合金钢的化学成分，使其具有良好的工艺适应性，不仅能够使制得的集成式制动梁架满足相关性能要求，而且显著提高了产品的一次合格率。
本发明首先提供一种合金钢，由以下质量百分比的成分组成：
碳：0.12～0.18％、硅：0.25～0.35％、锰：1.20～1.50％、磷：0.001～0.015％、硫：0.001～0.010％、铌：0.01～0.08％、镍：0.01～0.45％、铬：0.20～0.30％、铝：0.015～0.050％、铜：0.01～0.15％、钒：0.08～0.14％、钼：0.01～0.20％、钛：0.06～0.10％，余量为铁。
可以理解，在实际生产过程中，除了上述成分，合金钢中还可能含有其它不可避免的杂质元素，这些杂质元素在合金钢中的含量可忽略不计，在此不做过多说明。
在合金钢中，C、Si、Mn是影响钢材力学性能及加工性能的重要因素，比如Si能提高合金钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度；Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能减弱甚至消除因硫元素所引起的钢的热脆性，从而改善合金钢的热加工性能；同时，Mn和Fe形成固溶体，还可以提高合金钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。发明人研究发现，增加C、Si、Mn的含量，虽然可以对合金钢起到很好的强化作用，但却显著降低了钢材的韧性，为了提高铁路行车制动稳定性，降低钢材的热裂纹敏感性，需将C、Si、Mn的含量控制在合理的范围内。与此同时，通过Cr、V、Ti等元素的微合金化来细化晶粒以提高合金钢的综合性能；通过调节Ni元素的含量，降低原奥氏体的组织稳定性；通过控制其它成分的含量，控制合金钢的CCT冷却曲线正火组织转变区在常规加工工艺参数范围内，利于在锻造成型后的自回火处理时，有效消除魏氏组织、粒状贝氏体及M-A组元等硬脆相组织，因而合金钢具有良好的工艺适应性，使加工得到的集成式制动梁架具有良好且稳定的力学性能，显著提高了产品的一次合格率。
合理控制合金钢中各成分的含量，有利于进一步提高产品的力学性能，并提高产品性能的稳定性。在本发明具体实施过程中，通常合金钢由以下质量百分比的成分组成：
碳：0.12～0.18％、硅：0.30～0.35％、锰：1.30～1.50％、磷：0.005～0.015％、硫：0.001～0.005％、铌：0.01～0.08％、镍：0.30～0.45％、铬：0.20～0.30％、铝：0.015～0.035％、铜：0.01～0.15％、钒：0.08～0.14％、钼：0.01～0.20％、钛：0.06～0.10％，余量为铁。
合理控制合金钢中的碳当量，有利于进一步提高集成式制动梁架的强度等力学性能。在本发明优选的技术方案中，合金钢的碳当量为0.45％～0.50％。
如无特殊说明，本发明中的碳当量(Ceq，％)，是按照下述公式计算得到：
Ceq＝C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15
上述公式中，C、Mn、Cr、V、Mo、Cu、Ni分别代表相应成分在合金钢中的质量百分含量。
本发明其次提供上述合金钢在加工制造集成式制动梁架中的应用。可以理解，通过合金钢中各成分之间的配合，使合金钢具有良好的加工性能，从而有利于制得性能稳定且良好的集成式制动梁架，以满足目前铁路货车对于集成式制动梁架的力学性能要求。
本发明最后提供一种集成式制动梁架，是对上述合金钢进行加工得到。具体的，采用上述合金钢为原料加工得到的集成式制动梁架，其显微组织是多相显微组织，包括均匀分布的铁素体和珠光体。通常情况下，铁素体与珠光体的体积含量之和＞95％；魏氏组织、粒状贝氏体组织、M-A组元等有害组织的体积含量之和不超过5％。在具体生产过程中，可认为是正火组织转变完全。
采用本发明提供的合金钢加工得到的集成式制动梁架，具有良好的综合力学性能，具体的，其屈服强度＞500MPa、抗拉强度＞680MPa、断后伸长率＞25％、冲击功＞50J，远远超过了目前铁路货车对于集成式制动梁架的基本力学性能要求(参见表2)。并且，集成式制动梁架产品的一次合格率≥95％。
本发明对于集成式制动梁架的具体制造方法不做特别限定。发明人研究发现，本发明提供的合金钢具有良好的工艺适应性，所以可采用本领域常规的工艺进行加工制造，比如可采用文献《李洁，唐振英，郑官兴.集成式制动梁架成形工艺研究[J]，锻造与冲压，2014(13)：65-69.》中方案3的加工工艺。在实际生产过程中，集成式制动梁架的制造方法，可以包括以下步骤：
对上述合金钢进行轧制处理，得到型钢；
对型钢进行加热处理、切分处理、拉伸处理和整形处理，得到梁架半成品；
对梁架半成品进行自回火处理和自然冷却处理，得到集成式制动梁架。
其中，加热处理具体包括：
首先采用低频(1KHz～4KHz)加热，使所述型钢在100～120S内升温至730～750℃；
然后采用高频(10KHz～20KHz)加热，使所述型钢在20～30S内升温至940～980℃并保温1～5S。
在本发明具体实施过程中，是通过控制加热设备的加热频率、输出功率和加热时长，以调节加热处理过程中升温效果，如表3所示，首先采用低频进行慢速加热，使整个型钢进行透热，最终使型钢的内部和表面温度大致相等，达到730～750℃左右，之后切换到高频进行大功率快速加热，使型钢整体的温度达到940～980℃，最后实施保温处理。
并且，在本发明具体实施过程中，通常控制加热处理的总时间为130～140S。
表3型钢加热处理的具体工艺参数(额定输出功率450KW)
发明人研究发现，采用上述双频加热的工艺对对型钢进行加热处理，不仅能够在保证型钢的原奥氏体晶粒尺寸的同时进一步降低原奥氏体组织的稳定性，而且能够有效降低甚至消除魏氏组织、粒状贝氏体及M-A组元等有害组织的产生的可能性，从而为后续自回火处理提供组织准备，并最终使制得的集成式制动梁架的晶粒细小且组织均匀，因而使集成式制动梁架产品具有良好且稳定的力学性能。
加热处理后的型钢经常规工艺的切分、拉伸、整形处理后，得到梁架半成品，然后进行自回火处理。本发明对自回火处理的具体工艺不做特别限定，比如可以将得到的梁架半成品送入缓冷室中进行冷却。在本发明具体实施过程中，是将整形处理后的梁架半成品在15S内送入缓冷室工位内，以确保梁架半成品在送入缓冷室之前的温度≥800℃。在缓冷室中，当梁架半成品的温度降低至300℃，即完成了自回火处理，最后再经送出缓冷室进行自然冷却，得到集成式制动梁架。
可以理解，在上述自回火处理过程中，即将不低于800℃的梁架半成品送入缓冷室至温度降低至300℃的过程中，温度降低速率越慢，越有利于使冷却曲线避开粒状贝氏体及M-A组元转变区，避免产生脆硬组织。在具体自回火处理时，通常控制梁架半成品的温度降低速率≤0.25℃/S，最终达到正火组织转变完全的目的。
本发明提供了一种合金钢，通过合理设置合金钢的化学成分，使其具有良好的工艺适应性，并且能够用于加工得到性能良好的集成式制动梁架，而且使集成式制动梁架具有非常高的性能稳定性，产品的一次合格率≥95％。
本发明还提供了一种采用上述合金钢加工得到的集成式制动梁架。该集成式制动梁架的显微组织为均匀分布的铁素体和珠光体，并且铁素体与珠光体的体积含量之和＞95％；其屈服强度＞500MPa，抗拉强度＞680MPa，断后伸长率＞25％，冲击功＞50J，从而使集成式制动梁架的性能远远高于目前铁路货车对于集成式制动梁架的基本力学性能要求。
本发明还提供了一种集成式制动梁架的制造方法，该制造方法简单可靠，并能够使集成式制动梁架的晶粒细小且微观组织均匀、正火组织转变完全，最终获得性能优良的集成式制动梁架。同时，该制造方法使产品的一次合格率≥95％，并且未出现切分口肩部横向开裂的问题，不仅提高了生产效率，而且降低了能耗，适宜大规模推广。
附图说明
图1为铁路货车的集成式制动梁架的截面图；
图2为现有集成式制动梁架的金相组织照片；
图3为本发明实施例1制得的集成式制动梁架的金相组织照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明中所述的冲击功，均是按照《GB-T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，对集成式制动梁架取样进行-40℃夏比V型缺口冲击试验，每个样品测试三次，取平均值得到。
实施例1
实施例1提供一种合金钢，其具体的化学成分参见表4。
采用文献《李洁，唐振英，郑官兴.集成式制动梁架成形工艺研究[J]，锻造与冲压，2014(13)：65-69.》中记载的方案3对本实施例的合金钢进行加工，得到集成式制动梁架。
取本实施例中集成式制动梁架的样品，经粗磨、细磨后再进行机械抛光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蚀后，在不同放大倍数下，样品的金相组织照片如图3所示。可以看出，本实施例的集成式制动梁架样品，其具有细小的晶粒，微观显微组织为均匀分布的铁素体和珠光体，即均匀的正火态强韧组织，并且铁素体与珠光体的体积含量之和＞95％。
对本实施例的集成式制动梁架的力学性能进行测试，具体结果参见表5。由表5可知，以本实施例提供的合金钢为原料，采用现有工艺制得的集成式制动梁架，其性能远高于目前铁路货车对于集成式制动梁架的基本力学性能要求(参见表2)。
经计算，以本实施例提供的合金钢为原料，采用上述现有工艺加工得到集成式制动梁架，产品的一次合格率为95％，并且未出现切分口肩部横向开裂的问题，生产效率非常高且能耗低，并实现了原料的充分有效利用。
表4实施例1-4中合金钢的化学成分(质量分数，％)
表5实施例1-4中集成制动梁架的力学性能测试结果
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
屈服强度/Mpa 505 531 530 512
抗拉强度/Mpa 692 711 709 698
断后伸长率/％ 26.5 28 27.5 28
冲击功/J 119 55.3 117 94.7
实施例2-4
实施例2-4分别提供一种合金钢，其化学成分参见表4。
以实施例2-4提供的合金钢为原料加工制造集成式制动梁架，其具体工艺包括以下步骤：
S1：按照常规工艺对合金钢进行轧制，得到型钢。
S2：对型钢进行加热处理，所采用的设备是湖北十堰恒进科技有限公司生产的HKTP-450KW型数控感应加热机床生产线(额定输出功率450KW)，并通过调节设备的输出功率控制加热频率，具体加热处理的工艺参数如下表6所示：
表6实施例2-4中型钢加热处理的工艺参数
其中，在第三阶段，型钢的温度上升到740℃左右，在第六阶段，型钢的温度达到970℃左右，最后在970℃下实施保温处理。
S3：按照常规工艺，对经加热处理的型钢进行切分处理、拉伸处理和整形处理，得到梁架半成品。
S4：将梁架半成品在15S内送入缓冷室内，使梁架半成品在缓冷室工位内存放直至所有梁架半成品的温度从800℃缓慢降至300℃，降温速率约为0.25℃/S，然后出缓冷室工位进行自然冷却，得到集成式制动梁架产品。
分别取实施例2-4中集成式制动梁架的样品，经粗磨、细磨后再进行机械抛光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蚀后，观察样品的金相组织，与图3基本相同，晶粒细小且为均匀分布的铁素体和珠光体，即均匀的正火态强韧组织，未见魏氏组织、粒状贝氏体及M-A组元等有害组织。
对实施例2-4的集成式制动梁架的力学性能进行测试，具体结果参见表5。由表5可知，以实施例2-4提供的合金钢为原料、并以本实施例中的加工工艺制得的集成式制动梁架，其性能不仅远远高于目前铁路货车对于集成式制动梁架的基本力学性能要求，而且其综合力学性能(比如屈服强度、抗拉强度和断后伸长率)也优于采用常规工艺(如实施例1)制得的集成式制动梁架。
经计算，采用实施例2-4中的加工工艺制造集成式制动梁架，产品的一次合格率分别为98％、99％、97％，并且均未出现切分口肩部横向开裂的问题，生产效率高于常规工艺且能耗进一步降低，实现了原料的有效利用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种集成式制动梁架，其特征在于，是对由以下质量百分比的成分组成的合金钢进行加工得到：
碳：0.12～0.18％、硅：0.25～0.35％、锰：1.20～1.50％、磷：0.001～0.015％、硫：0.001～0.010％、铌：0.01～0.08％、镍：0.01～0.45％、铬：0.20～0.30％、铝：0.015～0.050％、铜：0.01～0.15％、钒：0.08～0.14％、钼：0.01～0.20％、钛：0.06～0.10％，余量为铁；
所述加工具体包括如下步骤：
对所述合金钢进行轧制处理，得到型钢；
对所述型钢进行加热处理、切分处理、拉伸处理和整形处理，得到梁架半成品；
对所述梁架半成品进行自回火处理和自然冷却处理，得到所述集成式制动梁架，
其中，所述加热处理具体包括：
首先在1k Hz～4k Hz的频率下加热，使所述型钢在100～120s 内升温至730～750℃；
然后在10k Hz～20k Hz的频率下加热，使所述型钢在20～30s 内升温至940～980℃并保温1～5s 。
2.根据权利要求1所述的集成式制动梁架，其特征在于，所述合金钢由以下质量百分比的成分组成：
碳：0.12～0.18％、硅：0.30～0.35％、锰：1.30～1.50％、磷：0.005～0.015％、硫：0.001～0.005％、铌：0.01～0.08％、镍：0.30～0.45％、铬：0.20～0.30％、铝：0.015～0.035％、铜：0.01～0.15％、钒：0.08～0.14％、钼：0.01～0.20％、钛：0.06～0.10％，余量为铁。
3.根据权利要求2所述的集成式制动梁架，其特征在于，所述合金钢的碳当量为0.45％～0.50％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的集成式制动梁架，其特征在于，所述集成式制动梁架的显微组织中，铁素体与珠光体的体积含量之和＞95％。
5.根据权利要求4所述的集成式制动梁架，其特征在于，所述集成式制动梁架的屈服强度＞500MPa、抗拉强度＞680MPa、断后伸长率＞25％、冲击功＞50J。
6.一种权利要求1-5任一项所述的集成式制动梁架的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
对所述合金钢进行轧制处理，得到型钢；
对所述型钢进行加热处理、切分处理、拉伸处理和整形处理，得到梁架半成品；
对所述梁架半成品进行自回火处理和自然冷却处理，得到所述集成式制动梁架，
其中，所述加热处理具体包括：
首先在1k Hz～4k Hz的频率下加热，使所述型钢在100～120s 内升温至730～750℃；
然后在10k Hz～20k Hz的频率下加热，使所述型钢在20～30s 内升温至940～980℃并保温1～5s 。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述加热处理的总时间为130～140s。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述自回火处理时，梁架半成品的温度降低速率≤0.25℃/s 。
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