CN107671228A - 一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件，具体地说是一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，主要包括严格控制原钢水纯度，利用高纯稀土合金或稀土铁合金对钢水进行合金化处理，采用全锆砂造型，平稳浇注刹车盘铸件等工艺方法。采用本发明的冶炼和浇注方法，使铸件组织均匀、细化，减少夹杂物，提高刹车盘材料冲击韧性和抗疲劳性能，使高速铁路客车运行更加安全平稳。

Description

一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺
技术领域
本发明涉及高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件，具体地说是一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺。
背景技术
高速铁路客车刹车盘是客车关键部件，长期与轮轴同时运转，工作条件恶劣；刹车盘在制动过程中，受刹车片强力摩擦，温度迅速上升，表面温度超过900℃。瞬间升温，使表面承受巨大的热应力。而当刹车段过后，刹车盘温度又会迅速降低，在北方行车，可能降到-40℃以下。接近1000℃的温差，瞬间的冷热交替，和一定量的动载荷，刹车盘很容易产生疲劳破坏。为了铁路运营的安全，需要开发抗疲劳，耐低温的刹车盘铸件。国外列车大部分在-20℃以上温度运行，所以材料的抗低温性能要求不高，而我国地域辽阔，列车在冬季运行，运行温度经常在-20℃或更低温度，甚至达到-40℃，所以必须开发适用于我国自然条件的客车关键部件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，采用本发明的冶炼和浇注方法，通过稀土合金处理钢水，实现钢水与铸件的超纯净化，从而提高刹车盘使用稳定性与安全性。
本发明的技术方案是：
一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，，包括如下步骤：
1)采用预处理钢锭作为原材料进行重熔；
2)重熔冶炼过程中，添加稀土合金，成品刹车盘稀土元素含量为0.001wt％～0.18wt％；
3)采用全锆砂造型和制芯，浇注；
4)稀土合金刹车盘热处理后，-40℃低温冲击功Akv≥20J。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，采用预处理钢锭作为原材料进行重熔，控制钢锭氧含量≤15ppm，氮含量≤50ppm，磷含量≤0.007wt％，硫含量≤0.005wt％。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，采用全锆砂造型和制芯，利用碱性酚醛树脂做粘结剂、苯磺酸做固化剂，砂型和砂芯表面不刷涂料；锆砂粒度为0.05～0.22mm，锆砂纯度(ZrHf)O2含量≧65wt％。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，合金成分控制方法是在铬钼低合金钢30CrMo基础上进行合金化，形成30CrMoRE合金；按重量百分比计，合金成分范围为：C 0.20～0.28，Si 0.42～0.55，Mn1.0～1.1，Cr 0.7～0.9，Ni 0.9～1.5，Mo 0.4～0.6，V 0.01～0.10，Nb 0.01～0.10，RE 0.001～0.18，O≤0.0015，N≤0.0050，P≤0.007，S≤0.005，余量为Fe。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，冶炼过程中采用稀土合金深脱氧，使氧量低于10ppm。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，稀土合金选用高纯镧铈稀土合金，稀土元素含量99.95wt％以上；或采用氧含量小于200ppm的稀土铁合金，稀土合金含量为10～50wt％。
所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，通过包内加入稀土合金，细化晶粒，细化夹杂物；晶粒度在6级以上，夹杂物总和小于3.0级。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明控制钢水纯净度，稀土合金化处理以及全锆砂造型方法，减少钢水氧化，减少和细化夹杂物，使铸件组织均匀，晶粒度达到6级以上，-40℃低温冲击功Akv≥20J。本发明生产的刹车盘，增加了列车运行区域，可以确保列车在中国南北方的运行安全。
2.本发明的关键在于解决了高速铁路客车刹车盘热疲劳问题。刹车盘在使用过程中，由于钢中夹杂物数量多，尺寸大，在交变载荷作用下，表面出现微裂纹。采用稀土钢刹车盘，有效控制了裂纹问题，提高了高速客车行车安全性。
3.本发明采用稀土钢，使组织更加稳定，增加了刹车盘的尺寸稳定性，减少了刹车盘的变形，使列车刹车系统工作更加平稳。
附图说明
图1为高速铁路客车刹车盘铸件简图；其中，(a)轮盘；(b)轴盘。
图2为高速铁路客车刹车盘的轮盘铸造工艺方案简图；其中，(a)俯视图；(b)侧视图。
图3为高速铁路客车刹车盘的轴盘铸造工艺方案简图；其中，(a)俯视图；(b)主视图；(c)侧视图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，采用预处理钢锭控制原料成分，选择纯稀土作为配料进行合金化处理，采用锆砂进行造型，提高钢水纯净度，从而保证铸件组织和性能。
1、利用稀土处理钢水，需要对钢水进行预处理。只有钢水达到一定的纯净度后，稀土才起到合金化作用。否则，稀土进入钢水后，与钢水中大量的氧、硫起反应，生成大量的稀土氧硫化物，而稀土氧硫化物的比重较大，与钢水比重接近，很难上浮，容易形成夹杂。因此，利用稀土进行钢水的合金化，首先需要对钢水进行预处理。另外，稀土活泼，含稀土钢水更容易氧化，并与耐火材料反应，所以采用锆砂造型可以避免粘砂和钢水污染。
2、采用预处理钢锭作为原材料进行重熔，控制杂质元素含量。钢水预处理，主要对电弧炉冶炼钢水进行深脱磷，磷含量≤0.007wt％，并进行钢包精炼炉精炼，深脱硫，硫含量≤0.005wt％，再进入真空精炼炉，真空精炼钢，氧含量≤15ppm，氮含量≤50ppm。
3、利用稀土合金处理钢水，可以深度脱氧，细化组织。稀土合金添加工艺可按如下任何一种实施：
(1)电解纯稀土合金，制成方块状，大约0.5～1.5kg每块。利用喷砂机处理干净，露出金属光泽，用铝箔包裹，放入密封桶中，充氮气保护。在冶炼过程中，按钢水化学成分，主要根据钢水氧含量，区别加入不同量的稀土。稀土加入量是钢水重量的0.01～0.6％。将稀土按重量比2：1分成两部分，少的部分置于包底，与脱氧剂放在一起，用铝箔包好；多的部分出钢过程中，随钢水流加入，稀土合金随钢水进入包中，在钢水包中冲混。
(2)稀土也可以制成条状，由铁皮包裹，制成直径10～20mm的包芯线，通过畏丝的方式加入，在出钢时，将丝线直接插钢水中，按量加入后，静止5分钟，浇注。
(3)稀土也可以先制成铁合金，用纯净稀土与纯铁通过真空冶炼方式，制成含稀土10wt％～20wt％的稀土铁合金，再将稀土铁合金分割成块。每块重量1.5～3kg，加入之前，同样进行表面清理，喷丸处理，使铁合露出金属光泽。当钢水化清，脱氧完成后，将稀土铁合金，分批加入炉中。由于铁合金用量相对较大，所以需要在出炉前，在炉中加入稀土铁合金，化清后出炉。
稀土低合金钢30CrMoRE的成分如下：C 0.20～0.28wt％，Si 0.42～0.55wt％，Mn1.0～1.1wt％，Cr 0.7～0.9wt％，Ni 0.9～1.5wt％，Mo 0.4～0.6wt％，V 0.01～0.10wt％，Nb 0.01～0.10wt％，RE 0.001～0.18wt％(优选RE 0.005～0.10wt％)，O≤15ppm，N≤50ppm，P≤0.007wt％，S≤0.005wt％，余量为Fe。
4、采用锆砂造型和制芯。由于锆砂耐火度高，抗氧化，并且不需要另外刷涂料，有利于保证型腔干净，因此用锆砂制造型芯，可以减少粘砂，便于打箱清理。刹车盘内部结构复杂，散热片根部很难清理干净，而锆砂激冷能力强，可以加快钢水冷却速度，减少化学粘砂，降低了铸件清理难度。
用粒度较粗的锆砂，(ZrHf)O2含量≧65wt％，直径0.05～0.22mm之间，用碱性酚醛树脂做粘结剂，粘结剂加入量为锆砂重量的1～2％，用苯磺酸做固化剂，固化剂加入量为锆砂重量的0.2～1wt％，并且混碾0.5～2分钟。制芯时，根据芯砂用量进行混砂，采用对开模型方式制芯，制成砂芯等待固化，固化后起型修理。同样，按用外型用砂量，混制外型用砂，利用模具制造外型，固化后起模修型。树脂砂强度较高，合箱方便，浇注时不容易产生冲刷。浇注后，砂型溃散性好，很容易清理。而利用锆砂造型，再使用树脂粘结剂，砂型的溃散性更好，更容易清理。
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例
本实施例中，试生产高速铁路客车刹车盘铸件，材质稀土低合金钢30CrMoRE，其具体成分如下：C 0.25wt％，Si 0.48wt％，Mn 1.03wt％，Cr 0.87wt％，Ni 1.26wt％，Mo0.51wt％，V 0.04wt％，Nb 0.08wt％，RE 0.05wt％，O 10ppm，N 30ppm，P 0.005wt％，S0.004wt％，余量为Fe。铸件毛坯重量分别是：轮盘110kg、轴盘143kg，充型时间15s，浇注温度1560～1570℃。
如图1-图3所示，本发明铁路客车转向架刹车盘冶炼工艺方案如下：
1)严格控制成分，从配料入手，采用优质废钢、金属铬、低磷锰铁和钼铁进行配料，按钢水总量15吨配制。电弧炉冶炼，严格控制磷含量，P≤0.005wt％，再进行钢包精炼炉精炼，加合金，还原脱氧脱硫。之后，进入真空精炼炉进行真空处理。使氧含量低于15ppm，硫低于0.005wt％。并将钢水浇注成钢锭。
2)利用锆砂制造砂型和砂芯，用碱性酚醛树脂做粘结剂，粘结剂加入量为锆砂重量的1.5％，用苯磺酸做固化剂，固化剂加入量为锆砂重量的0.5wt％，并且混碾1分钟，砂型和砂芯表面不刷涂料。在锆砂型中下锆砂芯，合箱，准备5组砂型。
如图2(a)-(b)所示，轮盘按上、中、下三箱造型，采用底注式浇注系统，上箱中设置环形补缩冒口。
如图3(a)-(c)所示，轴盘按上、下两箱造型，采用底注式浇注系统，上箱中设置环形补缩冒口。
3)将预先制备好的高纯净30CrMo钢锭在中频感应炉中进行重熔。
4)准备镧铈稀土合金(镧铈稀土合金中，稀土元素含量99.98wt％，镧：铈重量比为1：2)，使合金中稀土元素占0.3wt％的稀土合金45kg。
4)钢包内高纯稀土合金15kg，出钢过程中随流加入稀土合金30kg。
5)先行浇注5组铸件，余下钢水浇注3吨小型钢锭和试样。
6)浇注之后，3小时打箱。铸件清理后进行热处理，试样随炉热处理。
本实施例通过包内加入稀土合金，细化晶粒，细化夹杂物；晶粒度在6级以上，夹杂物总和小于3.0级。从而，使铸件组织均匀、细化，减少夹杂物，提高刹车盘材料冲击韧性和抗疲劳性能，使高速铁路客车运行更加安全平稳。经试样检测，-40℃低温冲击为22J、22J、21J，满足设计要求。
本发明工作过程及结果：
由于本发明工艺方案确定的比较合理，所采取的各项措施都起到了相应的作用。1)严格控制钢水纯净度，利用电弧炉冶炼钢水，再经过炉外精炼，使钢水氧含量控制在15ppm以内，磷控制在0.007wt％以下，对提高材料冲击韧性，起到了关键作用。2)利用稀土进行合金化处理，使钢水纯度进一步提高，并且使夹杂物得到细化，提高了材料抗疲劳性能。3)采用全锆砂造型和制芯，提高了铸件表面光洁度和表面致密性，进一步提高了铸件表面强度和韧性。
本实施例中，浇入铸钢金属重量分别为：轮盘410kg、轴盘440kg，铸件重量分别为：轮盘110kg、轴盘143kg。充型时间为15s，浇注过程采用包内加稀土和随流加入，冲混均匀；从冒口观察，发现金属液洁净、上升平稳。浇注后3h之后打箱，铸件表面质量良好。
比较例
高速客车刹车盘铸件国外企业已经生产过，外观质量良好，尺寸精确，组织均匀。但是，由于采用的造型用砂不是很合适，刹车盘两个盘面中间仍然存在毛刺等微小缺陷。并且，由于没有经过稀土处理，铸件组织相对粗大，夹杂物偏多，影响了冲击韧性。国外刹车盘在使用过程中，也有盘表过早出现裂纹现象。

Claims (7)

1.一种高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用预处理钢锭作为原材料进行重熔；
2)重熔冶炼过程中，添加稀土合金，成品刹车盘稀土元素含量为0.001wt％～0.18wt％；
3)采用全锆砂造型和制芯，浇注；
4)稀土合金刹车盘热处理后，-40℃低温冲击功Akv≥20J。
2.按照权利要求1所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：采用预处理钢锭作为原材料进行重熔，控制钢锭氧含量≤15ppm，氮含量≤50ppm，磷含量≤0.007wt％，硫含量≤0.005wt％。
3.按照权利要求1所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：采用全锆砂造型和制芯，利用碱性酚醛树脂做粘结剂、苯磺酸做固化剂，砂型和砂芯表面不刷涂料；锆砂粒度为0.05～0.22mm，锆砂纯度(ZrHf)O2含量≧65wt％。
4.按照权利要求1所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：合金成分控制方法是在铬钼低合金钢30CrMo基础上进行合金化，形成30CrMoRE合金；按重量百分比计，合金成分范围为：C 0.20～0.28，Si 0.42～0.55，Mn 1.0～1.1，Cr 0.7～0.9，Ni 0.9～1.5，Mo 0.4～0.6，V 0.01～0.10，Nb 0.01～0.10，RE 0.001～0.18，O≤0.0015，N≤0.0050，P≤0.007，S≤0.005，余量为Fe。
5.按照权利要求1所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：冶炼过程中采用稀土合金深脱氧，使氧量低于10ppm。
6.按照权利要求1或5所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：稀土合金选用高纯镧铈稀土合金，稀土元素含量99.95wt％以上；或采用氧含量小于200ppm的稀土铁合金，稀土合金含量为10～50wt％。
7.按照权利要求1、2或4所述的高速铁路客车稀土合金刹车盘铸件的铸造工艺，其特征在于：通过包内加入稀土合金，细化晶粒，细化夹杂物；晶粒度在6级以上，夹杂物总和小于3.0级。
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