CN108707826B - 一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料 - Google Patents
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Abstract
一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料，其特征是高速列车制动盘材料组分及其质量百分比如下：碳含量0.15‑0.27%，硅含量0.3‑0.6%，锰含量0.6‑1.0%，铬含量0.5‑0.9%，钼含量0.3‑0.7%，镍含量1.5‑2.0%，铝含量0.01‑0.03%，铜含量0.05‑0.09%，锑含量0.03‑0.06%，磷含量＜0.005%，硫含量＜0.01%，其余为铁；本发明结合不同元素对合金钢韧性的影响，合理调节合金元素的比例，制成制动盘的材料，铸件通过合理的热处理和冷处理工艺的结合，制动盘铸件低温下的冲击吸收功明显提高，达到低温条件下制动盘的运行要求。
Description
技术领域
本发明涉及制动盘用材料技术领域，尤其涉及一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料。
背景技术
制动盘是动车组制动系统的重要组成部分，制动盘的优劣直接影响了动车组的安全性、舒适性和经济性，随着高速列车在全国各地的快速发展,不同地区环境条件不同，对于制动盘的要求也不同。由于我国东北等地区气候严寒，制动盘在冬季服役温度常常低至－30℃～－60℃，制动盘一般由合金钢制成，合金钢具有低温脆性的特点，当温度低于某一温度值（韧脆临界转变温度Tk）时，合金钢冲击吸收功明显降低，合金钢由韧性状态变为脆性状态，严重影响制动盘的安全性。目前正常环境温度使用的制动盘虽然抗拉强度和屈服强度较大，但是低温冲击吸收功kv2要求大于27J（室温20℃指标）,低温环境下冲击吸收功会随之减小，不能达到低温环境下使用性能要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料，提供一种适用于低温高速运行环境下的高速列车制动盘材料。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料，其特征是高速列车制动盘材料组分及其质量百分比如下：碳含量0.15-0.27%，硅含量0.3-0.6%，锰含量0.6-1.0%，铬含量0.5-0.9%，钼含量0.3-0.7%，镍含量1.5-2.0%，铝含量0.01-0.03%，铜含量0.05-0.09%，锑含量0.03-0.06%，磷含量＜0.005%，硫含量＜0.01%，其余为铁和不可避免的微量杂质。
在本发明的技术方案中，通过对制动盘材料元素的分析，得出低温环境下不同元素对于制动盘材料低温脆性的影响，适当改变制动盘材料原有元素的比例，并且加入一些能够降低低温脆性的元素，不仅能够满足制动盘材料的力学性能，也能明显提升低温条件下制动盘材料的冲击吸收功。本发明中主要元素的作用机理如下：
碳：碳是仅次于铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等，当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；随着含碳量的增加，冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。
铝：铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。
硅：硅是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，对于碳钢中的很多材质来说，都含有0.5%以下的Si，这些Si一般是由于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂而带入的。
磷：磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大。
硫：硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
铬：铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。铬在调质处理中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
锰：锰能提高钢材强度，由于锰价格相对便宜，且能与铁无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。
镍：镍具有高的强度、高的韧性、良好的淬透性、高电阻和高的耐腐蚀性。加入镍既能提高钢的强度，又可以使钢的韧性保持较高的水平，使其变脆温度降低。镍的晶格常数与γ‐铁相近，所以可成连续固溶体，有利于提高钢的淬硬性，镍可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。镍的加入使钢有良好的耐热疲劳性，提高钢在冷热交替环境下的使用寿命。
铜：铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，加入铜还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。
钼：钼在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。在调质钢中，钼能使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。
锑：锑在钢中能使初次再结晶及二次再结晶晶粒尺寸细化，二次再结晶组织更为完善，进而提高钢的韧性。
将熔炼的钢水浇入对应的模具中，获得制动盘毛坯铸件，本发明用于低温环境的高速列车制动盘的材料的处理工艺：
1、预热：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至400℃，保温10分钟；
2、一次淬火：将铸件出炉转入主炉(CN778-01)，全功率升温至815℃，保温60分钟；全功率升温至940℃，保温180分钟，出炉油冷；
3、预热：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至400℃，保温20分钟；
4、二次淬火：将铸件出炉转入主炉(CN778-01)，全功率升温至825℃，保温60分钟；全功率升温至850℃，保温180分钟，出炉油冷；
5、冷处理：去除铸件表面的油污，将铸件放入冷冻机中，-70℃冷处理，持续10分钟；然后将铸件放在空气中缓慢升至室温；
6、回火：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至580℃，保温180分钟，出炉空冷；
7、时效处理：将铸件在室温下放置5天。
本发明中热处理工艺采用两次淬火，其中第二次淬火的温度低于第一次淬火的温度，目的是消除和改善材料的组织缺陷，使材料获得更好的韧性；冷处理能够促进材料淬火之后的残余奥氏体向马氏体的转变，使材料组织更加稳定、细化晶粒，消除残余内应力，提高材料的韧性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结合不同元素对合金钢韧性的影响，合理调节合金元素的比例，制成制动盘的材料，铸件通过合理的热处理和冷处理工艺的结合，制动盘铸件低温下的冲击吸收功明显提高，达到低温条件下制动盘的运行要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
根据本发明的用于低温环境的高速列车制动盘的材料的成份范围，我们按照合金钢材料的制备方法，确定各金属元素的含量熔炼了生产制动盘所需的合金钢，合金的成份如表1 所示。
表1：
| C% | Si% | Mn% | P% | S% | Cr% | Mo% | Ni% |
| 0.21 | 0.53 | 0.75 | 0.003 | 0.006 | 0.74 | 0.63 | 1.81 |
| Al% | Cu% | Sb% | Fe% | ||||
| 0.02 | 0.06 | 0.05 | 余量 |
将获得制动盘毛坯铸件进行处理工艺：
1、预热：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至400℃，保温10分钟；
2、一次淬火：将铸件出炉转入主炉(CN778-01)，全功率升温至815℃，保温60分钟；全功率升温至940℃，保温180分钟，出炉油冷；
3、预热：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至400℃，保温20分钟；
4、二次淬火：将铸件出炉转入主炉(CN778-01)，全功率升温至825℃，保温60分钟；全功率升温至850℃，保温180分钟，出炉油冷；
5、冷处理：去除铸件表面的油污，将铸件放入冷冻机中，-70℃冷处理，持续10分钟；然后将铸件放在空气中缓慢升至室温；
6、回火：将铸件立放装入副炉（CN778-31），全功率升温至580℃，保温180分钟，出炉空冷；
7、时效处理：将铸件在室温下放置5天。
将处理工艺后的制动盘毛坯铸件制成不同的试样进行力学实验，得到制动盘毛坯铸件的力学性能，如表2所示。
表2：
由表2可以得出，用于低温环境的高速列车制动盘的材料的抗拉强度Rm≥920MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa；20℃下合金钢的冲击吸收功Akv2≥80J，-40℃下合金钢的冲击吸收功Akv2≥70J，-60℃下合金钢的冲击吸收功Akv2≥50J；综合上述实验数据，本发明的制动盘材料强度虽然比现有技术制动盘材料强度有所降低，仍然达到了制动盘材料使用要求的强度，而且制动盘材料在不同温度下的冲击吸收功明显提高，说明制动盘材料韧性有了明显提高，制动盘材料的韧脆转变温度进一步降低，当高速列车在－30℃～－60℃运行时，制动盘材料仍能保持韧性状态，保证制动盘的使用效果，具有实用性和创造性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结合不同元素对合金钢韧性的影响，合理调节合金元素的比例，制成制动盘的材料，铸件通过合理的热处理和冷处理工艺的结合，制动盘铸件低温下的冲击吸收功明显提高，达到低温条件下制动盘的运行要求。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种用于低温环境的高速列车制动盘的材料，其特征是高速列车制动盘材料组分及其质量百分比如下：碳含量0.15-0.27%，硅含量0.3-0.6%，锰含量0.6-1.0%，铬含量0.5-0.9%，钼含量0.3-0.7%，镍含量1.5-2.0%，铝含量0.01-0.03%，铜含量0.05-0.09%，锑含量0.03-0.06%，磷含量＜0.005%，硫含量＜0.01%，其余为铁；
所述用于低温环境的高速列车制动盘的材料是采用如下步骤制得的：
（1）预热：将铸件立放装入副炉，全功率升温至400℃，保温10分钟；
（2）一次淬火：将铸件出炉转入主炉，全功率升温至815℃，保温60分钟；全功率升温至940℃，保温180分钟，出炉油冷；
（3）预热：将铸件立放装入副炉，全功率升温至400℃，保温20分钟；
（4）二次淬火：将铸件出炉转入主炉，全功率升温至825℃，保温60分钟；全功率升温至850℃，保温180分钟，出炉油冷；
（5）冷处理：去除铸件表面的油污，将铸件放入冷冻机中，-70℃冷处理，持续10分钟；然后将铸件放在空气中缓慢升至室温；
（6）回火：将铸件立放装入副炉，全功率升温至580℃，保温180分钟，出炉空冷；
（7）时效处理：将铸件在室温下放置5天。
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