CN108842116A - 一种高铁制动盘及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁制动盘的成分及其生产方法。成分采用多元合金化，C：0.22‑0.28%、Si：0.17‑0.37%、Mn：0.4‑0.8%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr：1.0‑1.5%、Mo：0.35‑0.55%、Ni：0.8‑1.2%、V：0.15‑0.25%、Nb：0.07‑0.15%、Ti：0.10‑0.30%、W：0.3‑0.7%，还可以包括0.004%以下的B和0.05%以下的RE元素。该高铁制动盘的生产方法包括中频炉还原渣冶炼、真空消失模浇注和热处理等工序。采取浇注前燃烧掉模块、惰性气体保护浇注、以及挡渣、滤渣、集渣等工艺措施；模块燃烧时型腔密封保持密封负压状态。所述热处理包括预先热处理和调质处理。按照本发明给定的成分和生产方法制造的样品进行检测，性能超过国外产品的性能，气体含量和夹杂物含量几乎达到精炼水平，完全可以胜任高铁制动盘的使用要求。

Description

一种高铁制动盘及其生产方法

技术领域

本发明应用于铸造行业，具体涉及高铁制动盘及其生产方法，该方法包括中频炉冶炼、浇注和热处理等工艺方面的改进。

背景技术

制动盘是高速列车制动系统的重要部件，它的质量、性能直接影响到高铁的安全运行。高铁制动盘结构形式为带散热筋的盘体，必须将380km/h以上的高速列车在8-9公里完全制动下来，整个制动时间约为160秒，制动盘表面温度高达600℃左右，因而制动盘要求具有高强韧性、高耐磨和抗热疲劳性能。我国高铁制动盘多外购，在国家创新号召的鼓舞下，很多企业和研究所开始进行高铁制动盘的研发。研发指标基本上以国外高铁制动盘的性能为参考，国外高铁制动盘材料为GS24CrNiMo445V，屈服强度超过900MPa，抗拉强度超过1050MPa，延伸率超过8%，硬度超过290HB，冲击韧性大于27J/cm2，凝固组织为等轴晶。

我国高铁制动盘的研究多在材料方面下功夫，走多元合金化的道路，在材料中使用了多种少量的合金元素进行强化，提高其综合性能。也有高校进行高铁制动盘复合材料研究，而在生产工艺上进行创新研究的厂家并不多。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：在低碳钢的基础上进行多元微合金化，同时在生产工艺上进行创新，如中频炉冶炼、浇注和热处理工艺方面改进，以获得比国外高铁制动盘性能更好的性能。

本发明所采用的技术方案是：

高铁制动盘采用多元合金化思路，元素组分和重量百分比分别为：C：0.22-0.28%、Si：0.17-0.37%、Mn：0.4-0.8%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr：1.0-1.5%、Mo：0.35-0.55%、Ni：0.8-1.2%、V：0.15-0.25%、Nb：0.07-0.15%、Ti：0.10-0.30%、W：0.3-0.7%，其余为Fe。

进一步，为提高淬透性和纯净钢水，成分构成还可以包括B和RE元素，重量百分比分别为0.004%以下和0.05%以下。

所述高铁制动盘的生产方法，包括中频炉冶炼、真空消失模浇注和热处理工序。所述中频炉冶炼采取碱性或中性炉衬造还原渣冶炼钢水；所述真空消失模浇注采取浇注前燃烧高铁制动盘模块、浇注过程中惰性气体保护、以及挡渣、滤渣、集渣等工艺措施；所述热处理包括预先热处理和调质处理；燃烧高铁制动盘模块是指在整个模块燃烧过程中及燃烧完成后，制动盘模块型腔密封保持密封负压状态，真空度保持在-0.01MPa以下；浇注过程中惰性气体保护是指钢水自浇注杯到充型的整个过程处于惰性气体保护之下；集渣措施包括集渣冒口和集渣窝。

为进一步提高钢水冶炼质量，降低钢水中的气体含量，中频炉冶炼在还原渣造好后的合金化和升温阶段，从中频炉炉底的透气砖吹入惰性气体。

上述预先热处理可以采用正火或调质处理，正火温度为920-960℃，冷却方式为出炉后空冷、或风冷、或雾冷。调质处理与高铁制动盘最终调质处理工艺相同，淬火温度为910-960℃，水冷，高温回火温度为580-650℃，保温2.5-5小时，出炉后空冷或风冷。

为全部燃烧掉高铁制动盘模块，采取插入送氧燃烧管送入氧气和火苗的方式。

所述集渣窝的进出横浇道截面面积比为1:3-4，以保证集渣窝钢水的流速。

本发明的有益效果是：根据本发明给定的成分和生产方法制造的样品进行检测，性能超过国外产品的性能，气体含量和夹杂物含量几乎达到精炼水平，完全可以满足高铁制动盘的使用要求。

附图说明

图1为高铁制动盘模块燃烧示意图；

图2为集渣窝结构示意图；

其中：1-密封块、2-引燃管、3-集渣冒口、4-送氧燃烧管、5-高铁制动盘模块、6-内浇道、7-横浇道Ⅰ、8-集渣窝、9-滤网、10-横浇道Ⅱ。

具体实施方式

在现有知识的基础上，对国外高铁制动盘的成分和性能进行分析，高铁制动盘的组织为细晶索氏体，性能目标为屈服强度≥1000MPa，抗拉强度超过≥1100MPa，延伸率≥8%，硬度≥300HB，冲击韧性≥30J/cm2，多元合金化是替代的方案之一。

高铁制动盘的组分和重量百分比含量为：C：0.22-0.28%、Si：0.17-0.37%、Mn：0.4-0.8%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr：1.0-1.5%、Mo：0.35-0.55%、Ni：0.8-1.2%、V：0.15-0.25%、Nb：0.07-0.15%、Ti：0.10-0.30%、W：0.3-0.7%。

在上述成分和重量百分比含量的基础上，还可以增加B元素和RE元素，其百分比含量分别控制在0.004%以下和0.05%以下。B元素起到提高淬透性的作用，RE元素起到变质处理和净化钢水的作用。

上述成分合金钢的高铁制动盘的生产方法步骤包括：

1、还原渣冶炼。

冶炼在中频炉中进行，炉衬采用中性炉衬或碱性炉衬，以便于还原渣冶炼。从造渣角度宜选用碱性炉衬，从使用角度宜选用中性炉衬。

为了尽可能低降低杂质含量，冶炼原材料采用优质废钢或纯铁，合金化采用高纯生铁、硅铁、锰铁或电解锰、镍板、铬铁、钼铁或金属钼、铌铁、钒铁、钛铁、钨铁、硼铁、稀土等，所用铁合金中，杂质元素如P、S等含量要少，必要时使用纯金属，如电解锰、金属钼。所有合金在入炉或入包前必须经过200℃以上不低于2小时的烘烤。其中钒铁、钛铁、稀土、硼铁在出钢前加入浇注包内，作为变质剂进行变质处理用。硅铁、锰铁、镍板等在原材料熔化过程中加入，电解锰、铬铁、钼铁或金属钼、铌铁、钨铁等在造好还原渣后合金化时加入。合金化时需要注意每种元素的吸收率，争取所有元素一次命中，尽可能减少钢水在中频炉中的保温时间，这有助于细化铸态树枝晶。

原材料全部熔化后，向中频炉钢液面加入按一定比例混合好的由石灰、细沙、铝矾土和萤石组合的混合物，为防止在熔化过程中，空气中的氧传递到钢水中，造成钢水中的氧含量增加，在还原渣造好后，逐渐向还原渣中加入硅钙粉、硅铁粉或其他还原剂，待渣子变成灰白或白色后，还原渣造渣完成，取样分析各元素含量，根据炉内钢水重量及各元素的吸收率，将烘烤好的合金称量后加入钢水中合金化。经还原渣冶炼的钢水，其S含量大大降低，有时可达到0.01%以下，钢水中的氧含量大大降低，大量的金属氧化物随钢水的流动而上浮，被还原渣吸附，从钢水中去除。也就是说，中频炉造还原渣冶炼，起到了纯净钢水的作用。

合金化完成后，钢水快速升温到出炉温度，扒去大部分还原渣，留少部分还原渣与钢水一起出炉到浇注包内，浇注包内预先放入起变质作用的钒铁、钛铁、稀土或硼铁，以及起脱氧作用的小铝块，这些合金的加入量按照各元素成分含量、吸收率、出钢量进行计算，粒度不大于8mm。出钢完成后，在浇注包内撒入聚渣剂，扒渣，扒除掉所有还原渣，然后再次撒入聚渣剂，送到浇注工位。

为进一步降低钢水中的气体含量，中频炉冶炼在造还原渣之后，合金化及升温过程中，可以从中频炉炉底的透气砖吹入惰性气体。

2、惰性气体保护真空消失模铸造。

高铁制动盘的浇注采用真空消失模铸造工艺，高铁制动盘模块造型时，如附图1所示，在集渣冒口3上方引出引燃管2。造型完成后浇注前，砂箱抽真空，通过该引燃管2插入送氧燃烧管4，送入氧气和火苗，将高铁制动盘模,5全部燃烧掉，保留内浇道6下的横浇道模块不燃烧。整个燃烧过程及燃烧完成后，引燃管2管口由密封块1密封，高铁制动盘模块5燃烧形成的空腔在模块燃烧过程中及燃烧完成后一直处于密封负压状态，真空度保持在-0.01MPa以下。集渣冒口用来收集钢水外来的夹渣和浇注系统模块气化不完全的产物，以纯净高铁制动盘模工件，同时也作为高铁制动盘铸件的补缩冒口。

在浇注系统的横浇道，设计有滤渣和排渣的结构，如附图2所示，其目的就是为了防止夹杂物对铸件的不利影响，纯净铸件。横浇道Ⅰ7的截面积约为横浇道Ⅱ10截面积的1/3-1/4，钢水自横浇道Ⅰ7切线进入集渣窝8，其速度时横浇道Ⅱ10流速的3-4倍，钢水中的外来夹渣在螺旋离心力的作用下，集中在集渣窝中心，然后再经滤网9过滤后，纯净的钢水用于充型。

浇注时，使用惰性气体保护，浇注吸气是真空消失模铸造工艺不可避免的，采用底部通入惰性气体的浇注杯，使得自浇注杯流出的钢液全部由惰性气体保护，避免纯净钢水被空气氧化污染。

浇注前，浇注包钢水液面上有聚渣剂，钢水浇注时，在浇注包的浇嘴使用一块耐火棉挡渣，防止聚渣剂进入浇注杯。

本浇注工艺采取浇注前燃烧高铁制动盘模块、浇注过程中惰性气体保护、以及挡渣、滤渣、集渣等工艺措施纯净钢水，保证了高铁制动盘的浇注质量，为性能的提高打下了基础。

3、热处理。

为获得满意的力学性能，高铁制动盘需要经过两次热处理，一次是预先热处理，一次是调质处理。

预先热处理的目的时为调质处理做好组织和成分上的准备，预先热处理采用正火或调质处理，正火处理的温度为920-960℃，保温时间与装炉量有关，2-4小时，出炉后空冷、或风冷、或雾冷。调质处理的淬火温度为910-960℃，保温2-4小时，水冷，然后进行高温回火，回火温度580-650℃，保温2.5-5小时，出炉后空冷或风冷至室温。

高铁制动盘最终调质处理与预先热处理的调质处理工艺相同。

需要说明的是，为了防止加热升温速度快而造成高铁制动盘变形或裂纹，在加热升温过程中，最好采用阶梯式升温，一是避免高铁制动盘的热应力，二是保证高铁制动盘热处理质量的稳定性。

对按照上述成分和生产工艺制造的高铁制动盘试样三个，生产工艺区别见下表，然后对每个试样进行成分性能检测，检测结果如下：

1、成分：（重量百分比）

2、组织：三个试样的组织均为回火索氏体，含量100%，晶粒度分别为7级、7级和8级以上，均为细晶。

3、力学性能：

与要求的目标相比，全部达到并超过预期指标。

4、热疲劳性能：制作试棒，采用高频快速加热和淬水冷却的方式进行实验验证，高频快速加热到800℃以上，迅速水冷，然后在快速加热到800℃以上，再次水冷，如此往复。下表为试验次数和裂纹检验情况。裂纹检测分为显微镜下观察、放大镜检查和肉眼可见三个档次。

一般来说，热疲劳150次以上没有显微裂基本可以满足高铁制动盘的使用要求，可见三个试样均完全胜任高铁制动盘疲劳性能的要求。

5、高温强度：将试样加工成高温拉伸试样，放置在炉中，加热到设定温度后保温一定时间，进行拉伸实验。本指标虽然不是高铁制动盘的指定指标，但可以充分说明样品的安全性能。

6、气体含量：三个试样的[N][H][O]气体含量见下表。

本指标不是高铁制动盘的的必须指标，但气体含量直接影响到材料的热疲劳性能和力学性能，该指标反应了冶炼和铸造水平。与普通中频炉冶炼相比，[N][H]含量降低一半，[O]含量降低80-90%，几乎达到精炼水平。

7、夹杂物含量：三个试样的夹杂物含量见下表，本指标不是高铁制动盘的的必须指标，虽然取样检测不代表整个产品，但夹杂物含量与气体含量一样，也直接影响到材料的热疲劳性能和力学性能，也反应了冶炼和铸造水平。

说明：由于铸件夹杂物含量检测没有国家标准，上述检验评级参照GB/T 10561-2005/ISO4967:1998(E)。

总之，本发明实现了高铁制动盘的国产化，性能优于国外同类产品。

Claims (8)

1.一种高铁制动盘，其特征在于：元素组分和重量百分比：C：0.22-0.28%、Si：0.17-0.37%、Mn：0.4-0.8%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr：1.0-1.5%、Mo：0.35-0.55%、Ni：0.8-1.2%、V：0.15-0.25%、Nb：0.07-0.15%、Ti：0.10-0.30%、W：0.3-0.7%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的高铁制动盘，其特征在于：还包括B和RE元素，重量百分比分别为0.004%以下和0.05%以下。

3.权利要求1所述高铁制动盘的生产方法，包括中频炉冶炼、真空消失模浇注和热处理工序，其特征在于：所述中频炉冶炼采取碱性或中性炉衬造还原渣冶炼钢水；所述真空消失模浇注采取浇注前燃烧高铁制动盘模块、浇注过程中惰性气体保护、以及挡渣、滤渣、集渣工艺措施；所述热处理包括预先热处理和调质处理；所述燃烧高铁制动盘模块是指在整个模块燃烧过程中及燃烧完成后，制动盘模块型腔密封保持密封负压状态，真空度保持在-0.01MPa以下；所述浇注过程中惰性气体保护是指，钢水自浇注杯到充型的整个过程处于惰性气体保护之下；所述集渣措施包括集渣冒口（3）和集渣窝（8）。

4.根据权利要求3所述的高铁制动盘，其特征在于：所述中频炉冶炼在还原渣造好后的合金化和升温阶段，从中频炉炉底的透气砖吹入惰性气体。

5.根据权利要求3所述的高铁制动盘，其特征在于：所述预先热处理采用正火或调质处理，正火温度为920-960℃，冷却方式为出炉后空冷、或风冷、或雾冷。

6.根据权利要求3或5所述的高铁制动盘，其特征在于：所述调质处理的淬火温度为910-960℃，水冷，高温回火温度为580-650℃，保温2.5-5小时，出炉后空冷或风冷。

7.根据权利要求3所述的高铁制动盘，其特征在于：所述燃烧高铁制动盘模块采取插入送氧燃烧管（4）送入氧气和火苗的方式。

8.根据权利要求3所述的高铁制动盘，其特征在于：所述集渣窝（8）的进出横浇道截面面积比为1:3-4。