CN109385573A - 高速列车制动盘用合金铸钢材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速列车制动盘用合金铸钢材料，其化学组分的重量百分比为：0.25～0.40％碳(C)、0.05～0.35％硅(Si)、0.20～0.85％钼(Mo)、0.50～1.00％铬(Cr)、0.50～1.50％锰(Mn)、0.50～1.50％镍(Ni)、0.04～0.08％铝(Al)、0.02～0.20％铜(Cu)、0.04～0.10％钒(V)、0.01～0.10％钛(Ti)、0.50～1.00％钨(W)、0.001～0.03％硫(S)、0.001～0.03％磷(P)，其余为铁(Fe)和不可避免的微量杂质；同时提供熔炼方法和热处理方法。本发明的合金铸钢材料通过合理的合金元素配比、熔炼方式和热处理方式，能够获得预期元素组成的合金铸钢材料，且合金金相组织、晶粒细度均符合要求，使合金铸钢材料具有良好的高温力学性能。

Description

高速列车制动盘用合金铸钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料，尤其是涉及高速列车用合金钢材料，同时涉及其熔炼方法和热处理方法。

背景技术

列车的基础制动装置为高速列车安全运行提供了必要的保障，其中制动盘是基础制动装置中的核心部件，制动盘其最基本的功能是吸收制动动能并将之转化为热能散发到空气中形成良好的制动效果，在此过程中，制动盘的材料、结构和性能不能被破坏。

随着高速列车运行速度的不断提升、制动功率增大、运行环境复杂多变，对制动装置及制动材料也提出了更高、更新的要求。高速列车在紧急制动时，制动盘表面的温度剧烈升高，如果热量不能得到及时的散发出去，不仅造成巨大的热应力，而且局部瞬间时峰值温度甚至会超过相变点，因此制动盘材料必须具有比热容大、导热性能好、线膨胀系数小等特性，才能抵御高温高应力条件下裂纹的产生。同时，由于高速列车运行速度高、轴重大、线路运行制动频繁、制动能量大，制动盘材料必须具有较高的高温强度和韧性，以降低制动盘裂纹产生和扩展，提高硬度保证较小的磨损量，提高制动盘的寿命。

高速列车制动盘材料主要为锻钢制动盘和铸钢制动盘。锻钢制动盘具有良好的组织均匀性、塑性和韧性，但难以实现复杂的散热结构设计，导致其散热性能差，适用于CRH2型200Km/h等级动车组。铸钢制动盘可以实现复杂的散热结构设计，能够显著降低高速制动过程中盘体温度，以提高使用寿命，可适用于350Km/h以上级动车组。然而，目前我国高速列车制动盘研发和应用技术水平与国外仍存在较大差距，主要还是依赖于国外进口，因此实现制动盘自主化制造已成为我国高速列车发展的迫切需求。

公开号为CN103510024B的中国发明专利公开了一种用于高速列车制动盘的合金铸钢及其热处理方法以及由该合金铸钢制造的高速列车制动盘，其组分及其各组分的重量百分比含量是：碳0.18～0.26％、硅0.16～0.50％、锰0.55～1.40％、铬0.90～2.00％、镍0.71～1.80％、钼0.65～1.20％、钒0.20～0.35％、钨小于0.1％、磷≤0.03％、硫≤0.03％，其它组分含量总和≤0.3％，余量为铁；其热处理方法包括正火和调质处理，该发明的合金铸钢铸件或合金铸钢制动盘毛坯的抗拉强度1050～1210MPa，屈服强度935～1070MPa，延伸率14～17％，硬度为300～388HBW。但是该专利并未能很好的结合制动盘服役工况进行综合性的设计，未针对高速列车在紧急制动时，制动盘表面的温度剧烈升高，对材料进行高温强度性能要求进行合理设计。

公开号为CN103215523B的中国发明专利公开了一种高速列车合金铸钢制动盘及熔炼材料，其化学组分的重量百分比为：碳0.25～0.28％、硅0.48～0.52％、锰1～1.03％、铬0.8～0.85％、镍0.95～1％、钼0.54～0.6％、钒0.07～0.08％、铌0.05～0.06％、钨0.005～0.01％、钛＜0.01％、铝＜0.02％、钴0.01～0.015％、铜0.07～0.09％、锆0.01～0.02％、磷0.007％、硫0.007％，其余为Fe和不可避免的微量杂质，采用酸性的高频或中频感应电炉进行熔炼。通过热处理后的工件，其硬度为39～45HRC，抗拉强度1100～1200MPa，屈服强度是1000～1100MPa，伸长率是7％，具有良好的冲击韧性和耐磨性。同样，该专利并未能很好的结合制动盘服役工况进行综合性的设计，未针对高速列车在紧急制动时，制动盘表面的温度剧烈升高，对材料进行高温强度性能要求进行合理设计。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有优良的高温力学性能的制动盘用合金铸钢材料。

本发明的技术方案是提供一种高速列车制动盘用合金铸钢材料，其化学组分的重量百分比为：0.25～0.40％碳(C)、0.05～0.35％硅(Si)、0.20～0.85％钼(Mo)、0.50～1.00％铬(Cr)、0.50～1.50％锰(Mn)、0.50～1.50％镍(Ni)、0.04～0.08％铝(Al)、0.02～0.20％铜(Cu)、0.04～0.10％钒(V)、0.01～0.10％钛(Ti)、0.50～1.00％钨(W)、0.001～0.03％硫(S)、0.001～0.03％磷(P)，其余为铁(Fe)和不可避免的微量杂质。

本发明还提供上述合金铸钢材料的熔炼方法，步骤包括：

(1)根据配比取熔炼原料；

(2)在熔炼炉中加入钢锭以及合金元素钨、钼、铬、铜、镍、铌铁、钒铁；在保护气氛下进行全程熔炼；

(3)钢液全部熔清后，升温至1550-1660℃，再加入合金元素锰、铝、碳及硅；

(4)待步骤(3)的原料全部熔化后，加入钛进行合金熔炼；

(5)待钢液温度至1650-1660℃时，钢液出炉完成合金熔炼。

上述步骤(4)中钛的原料形式为钛丝，直径为0.1-3mm。

上述步骤(2)中保护气氛为氩气，压力为0.01～0.5MPa。

上述步骤(4)中合金熔炼过程在搅拌下进行。

上述熔炼过程采用电弧熔炼、真空熔炼、电渣重熔中的一种方式进行。

本发明的另一目的是提供上述合金铸钢材料的热处理方法，包括正火处理以及调质处理，步骤包括：

A正火处理，将熔炼所得的合金材料升温至900-950℃、保温1-3小时后，空冷或风冷至室温；

B调质处理，将步骤A处理后的合金材料先进行淬火处理后进行回火处理，淬火过程为将合金材料升温至850-900℃、保温1-3小时后，水冷至室温，回火过程为将淬火处理的合金材料升温至600-650℃，保温2-4小时后，风冷或空冷至室温。

本发明的优点和有益效果：本发明的合金铸钢材料通过合理的合金元素配比，能够使合金铸钢材料具有良好的高温力学性能；熔炼过程保证得到预期的合金组织结构，从而保证合金铸钢材料具有预期的性能；通过正火和调质热处理工艺，获得回火索氏体组织，能够进一步对合金铸钢材料的组织均匀性和晶粒细化进行改善，使制动盘材料具有良好的机械性能，尤其是高温强度的改善。

附图说明

图1是本发明高速列车制动盘用合金铸钢材料的热处理工艺流程示意图。

图2是本发明高速列车制动盘用合金铸钢材料的金相组织图。

图3是本发明高速列车制动盘用合金铸钢材料的扫描组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种高速列车制动盘用合金铸钢材料，其化学组分的重量百分比为：0.25～0.40％碳、0.05～0.35％硅、0.20～0.85％钼、0.50～1.00％铬、0.50～1.50％锰、0.50～1.50％镍、0.04～0.08％铝、0.02～0.20％铜、0.04～0.10％钒、0.01～0.10％钛、0.50～1.00％钨、0.001～0.03％硫、0.001～0.03％磷，其余为Fe和不可避免的微量杂质。其中

碳(C)是合金材料中主要强化元素，随着碳含量增加，材料屈服强度和抗拉强度都升高，但韧性会有所降低，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中添加碳含量为0.25～0.40％，能够使制动盘合金铸钢材料的强度和韧性良好匹配；

硅(Si)在钢熔炼过程中主要作为脱氧剂和还原剂；同时与钼钨铬等结合，能提高抗腐蚀性和抗氧化性，申请人发现合金钢中硅含量控制在0.05～0.35％，能够保证熔炼时本发明的制动盘合金铸钢材料形成预期微观结构，并且使本发明的制动盘合金铸钢材料具备良好的抗腐蚀性和抗氧化性；

锰(Mn)在炼钢过程中是良好的脱氧剂和脱硫剂，且钢中加入一定量的锰使其具有足够的韧性，较高的强度和硬度，同时能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，但过量的锰将减弱合金钢的抗腐蚀能力，降低焊接性。申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中锰的含量控制在0.50～1.50％，使锰元素对合金铸钢材料的性能具有有益改善而不会降低合金铸钢材料的抗腐蚀能力；

铬(Cr)能提高钢的韧性、强度、硬度、耐磨性和抗氧化能力，但降低热导率、显著提高脆性转变温度，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将铬含量控制在0.50～1.00％，能够最大限度利用铬对合金铸钢材料的有益改善而不会降低热导率、显著提高脆性转变温度；

钨(W)与碳形成碳化钨，有很强的硬度和耐磨性，可明显增高钢的高温强度，结合制动盘的服役工况，有针对性的添加改善材料高温强度，并与钼配合使用，该多元合金化效果优于单一合金化效果，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将钨含量控制在0.50～1.00％，能够有效与碳、钼相互配合，改善合金铸钢材料的高温强度；

镍(Ni)可同时提高钢的强度和韧性，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将镍含量控制在0.50～1.50％，即可在生产成本较低的前提下满足合金铸钢材料的性能改善；

钼(Mo)可以细化晶粒，提高淬透性和热强性，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，还能抑制合金钢由于回火而引起的脆性，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将钼含量控制在0.20～0.85％，即可利用钼的有益改善效果并与钨配合增强合金铸钢材料的性能；

铜(Cu)能提高钢的强度和韧性，但含量过高在热加工时容易产生热脆，过量的铜造成塑性降低，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将铜含量控制在0.02～0.20％，能够改善合金铸钢材料的强度和韧性而不使其产生热脆；

钒(V)能细化晶粒，同时提高强度和韧性，钒与碳形成的碳化物，在高温下可提高抗氧化和抗腐蚀能力；还可显著改善制动盘材料耐热疲劳性能；申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将钒含量控制在0.04～0.10％，能够使钒与碳配合良好使得合金铸钢材料性能提升；

钛(Ti)是强碳化物形成元素，钢中加入适量的钛可显著细化组织和晶粒，提高强度和韧性，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将钛含量控制在0.01～0.10％即可使合金铸钢材料的金相组织和晶粒明显细化；此外采用直径0.1-3mm钛丝作为钛元素的原料形式，可以形成一定量的纳米颗粒以细化金相组织和晶粒，而当钛丝过细时钛元素无法形成纳米颗粒，钛丝过粗则会造成金相组织不均匀，影响合金铸钢材料性能。

铝(Al)有脱气、细化晶粒的作用，申请人发现本发明的制动盘合金铸钢材料中将铝含量控制在0.04～0.08％，能够与钛配合使得金相组织细腻均匀，提高合金铸钢材料的性能。

根据上述配比将钢锭以及合金元素在保护气氛下进行全程熔炼，分步加入熔炼原料，能够减少合金元素的损失，特别是锰、铝、碳及硅在高温下长时间熔炼易挥发和烧损，因此先将合金元素钨、钼、铬、铜、镍、铌铁、钒铁进行熔融，然后加入锰、铝、碳及硅，能够减少锰、铝、碳及硅的损耗，保证获得预期组成的合金铸钢材料；保护气氛采用一定的压力，能够减少合金元素的挥发，进一步保证获得预期组成的合金铸钢材料。此外为了保证合金熔炼时各合金元素混合均匀，需要对熔炼原料进行搅拌，可以采用如电磁搅拌、超声搅拌等方式，同时搅拌还有利于熔体中形成纳米颗粒，金相组织均匀细腻。

当熔炼完成后，合金熔液出炉，出炉温度为1650-1660℃可保证合金流动性良好，适于浇注，避免温度过高形成缩孔和疏松等铸造缺陷。

本发明的合金铸钢材料的熔炼优选采用电弧熔炼、真空熔炼、电渣重熔等方式进行，上述方式一方面适宜大规模冶炼使用，另一方面有利于提高合金铸钢材料的纯净度。

对上述合金铸钢材料获得的铸锭进行热处理，本发明优选采用正火处理+调质处理的热处理方法，得到回火索氏体组织，进一步改善了组织均匀性并细化了晶粒，有利于获得优良的室温和高温力学性能。

实施例1

本发明提供一种高速列车制动盘用合金铸钢材料，其化学组分的重量百分比为：0.29C、0.33Si、1.19Mn、0.85Cr、0.75Mo、0.93Ni、0.05Al、0.18Cu、0.041V、0.01Ti、0.48W、0.015S、0.004P，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

采用中频真空感应电炉熔炼，熔炼工艺步骤包括：

(1)装炉选择优质低碳、低磷、低硫钢锭，钢锭的长度尺寸250-300mm，直径尺寸Φ20-30mm为宜；同时加入部分难熔合金元素铌铁、钒铁、钼、钨、铬、铜、镍；

(2)装炉完毕后，对炉体抽真空；压力表指针到30Pa左右后，打开加热电源，允许最大功率供电来熔化炉料；直到出现金属液，停止抽真空，立即充入氩气保护，充到0.05MPa，停止充气；

(3)待熔炼钢液全部熔清，并升温至1550-1660℃时，通过二次料装置，再次分别加入的合金元素有锰、铝、钛、碳及硅；

(4)当全部熔化后，通过二次加料装置，加入Ti丝，其直径为Φ0.1-3mm；

(5)测量钢液温度，出炉的温度为1650-1660℃；

(6)钢液温度达标后，停止供电，在保持电磁搅拌情况下进行浇铸，通过金属型铸造获得铸锭。

对上述熔炼获得的铸锭进行热处理，参照图1所示，步骤包括：

A、正火处理，将处理对象升温至900℃、保温1小时后，空冷至室温；

B、对正火处理后的铸锭调质处理：

B1淬火处理，将处理对象升温至880℃、保温1小时后，水冷至室温；

B2随后进行回火处理，将经淬火处理的处理对象升温至620℃，保温2小时后，空冷至室温；

实施例2

本发明提供一种高速列车制动盘用合金铸钢材料，其化学组分的重量百分比为：0.25C、0.25Si、0.8Mn、0.5Cr、0.3Mo、0.5Ni、0.04Al、0.12Cu、0.04V、0.03Ti、0.65W、0.016S、0.006P，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

熔炼步骤及热处理步骤同实施例1。

对比例1

如本发明背景技术中所述公开号为CN103510024B的中国专利公开的一种用于高速列车制动盘的合金铸钢，根据其公开内容，常温力学性能为Rm＝1170MPa，Rp＝1020MPa。

对比例2

如本发明背景技术中所述公开号为CN103215523B的中国专利公开的一种高速列车合金铸钢制动盘，根据其公开内容，常温力学性能为抗拉强度1000MPa，屈服强度1000MPa，延伸率7％。

对本发明的合金铸钢材料的力学性能进行检测，结果如下：

常温下的抗拉强度为1228MPa,屈服强度为1138MPa,延伸率为10.96％,冲击功为23J,硬度HRC为39.1；

600℃高温下抗拉强度为660MPa,屈服强度为639MPa，延伸率为14.5％。

由图2至3可知，本发明的合金铸钢材料金相组织均匀细腻，晶粒明显细化且分布均匀。

由上述检测结果结合图2至3可知，对比例1的强度及韧性均不及本发明的合金铸钢材料，原因在于，本发明的合金组分中添加了Cu、Ti、Al元素，Ti与C形成了强碳化物元素TiC，能够起到细化组织和晶粒细化的作用，提高了钢的强度和韧性，Cu元素起到提高韧性的作用，Al起到细化晶粒的作用，因此本发明的合金铸钢材料具有优良的强度和韧性；对比例2的抗拉强度、屈服强度、延伸率均不及本发明的合金铸钢材料，原因在于，本发明的合金组分中添加了Ti、Al元素(对比例2中Ti、Al作为残余元素)，没有添加Nb和Zr等贵重金属元素，Ti与C形成了强碳化物元素TiC，起到细化组织和晶粒的作用，提高了钢的强度和韧性，Al起到细化晶粒的作用，因此本发明的合金铸钢材料具有优良的抗拉强度、屈服强度、延伸率，且成本相对较低。

本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合冶金冶炼技术领域的市售产品。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.高速列车制动盘用合金铸钢材料，其特征在于，化学组分的重量百分比为：0.25～0.40％碳、0.05～0.35％硅、0.20～0.85％钼、0.50～1.00％铬、0.50～1.50％锰、0.50～1.50％镍、0.04～0.08％铝、0.02～0.20％铜、0.04～0.10％钒、0.01～0.10％钛、0.50～1.00％钨、0.001～0.03％硫、0.001～0.03％磷，其余为铁和不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所述的高速列车制动盘用合金铸钢材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：

(1)根据配比取熔炼原料；

(2)在熔炼炉中加入钢锭以及合金元素钨、钼、铬、铜、镍、铌铁、钒铁；在保护气氛下进行全程熔炼；

(3)钢液全部熔清后，升温至1550-1660℃，再加入合金元素锰、铝、碳及硅；

(4)待步骤(3)的原料全部熔化后，加入钛进行合金熔炼；

(5)待钢液温度至1650-1660℃时，钢液出炉完成合金熔炼。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中钛的原料形式为钛丝，直径为0.1-3mm。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中保护气氛为氩气，压力为0.01～0.5MPa。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中合金熔炼过程在搅拌下进行。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，熔炼过程采用电弧熔炼、真空熔炼、电渣重熔中的一种方式进行。

7.如权利要求1所述的高速列车制动盘用合金铸钢材料的热处理方法，步骤包括：

A正火处理，将待处理的合金材料升温至900-950℃、保温1-3小时后，冷却至室温；

B调质处理，将步骤A处理后的合金材料先进行淬火处理后进行回火处理，淬火过程为将合金材料升温至850-900℃、保温1-3小时后，水冷至室温，回火过程为将淬火处理的合金材料升温至600-650℃，保温2-4小时后，冷却至室温。

8.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，正火处理以及回火处理的冷却采用空冷或者风冷。