CN111363977A - 高速列车制动盘用低合金铸钢及其热处理方法与制动盘 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通的金属材料技术领域，具体涉及一种高速列车制动盘用低合金铸钢及其热处理方法与制动盘。其组分及其各组分的重量百分含量为：碳0.12～0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.02～0.07％；硅0.35～0.55％；锰1.0～1.8％；铬0.10～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.15～0.35％；磷≤0.01％，硫≤0.01％，其他组分的含量总和≤0.1％，余量为铁。本发明提供的低合金铸钢化学组分和配比合理、综合力学性能优异且性价比高，制备的制动盘性能优于现有技术，能够满足高速列车用制动盘的使用要求。

Description

高速列车制动盘用低合金铸钢及其热处理方法与制动盘

技术领域

本发明属于轨道交通的金属材料技术领域，具体涉及一种高速列车制动盘用低合金铸钢及其热处理方法。

背景技术

制动盘是高速列车制动系统的关键部件，通过与闸片的摩擦实现列车的调速与停车。在制动过程中，制动盘与闸片摩擦会产生巨大的热量，大部分热量被制动盘吸收，然后通过制动盘的散热筋将热量散发到空气中。在反复的吸热和散热过程中，制动盘摩擦面很容易产生热裂纹。因此，制动盘的可靠性直接关系到列车的运行安全。

目前，国内高速列车铸钢制动盘技术被国外少数供应商垄断，国内供应商铸钢制动盘技术还不成熟，其产品仍处在试验验证或小批量装车运用的阶段。

中国专利申请号为201210217930.3和201610235376.X的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，通过锰、铬、钼、镍和钒等合金成分的选择及其和碳、硅等其它化学成分的配比以及对其它元素的控制，使合金铸钢的各种化学成分获得较合理的匹配，经适当的热处理后，晶粒细化，提高了淬透性和热强性能，所制得的合金铸钢综合力学性能优于当时的国内技术。但所公开的合金铸钢材料抗热裂纹性能难以令人满意，仅仅154次1:1制动动力试验后就产生了热裂纹，虽然优于当时的国内技术，但离国外技术以及批量运用还有一定的差距。

中国专利申请号为200810227749.4的专利公开了一种制动盘用合金钢，该合金钢具有较高的机械强度和抗热疲劳性能，同时还具有较好的抗热裂性、稳定的摩擦性能和良好的散热性，适用于制造轨道车辆用制动盘。但所公开的合金钢需要增加太多的合金元素，铌、钨、铜、钛、锆和铝元素都需要添加，且昂贵的镍元素含量要求达到1.95～ 1.99％，虽然上述合金元素的添加可以改善合金钢的力学性能，但是导致制动盘产品价格昂贵，很难与国外进口成熟产品进行竞争，也难以满足高速列车降低运营成本的要求。

因此，为了实现我国高铁核心技术及关键部件完全自主化的战略需要，需要开发一种综合力学性能优异，可以形成产业化，且性价比高的高速列车制动盘用低合金铸钢及其热处理方法。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种化学组分和配比合理、综合力学性能优异且性价比高的低合金铸钢，用于铸造高速列车用制动盘。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：高速列车制动盘用低合金铸钢，其组分及其各组分的重量百分含量为：碳0.12～ 0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.02～0.07％；硅0.35～ 0.55％；锰1.0～1.8％；铬0.10～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.15～ 0.35％；磷≤0.01％，硫≤0.01％，其他组分的含量总和≤0.1％，余量为铁。

作为优选的技术方案，高速列车制动盘用低合金铸钢，其组分及其各组分的重量百分含量为：碳0.15～0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.04～0.07％；硅0.35～0.55％；锰1.2～1.8％；铬0.15～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.20～0.35％；磷≤0.01％，硫≤0.01％，其他组分的含量总和≤0.1％，余量为铁。

作为优选的技术方案，铸造时钛、铝和硼的添加顺序是：先添加铝、再添加钛、最后添加硼。

本发明的低合金铸钢各种化学成分的作用和具体含量如下：

硼可以细化钢的晶粒，显著提高钢的淬透性，还可以提高钢的耐磨性和强度。只需极少量的硼就可以大大提高钢的淬透性，硼提高钢淬透性的能力显著强于铬、钼和镍等贵重合金元素；而且硼适合于低碳、低合金钢，如果钢中碳及合金元素含量过高，硼就易与钢中的碳及合金元素相结合形成高硬度、低韧性的化合物，不但会降低了钢的淬透性还容易产生表面裂纹，所以本发明提供的低合金铸钢中碳和合金元素含量低于现有技术，可以显著降低成本；另外，硼也易与钢中的氧和氮相结合形成高硬度、低韧性的化合物，容易产生表面裂纹，所以要严格控制低合金铸钢的含氧量和含氮量。本发明的低合金铸钢中将硼含量控制在0.001～0.003％。

钛与碳、氧、氮和硫都具有极大的亲和力，形成相应的碳化物、氧化物、氮化物和硫化物，其中钛与氧的亲和力最大；本发明的低合金铸钢中添加钛，主要是为了让钛与氮结合，降低合金铸钢的含氮量，避免硼与氮结合，其次让多余的钛与碳结合细化钢的晶粒。本发明的低合金铸钢中将钛含量控制在0.02～0.07％。

铝是强脱氧剂，可以显著降低钢中的含氧量，但是过量的铝会降低钢的强度。本发明的低合金铸钢在添加锰、硅等常规脱氧剂后，又添加了一定量的铝进一步降低合金铸钢的含氧量，避免硼与氧结合。本发明的低合金铸钢中将铝含量控制在0.01～0.05％。

碳是保证钢强度和硬度的必要元素，碳含量越高，钢的强度和硬度就越大，但是塑性和韧性就越差，由于本发明提供的低合金铸钢有硼元素，如前所述为了防止硼与碳结合，必须降低碳含量。由于硼可以提高钢的强度和硬度，所以碳含量降低不会影响钢的强度和硬度。本发明的低合金铸钢中将碳含量控制在0.12～0.20％。

氧是合金铸钢不可避免的杂质元素，如前所述为了避免硼与氧结合形成过多的化合物，必须控制氧含量。本发明的低合金铸钢通过添加多种脱氧剂，可以将氧含量控制在50ppm以内。

氮本来不是合金铸钢的杂质元素，相反氮还可以细化钢的晶粒，但如前所述为了防止硼与氮结合，必须控制氮含量。本发明的低合金铸钢通过添加钛，可以将氮含量控制在150ppm以内。

锰也是良好的脱氧剂，可以降低钢中的含氧量，同时锰还可以提高硅的脱氧能力，从而进一步降低钢中的含氧量；锰还是良好的脱硫剂，可以降低钢中的含硫量；锰还可以提高钢的强度和淬透性，但是过量的锰会降低钢的抗腐蚀性和抗氧化能力。由于本发明提供的低合金铸钢要求较低的含氧量，所以本发明适当提高了锰的含量，本发明的低合金铸钢中将锰含量控制在1.0～1.8％。

硅也可以提高钢的耐磨性和强度；另外硅与锰配合使用，还可以降低钢中的含氧量。本发明的低合金铸钢中将硅含量控制在0.35～ 0.55％。

铬也可以提高钢的淬透性和耐磨性；在一定的含量范围之内，还可以提高钢的强度、塑性和韧性；铬还可以改善钢的抗腐蚀性和抗氧化能力，但是含过量铬的钢力学性能反而下降，而且过量的铬会与硼结合降低钢的韧性。本发明的低合金铸钢中将铬含量控制在0.10～ 0.30％，低于现有技术。

钼也可以细化钢的晶粒，提高钢的淬透性和热强性能，在高温状态下，钼与铬或镍形成高温合金，共同提高钢的高温力学性能；钼还可以抑制钢的回火脆性。但是过量的钼会与硼结合降低钢的韧性。本发明的低合金铸钢中将钼含量控制在0.20～0.40％，低于现有技术。

镍可以改善钢的抗腐蚀性和抗氧化能力，还可以同时提高钢的强度、塑性和韧性，尤其是高温条件下的力学性能。镍是非常优异的合金元素，但是镍属于稀缺资源且价格昂贵。过量的镍会与硼结合降低钢的韧性，本发明的低合金铸钢中将镍含量控制在0.15～0.35％，远低于现有技术。

磷和硫是合金铸钢不可避免的杂质元素，其含量越少越好，但过低要求的含量会增加冶炼的难度，带来成本的上升和影响产业化的实施。因此，在不显著增加成本的前提下，本发明的低合金铸钢中将磷和硫含量都控制在0.01％及以下即可，常规的感应电炉冶炼方式即可实现。

在本发明中，将包括钛、钨、铌等元素在内的其他元素含量总和控制在0.1％以下，避免与硼结合，其余为铁。

本发明的目的之二在于提供一种能充分发挥各元素作用，使各元素充分进行化学反应的热处理方法，将合金铸钢的综合性能达到最优。

为实现第二技术目的，本发明采用以下的技术方案：

高速列车制动盘用低合金铸钢的热处理方法，以所述低合金铸钢的铸件为热处理对象，依次包括正火处理和调质处理，其中：

所述正火处理为将铸件升温至900℃～950℃、保温3～5小时后风冷至室温；

所述调质处理为将正火处理后的铸件依次进行淬火处理和回火处理；所述淬火处理是将正火处理后的铸件升温至880℃～930℃、保温4～6小时后进行油淬；所述回火处理是将淬火处理后的铸件升温至550℃～600℃、保温5～8小时后风冷至室温。

由于采用上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：

(1)低合金铸钢先添加铝、再添加钛、最后添加硼，可以充分利用钛的固氮作用和硼提高钢的淬透性作用，避免钛与氧结合以及硼与碳、氮结合；

(2)低合金铸钢具有更高的强度、韧性、耐磨性和抗热裂纹性能，本发明的低合金铸钢抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，冲击吸收能量KV2≥50J，布氏硬度值350～410HBW，本发明的低合金铸钢制动盘1000次反复停车制动试验后，未产生热裂纹，制动盘寿命更长；

(3)低合金铸钢具有较高的延伸率和断面收缩率，本发明的低合金铸钢延伸率≥14％，断面收缩率≥35％，塑性不低于现有技术；

(4)本发明的低合金铸钢添加了极少量的硼，大大减少其它贵重合金元素的添加，降低了成本。

(5)本发明的低合金铸钢采用常规的感应电炉冶炼或电弧炉冶炼进行制备，冶炼方式属于常规方式，利于实现产业化且性价比高。

(6)本发明所提供的低合金铸钢及其热处理方法，可以使低合金铸钢力学性能满足高速列车用制动盘的使用要求。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。

本发明的低合金铸钢及其热处理方法适应于高速列车用制动盘，尤其是时速250公里及以上的动车组用制动盘。

实施例

本发明的低合金铸钢，其组分及其各组分的重量百分含量是：碳 0.12～0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.02～0.07％；硅0.35～0.55％；锰1.0～1.8％；铬0.10～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.15～0.35％；氧≤50ppm；氮≤150ppm；磷≤0.01；硫≤0.01；其他组分的含量总和≤0.1；其余为铁。

本发明的低合金铸钢中钛、铝和硼的添加顺序是：先添加铝、再添加钛，最后添加硼。

本发明的低合金铸钢可采用常规的感应电炉冶炼，也可采用电弧炉冶炼。

本发明的低合金铸钢的热处理方法采用正火处理+调质处理，包括以下步骤：

(1)正火处理：将铸件升温至900℃～950℃、保温3～5小时后风冷至室温。

(2)调质处理：将正火处理后的铸件依次进行淬火处理和回火处理。所述淬火处理是将正火处理后的铸件升温至880℃～930℃、保温4～6小时后进行油淬；所述回火处理是将淬火处理后的铸件升温至550℃～600℃、保温5～8小时后风冷至室温。

本发明的低合金铸钢经上述热处理后，在室温条件下的力学性能如下：抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥14％，断面收缩率≥35％，冲击吸收能量KV2≥50J，布氏硬度值350～ 410HBW，材料的力学性能可以满足高速列车用制动盘的使用要求。

本发明实施例制备的低合金铸钢经上述热处理后的金相组织为索氏体组织。

本发明的实施例与现有技术热处理后的力学性能对比如表1所示。

表1实施例与现有技术力学性能对比

由表1可知，本发明实施例制备的低合金铸钢力学性能优于现有技术，尤其是本发明实施例的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率和硬度等指标均高于现有技术，延伸率与现有技术相当。

本发明实施例制备的低合金铸钢反复经过600次冷热疲劳试验后(升温至600℃，水冷降温至20℃)，在金相显微镜下，观察及测量的材料试样缺口裂纹扩展结果如表2所示。

表2实施例与现有技术冷热疲劳试验结果对比

试样名称	V形缺口处裂纹长度(mm)
		本发明实施例	约0.19
现有技术	约0.31

由表2可知，本发明实施例制备的低合金铸钢的抗热裂纹性能优于现有技术。

试验例

本试验例是对实施例制备的制动盘在1:1制动动力试验台上进行 380km/h速度等级的1:1制动动力试验。

试验工况：车轮直径920mm，制动盘外径750mm，盘载荷8.5t，最高试验速度380km/h。

试验结果：制动盘经过1000次反复停车制动试验后，制动盘无裂纹产生，明显优于现有技术。

综上所述，本发明提供的低合金铸钢及其热处理方法以及制备的制动盘性能优于现有技术，能够满足高速列车用制动盘的使用要求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.高速列车制动盘用低合金铸钢，其特征在于：其组分及其各组分的重量百分含量为：碳0.12～0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.02～0.07％；硅0.35～0.55％；锰1.0～1.8％；铬0.10～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.15～0.35％；磷≤0.01％，硫≤0.01％，其他组分的含量总和≤0.1％，余量为铁。

2.如权利要求1所述的高速列车制动盘用低合金铸钢，其特征在于：其组分及其各组分的重量百分含量为：碳0.15～0.20％；硼0.001～0.003％；铝0.01～0.05％；钛0.04～0.07％；硅0.35～0.55％；锰1.2～1.8％；铬0.15～0.30％；钼0.20～0.40％；镍0.20～0.35％；磷≤0.01％，硫≤0.01％，其他组分的含量总和≤0.1％，余量为铁。

3.如权利要求1所述的高速列车制动盘用低合金铸钢，其特征在于，氧和氮的重量百分含量为：氧≤50ppm，氮≤150ppm。

4.如权利要求1所述的高速列车制动盘用低合金铸钢，其特征在于，铸造时钛、铝和硼的添加顺序是：先添加铝、再添加钛、最后添加硼。

5.如权利要求1所述的高速列车制动盘用低合金铸钢，其特征在于：所述其他组分包括钛、钨、铌中的一种或任意二种以上。

6.如权利要求1至5任一项所述的高速列车制动盘用低合金铸钢的热处理方法，其特征在于，以所述低合金铸钢的铸件为热处理对象，依次包括正火处理和调质处理，其中：

所述正火处理为将铸件升温至900℃～950℃、保温3～5小时后风冷至室温；

所述调质处理为将正火处理后的铸件依次进行淬火处理和回火处理；所述淬火处理是将正火处理后的铸件升温至880℃～930℃、保温4～6小时后进行油淬；所述回火处理是将淬火处理后的铸件升温至550℃～600℃、保温5～8小时后风冷至室温。

7.如权利要求6所述的高速列车制动盘用低合金铸钢的热处理方法，其特征在于，经热处理后的铸件在室温条件下的力学性能如下：抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥14％，断面收缩率≥35％，冲击吸收能量KV2≥50J，布氏硬度值350～410HBW。

8.由权利要求1至5任一项所述的高速列车制动盘用低合金铸钢制备的高速列车制动盘。