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一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼及其熱處理方法與流程

文檔序號(hào):11687967閱讀:699來源:國知局
一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼及其熱處理方法與流程

本發(fā)明屬于機(jī)車車輛用鋼技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼及其熱處理方法。



背景技術(shù):

高速動(dòng)車組列車基礎(chǔ)制動(dòng)均采用盤形制動(dòng)裝置,對(duì)于200km/h以上高速列車,國際上一般是采用鍛鋼制動(dòng)盤與粉末冶金閘片配對(duì)的制動(dòng)裝置。盤形制動(dòng)是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一,是確保高速列車安全的重要措施,尤其是在列車其他安全措施出現(xiàn)故障時(shí),只能靠盤形制動(dòng)作為安全可靠制動(dòng)的最后保障。制動(dòng)盤其最基本的功能是吸收制動(dòng)動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中,在此過程中,制動(dòng)盤的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。

高速列車制動(dòng)盤體材質(zhì)性能是制動(dòng)裝置中最為關(guān)鍵的技術(shù)問題之一。在高速列車速度高和運(yùn)行條件惡劣的制動(dòng)工況下,巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷及熱沖擊會(huì)帶來很高的熱應(yīng)力和溫度梯度。因此制動(dòng)盤材料必須具有良好的高溫力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能,以及低彈性模量和低熱膨脹系數(shù),使得制動(dòng)熱量能迅速逸散,制動(dòng)盤材料還應(yīng)具有較高的熱疲勞強(qiáng)度和制動(dòng)壽命。

具體地講,高速列車制動(dòng)盤應(yīng)當(dāng)具有如下的性能:一是穩(wěn)定而均勻的摩擦性能,摩擦系數(shù)不隨壓力、溫度和速度的變化而變化;二是良好的耐疲勞性能和極好的抗熱裂紋擴(kuò)展能力,以減少制動(dòng)盤摩擦表面急冷急熱所形成的高熱應(yīng)力對(duì)制動(dòng)盤的損傷;三是較高的耐磨性能,以減少盤面摩擦而產(chǎn)生的磨損;制動(dòng)盤材料還應(yīng)具有良好的抗摩擦熱變形性能和熱導(dǎo)率。

目前的研究大部分集中在創(chuàng)新制動(dòng)盤結(jié)構(gòu),提高制動(dòng)盤散熱性方面,對(duì)材質(zhì)的創(chuàng)新性研究相對(duì)較少。而在列車制動(dòng)時(shí),特別是緊急制動(dòng)時(shí),制動(dòng)盤瞬時(shí)熱能量很難快速釋放出去,因此,提高制動(dòng)盤材料的耐熱性及高溫條件下組織穩(wěn)定性對(duì)提高制動(dòng)盤壽命具有重要意義。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,通過調(diào)整元素含量,提高低碳鋼的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù),其冷熱疲勞性能和制動(dòng)過程中摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性得到一定程度的改善,從而顯著提高制動(dòng)盤的服役性能。

本發(fā)明還提供了一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法,根據(jù)元素的含量設(shè)計(jì)熱處理工藝,進(jìn)一步提高制動(dòng)盤的服役性能。

本發(fā)明提供的一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,含有以下質(zhì)量百分含量的元素:

c:0.10~0.20%、si:0.20~0.40%、mn:0.60~0.80%、cr:1.20~1.50%、w:0.10~0.30%、ni:0.20~0.40%、mo:0.70~1.10%、cu:0.10~0.20%、al:0.005~0.015%、v:0.30~0.50%、n:≤0.0060%、p≤0.010%、s≤0.010%,

并且還應(yīng)滿足0.012mo+0.005cr+0.022v≥0.023,

余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的,一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,含有以下質(zhì)量百分含量的元素:

c:0.11%、si:0.38%、mn:0.75%、cr:1.45%、w:0.12%、ni:0.35%、mo:1.05%、cu:0.20%、al:0.008%、v:0.32%、n:0.0055%、p:0.009%、s:0.002%,余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的,一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,含有以下質(zhì)量百分含量的元素:

c:0.15%、si:0.34%、mn:0.70%、cr:1.40%、w:0.15%、ni:0.30%、mo:1.00%、cu:0.18%、al:0.010%、v:0.40%、n:0.0045%、p:0.009%、s:0.002%,余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的,一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,含有以下質(zhì)量百分含量的元素:

c:0.17%、si:0.30%、mn:0.65%、cr:1.35%、w:0.20%、ni:0.28%、mo:0.9%、cu:0.15%、al:0.012%、v:0.45%、n:0.0040%、p:0.008%、s:0.001%,余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的,一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼,含有以下質(zhì)量百分含量的元素:

c:0.19%、si:0.25%、mn:0.62%、cr:1.30%、w:0.25%、ni:0.25%、mo:0.85%、cu:0.10%、al:0.014%、v:0.48%、n:0.0035%、p:0.007%、s:0.002%,余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

本發(fā)明提供的一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法,包括以下步驟:

正火溫度:950~1000℃,淬火溫度950-1050℃,回火溫度600-700℃,回火后水冷。

進(jìn)一步的,正火保溫3~5小時(shí),然后空冷;

進(jìn)一步的,淬火保溫2.5~5小時(shí),然后水冷;

進(jìn)一步的,回火處理4~8小時(shí),然后水冷。

經(jīng)過熱處理后低碳鋼具有原奧氏體晶粒的平均粒徑在15~20μm的回火索氏體組織,在0~700℃之間,平均摩擦因數(shù)在0.3~0.4之間,導(dǎo)熱系數(shù)在30~34w/(m·k),20-700℃冷熱循環(huán)1000次無裂紋,500℃抗拉強(qiáng)度≥900mpa。

本發(fā)明中各元素及其含量作用如下:

c:c元素是獲得高的強(qiáng)度、硬度所必需的。高的c含量雖然對(duì)鋼的強(qiáng)度、硬度等有利,但對(duì)鋼的塑性和韌性極為不利,且使屈強(qiáng)比降低、脫碳敏感性增大,惡化鋼的抗疲勞性能、加工性能和高溫塑性。尤其是當(dāng)碳含量過高時(shí),鋼的ac1點(diǎn)溫度較低,易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致制動(dòng)盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低,摩擦系數(shù)不均勻變化,降低制動(dòng)盤冷熱疲勞性能。因此,應(yīng)適當(dāng)降低鋼中的c含量,將其控制在0.20%以下。然而,淬火和高溫回火后為了獲得所需的高強(qiáng)度,c含量須在0.10%以上,因而c含量宜控制為0.10~0.20%。

si:si是鋼中主要的脫氧元素,具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,但si含量過高將使鋼的塑性和韌性下降,c的活性增加,促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向,并且使冶煉困難和易形成夾雜物,惡化鋼的抗疲勞性能。因此控制si含量為0.20~0.40%。

mn:mn是脫氧和脫硫的有效元素,還可以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。但淬火鋼回火時(shí),mn和p有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向,促進(jìn)回火脆性,惡化鋼的韌性,過高mn含量易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致制動(dòng)盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低,摩擦系數(shù)不均勻變化,降低制動(dòng)盤冷熱疲勞性能,因而控制mn含量在0.60%~0.80%。

cr:cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力,以獲得所需的高強(qiáng)度;同時(shí)cr還可降低c的活度,可降低加熱、軋制和熱處理過程中的鋼材表面脫碳傾向,有利用獲得高的抗疲勞性能和良好的高溫性能。但含量過高會(huì)惡化鋼的韌性,因而控制cr含量為1.20~1.50%。

ni:ni可提高鋼的淬透性、耐蝕性和保證鋼在低溫下的韌性。但過高ni含量易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致制動(dòng)盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低,摩擦系數(shù)不均勻變化,降低制動(dòng)盤冷熱疲勞性能,因此ni含量為0.20~0.40%。

mo:mo在鋼中的作用主要為提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外,mo元素與cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明顯提高,mo含量過低則上述作用有限,mo含量過高,則上述作用飽和,且提高鋼的成本。因此,控制mo含量為0.70~1.10%。

p:在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析,隨后在奧氏體后溫度加熱時(shí)偏聚到晶界,使鋼的脆性顯著增大,從而使鋼的高溫回火脆性傾向增加。因此,p含量應(yīng)控制在0.010%以下。

s:不可避免的不純物,形成mns夾雜物和在晶界偏析會(huì)惡化鋼的韌性,從而降低鋼的韌塑性。因此,s含量應(yīng)控制在0.010%以下。

cu:通過析出ε-cu實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化,提高鋼的強(qiáng)度,此外,加入適量的cu元素,還能夠增加鋼的耐大氣腐蝕性能,因此,cu含量應(yīng)控制在0.10-0.20%。

al:al是鋼中主要的脫氧元素,與鋼中n元素形成aln析出相具有抑制晶粒長大,但過細(xì)或過粗晶粒均會(huì)導(dǎo)致鋼的導(dǎo)熱系數(shù)降低,因此,al含量應(yīng)控制在0.005-0.010%。

n:含v、al鋼中過高n含量促進(jìn)了碳vn、aln在奧氏體的析出,細(xì)化奧氏體晶粒,但過細(xì)或過粗晶粒均會(huì)導(dǎo)致鋼的導(dǎo)熱系數(shù)降低,因此,n含量應(yīng)控制在≤60ppm。

w:w是是強(qiáng)碳化物形成元素,提高鋼的高溫強(qiáng)度和耐熱性,綜合考慮成本因素,w含量應(yīng)控制在0.10-0.30%。

0.012mo+0.005cr+0.022v≥0.023:主要是保證在熱處理過程中,鋼中的c均以合金碳化物形式存在,保證制動(dòng)盤反復(fù)加熱冷卻過程中抑制奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變,保證制動(dòng)盤導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)溫度,提高制動(dòng)盤冷熱疲勞性能。

所述熱處理工藝:正火溫度:950~1000℃,保溫3~5小時(shí),然后空冷;淬火溫度950-1050℃,保溫2.5~5小時(shí),然后水冷;回火溫度600-700℃,回火處理4~8小時(shí),然后水冷。正火和淬火溫度選擇較高的溫度和長時(shí)間保溫時(shí)間,保證成分均勻性的同時(shí),保證一定的晶粒尺寸,晶粒尺寸過大或過小,均會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低;此外,在保證室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度前提下,選擇相對(duì)較高的回火溫度,并采用盡可能長的保溫時(shí)間,保證鋼中碳化物充分析出和長大,降低鋼中固溶c含量和碳化物表面能盡可能低,從而保證冷熱循環(huán)過程中組織穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的制動(dòng)盤用鋼還具有良好導(dǎo)熱性能,低彈性模量和低熱膨脹系數(shù),可廣泛適用于各類高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)中。本發(fā)明的制動(dòng)盤用鋼和普通鍛造制動(dòng)盤用鋼相比,在顯著提高高溫強(qiáng)度的同時(shí),其冷熱疲勞性能和制動(dòng)過程中摩擦因數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定性得到一定程度的改善,從而顯著提高制動(dòng)盤的服役性能。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌;

圖2為實(shí)施例2制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌;

圖3為實(shí)施例3制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌;

圖4為實(shí)施例4制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌;

圖5為實(shí)施例1制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌;

圖6為實(shí)施例2制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌;

圖7為實(shí)施例3制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌;

圖8為實(shí)施例4制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌;

圖9為實(shí)施例1-4制備的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼平均摩擦因數(shù)隨溫度的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及表1和表2實(shí)施例1-4對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1-4中的一種動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼的化學(xué)成分重量百分比如表1所示,實(shí)施例1-4均采用電爐冶煉經(jīng)lf精煉+rh真空脫氣后直接連鑄成φ600mm的圓坯,經(jīng)加熱軋制成φ280mm圓鋼,再經(jīng)加熱鍛造成板坯,厚度為75mm,經(jīng)表2熱處理、精加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸和沖擊試樣及摩擦試樣后進(jìn)行力學(xué)性能和摩擦因數(shù)分析??梢姡鲗?shí)施例中晶粒尺寸均15~20μm,組織均為回火索氏體,在0~700℃之間摩擦因數(shù)在0.3~0.4之間,導(dǎo)熱系數(shù)在30~34w/(m·k),500℃高溫強(qiáng)度≥900mpa,20-700℃冷熱循環(huán)1000次無裂紋。

表1實(shí)施例1-4化學(xué)成分(wt%)

實(shí)施例1-4制得的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法采用下表2所列方式熱處理,500℃高溫力學(xué)性能如表2所示。

表2實(shí)施例1-4熱處理工藝及500℃高溫力學(xué)性能

實(shí)施例1-4熱處理后的動(dòng)車組制動(dòng)盤鍛造用低碳鋼中晶粒尺寸均15~20μm,組織均為回火索氏體,在0~700℃之間摩擦因數(shù)在0.3~0.4之間,導(dǎo)熱系數(shù)在30~34w/(m·k),500℃高溫強(qiáng)度≥900mpa。

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