本發(fā)明涉及一種合金鋼和集成式制動梁架及其制造方法，屬于冶金材料
技術(shù)領(lǐng)域：
和鐵路貨車
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：20世紀(jì)80年代初期，北美研制了集成制動技術(shù)，并在鐵路貨車上推廣。隨著國內(nèi)外重載鐵路貨運技術(shù)的快速發(fā)展，集成制動技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)基礎(chǔ)制動裝置杠桿布置方式相比，集成制動裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、質(zhì)量輕等優(yōu)點，能夠有效利用車輛空間，并降低車輛的自重、提高車輛的載重能力。在鐵路貨車的集成制動裝置中，集成式制動梁架是最關(guān)鍵的部件，圖1是集成式制動梁架的截面圖，具體結(jié)構(gòu)可參見文獻(xiàn)《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與沖壓，2014(13)：65-69.》。目前，集成式制動梁架是采用牌號為q460e的熱軋丁字異型鋼，經(jīng)加熱、切分、拉伸、壓彎整形后冷卻并回火后得到。q460e鋼材的化學(xué)成分如表1所示。表1q460e鋼材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)csimnpsnbv≤0.20≤0.50≤1.70≤0.025≤0.020≤0.07≤0.20tinicralcumofe≤0.20≤0.80≤0.30≤0.015≤0.55≤0.20余量在目前集成式制動梁架的生產(chǎn)制造過程中，因q460e鋼材過熱敏感性難以控制、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線不唯一等原因，極易導(dǎo)致魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等脆硬相組織的產(chǎn)生。圖2是現(xiàn)有集成式制動梁架的典型金相組織照片，其中，(a)圖中標(biāo)注的區(qū)域為魏氏組織，魏氏組織常伴隨著奧氏體晶粒粗大而出現(xiàn)，一般是由鍛造的加熱溫度過高或者冷卻速度過快所致。魏氏組織的存在，會使集成式制動梁架的塑性和沖擊韌性顯著降低，同時使脆性轉(zhuǎn)折溫度升高；(b)圖中標(biāo)注的區(qū)域為粒狀貝氏體組織，其在鐵素體組織界面處形核、生長，使鐵素體組織界面附近的韌性組織局部割裂，晶界表面積大幅升高。在半擴散性轉(zhuǎn)變形成的晶界處，原子排列混亂，存在大量的空位、位錯等缺陷，所以在承受沖擊載荷過程中，粒狀貝氏體附近的斷裂敏感性急劇升高，從而嚴(yán)重影響集成式制動梁架的沖擊性能；(c)圖中標(biāo)注的區(qū)域為m-a組元，其是在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間，待轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體(奧氏體中碳原子擴散不充足)呈島狀分布在塊狀鐵素中形成。奧氏體部分在受沖擊及拉伸載荷過程中會產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變現(xiàn)象，可視為一種脆硬相的加劇反應(yīng)。上述有害組織的存在，嚴(yán)重影響了集成式制動梁架的力學(xué)性能，尤其體現(xiàn)在集成式制動梁架的切分口肩部極易出現(xiàn)橫向開裂、壓彎深度92.5±2mm尺寸部位(十字鋼與弓形桿部)在熱成型及回火處理后壓彎深度的回彈量無法控制等問題，致使大部分集成式制動梁架的性能穩(wěn)定性較差，不能滿足目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的基本力學(xué)性能要求(參見表2)。并且，上述原因還會導(dǎo)致集成式制動梁架的性能穩(wěn)定性較差，通常產(chǎn)品的一次合格率僅為20％～30％。即使經(jīng)多次冷修、熱修、磨修及回火調(diào)整處理，產(chǎn)品的總合格率也只能達(dá)到70％左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際生產(chǎn)的要求。表2集成式制動梁架的力學(xué)性能指標(biāo)項目屈服強度/mpa抗拉強度/mpa斷后伸長率/％沖擊功/j指標(biāo)4205501727并且，因集成式制動梁架局部開裂、回火后尺寸變形等原因?qū)е碌亩啻卫湫?、熱修、磨修，以及因力學(xué)性能不合格導(dǎo)致的多次回火調(diào)整處理，不僅造成了巨大的資源浪費，也降低了生產(chǎn)效率。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種合金鋼和集成式制動梁架及其制造方法。通過合理設(shè)置合金鋼的化學(xué)成分，使其具有良好的工藝適應(yīng)性，不僅能夠使制得的集成式制動梁架滿足相關(guān)性能要求，而且顯著提高了產(chǎn)品的一次合格率。本發(fā)明首先提供一種合金鋼，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：碳：0.12～0.18％、硅：0.25～0.35％、錳：1.20～1.50％、磷：0.001～0.015％、硫：0.001～0.010％、鈮：0.01～0.08％、鎳：0.01～0.45％、鉻：0.20～0.30％、鋁：0.015～0.050％、銅：0.01～0.15％、釩：0.08～0.14％、鉬：0.01～0.20％、鈦：0.06～0.10％，余量為鐵?？梢岳斫猓趯嶋H生產(chǎn)過程中，除了上述成分，合金鋼中還可能含有其它不可避免的雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素在合金鋼中的含量可忽略不計，在此不做過多說明。在合金鋼中，c、si、mn是影響鋼材力學(xué)性能及加工性能的重要因素，比如si能提高合金鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度；mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，能減弱甚至消除因硫元素所引起的鋼的熱脆性，從而改善合金鋼的熱加工性能；同時，mn和fe形成固溶體，還可以提高合金鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，增加c、si、mn的含量，雖然可以對合金鋼起到很好的強化作用，但卻顯著降低了鋼材的韌性，為了提高鐵路行車制動穩(wěn)定性，降低鋼材的熱裂紋敏感性，需將c、si、mn的含量控制在合理的范圍內(nèi)。與此同時，通過cr、v、ti等元素的微合金化來細(xì)化晶粒以提高合金鋼的綜合性能；通過調(diào)節(jié)ni元素的含量，降低原奧氏體的組織穩(wěn)定性；通過控制其它成分的含量，控制合金鋼的cct冷卻曲線正火組織轉(zhuǎn)變區(qū)在常規(guī)加工工藝參數(shù)范圍內(nèi)，利于在鍛造成型后的自回火處理時，有效消除魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等硬脆相組織，因而合金鋼具有良好的工藝適應(yīng)性，使加工得到的集成式制動梁架具有良好且穩(wěn)定的力學(xué)性能，顯著提高了產(chǎn)品的一次合格率。合理控制合金鋼中各成分的含量，有利于進(jìn)一步提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，并提高產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。在本發(fā)明具體實施過程中，通常合金鋼由以下質(zhì)量百分比的成分組成：碳：0.12～0.18％、硅：0.30～0.35％、錳：1.30～1.50％、磷：0.005～0.015％、硫：0.001～0.005％、鈮：0.01～0.08％、鎳：0.30～0.45％、鉻：0.20～0.30％、鋁：0.015～0.035％、銅：0.01～0.15％、釩：0.08～0.14％、鉬：0.01～0.20％、鈦：0.06～0.10％，余量為鐵。合理控制合金鋼中的碳當(dāng)量，有利于進(jìn)一步提高集成式制動梁架的強度等力學(xué)性能。在本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案中，合金鋼的碳當(dāng)量為0.45％～0.50％。如無特殊說明，本發(fā)明中的碳當(dāng)量(ceq，％)，是按照下述公式計算得到：ceq＝c+mn/6+(cr+v+mo)/5+(cu+ni)/15上述公式中，c、mn、cr、v、mo、cu、ni分別代表相應(yīng)成分在合金鋼中的質(zhì)量百分含量。本發(fā)明其次提供上述合金鋼在加工制造集成式制動梁架中的應(yīng)用。可以理解，通過合金鋼中各成分之間的配合，使合金鋼具有良好的加工性能，從而有利于制得性能穩(wěn)定且良好的集成式制動梁架，以滿足目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的力學(xué)性能要求。本發(fā)明最后提供一種集成式制動梁架，是對上述合金鋼進(jìn)行加工得到。具體的，采用上述合金鋼為原料加工得到的集成式制動梁架，其顯微組織是多相顯微組織，包括均勻分布的鐵素體和珠光體。通常情況下，鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％；魏氏組織、粒狀貝氏體組織、m-a組元等有害組織的體積含量之和不超過5％。在具體生產(chǎn)過程中，可認(rèn)為是正火組織轉(zhuǎn)變完全。采用本發(fā)明提供的合金鋼加工得到的集成式制動梁架，具有良好的綜合力學(xué)性能，具體的，其屈服強度＞500mpa、抗拉強度＞680mpa、斷后伸長率＞25％、沖擊功＞50j，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的基本力學(xué)性能要求(參見表2)。并且，集成式制動梁架產(chǎn)品的一次合格率≥95％。本發(fā)明對于集成式制動梁架的具體制造方法不做特別限定。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的合金鋼具有良好的工藝適應(yīng)性，所以可采用本領(lǐng)域常規(guī)的工藝進(jìn)行加工制造，比如可采用文獻(xiàn)《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與沖壓，2014(13)：65-69.》中方案3的加工工藝。在實際生產(chǎn)過程中，集成式制動梁架的制造方法，可以包括以下步驟：對上述合金鋼進(jìn)行軋制處理，得到型鋼；對型鋼進(jìn)行加熱處理、切分處理、拉伸處理和整形處理，得到梁架半成品；對梁架半成品進(jìn)行自回火處理和自然冷卻處理，得到集成式制動梁架。其中，加熱處理具體包括：首先采用低頻(1khz～4khz)加熱，使所述型鋼在100～120s內(nèi)升溫至730～750℃；然后采用高頻(10khz～20khz)加熱，使所述型鋼在20～30s內(nèi)升溫至940～980℃并保溫1～5s。在本發(fā)明具體實施過程中，是通過控制加熱設(shè)備的加熱頻率、輸出功率和加熱時長，以調(diào)節(jié)加熱處理過程中升溫效果，如表3所示，首先采用低頻進(jìn)行慢速加熱，使整個型鋼進(jìn)行透熱，最終使型鋼的內(nèi)部和表面溫度大致相等，達(dá)到730～750℃左右，之后切換到高頻進(jìn)行大功率快速加熱，使型鋼整體的溫度達(dá)到940～980℃，最后實施保溫處理。并且，在本發(fā)明具體實施過程中，通常控制加熱處理的總時間為130～140s。表3型鋼加熱處理的具體工藝參數(shù)(額定輸出功率450kw)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，采用上述雙頻加熱的工藝對對型鋼進(jìn)行加熱處理，不僅能夠在保證型鋼的原奧氏體晶粒尺寸的同時進(jìn)一步降低原奧氏體組織的穩(wěn)定性，而且能夠有效降低甚至消除魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等有害組織的產(chǎn)生的可能性，從而為后續(xù)自回火處理提供組織準(zhǔn)備，并最終使制得的集成式制動梁架的晶粒細(xì)小且組織均勻，因而使集成式制動梁架產(chǎn)品具有良好且穩(wěn)定的力學(xué)性能。加熱處理后的型鋼經(jīng)常規(guī)工藝的切分、拉伸、整形處理后，得到梁架半成品，然后進(jìn)行自回火處理。本發(fā)明對自回火處理的具體工藝不做特別限定，比如可以將得到的梁架半成品送入緩冷室中進(jìn)行冷卻。在本發(fā)明具體實施過程中，是將整形處理后的梁架半成品在15s內(nèi)送入緩冷室工位內(nèi)，以確保梁架半成品在送入緩冷室之前的溫度≥800℃。在緩冷室中，當(dāng)梁架半成品的溫度降低至300℃，即完成了自回火處理，最后再經(jīng)送出緩冷室進(jìn)行自然冷卻，得到集成式制動梁架。可以理解，在上述自回火處理過程中，即將不低于800℃的梁架半成品送入緩冷室至溫度降低至300℃的過程中，溫度降低速率越慢，越有利于使冷卻曲線避開粒狀貝氏體及m-a組元轉(zhuǎn)變區(qū)，避免產(chǎn)生脆硬組織。在具體自回火處理時，通?？刂屏杭馨氤善返臏囟冉档退俾省?.25℃/s，最終達(dá)到正火組織轉(zhuǎn)變完全的目的。本發(fā)明提供了一種合金鋼，通過合理設(shè)置合金鋼的化學(xué)成分，使其具有良好的工藝適應(yīng)性，并且能夠用于加工得到性能良好的集成式制動梁架，而且使集成式制動梁架具有非常高的性能穩(wěn)定性，產(chǎn)品的一次合格率≥95％。本發(fā)明還提供了一種采用上述合金鋼加工得到的集成式制動梁架。該集成式制動梁架的顯微組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，并且鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％；其屈服強度＞500mpa，抗拉強度＞680mpa，斷后伸長率＞25％，沖擊功＞50j，從而使集成式制動梁架的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的基本力學(xué)性能要求。本發(fā)明還提供了一種集成式制動梁架的制造方法，該制造方法簡單可靠，并能夠使集成式制動梁架的晶粒細(xì)小且微觀組織均勻、正火組織轉(zhuǎn)變完全，最終獲得性能優(yōu)良的集成式制動梁架。同時，該制造方法使產(chǎn)品的一次合格率≥95％，并且未出現(xiàn)切分口肩部橫向開裂的問題，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且降低了能耗，適宜大規(guī)模推廣。附圖說明圖1為鐵路貨車的集成式制動梁架的截面圖；圖2為現(xiàn)有集成式制動梁架的金相組織照片；圖3為本發(fā)明實施例1制得的集成式制動梁架的金相組織照片。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖和實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如無特殊說明，本發(fā)明中所述的沖擊功，均是按照《gb-t229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，對集成式制動梁架取樣進(jìn)行-40℃夏比v型缺口沖擊試驗，每個樣品測試三次，取平均值得到。實施例1實施例1提供一種合金鋼，其具體的化學(xué)成分參見表4。采用文獻(xiàn)《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與沖壓，2014(13)：65-69.》中記載的方案3對本實施例的合金鋼進(jìn)行加工，得到集成式制動梁架。取本實施例中集成式制動梁架的樣品，經(jīng)粗磨、細(xì)磨后再進(jìn)行機械拋光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蝕后，在不同放大倍數(shù)下，樣品的金相組織照片如圖3所示?？梢钥闯?，本實施例的集成式制動梁架樣品，其具有細(xì)小的晶粒，微觀顯微組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，即均勻的正火態(tài)強韌組織，并且鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％。對本實施例的集成式制動梁架的力學(xué)性能進(jìn)行測試，具體結(jié)果參見表5。由表5可知，以本實施例提供的合金鋼為原料，采用現(xiàn)有工藝制得的集成式制動梁架，其性能遠(yuǎn)高于目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的基本力學(xué)性能要求(參見表2)。經(jīng)計算，以本實施例提供的合金鋼為原料，采用上述現(xiàn)有工藝加工得到集成式制動梁架，產(chǎn)品的一次合格率為95％，并且未出現(xiàn)切分口肩部橫向開裂的問題，生產(chǎn)效率非常高且能耗低，并實現(xiàn)了原料的充分有效利用。表4實施例1-4中合金鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)表5實施例1-4中集成制動梁架的力學(xué)性能測試結(jié)果測試項目實施例1實施例2實施例3實施例4屈服強度/mpa505531530512抗拉強度/mpa692711709698斷后伸長率/％26.52827.528沖擊功/j11955.311794.7實施例2-4實施例2-4分別提供一種合金鋼，其化學(xué)成分參見表4。以實施例2-4提供的合金鋼為原料加工制造集成式制動梁架，其具體工藝包括以下步驟：s1：按照常規(guī)工藝對合金鋼進(jìn)行軋制，得到型鋼。s2：對型鋼進(jìn)行加熱處理，所采用的設(shè)備是湖北十堰恒進(jìn)科技有限公司生產(chǎn)的hktp-450kw型數(shù)控感應(yīng)加熱機床生產(chǎn)線(額定輸出功率450kw)，并通過調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出功率控制加熱頻率，具體加熱處理的工藝參數(shù)如下表6所示：表6實施例2-4中型鋼加熱處理的工藝參數(shù)其中，在第三階段，型鋼的溫度上升到740℃左右，在第六階段，型鋼的溫度達(dá)到970℃左右，最后在970℃下實施保溫處理。s3：按照常規(guī)工藝，對經(jīng)加熱處理的型鋼進(jìn)行切分處理、拉伸處理和整形處理，得到梁架半成品。s4：將梁架半成品在15s內(nèi)送入緩冷室內(nèi)，使梁架半成品在緩冷室工位內(nèi)存放直至所有梁架半成品的溫度從800℃緩慢降至300℃，降溫速率約為0.25℃/s，然后出緩冷室工位進(jìn)行自然冷卻，得到集成式制動梁架產(chǎn)品。分別取實施例2-4中集成式制動梁架的樣品，經(jīng)粗磨、細(xì)磨后再進(jìn)行機械拋光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蝕后，觀察樣品的金相組織，與圖3基本相同，晶粒細(xì)小且為均勻分布的鐵素體和珠光體，即均勻的正火態(tài)強韌組織，未見魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等有害組織。對實施例2-4的集成式制動梁架的力學(xué)性能進(jìn)行測試，具體結(jié)果參見表5。由表5可知，以實施例2-4提供的合金鋼為原料、并以本實施例中的加工工藝制得的集成式制動梁架，其性能不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前鐵路貨車對于集成式制動梁架的基本力學(xué)性能要求，而且其綜合力學(xué)性能(比如屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率)也優(yōu)于采用常規(guī)工藝(如實施例1)制得的集成式制動梁架。經(jīng)計算，采用實施例2-4中的加工工藝制造集成式制動梁架，產(chǎn)品的一次合格率分別為98％、99％、97％，并且均未出現(xiàn)切分口肩部橫向開裂的問題，生產(chǎn)效率高于常規(guī)工藝且能耗進(jìn)一步降低，實現(xiàn)了原料的有效利用。最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。當(dāng)前第1頁12