CN106086679B - 一种高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺 - Google Patents

一种高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺，包括以下步骤：按质量百分比进行配料称重，在中频电炉冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1150℃左右脱模，采用自由锻加束缚锻的复合锻造方式对坯料进行锻造，得到二次锻坯；然后对二次锻坯采用水冷‑空冷两次循环交替方式进行淬火热处理；最后，对淬火后的二次锻造坯采用回火‑水冷‑再回火‑再水冷的二次回火处理，即得到所述高速列车锻钢制动盘用钢锻件。本发明的锻造工艺与热处理工艺的组合有效地防止了形状复杂的锻件淬火开裂，而且制造的高速列车锻钢制动盘用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于低温制动。

Description

一种高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺
技术领域
本发明涉及高速列车制动用的摩擦材料领域，具体涉及一种锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺。
背景技术
随着高速列车速度的提高，对列车制动的及时性、安全性和稳定性提出了更高的要求，这也意味着对列车制动装置和制动材料的质量和性能需要满足更高的要求。目前，用作高速列车制动盘的材料主要为钢系金属材料，包括铸钢和锻钢两种。由于国内铸造水平的限制，用作高速列车制动盘的铸钢生产质量不稳定，易出现质量问题而影响制动盘的使用效果和寿命。而锻钢的制作工艺已相对成熟，锻钢材料的制动盘具有良好的制动效果和理想的寿命。此外，国外技术领先的国家，在对传统的钢系制动材料进行优化和改进的同时，还不断地开发新的制动材料，如铝基复合材料和碳纤维增强石墨复合材料等。
目前，我国高速列车制动材料与国际先进水平差别很大，现阶段制动盘主要还依赖于进口。近几年来，国内大量科技工作者对新制动材料进行相关研究，但由于技术储备薄弱，开发研究还并不成熟，难以实现工业化。与此同时，锻钢与其他制动盘材料相比，具有工艺简单、成本低廉以及性能良好的优势，已广泛使用于我国高速列车制动***中。
制动盘失效的直接原因是高速列车制动过程中产生剧烈的高温摩擦和大量的热传递。因此，摩擦制动材料不仅应该具有足够高的机械强度、良好的散热特性、高的热导性和小的膨胀系数，此外还需要制动盘要有稳定的摩擦性能，摩擦因数受环境影响要小，低的磨损率和高的耐磨性，良好的抗热裂性。
在制动过程中，制动盘的摩擦表面膜的形成也会对制动盘的摩擦性能产生极为重要的影响。摩擦表面膜的形成与制动材料在制动过程中的磨损机理有紧密联系。在制动初期，磨损机理主要以磨粒磨损为主，以氧化磨损和粘着磨损为辅；在制动后期，当摩擦表面膜形成后，磨损机理又以剥层磨损为主，并伴随着氧化磨损和粘着磨损。因此，选择合适的制动盘材料至关重要，若材料选择不当，高度列车在制动时会因各种原因发生失效，从而产生危险。
锻钢制动盘较其他金属摩擦制动材料而言，具有更高的强度(≥800MPa)和良好的韧性，此外，锻钢还具有较高的抗热龟裂性、良好的耐磨性和耐热疲劳，其高温强度、摩擦性能及耐疲劳性都较优良，因此其使用寿命较长。在日本在新干线快速列车上已广泛采用的Ni-Cr-Mo低合金锻钢制动盘，能够满足时速为260km/h的列车制动要求。法国在TGV-A列车上使用的制动材料为Cr-Mo-V低合金锻钢制动盘，其制动盘在列车时速为300km/h制动过程中，显示出锻钢材料的良好综合性能。
我国生产的锻钢制动盘与发达国家的产品尚存在一定的差距。尽管从“九五”开始国内相关研究单位和生产厂家一直努力提高制动盘的制动性能，并取得了明显的进步，但其使用寿命短，低温韧性差等缺点尚未得到根本解决。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种能耗低、钢材利用率高、生产成本低、综合性能好的高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺，锻造出来的材料能达到高速列车制动的各项要求指标。
本发明的技术方案为：一种高速列车锻钢制动盘用钢材料，以质量百分比为单位，其原料及配比如下：
碳 0.22～0.43%；
硅 0.20～0.87%；
锰 0.51～1.08%；
硫 0.001～0.035%；
磷 0.001～0.035%；
铬 0.80～2.04%；
镍 0.80～2.05%；
钒 0.10~1.0%；
钼 0.10～0.35%；
钆 1.0～2.50%；
铈 0.20～0.40%；
铁 余量，上述各组分的质量总和为100%。
本发明的目的之二是提供一种上述高速列车锻钢制动盘用钢锻件的锻造工艺，包括如下步骤：
采用上述原料，在中频电炉中冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1150℃进行脱模，脱模后立即采用自由锻+束缚锻终锻成型，具体步骤如下：
（1）配料：按上述比例配料称重；
（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水；
（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至250~350℃，当坯件温度在1150℃时立即脱模；
（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即进行自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到一次锻造坯；然后再将自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到二次锻造坯；
（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度进行水冷-空冷交替循环两次淬火，然后再回火-水冷，得到高速列车锻钢制动盘用钢锻件。
进一步地，上述步骤（2）中，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化。
进一步地，上述步骤（3）中，所述液态模锻机模具采用内层为高温合金的复合模具，浇铸过程中用循环水冷却模具，通过调节冷却水流量、压力使模具温度控制在450℃以内。
进一步地，上述步骤（4）中，将自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3.5:1。
进一步地，上述步骤（4）中，将自由锻径向束缚再次进行锻造，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1。
进一步地，上述步骤（5）中，水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷时对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0. 8m/s。
进一步地，上述步骤（5）中，对淬火后的二次锻造坯采用在600℃、保温5h回火-水冷至室温-再550℃、保温5h回火-再水冷至室温的二次回火处理。
本发明的高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻件的锻造工艺，选用特殊钢铁材料，并将锻造工艺和热处理工艺组合起来，即液态模锻结合自由锻+束缚锻的复合锻造工艺结合水冷-空冷两次次循环交替间歇淬火的调质热处理工艺，不仅有效地防止了形状复杂的大锻件淬火开裂，而且制造的高速列车锻钢制动盘用钢锻件的抗腐蚀性和综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于不同环境下的高速列车制动。
附图说明
图1为本发明钢锻件的金相图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
确定钢材料的成分并按比例进行配料称重，如下表1（单位：kg）：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例1：
（1）配料：按表1进行配料称重；
（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水，冶炼过程中，对钢水的化学成分进行实时检验，检验合格即为优质钢水；检验不合格的通过对含量不足的化学成分进行添加，含量过量的化学成分进行稀释等方式进行调整，直到钢水的化学成分达到要求，即成为优质钢水，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化，提高钢水纯净度；
（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至250℃，当坯件温度在1150℃时立即脱模；
（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即进行自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为750℃，锻造比大于3.5:1；然后再将自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度950℃进行水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷却3min→空气冷却30min→水冷却5min—空气冷却30min，然后再对淬火后的二次锻造坯采用在600℃、保温5h回火-水冷至室温-再550℃、保温5h回火-再水冷至室温的二次回火处理，得到高速列车锻钢制动盘用钢锻件。
实施例2：
（1）配料：按表1进行配料称重；
（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水，冶炼过程中，对钢水的化学成分进行实时检验，检验合格即为优质钢水；检验不合格的通过对含量不足的化学成分进行添加，含量过量的化学成分进行稀释等方式进行调整，直到钢水的化学成分达到要求，即成为优质钢水，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化，提高钢水纯净度；
（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至300℃，当坯件温度在1150℃时立即脱模；
（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即进行自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为750℃，锻造比大于3.5:1；然后再将自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度950℃进行水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷却4min→空气冷却40min→水冷却4min—空气冷却40min，然后再对淬火后的二次锻造坯采用在600℃、保温5h回火-水冷至室温-再550℃、保温5h回火-再水冷至室温的二次回火处理，得到高速列车锻钢制动盘用钢锻件。
实施例3：
（1）配料：按表1进行配料称重；
（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水，冶炼过程中，对钢水的化学成分进行实时检验，检验合格即为优质钢水；检验不合格的通过对含量不足的化学成分进行添加，含量过量的化学成分进行稀释等方式进行调整，直到钢水的化学成分达到要求，即成为优质钢水，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化，提高钢水纯净度；
（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至350℃，当坯件温度在1150℃时立即脱模；
（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即进行自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为750℃，锻造比大于3.5:1；然后再将自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1；
（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度950℃进行水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷却5min→空气冷却20min→水冷却5min—空气冷却20min，然后再对淬火后的二次锻造坯采用在600℃、保温5h回火-水冷至室温-再550℃、保温5h回火-再水冷至室温的二次回火处理，得到高速列车锻钢制动盘用钢锻件。
经过上述制造方法获得高速列车锻钢制动盘用钢锻件综合力学数据对比，如下表2：
表2高速列车锻钢制动盘用钢锻件综合力学数据对比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由表2可知，上述3个实施例产品与国际技术规范要求进行对比，本发明获得的产品力学参数均远高于国际技术规范要求。制造的高速列车锻钢制动盘用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于低温制动。

Claims (2)

1.一种高速列车锻钢制动盘用钢材料，其特征在于：以质量百分比计，其原料及配比如下：
Figure FFW0000020456170000011
所述高速列车锻钢制动盘用钢锻件的锻造工艺，具体步骤如下：
(1)配料：按上述比例配料称重；
(2)冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水，冶炼过程中，对钢水的化学成分进行实时检验，检验合格即为优质钢水；检验不合格的通过对含量不足的化学成分进行添加，含量过量的化学成分进行稀释等方式进行调整，直到钢水的化学成分达到要求，即成为优质钢水，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化，提高钢水纯净度；
(3)液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至350℃，当坯件温度在1150℃时立即脱模；
(4)终锻成型：将脱模后的高温坯件立即进行自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为750℃，锻造比大于3.5∶1；然后再将自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3∶1；
(5)性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度950℃进行水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷却5min→空气冷却20min→水冷却5min一空气冷却20min，然后再对淬火后的二次锻造坯采用在600℃、保温5h回火-水冷至室温-再550℃、保温5h回火-再水冷至室温的二次回火处理，得到高速列车锻钢制动盘用钢锻件。
2.根据权利要求1所述的高速列车锻钢制动盘用钢材料，其特征在于：上述步骤(3)中，所述液态模锻机模具采用内层为高温合金的复合模具，浇铸过程中用循环水冷却模具，通过调节冷却水流量、压力使模具温度控制在450℃以内。
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