CN106967929B - 一种动车组制动盘锻造用低碳钢及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动车组制动盘锻造用低碳钢及其热处理方法，含有以下质量百分含量的元素：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％，并且还应满足0.012Mo+0.005Cr+0.022V≥0.023，余量为Fe及不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明的制动盘用钢还具有良好导热性能，低弹性模量和低热膨胀系数。

Description

一种动车组制动盘锻造用低碳钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于机车车辆用钢技术领域，尤其涉及一种动车组制动盘锻造用低碳钢及其热处理方法。
背景技术
高速动车组列车基础制动均采用盘形制动装置，对于200km/h以上高速列车，国际上一般是采用锻钢制动盘与粉末冶金闸片配对的制动装置。盘形制动是高速列车的关键技术之一，是确保高速列车安全的重要措施，尤其是在列车其他安全措施出现故障时，只能靠盘形制动作为安全可靠制动的最后保障。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，在此过程中，制动盘的材料、结构和性能不能被破坏。
高速列车制动盘体材质性能是制动装置中最为关键的技术问题之一。在高速列车速度高和运行条件恶劣的制动工况下，巨大的制动热负荷及热冲击会带来很高的热应力和温度梯度。因此制动盘材料必须具有良好的高温力学性能和导热性能，以及低弹性模量和低热膨胀系数，使得制动热量能迅速逸散，制动盘材料还应具有较高的热疲劳强度和制动寿命。
具体地讲，高速列车制动盘应当具有如下的性能：一是稳定而均匀的摩擦性能，摩擦系数不随压力、温度和速度的变化而变化；二是良好的耐疲劳性能和极好的抗热裂纹扩展能力，以减少制动盘摩擦表面急冷急热所形成的高热应力对制动盘的损伤；三是较高的耐磨性能，以减少盘面摩擦而产生的磨损；制动盘材料还应具有良好的抗摩擦热变形性能和热导率。
目前的研究大部分集中在创新制动盘结构，提高制动盘散热性方面，对材质的创新性研究相对较少。而在列车制动时，特别是紧急制动时，制动盘瞬时热能量很难快速释放出去，因此，提高制动盘材料的耐热性及高温条件下组织稳定性对提高制动盘寿命具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动车组制动盘锻造用低碳钢，通过调整元素含量，提高低碳钢的高温强度和导热系数，其冷热疲劳性能和制动过程中摩擦因数的稳定性得到一定程度的改善，从而显著提高制动盘的服役性能。
本发明还提供了一种动车组制动盘锻造用低碳钢的热处理方法，根据元素的含量设计热处理工艺，进一步提高制动盘的服役性能。
本发明提供的一种动车组制动盘锻造用低碳钢，含有以下质量百分含量的元素：
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％，
并且还应满足0.012Mo+0.005Cr+0.022V≥0.023，
余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种动车组制动盘锻造用低碳钢，含有以下质量百分含量的元素：
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％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种动车组制动盘锻造用低碳钢，含有以下质量百分含量的元素：
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％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种动车组制动盘锻造用低碳钢，含有以下质量百分含量的元素：
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％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种动车组制动盘锻造用低碳钢，含有以下质量百分含量的元素：
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％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明提供的一种动车组制动盘锻造用低碳钢的热处理方法，包括以下步骤：
正火温度：950～1000℃，淬火温度950-1050℃，回火温度600-700℃，回火后水冷。
进一步的，正火保温3～5小时，然后空冷；
进一步的，淬火保温2.5～5小时，然后水冷；
进一步的，回火处理4～8小时，然后水冷。
经过热处理后低碳钢具有原奥氏体晶粒的平均粒径在15～20μm的回火索氏体组织，在0～700℃之间，平均摩擦因数在0.3～0.4之间，导热系数在30～34W/(m·K)，20-700℃冷热循环1000次无裂纹，500℃抗拉强度≥900MPa。
本发明中各元素及其含量作用如下：
C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的。高的C含量虽然对钢的强度、硬度等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能、加工性能和高温塑性。尤其是当碳含量过高时，钢的AC1点温度较低，易导致反复加热冷却过程中产生奥氏体-马氏体转变，导致制动盘导热系数急剧降低，摩擦系数不均匀变化，降低制动盘冷热疲劳性能。因此，应适当降低钢中的C含量，将其控制在0.20％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.10％以上，因而C含量宜控制为0.10～0.20％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.20～0.40％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，过高Mn含量易导致反复加热冷却过程中产生奥氏体-马氏体转变，导致制动盘导热系数急剧降低，摩擦系数不均匀变化，降低制动盘冷热疲劳性能，因而控制Mn含量在0.60％～0.80％。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能和良好的高温性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为1.20～1.50％。
Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。但过高Ni含量易导致反复加热冷却过程中产生奥氏体-马氏体转变，导致制动盘导热系数急剧降低，摩擦系数不均匀变化，降低制动盘冷热疲劳性能，因此Ni含量为0.20～0.40％。
Mo：Mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.70～1.10％。
P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而使钢的高温回火脆性倾向增加。因此，P含量应控制在0.010％以下。
S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而降低钢的韧塑性。因此，S含量应控制在0.010％以下。
Cu：通过析出ε-Cu实现析出强化，提高钢的强度，此外，加入适量的Cu元素，还能够增加钢的耐大气腐蚀性能，因此，Cu含量应控制在0.10-0.20％。
Al：Al是钢中主要的脱氧元素，与钢中N元素形成AlN析出相具有抑制晶粒长大，但过细或过粗晶粒均会导致钢的导热系数降低，因此，Al含量应控制在0.005-0.010％。
N：含V、Al钢中过高N含量促进了碳VN、AlN在奥氏体的析出，细化奥氏体晶粒，但过细或过粗晶粒均会导致钢的导热系数降低，因此，N含量应控制在≤60ppm。
W：W是是强碳化物形成元素，提高钢的高温强度和耐热性，综合考虑成本因素，W含量应控制在0.10-0.30％。
0.012Mo+0.005Cr+0.022V≥0.023：主要是保证在热处理过程中，钢中的C均以合金碳化物形式存在，保证制动盘反复加热冷却过程中抑制奥氏体-马氏体转变，保证制动盘导热系数和摩擦系数温度，提高制动盘冷热疲劳性能。
所述热处理工艺：正火温度：950～1000℃，保温3～5小时，然后空冷；淬火温度950-1050℃，保温2.5～5小时，然后水冷；回火温度600-700℃，回火处理4～8小时，然后水冷。正火和淬火温度选择较高的温度和长时间保温时间，保证成分均匀性的同时，保证一定的晶粒尺寸，晶粒尺寸过大或过小，均会使导热系数显著降低；此外，在保证室温强度和高温强度前提下，选择相对较高的回火温度，并采用尽可能长的保温时间，保证钢中碳化物充分析出和长大，降低钢中固溶C含量和碳化物表面能尽可能低，从而保证冷热循环过程中组织稳定性。
与现有技术相比，本发明的制动盘用钢还具有良好导热性能，低弹性模量和低热膨胀系数，可广泛适用于各类高速列车的制动***中。本发明的制动盘用钢和普通锻造制动盘用钢相比，在显著提高高温强度的同时，其冷热疲劳性能和制动过程中摩擦因数和导热系数的稳定性得到一定程度的改善，从而显著提高制动盘的服役性能。
附图说明
图1为实施例1制备的动车组制动盘锻造用低碳钢原奥氏体晶粒形貌；
图2为实施例2制备的动车组制动盘锻造用低碳钢原奥氏体晶粒形貌；
图3为实施例3制备的动车组制动盘锻造用低碳钢原奥氏体晶粒形貌；
图4为实施例4制备的动车组制动盘锻造用低碳钢原奥氏体晶粒形貌；
图5为实施例1制备的动车组制动盘锻造用低碳钢微观组织形貌形貌；
图6为实施例2制备的动车组制动盘锻造用低碳钢微观组织形貌形貌；
图7为实施例3制备的动车组制动盘锻造用低碳钢微观组织形貌形貌；
图8为实施例4制备的动车组制动盘锻造用低碳钢微观组织形貌形貌；
图9为实施例1-4制备的动车组制动盘锻造用低碳钢平均摩擦因数随温度的变化。
具体实施方式
下面结合附图及表1和表2实施例1-4对本发明做详细的说明。
实施例1-4中的一种动车组制动盘锻造用低碳钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1-4均采用电炉冶炼经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成φ600mm的圆坯，经加热轧制成φ280mm圆钢，再经加热锻造成板坯，厚度为75mm，经表2热处理、精加工成标准拉伸和冲击试样及摩擦试样后进行力学性能和摩擦因数分析。可见，各实施例中晶粒尺寸均15～20μm，组织均为回火索氏体，在0～700℃之间摩擦因数在0.3～0.4之间，导热系数在30～34W/(m·K)，500℃高温强度≥900MPa，20-700℃冷热循环1000次无裂纹。
表1实施例1-4化学成分(wt％)
实施例1-4制得的动车组制动盘锻造用低碳钢的热处理方法采用下表2所列方式热处理，500℃高温力学性能如表2所示。
表2实施例1-4热处理工艺及500℃高温力学性能
实施例1-4热处理后的动车组制动盘锻造用低碳钢中晶粒尺寸均15～20μm，组织均为回火索氏体，在0～700℃之间摩擦因数在0.3～0.4之间，导热系数在30～34W/(m·K)，500℃高温强度≥900MPa。

Claims (10)

1.一种动车组制动盘锻造用低碳钢，其特征在于，所述动车组制动盘锻造用低碳钢含有以下质量百分含量的元素：
C：0.10～0.20%、Si：0.20～0.40%、Mn：0.60～0.8%、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%，
并且还应满足0.012Mo+0.005Cr+0.022V≥0.023，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述动车组制动盘锻造用低碳钢晶粒尺寸均15~20μm，组织均为回火索氏体。
2.根据权利要求1所述的动车组制动盘锻造用低碳钢，其特征在于，所述动车组制动盘锻造用低碳钢含有以下质量百分含量的元素：
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%，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的动车组制动盘锻造用低碳钢，其特征在于，所述动车组制动盘锻造用低碳钢含有以下质量百分含量的元素：
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%，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的动车组制动盘锻造用低碳钢，其特征在于，所述动车组制动盘锻造用低碳钢含有以下质量百分含量的元素：
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%，余量为Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的动车组制动盘锻造用低碳钢，其特征在于，所述动车组制动盘锻造用低碳钢含有以下质量百分含量的元素：
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%，余量为Fe及不可避免的杂质。
6.一种权利要求1-5任一项所述的动车组制动盘锻造用低碳钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理包括以下步骤：
正火温度：950~1000℃，淬火温度950-1050℃，回火温度600-700℃，回火后水冷。
7.根据权利要求6所述的热处理方法，其特征在于，正火保温3~5小时，然后空冷。
8.根据权利要求6或7所述的热处理方法，其特征在于，淬火保温2.5~5小时，然后水冷。
9.根据权利要求6-8任一项所述的热处理方法，其特征在于，回火处理4~8小时，然后水冷。
10.根据权利要求6所述的热处理方法，其特征在于，经过热处理后低碳钢具有原奥氏体晶粒的平均粒径在15~20μm的回火索氏体组织，在0~700℃之间，平均摩擦因数在0.3~0.4之间，导热系数在30~34W/(m·K)，20-700℃冷热循环1000次无裂纹，500℃抗拉强度≥900MPa。
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