CN114150230A - 一种用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻造工艺 - Google Patents

一种用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻造工艺，该制动盘由如下质量百分比的组分制成：C：0.25‑0.29％、Si：0.2‑0.35％、Mn：0.6‑0.9％、Cr：2.1‑2.5％、Mo：0.9‑1.1％、V：0.2‑0.3％、Al：0.02‑0.04％、Nb：0.05‑0.08％、余量为铁及其他元素，其他元素为残余微量元素。本发明首先填补国内时速350km及以上高铁制动盘锻造及热处理用钢材料空白，钢材料具有晶粒度细、组织均匀常温性能、低温性能、高温性能的特点，保证了满足时速350km及以上高铁锻造制动盘各项性能要求，不仅节约了原材料成本，还能在一定程度上能提高我国时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料范围，实现时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料国产化。

Description

一种用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及 其锻造工艺
技术领域
本发明属于合金锻钢技术领域，尤其是涉及一种用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻造工艺。
背景技术
高铁制动盘是高铁制动用关键零部件，尤其是350Km/h及更高速的动车组，制动盘的质量性能直接影响着动车组的各项性能指标，影响着未来时速350km及以上高铁推广及普及；目前国内制动盘主要采用铸钢或依赖进口，不仅价格较高，且不能支撑未来时速350km及以上高铁发展。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，鉴于此，为加快满足我国时速350km及以上高铁的需要，急需研究一种综合性能更好、质量稳定、性价比高、能适合我国各地安全使用的可用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料及其锻造工艺。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有低倍组织优异，更高力学强度和良好的韧性，良好的低温性能和高温耐久性能、能适合我国各地安全使用的可用于时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料及其锻件的锻造工艺。
本发明的技术方案为：
一种时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料，由如下质量百分比的组分制成：
C：0.25-0.29％；
Si：0.2-0.35％；
Mn：0.6-0.9％；
Cr：2.1-2.5％；
Mo：0.9-1.1％：
V：0.2-0.3％；
Al：0.02-0.04％；
Nb：0.05-0.08％；
余量为铁及其他元素，其他元素为残余微量元素。
进一步的，所述残余微量元素包括Ti、Co、Cu、As、N、H、O、P、S，具体质量百分比如下表1
Ti Co Cu As N(/10<sup>-6</sup>) H(/10<sup>-6</sup>) 0(/10<sup>-6</sup>) P S
≤0.02 ≤0.20 ≤0.2 ≤0.020 ≤90 ≤1.5 ≤18 ≤0.015 ≤0.008
注：不得添加表1规定元素以外的其它化学元素。
在上述技术方案中，优选，所述Cr质量百分比为2.11～2.49％；进一步优选，所述Cr质量百分比为2.31～2.45％。
在上述技术方案中，优选，所述为Mo质量百分比为0.92～1.08％；进一步优选，所述为Mo质量百分比为1.0～1.07％。
在上述技术方案中，优选，所述Al为0.02～0.035％；进一步优选，所述A质量百分比l为0.025～0.030％。
在上述技术方案中，优选，所述Nb为0.05～0.079％；进一步优选，所述Nb质量百分比为0.065～0.075％。
本发明的目的之二是提供一种上述时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料的锻造工艺，包括如下步骤：
(1)先将原材料按配方比例称重，然后放到真空炉中进行熔炼，过程中通过炉前化验、炉中化验；炉后化验后再经电渣重熔，经冷却得到钢锭。
(2)钢锭放入电炉中，在温度为920℃的电炉中保温5小时，随炉冷却进行退火。
(3)将退火后的钢锭放在燃气炉中，在温度为1150℃燃气炉中保温3小时，在保证终锻温度不低于800℃条件下反复镦粗、拔长锻造且锻造比≥3，锻后得到直径为φ260mm左右棒料。
(4)将φ260mm左右棒料在温度为730℃的炉中保温4小时，出炉冷却进行正火。
(5)将经过正火后的φ260mm左右棒料装入温度为850-890℃的电炉中，保温7小时出炉，在120吨油池中淬火后，放置再温度为600-650℃的电炉中保温12小时进行高温回火。
在上述技术方案中，所述时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料调质处理后的金相组织为均匀回火索氏体。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
首先填补国内时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料空白，适用于时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料低倍组织优异，具有更高的强度和良好的韧性，良好的低温性能和高温耐久性能；添加的合金元素种类及配比合理，充分利用了各元素在钢中的作用，各成分间具有协同作用，Cr质量百分比2.1-2.5％与Mn质量百分比0.6-0.9％在合适的含量范围内可以增加钢材料的耐磨性；V质量百分比0.2-0.3％与Al质量百分比0.02-0.04％配合，可以提高钢材料塑性，使其在锻造比大于3的时候仍具有良好的操作性；Mn质量百分比0.6-0.9％与Nb质量百分比0.05-0.08％合适的含量可以提高钢材料热处理质量、淬透性好，C质量百分比0.25-0.29％、Si质量百分比0.2-0.35％、Mn质量百分比0.6-0.9％、Mo质量百分比0.9-1.1％与Nb质量百分比0.05-0.08％的协同作用可以更好的实现晶粒细化，保证了钢材料在常温、低温、高温下的优异性好，低S、P及低残余元素Ti、Co、Cu、As、N、H、O的控制确保钢材料纯洁度。
锻造工艺采用真空感应加保护气氛电渣重熔冶炼，通过真空感应加保护气氛电渣重熔冶炼技术控制时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料的低倍组织、非金属夹杂物，通过各种元素的创造性匹配和锻造工艺的配合，时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料的晶粒度细、组织均匀，常温性能、低温性能及高温性能良好，保证了满足时速350km及以上高铁锻造制动盘各项性能要求，本发明不仅节约了原材料成本，还能在一定程度上能提高我国时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料范围，实现时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料国产化。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明作进一步描述。
本发明的时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料各组分及其质量百分比范围如下：C：0.25-0.29％；Si：0.2-0.35％；Mn：0.6-0.9％；Cr：2.1-2.5％；Mo：0.9-1.1％；V：0.2-0.3％；Al：0.02-0.04％；Nb：0.05-0.08％；余量为铁及其他元素，其他元素为残余微量元素。
残余微量元素包括Ti、Co、Cu、As、N、H、O、P、S，其中Ti质量百分比小于等于0.02％；Co质量百分比小于等于0.20％；Cu质量百分比小于等于0.20％；As质量百分比小于等于0.02％；N质量百分比小于等于90×10-6％；H质量百分比小于等于1.5×10-6％；O质量百分比小于等于18×10-6％；P质量百分比小于等于0.015％；S质量百分比小于等于0.008％。
为了进一步提高时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料性能，优选，所述Cr质量百分比为2.11～2.49％；进一步优选，所述Cr质量百分比为2.31～2.45％。
为了进一步提高时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料性能，优选，所述为Mo质量百分比为0.92～1.08％；进一步优选，所述为Mo质量百分比为1.0～1.07％。
为了进一步提高时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料性能，优选，所述Al质量百分比为0.02～0.035％；进一步优选，所述Al质量百分比为0.025～0.030％。
为了进一步提高时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料性能，优选，所述Nb质量百分比为0.05～0.079％；进一步优选，所述Nb质量百分比为0.065～0.075％。
本发明还提供了一些具体的优选实施例，依次为实施例1～实施例7，它们的化学成分如下面的表2所示。
Figure BDA0003412224220000051
实施例1-7中残余微量元素包括Ti、Co、Cu、As、N、H、O、P、S，其中Ti质量分数小于等于0.02％；Co质量分数小于等于0.20％；Cu质量分数小于等于0.20％；As质量分数小于等于0.02％；N质量分数小于等于90×10-6％；H质量分数小于等于1.5×10-6％；O质量分数小于等于18×10-6％；P质量分数小于等于0.015％；S质量分数小于等于0.008％。
时速350km及以上高速列车锻钢制动盘用钢材料的锻造工艺，包括如下步骤：
(1)将原材料按实施例1-7的配方比例称重，然后放到真空炉中进行熔炼，过程中通过炉前化验、炉中化验；炉后化验后再经电渣重熔，经冷却得到钢锭。
(2)钢锭放入电炉中，在温度为920℃的电炉中保温5小时，随炉冷却进行退火。
(3)将退火后的钢锭放在燃气炉中，在温度为1150℃燃气炉中保温3小时，在保证终锻温度不低于800℃条件下反复镦粗、拔长锻造且锻造比≥3，锻后得到直径为φ260mm左右棒料。
(4)将φ260mm左右棒料在温度为730℃的炉中保温4小时，出炉冷却进行正火。
(5)将经过正火后的φ260mm左右棒料装入温度为850-890℃的电炉中，保温7小时出炉，在120吨油池中淬火后，放置再温度为600-650℃的电炉中保温12小时进行高温回火。
(6)将经过高温回火的直径为φ260mm左右棒料车外圆至直径为φ250mm左右棒料后进行磁粉探伤和超声波探伤。
(7)将经过磁粉探伤和超声波探伤的直径为φ250mm左右棒料两端各取2段长度220mm的棒料并在每段取样1组试样，每组试样为2拉伸、1低倍、1金相、15冲击、1硬度试块。
将试块分别加工成满足检测的试样，再分别进行硬度检测、常温性能检验、低倍检验、晶粒度检验、非金属夹杂物检验、低温性能检验、高温持久检验。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料低倍组织见表3。
中心疏松 一般疏松 锭形偏析
≤2级 ≤2级 ≤2级
低倍组织按照GB/T226钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法进行测定，钢材的截面酸浸试片上不存在目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点等对材料使用有害的缺陷。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料非金属夹杂物见表4
Figure BDA0003412224220000071
非金属夹杂物判定依据GB/T10561钢中非金属夹杂物显微评定方法。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料通过锻造热处理后晶粒度按GB/T6394标准不粗于8级。
350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料所达到的力学性能见表5。
Figure BDA0003412224220000072
本发明的时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料的力学性能测试按GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法和GB/T231.1金属布氏硬度试验第1部分:试验方法进行；冲击试验按照GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法。
从表5中可见，本发明的合金锻钢完全能满足350km/h以上高速列车制动盘对锻钢力学性能的要求。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料高温持久性能见表6。
试验温度(℃) 试验应力(<u>MPa</u>) 断裂时间(h)
600 150 ≥100
高温持久性能试验方法按照GB/T2039金属材料单轴拉伸蠕变试验方法。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料通过锻造及热处理后金相组织为均匀回火索氏体。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料在温度为1150-800℃范围内通过反复镦粗、拔长，同时满足在锻造比≥3的条件下不开裂。
时速350km及以上高铁制动盘锻造用钢材料在温度为850-890℃进行淬火，并在温度为600-650℃高温回火后晶粒度、各种性能满足要求且无损检测无裂纹。
实施例1-7的低倍组织见表7
实施例 中心疏松 一般疏松 锭形偏析
1 ≤1级 ≤1级 ≤1级
2 ≤0.5级 ≤0.5级 ≤0级
3 ≤2级 ≤1级 ≤2级
4 ≤0.5级 ≤0.5级 ≤0级
5 ≤0.5级 ≤0.5级 ≤0级
6 ≤2级 ≤1级 ≤2级
7 ≤0.5级 ≤0.5级 ≤0级
检测结果：钢材的截面酸浸试片上无有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点等对材料使用有害的缺陷。
实施例1-7的非金属夹杂物见表8
Figure BDA0003412224220000091
实施例1-7的力学性能见表9
Figure BDA0003412224220000092
实施例1-7的高温持久性能见表10
试验温度600(℃) 试验应力(MPa) 断裂时间(h)
实施例1 200 118
实施例2 200 123
实施例3 200 134
实施例4 200 140
实施例5 200 150
实施例6 200 146
实施例7 200 129
实施例1-7的晶粒度按GB/T6394标准检测结果为8.5级、9.0级、8.5级、8.5级、8.5级、8.5级、9.0级。
本发明实施例1与对比例的的力学性能差距如下表11
Figure BDA0003412224220000101
从表11中可以看出，本发明优选实施例通过对各种合金元素的科学、合理配比，所制得的钢材料的力学性能优于现有技术的力学性能。具体说来，本发明优选实施例的钢材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率、低温冲击性能、高温耐久性均明显高于现有技术。
本发明所述的制动盘钢材料通过合理配方及锻造工艺，低倍组织优异，晶粒度、常温性能、高温性能、低温性能、金相组织完全能满足作为时速350km及以上高铁制动盘锻造及热处理用钢材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于，该制动盘由如下质量百分比的组分制成：C：0.25-0.29％、Si：0.2-0.35％、Mn：0.6-0.9％、Cr：2.1-2.5％、Mo：0.9-1.1％、V：0.2-0.3％、Al：0.02-0.04％、Nb：0.05-0.08％、余量为铁及其他元素，其他元素为残余微量元素。
2.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Cr质量百分比为2.11～2.49％。
3.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Cr质量百分比为2.31～2.45％。
4.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述为Mo质量百分比为0.92～1.08％。
5.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述为Mo质量百分比1.0～1.07％。
6.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Al质量百分比为0.02～0.035％。
7.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Al质量百分比为0.025～0.030％。
8.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Nb质量百分比为0.05～0.079％。
9.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述Nb质量百分比为0.065～0.075％。
10.根据权利要求1所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料，其特征在于：所述残余微量元素包括Ti、Co、Cu、As、N、H、O、P、S，其中Ti质量百分比小于等于0.02％；Co质量百分比小于等于0.20％；Cu质量百分比小于等于0.20％；As质量百分比小于等于0.02％；N质量百分比小于等于90×10-6％；H质量百分比小于等于1.5×10-6％；O质量百分比小于等于18×10-6％；P质量百分比小于等于0.015％；S质量百分比小于等于0.008％。
11.根据权利要求1-10所述的任一项一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料的锻造工艺，其特征在于，包含以下步骤：
(1)先将原材料按配方比例称重，然后放到真空炉中进行熔炼，过程中通过炉前化验、炉中化验；炉后化验后再经电渣重熔，经冷却得到钢锭。
(2)钢锭放入电炉中，在温度为920℃的电炉中保温5小时，随炉冷却进行退火。
(3)将退火后的钢锭放在燃气炉中，在温度为1150℃燃气炉中保温3小时，在保证终锻温度不低于800℃条件下反复镦粗、拔长锻造且锻造比≥3，锻后得到直径为φ260mm左右棒料。
(4)将φ260mm左右棒料在温度为730℃的炉中保温4小时，出炉冷却进行正火。
(5)将经过正火后的φ260mm左右棒料装入温度为850-890℃的电炉中，保温7小时出炉，在120吨油池中淬火后，放置在温度为600-650℃的电炉中保温12小时进行高温回火。
12.根据权利要求11所述的一种时速350km及以上高铁锻造制动盘用钢材料的锻造工艺，其特征在于，所述钢材料经热处理后的金相组织为索氏体组织。
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