用于高速列車制動盤的合金鑄鋼及其熱處理方法以及由該合金鑄鋼制造的高速列車制動盤的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼及其熱處理方法以及由該合金鑄鋼制造的高速列車制動盤，其組分及其各組分的重量百分含量是：碳0.18～0.26%；硅0.16～0.50%；錳0.55～1.40%；磷小于等于0.03%；硫小于等于0.03%；鉻0.90～2.00%；鎳0.71～1.80%；鉬0.65～1.20%；釩0.20～0.35%；其它組分含量總和≤0.30%，其中鎢小于0.1%；余量為鐵；其熱處理方法包括正火和調質兩個步驟。本發(fā)明的有益效果主要體現在：通過錳、鎳、鉻、鉬、釩等合金元素和鑄鋼材料中碳、硅等主要成分的合理配比，并進行有效的熱處理，使晶粒細化，提高了合金鑄鋼材料的淬透性和熱強性能，且常溫強度和高溫強度均有較大幅度的提高，具有優(yōu)良的綜合力學性能。用其制造的制動盤能夠滿足高速列車使用要求。
【專利說明】用于高速列車制動盤的合金鑄鋼及其熱處理方法以及由該合金鑄鋼制造的高速列車制動盤
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼及其熱處理方法以及由該合金鑄鋼制造的高速列車制動盤，屬于合金鋼材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]制動盤是高速列車制動系統(tǒng)的重要部件，尤其是250Km/h及更高速的動車組，制動盤的質量性能直接影響著動車組的各項性能指標。而對于制動盤質量性能影響最大的是制動盤所使用的合金鑄鋼材料的各項力學性能指標。國內現有高速列車鑄鋼制動盤主要依賴進口，且價格昂貴。
[0003]因此，為滿足我國高速鐵路發(fā)展的需要，開發(fā)一種綜合力學性能優(yōu)良、制造容易，且性價比高的高速列車制動盤用材料合金鑄鋼顯得尤為迫切。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的第一目的在于:提供一種制造容易、化學組分和配比合理、綜合力學性能優(yōu)良，用于高速列車制動盤的合金鑄鋼。
[0005]本發(fā)明的第一目的是通過以下技術方案來實現的:一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼，其組分及其各組分的重量百分含量是--碳0.18~0.26% ;硅0.16~0.50% ;錳0.55~1.40% ;磷小于等于0.03% ;硫小于等于0.03% ;鉻0.90~2.00% ;鎳0.71~1.80% ；鑰0.65~1.20% ;釩0.20~0.35% ;其他組分的含量總和小于等于0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
[0006]在上述技術方案中，所述合金鑄鋼熱處理后的金相組織為索氏體組織。索氏體基體組織相對于“馬氏體+貝氏體”基體組織而言，強度和硬度稍低一些，但伸長率和塑性高，綜合性能好。制動盤制動時，承受反復冷熱疲勞作用，要求材料既要有較高的強度，又有較好的塑性，物化綜合性能要好。因此索氏體基體組織的鑄鋼材料更適合于制作所述的制動盤。
[0007]本發(fā)明的合金鑄鋼可以采用現有技術中的感應電爐煉鋼工藝方法或類似的煉鋼工藝進行制備。所述高速列車合金鋼制動盤毛坯的鑄造方法，可以采用通常的鑄造方法。
[0008]下面詳細描述一下本發(fā)明的合金鑄鋼所含的各化學成分在鑄鋼冶煉中所起的作用、含量范圍及其優(yōu)選的含量范圍。
[0009]碳是擴大Y相區(qū)的元素，但因滲碳體的形成，不能無限固溶。鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊韌性降低。因此為了保證材料有好的綜合性能，含碳量不能過高。在本發(fā)明中，將碳含量控制在0.18~0.26% ;進一步優(yōu)選的碳含量為0.18~0.25%。
[0010]在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。在碳素鋼中加入0.70%以上的錳時就算“錳鋼”，較一般錳量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能。在本發(fā)明中，將錳含量控制在0.55~1.40%;優(yōu)選所述錳含量為0.60~1.40% ;更優(yōu)選所述錳含量為0.68~1.40% ;進一步優(yōu)選，所述錳含量為0.81~1.40% ;更進一步優(yōu)選，所述錳含量為0.84~1.40%。
[0011]鉻能提高鋼的強度、硬度和耐磨性。同時，鉻又能提高鋼的高溫強度，是耐熱鋼的重要合金元素。在本發(fā)明中，將鉻含量控制在0.90~2.00%，優(yōu)選鉻含量為1.00~2.00%,更優(yōu)選鉻含量為1.10~2.00%，進一步優(yōu)選鉻含量為1.10~1.82%，更進一步優(yōu)選鉻含量為 1.10 ~1.70%o
[0012]鎳是擴大奧氏體相區(qū)的元素，并且也是固溶強化元素，隨著鎳含量的增加，鋼的常溫強度和高溫強度增加，而對塑性和韌性影響不大，具體可以見圖1、圖2。在本發(fā)明中，將鎳含量控制在0.71~1.80%,優(yōu)選所述鎳含量為0.80~1.60% ;進一步優(yōu)選的所述鎳含量為0.90~1.50%,再進一步優(yōu)選鎳含量為0.96~1.50% ;更進一步優(yōu)選的鎳含量為0.96~1.50% ;再進一步優(yōu)選的鎳含量為0.96~1.40%。
[0013]鑰能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力發(fā)生變形，稱蠕變)。鋼中加入鑰，能提高機械性能；并且還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性。因此可以適當增加鑰的含量。在本發(fā)明中，將鑰含量控制在0.65~1.20%，優(yōu)選的鑰含量為0.65~1.19% ;再優(yōu)選的鑰含量為0.65~1.10% ;進一步優(yōu)選的鑰含量為0.65~1.02% ;更進一步優(yōu)選的鑰含量為0.65~1.00% ;再進一步優(yōu)選的鑰含量為0.65~0.96%。
[0014]鎳能細化鐵素體晶粒，在強度相同的條件下，鎳能提高鋼的塑性和韌性，尤其是低溫韌性。與Cr、Mo等聯合使用，可提高鋼的熱強性和常溫強度及耐磨性。因此本發(fā)明適當提聞了鎮(zhèn)的含量。
[0015]釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑，鋼 中加入適量的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性及耐磨性。在本發(fā)明中，將釩含量控制在0.20~0.35%，優(yōu)選的釩含量為0.20~0.34%，進一步優(yōu)選的釩含量為0.22~0.34%。
[0016]在本發(fā)明中，將硅含量控制在0.16~0.50%范圍內，優(yōu)選的硅含量為0.22~0.50%，更優(yōu)選的硅含量為0.25~0.50%，進一步優(yōu)選的硅含量為0.30~0.50%。
[0017]在本發(fā)明中，將磷、硫的含量均控制在小于等于0.03% ;優(yōu)選磷含量小于等于
0.03%、硫含量為小于等于0.02% ;進一步優(yōu)選的磷含量小于等于0.025%，硫含量為小于等于 0.013%。
[0018]在本發(fā)明中，將包括鈦、鎢、鈮等元素在內的其他組分的含量總和控制在小于等于0.30%，其中鎢< 0.1% ;優(yōu)選，其他元素包括鈦、鎢、鈮元素中的任意一種或任意二種或三種，其含量為鈦< 0.08%，鎢< 0.04%，鈮< 0.05% ;進一步優(yōu)選，其他元素包括鈦、鎢、鈮元素中的任意一種或任意二種或三種，其含量為鈦< 0.06%，鎢< 0.03%，鈮< 0.04%。
[0019]基于以上所述各組分含量的優(yōu)選，本發(fā)明主張實現第一目的的第二技術方案為:一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳0.18~
0.26% ;硅 0.25 ~0.50% ;錳 0.60 ~1.40% ;磷≤ 0.03% ;硫≤ 0.02% ;鉻 1.00 ~2.00% ;鎳
0.80~1.60% ;鑰0.65~1.10% M 0.20~0.35% ;其他組分的含量總和小于等于0.30%,其中鎢小于0.1%;鐵為余量。
[0020]基于以上所述各組分含量的優(yōu)選，本發(fā)明還主張實現第一目的的第三技術方案為:一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳
0.18 ~0.26% ;硅 0.30 ~0.50% ;錳 0.68 ~1.40% ;磷≤ 0.025% ;硫≤ 0.013% ;鉻 1.10 ~
1.82% ；鎳0.90~1.50% ；鑰0.65~1.02% ；釩0.22~0.34% ;其他組分的含量總和≤0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
[0021]進一步地，本發(fā)明還主張實現第一目的的第四技術方案為:一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼，其組分及其各組分的重量百分含量是--碳0.18~0.26% ;硅0.30~0.50% M 0.81 ~1.40% ;磷≤ 0.025% ;硫≤ 0.013% ;鉻 1.10 ~1.70% ;鎳 0.96 ~1.50% ；鑰0.65~1.00% ;釩0.22~0.34% ;其他組分的含量總和≤ 0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
[0022]本發(fā)明的第二目的在于提供一種能進一步改善所述合金鑄鋼的力學性能、減少其變形和裂紋傾向的前述合金鑄鋼的熱處理方法。
[0023]本發(fā)明的第二目的是通過提供下述所述合金鑄鋼的熱處理方法來實現的。
[0024]一種熱處理如前述實現其第一目的的技術方案所述的合金鑄鋼的方法，以所述合金鑄鋼的鑄件為熱處理對象，依次包括正火處理和調質處理:
所述正火處理，是將處理對象升溫至900°C~980°C、保溫3.5~5小時后，風冷至常
溫；
所述調質處理，包括先進行淬火處理，所述淬火處理是將經過正火處理的處理對象升溫至900°C~980°C、保溫3.5~5小時后，水淬；隨后進行回火處理，所述回火處理是將經淬火處理的處理對象升溫至580~650°C、保溫3.5~5小時后，風冷或水冷至常溫。
[0025]優(yōu)選，在所述合金鑄鋼的熱處理方法中，進行所述正火處理和淬火處理時，當所用的熱處理設備沒有調節(jié)升溫速度的功能時，其正火處理和淬火處理的升溫過程為，首先升溫至650°C~700°C、保溫I~2小時后，再升溫至900°C~980°C ;當所用的熱處理設備具有調節(jié)升溫速度的功能時，所述處理對象的裝爐溫度小于等于200°C，正火處理和淬火處理的升溫速度為120~200°C /小時。
[0026]進一步優(yōu)選，所述合金鑄鋼的熱處理方法，
所述正火處理的溫度是921°C~980°C ；
所述調質處理的淬火處理溫度是921°C~980°C ;回火處理的溫度是621~650°C。且進行所述正火處理和淬火處理時，當所用的熱處理設備沒有調節(jié)升溫速度的功能時，其正火處理和淬火處理的升溫過程為，首先升溫至650°C~700°C、保溫1~2小時后，再升溫至921°C~980°C ;當所用的熱處理設備具有調節(jié)升溫速度的功能時，處理對象的裝爐溫度小于等于200°C，正火處理和淬火處理的升溫速度為120~200°C /小時。
[0027]本發(fā)明第三個目的還提供一種由如前所述的合金鑄鋼制成的高速列車制動盤。
[0028]本發(fā)明的有益效果主要體現在:
(I)通過對錳、鎳、鉻、鑰、釩多個合金成分的合理選擇和對包括鈦、鎢、鈮等在內的其他組分的控制，在保證鑄鋼強度增加的同時，還能保證材料的塑性和韌性不受較大影響，避免了因強度增加導致材料塑性和韌性明顯下降的現象。所制得的合金鑄鋼材料綜合力學性能優(yōu)良。
[0029](2)通過對錳、鎳、鉻、鑰、釩多個合金成分及其與碳、硅等主要成分的合理配比，提高了合金鑄鋼材料的淬透性和熱強性能，而且常溫強度和高溫強度也得到了較大幅度提聞。
[0030](3)通過對錳、鎳、鉻、鑰、釩多個合金成分及其與碳、硅等其它主要成分的合理配比及對包括鈦、鎢、鈮等在內的其他組分的控制，本發(fā)明的合金鑄鋼材料的耐磨性要優(yōu)于現有技術。采用本發(fā)明技術方案所獲得的合金鑄鋼材料的布氏硬度值達到300~388HBW(見表6)。
[0031](4)本發(fā)明的合金鑄鋼材料經適當的熱處理后，晶粒細化，進一步提高了合金鑄鋼材料的抗拉強度、屈服強度及韌性，高溫強度和塑性也得到了明顯改善，變形和裂紋傾向小。
[0032](5)本發(fā)明的合金鑄鋼經熱處理后所達到的力學性能指標如下:抗拉強度≥1050MPa ;屈服強度≥935MPa ;延伸率≥14% ;斷面收縮率≥35% ;布氏硬度值為300~388HBW ;完全能夠滿足250Km/h及以上的高速列車的制動盤材料要求。
[0033]此外，本發(fā)明的合金鑄鋼采用常規(guī)的感應電爐煉鋼工藝方法或類似的煉鋼工藝進行制備，冶煉方便，鑄造容易，生產制造成本降低，更有利于工業(yè)化的實施和推廣。
[0034]用本發(fā)明的合金鑄鋼材料制造的高速動車組制動盤初樣，在高速動車組上試運行的試驗結果表明，用本發(fā)明的合金鑄鋼材料制造的高速動車組制動盤質量穩(wěn)定、性能優(yōu)異、使用壽命長(見表8)；同時，與國外同類產品相比，制造容易，還具有較高的性價比優(yōu)勢。
[0035]綜上所述，由于本發(fā)明通過對錳、鉻、鎳、鑰、釩等合金成分和鑄鋼材料中碳、硅等其他主要成分的合理選擇和配比及對包括鈦、鎢、鈮等在內的其他組分的控制，在適當的熱處理后，使晶粒細化，提高了合金鑄鋼材料的淬透性和熱強性能，常溫強度和高溫強度較大幅度提高，所制得的合金鑄鋼不僅有較高的抗拉強度和屈服強度，在塑、韌性方面也有較好的表現，綜合力學性能優(yōu)良。同時，本發(fā)明的合金鑄鋼材料還具有耐磨性能好、變形和裂紋傾向小、冶煉方便、鑄造容易和生產制造成本低的優(yōu)點，有利于延長高速列車制動盤的使用壽命和工業(yè)化推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0037]圖1為含鎳量與合金鑄鋼的常溫強度及高溫強度的關系圖；
圖2為含鎳量與合金鑄鋼的伸長率及斷面收縮率的關系圖；
圖3為本發(fā)明的具體實施例的淬火溫度、調質前是否正火處理和合金鑄鋼抗拉強度的關系圖；
圖4為本發(fā)明的具體實施例的淬火溫度、調質前是否正火處理和合金鑄鋼伸長率的關系圖；
圖5為本發(fā)明的具體實施例的淬火溫度和合金鑄鋼抗拉強度、屈服強度的關系圖；
圖6為本發(fā)明的具體實施例的淬火溫度和合金鑄鋼的伸長率、斷面收縮率的關系圖； 圖7為本發(fā)明的具體實施例的合金鑄鋼經熱處理后的金相組織放大100倍時的圖片； 圖8為本發(fā)明的具體實施例的合金鑄鋼經熱處理后的金相組織放大500倍時的圖片。
【具體實施方式】
[0038]有關本發(fā)明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下【具體實施方式】的詳細說明中，將可清楚的呈現。然而本領域技術人員將意識到此處的參考了附圖的具體描述僅僅用于示例目的，本發(fā)明并不局限于此。
[0039]表1本發(fā)明的合金鑄鋼的化學成分范圍(重量百分含分含量％)
【權利要求】
1.一種用于高速列車制動盤的合金鑄鋼，其特征在于，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳 0.18 ~0.26% ;硅 0.16 ~0.50% ;錳 0.55 ~1.40% ;磷≤ 0.03% ;硫≤ 0.03% ;鉻0.90~2.00% M 0.71~1.80% ;鑰0.65~1.20% ;釩0.20~0.35% ;其他組分的含量總和(0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
2.根據權利要求1所述的合金鑄鋼，其特征在于，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳 0.18 ~0.26% ;硅 0.25 ~0.50% ;錳 0.60 ~L 40% ;磷≤ 0.03% ;硫≤ 0.02% ;鉻1.00~2.00% M 0.80~1.60% ;鑰0.65~1.10% ;釩0.20~0.35% ;其他組分的含量總和(0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
3.根據權利要求1所述的合金鑄鋼，其特征在于，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳 0.18 ~0.26% ;硅 0.30 ~0.50% ;錳 0.68 ~1.40% ;磷≤ 0.025% ;硫≤ 0.013% ;鉻1.10~1.82% M 0.90~1.50% ;鑰0.65~1.02% ;釩0.22~0.34% ;其他組分的含量總和(0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
4.根據權利要求1所述的合金鑄鋼，其特征在于，其組分及其各組分的重量百分含量是:碳 0.18 ~0.26% ;硅 0.30 ~0.50% ;錳 0.81 ~1.40% ;磷≤ 0.025% ;硫≤ 0.013% ;鉻1.10~1.70% M 0.96~1.50% ;鑰0.65~1.00% ;釩0.22~0.34% ;其他組分的含量總和(0.30%，其中鎢小于0.1% ;鐵為余量。
5.根據權利要求4所述的合金鑄鋼，其特征在于，所述鎳為0.96~1.40%。
6.根據權利要求1所述的合金鑄鋼，其特征在于，所述錳為0.81~1.40%。
7.根據權利要求1至6之一所述的合金鑄鋼，其特征在于，所述其他組分包括鈦、鎢、鈮中的任意一種或任意二種或三種；其含量為鈦< 0.08%，鎢< 0.04%，鈮< 0.05%。
8.根據權利要求7所述的合金鑄鋼，其特征在于，所述其他組分包括的鈦、鎢、鈮的含量為:鈦≤0.06%，鎢≤0.03%，鈮≤0.04%ο
9.一種如權利要求1至8之一所述的合金鑄鋼的熱處理方法，以所述合金鋼鑄件為處理對象，依次包括正火處理和調質處理，其特征在于， 所述正火處理是將處理對象，升溫至900°C~980°C、保溫3.5~5小時后，風冷至常溫； 所述調質處理，包括先進行淬火處理，所述淬火處理是將經過正火處理的處理對象，升溫至900°C~980°C、保溫3.5~5小時后，水淬；隨后進行回火處理，所述回火處理是將經過淬火處理的處理對象升溫至580~650°C、保溫3.5~5小時后，風冷或水冷至常溫。
10.根據權利要求9所述的合金鑄鋼的熱處理方法，其特征在于，所述正火處理和淬火處理的升溫過程為，當所用的熱處理設備沒有調節(jié)升溫速度的功能時，首先升溫至650°C~700°C、保溫I~2小時后，再升溫至900°C~980°C ;當所用的熱處理設備具有調節(jié)升溫速度的功能時，所述熱處理對象的裝爐溫度為< 200°C，正火處理和淬火處理的升溫速度均為120 ~2000C / 小時。
11.根據權利要求9所述的合金鑄鋼的熱處理方法，其特征在于，所述正火處理的溫度是 921°C~980°C ； 所述調質處理的淬火溫度是921°C~980°C ;回火處理的溫度是621~650°C，且所述正火處理和淬火處理的升溫過程為，當所用的熱處理設備沒有調節(jié)升溫速度的功能時，首先升溫至650°C~700°C、保溫I~2小時后，再升溫至921°C~980°C ;當所用的熱處理設備具有調節(jié)升溫速度的功能時，所述熱處理對象的裝爐溫度為< 200°C，正火處理和淬火處理的升溫速度均為120~200°C /小時。
12.根據權利要求9所述的合金鑄鋼的熱處理方法，其特征在于，所述合金鑄鋼熱處理后的金相組織為索氏體組織。
13.一種由如權利要求1至8之一所述的合金鑄鋼制成的高速列車制動盤。
【文檔編號】C21D1/25GK103510024SQ201210217930
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月28日 優(yōu)先權日:2012年6月28日
【發(fā)明者】錢坤才, 金文偉, 郭曉暉, 嚴運濤, 徐建國, 李偉, 郭立賓, 張勛林, 鄭劍云, 王陽, 闕紅波 申請人:南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 常州南車鐵馬科技實業(yè)有限公司