一種高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝，包括以下步驟：按質(zhì)量百分比進(jìn)行配料稱重，在中頻電爐冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，然后在液壓機(jī)上進(jìn)行液態(tài)模鍛，并在1150℃左右脫模，采用自由鍛加束縛鍛的復(fù)合鍛造方式對坯料進(jìn)行鍛造，得到二次鍛坯；然后對二次鍛坯采用水冷?空冷兩次循環(huán)交替方式進(jìn)行淬火熱處理；最后，對淬火后的二次鍛造坯采用回火?水冷?再回火?再水冷的二次回火處理，即得到所述高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。本發(fā)明的鍛造工藝與熱處理工藝的組合有效地防止了形狀復(fù)雜的鍛件淬火開裂，而且制造的高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件的綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于低溫制動(dòng)。
【專利說明】
[0001] 一種高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及高速列車制動(dòng)用的摩擦材料領(lǐng)域，具體涉及一種鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料 及其鍛件的鍛造工藝。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著高速列車速度的提高，對列車制動(dòng)的及時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性提出了更高的 要求，這也意味著對列車制動(dòng)裝置和制動(dòng)材料的質(zhì)量和性能需要滿足更高的要求。目前，用 作高速列車制動(dòng)盤的材料主要為鋼系金屬材料，包括鑄鋼和鍛鋼兩種。由于國內(nèi)鑄造水平 的限制，用作高速列車制動(dòng)盤的鑄鋼生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，易出現(xiàn)質(zhì)量問題而影響制動(dòng)盤的使 用效果和壽命。而鍛鋼的制作工藝已相對成熟，鍛鋼材料的制動(dòng)盤具有良好的制動(dòng)效果和 理想的壽命。此外，國外技術(shù)領(lǐng)先的國家，在對傳統(tǒng)的鋼系制動(dòng)材料進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的同 時(shí)，還不斷地開發(fā)新的制動(dòng)材料，如錯(cuò)基復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)石墨復(fù)合材料等。
[0004] 目前，我國高速列車制動(dòng)材料與國際先進(jìn)水平差別很大，現(xiàn)階段制動(dòng)盤主要還依 賴于進(jìn)口。近幾年來，國內(nèi)大量科技工作者對新制動(dòng)材料進(jìn)行相關(guān)研究，但由于技術(shù)儲(chǔ)備薄 弱，開發(fā)研究還并不成熟，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。與此同時(shí)，鍛鋼與其他制動(dòng)盤材料相比，具有工 藝簡單、成本低廉以及性能良好的優(yōu)勢，已廣泛使用于我國高速列車制動(dòng)系統(tǒng)中。
[0005] 制動(dòng)盤失效的直接原因是高速列車制動(dòng)過程中產(chǎn)生劇烈的高溫摩擦和大量的熱 傳遞。因此，摩擦制動(dòng)材料不僅應(yīng)該具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的散熱特性、高的熱導(dǎo)性 和小的膨脹系數(shù)，此外還需要制動(dòng)盤要有穩(wěn)定的摩擦性能，摩擦因數(shù)受環(huán)境影響要小，低的 磨損率和高的耐磨性，良好的抗熱裂性。
[0006] 在制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤的摩擦表面膜的形成也會(huì)對制動(dòng)盤的摩擦性能產(chǎn)生極為重 要的影響。摩擦表面膜的形成與制動(dòng)材料在制動(dòng)過程中的磨損機(jī)理有緊密聯(lián)系。在制動(dòng)初 期，磨損機(jī)理主要以磨粒磨損為主，以氧化磨損和粘著磨損為輔;在制動(dòng)后期，當(dāng)摩擦表面 膜形成后，磨損機(jī)理又以剝層磨損為主，并伴隨著氧化磨損和粘著磨損。因此，選擇合適的 制動(dòng)盤材料至關(guān)重要，若材料選擇不當(dāng)，高度列車在制動(dòng)時(shí)會(huì)因各種原因發(fā)生失效，從而產(chǎn) 生危險(xiǎn)。
[0007] 鍛鋼制動(dòng)盤較其他金屬摩擦制動(dòng)材料而言，具有更高的強(qiáng)度（多SOOMPa)和良好的 韌性，此外，鍛鋼還具有較高的抗熱龜裂性、良好的耐磨性和耐熱疲勞，其高溫強(qiáng)度、摩擦性 能及耐疲勞性都較優(yōu)良，因此其使用壽命較長。在日本在新干線快速列車上已廣泛采用的 Ni-Cr-Mo低合金鍛鋼制動(dòng)盤，能夠滿足時(shí)速為260km/h的列車制動(dòng)要求。法國在TGV-A列車 上使用的制動(dòng)材料為Cr-Mo-V低合金鍛鋼制動(dòng)盤，其制動(dòng)盤在列車時(shí)速為300km/h制動(dòng)過程 中，顯不出鍛鋼材料的良好綜合性能。
[0008] 我國生產(chǎn)的鍛鋼制動(dòng)盤與發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品尚存在一定的差距。盡管從"九五"開始 國內(nèi)相關(guān)研究單位和生產(chǎn)廠家一直努力提高制動(dòng)盤的制動(dòng)性能，并取得了明顯的進(jìn)步，但 其使用壽命短，低溫韌性差等缺點(diǎn)尚未得到根本解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種能耗低、鋼材利用率高、生 產(chǎn)成本低、綜合性能好的高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝，鍛造出來的 材料能達(dá)到高速列車制動(dòng)的各項(xiàng)要求指標(biāo)。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料，以質(zhì)量百分比為單位， 其原料及配比如下： 碳 0.22~0.43%; 硅 0.20~0.87%; 錳 0.51~1.08%; 硫 0.001~0.035%; 磷 0.001~0.035%; 鉻 0.80~2.04%; 鎳 0.80~2.05%; 釩 0.10~1.0%; 鉬 0.10~0.35%; IL 1.0~2.50%; 鈰 0.20~0.40%; 鐵 余量，上述各組分的質(zhì)量總和為1〇〇%。
[0011] 本發(fā)明的目的之二是提供一種上述高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件的鍛造工藝，包 括如下步驟： 采用上述原料，在中頻電爐中冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，然后在液壓機(jī)上進(jìn)行液態(tài)模鍛，并在 1150°C進(jìn)行脫模，脫模后立即采用自由鍛+束縛鍛終鍛成型，具體步驟如下： (1) 配料:按上述比例配料稱重； (2) 冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水； (3) 液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮簼茶T保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至250~350Γ， 當(dāng)坯件溫度在1150 °C時(shí)立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進(jìn)行自由鍛鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長， 得到一次鍛造坯;然后再將自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長，得到 二次鍛造坯； (5) 性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛坯溫度進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火，然后 再回火-水冷，得到高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。
[0012] 進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氬凈化。
[0013] 進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述液態(tài)模鍛機(jī)模具采用內(nèi)層為高溫合金的復(fù)合模 具，澆鑄過程中用循環(huán)水冷卻模具，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量、壓力使模具溫度控制在450°C以 內(nèi)。
[0014] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，將自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫 度為1150 °C，終鍛溫度為950 °C，鍛造比大于3.5:1。
[0015] 進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，將自由鍛徑向束縛再次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造坯，鍛 造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1。
[0016] 進(jìn)一步地，上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火，水冷時(shí)對水進(jìn)行攪拌處 理，其中，水的攪拌流速不小于〇. 8m/s。
[0017] 進(jìn)一步地，上述步驟(5)中，對淬火后的二次鍛造坯采用在600°C、保溫5h回火-水 冷至室溫-再550 °C、保溫5h回火-再水冷至室溫的二次回火處理。
[0018] 本發(fā)明的高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝，選用特殊鋼鐵材 料，并將鍛造工藝和熱處理工藝組合起來，即液態(tài)模鍛結(jié)合自由鍛+束縛鍛的復(fù)合鍛造工藝 結(jié)合水冷-空冷兩次次循環(huán)交替間歇淬火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，不僅有效地防止了形狀復(fù)雜 的大鍛件淬火開裂，而且制造的高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學(xué)性能 尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于不同環(huán)境下的高速列車制動(dòng)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明鋼鍛件的金相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0021 ]確定鋼材料的成分并按比例進(jìn)行配料稱重，如下表1 (單位:kg):
實(shí)施例1: (1) 配料:按表1進(jìn)行配料稱重； (2) 冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，冶煉過程中，對鋼水的化學(xué)成分進(jìn)行 實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗(yàn)不合格的通過對含量不足的化學(xué)成分進(jìn)行添加，含 量過量的化學(xué)成分進(jìn)行稀釋等方式進(jìn)行調(diào)整，直到鋼水的化學(xué)成分達(dá)到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氬凈化，提高鋼水純凈度； (3) 液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮簼茶T保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至250Γ，當(dāng)坯 件溫度在1150 °C時(shí)立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進(jìn)行自由鍛鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長， 得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為750°C，鍛造比大于3.5:1;然后再將 自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度 為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1; (5) 性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛坯溫度950°C進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火， 水冷卻3min-空氣冷卻30min-水冷卻5min-空氣冷卻30min，然后再對淬火后的二次鍛造 坯采用在600 °C、保溫5h回火-水冷至室溫-再550 °C、保溫5h回火-再水冷至室溫的二次回火 處理，得到高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。
[0022] 實(shí)施例2: (1) 配料:按表1進(jìn)行配料稱重； (2) 冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，冶煉過程中，對鋼水的化學(xué)成分進(jìn)行 實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗(yàn)不合格的通過對含量不足的化學(xué)成分進(jìn)行添加，含 量過量的化學(xué)成分進(jìn)行稀釋等方式進(jìn)行調(diào)整，直到鋼水的化學(xué)成分達(dá)到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氬凈化，提高鋼水純凈度； (3) 液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮簼茶T保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至300Γ，當(dāng)坯 件溫度在1150 °C時(shí)立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進(jìn)行自由鍛鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長， 得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為750°C，鍛造比大于3.5:1;然后再將 自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度 為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1; (5) 性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛坯溫度950°C進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火， 水冷卻4min-空氣冷卻40min-水冷卻4min-空氣冷卻40min，然后再對淬火后的二次鍛造 坯采用在600 °C、保溫5h回火-水冷至室溫-再550 °C、保溫5h回火-再水冷至室溫的二次回火 處理，得到高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。
[0023] 實(shí)施例3: (1) 配料:按表1進(jìn)行配料稱重； (2) 冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，冶煉過程中，對鋼水的化學(xué)成分進(jìn)行 實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗(yàn)不合格的通過對含量不足的化學(xué)成分進(jìn)行添加，含 量過量的化學(xué)成分進(jìn)行稀釋等方式進(jìn)行調(diào)整，直到鋼水的化學(xué)成分達(dá)到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進(jìn)行吹氬凈化，提高鋼水純凈度； (3) 液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮簼茶T保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至350Γ，當(dāng)坯 件溫度在1150 °C時(shí)立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進(jìn)行自由鍛鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長， 得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為750°C，鍛造比大于3.5:1;然后再將 自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度 為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1; (5) 性能熱處理:利用束縛鍛造后的鍛坯溫度950°C進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火， 水冷卻5min-空氣冷卻20min-水冷卻5min-空氣冷卻20min，然后再對淬火后的二次鍛造 坯采用在600 °C、保溫5h回火-水冷至室溫-再550 °C、保溫5h回火-再水冷至室溫的二次回火 處理，得到高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。
[0024]經(jīng)過上述制造方法獲得高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件綜合力學(xué)數(shù)據(jù)對比，如下表 2： 表2高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件綜合力學(xué)數(shù)據(jù)對比
由表2可知，上述3個(gè)實(shí)施例產(chǎn)品與國際技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行對比，本發(fā)明獲得的產(chǎn)品力 學(xué)參數(shù)均遠(yuǎn)高于國際技術(shù)規(guī)范要求。制造的高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件的綜合力學(xué)性能 尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于低溫制動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼材料，其特征在于：以質(zhì)量百分比計(jì)，其原料及配比如 下： 碳 0.22~0.43%; 硅 0.20~0.87%; 錳 0.51~1.08%; 硫 0.001~0.035%; 磷 0.001~0.035%; 鉻 0.80~2.04%; 鎳 0.80~2.05%; 釩 0.10~1.0%; 鉬 0.10~0.35%; 釓 1.0~2.50%; 鈰 0.20~0.40%; 鐵 余量;上述各組分質(zhì)量總和為100%。2. -種如權(quán)利要求1所述高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件的鍛造工藝，其特征在于，采用 上述原料，在中頻電爐中冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水，然后在液壓機(jī)上進(jìn)行液態(tài)模鍛，并在1150°C進(jìn)行 脫模，脫模后立即采用自由鍛+束縛鍛終鍛成型。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鍛造工藝，其特征在于，具體步驟如下： (1) 配料:按上述比例配料稱重； (2) 冶煉:采用中頻電爐將原料冶煉成優(yōu)質(zhì)鋼水； (3) 液態(tài)模鍛:將冶煉好的鋼水倒入充滿氮?dú)獾臍鈮簼茶T保溫爐內(nèi)進(jìn)行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機(jī)模具中進(jìn)行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進(jìn)行預(yù)熱至250~350Γ， 當(dāng)坯件溫度在1150 °C時(shí)立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進(jìn)行自由鍛鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長， 得到一次鍛造坯;然后再將自由鍛在徑向束縛條件下鐓粗-拔長-二次鐓粗-二次拔長，得到 二次鍛造坯； (5) 性能熱處理：利用束縛鍛造后的鍛坯溫度進(jìn)行水冷-空冷交替循環(huán)兩次淬火，然后 再回火-水冷，得到高速列車鍛鋼制動(dòng)盤用鋼鍛件。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進(jìn) 行吹氬凈化。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(3)中，所述液態(tài)模鍛機(jī)模具 采用內(nèi)層為高溫合金的復(fù)合模具，澆鑄過程中用循環(huán)水冷卻模具，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量、壓 力使模具溫度控制在450 °C以內(nèi)。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(4)中，將自由鍛進(jìn)行初次鍛 造得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為750°C，鍛造比大于3.5:1。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(4)中，將自由鍛徑向束縛再 次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為950°C，鍛造比大于3:1。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(5)中，水冷-空冷交替循環(huán) 兩次淬火，水冷時(shí)對水進(jìn)行攪拌處理，其中，水的攪拌流速不小于0. 8 m/s。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造工藝，其特征在于:上述步驟(5)中，對淬火后的二次鍛造 坯采用在600 °C、保溫5h回火-水冷至室溫-再550 °C、保溫5h回火-再水冷至室溫的二次回火 處理。
【文檔編號(hào)】C22C38/12GK106086679SQ201610658175
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號(hào)201610658175.0, CN 106086679 A, CN 106086679A, CN 201610658175, CN-A-106086679, CN106086679 A, CN106086679A, CN201610658175, CN201610658175.0
【發(fā)明人】巨佳, 王章忠, 張保森, 巴志新, 毛向陽, 李曌祎
【申請人】南京工程學(xué)院