一種高速列車鍛鋼制動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，然后在液壓機上進行液態(tài)模鍛，并在1150℃左右脫模，采用自由鍛加束縛鍛的復合鍛造方式對坯料進行鍛造，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雜的鍛件淬火開裂，而且制造的高速列車鍛鋼制動盤用鋼鍛件的綜合力學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。
【專利說明】
[0001] 一種高速列車鍛鋼制動盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝
技術(shù)領域
[0002] 本發(fā)明涉及高速列車制動用的摩擦材料領域，具體涉及一種鍛鋼制動盤用鋼材料 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，對列車制動的及時性、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裝置和制動材料的質(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，鍛鋼材料的制動盤具有良好的制動效果和 理想的壽命。此外，國外技術(shù)領先的國家，在對傳統(tǒng)的鋼系制動材料進行優(yōu)化和改進的同 時，還不斷地開發(fā)新的制動材料，如錯基復合材料和碳纖維增強石墨復合材料等。
[0004] 目前，我國高速列車制動材料與國際先進水平差別很大，現(xiàn)階段制動盤主要還依 賴于進口。近幾年來，國內(nèi)大量科技工作者對新制動材料進行相關研究，但由于技術(shù)儲備薄 弱，開發(fā)研究還并不成熟，難以實現(xiàn)工業(yè)化。與此同時，鍛鋼與其他制動盤材料相比，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系統(tǒng)中。
[0005] 制動盤失效的直接原因是高速列車制動過程中產(chǎn)生劇烈的高溫摩擦和大量的熱 傳遞。因此，摩擦制動材料不僅應該具有足夠高的機械強度、良好的散熱特性、高的熱導性 和小的膨脹系數(shù)，此外還需要制動盤要有穩(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] 在制動過程中，制動盤的摩擦表面膜的形成也會對制動盤的摩擦性能產(chǎn)生極為重 要的影響。摩擦表面膜的形成與制動材料在制動過程中的磨損機理有緊密聯(lián)系。在制動初 期，磨損機理主要以磨粒磨損為主，以氧化磨損和粘著磨損為輔;在制動后期，當摩擦表面 膜形成后，磨損機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 制動盤材料至關重要，若材料選擇不當，高度列車在制動時會因各種原因發(fā)生失效，從而產(chǎn) 生危險。
[0007] 鍛鋼制動盤較其他金屬摩擦制動材料而言，具有更高的強度（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低合金鍛鋼制動盤，能夠滿足時速為260km/h的列車制動要求。法國在TGV-A列車 上使用的制動材料為Cr-Mo-V低合金鍛鋼制動盤，其制動盤在列車時速為300km/h制動過程 中，顯不出鍛鋼材料的良好綜合性能。
[0008] 我國生產(chǎn)的鍛鋼制動盤與發(fā)達國家的產(chǎn)品尚存在一定的差距。盡管從"九五"開始 國內(nèi)相關研究單位和生產(chǎn)廠家一直努力提高制動盤的制動性能，并取得了明顯的進步，但 其使用壽命短，低溫韌性差等缺點尚未得到根本解決。

【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盤用鋼材料及其鍛件的鍛造工藝，鍛造出來的 材料能達到高速列車制動的各項要求指標。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高速列車鍛鋼制動盤用鋼材料，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，然后在液壓機上進行液態(tài)模鍛，并在 1150°C進行脫模，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氣的氣壓澆鑄保溫爐內(nèi)進行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機模具中進行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至250~350Γ， 當坯件溫度在1150 °C時立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進行自由鍛鐓粗-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盤用鋼鍛件。
[0012] 進一步地，上述步驟(2)中，鋼水冶煉完畢后，進行吹氬凈化。
[0013] 進一步地，上述步驟(3)中，所述液態(tài)模鍛機模具采用內(nèi)層為高溫合金的復合模 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] 進一步地，上述步驟(4)中，將自由鍛進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] 進一步地，上述步驟(4)中，將自由鍛徑向束縛再次進行鍛造，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，水冷時對水進行攪拌處 理，其中，水的攪拌流速不小于〇. 8m/s。
[0017] 進一步地，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雜 的大鍛件淬火開裂，而且制造的高速列車鍛鋼制動盤用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學性能 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。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明鋼鍛件的金相圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0021 ]確定鋼材料的成分并按比例進行配料稱重，如下表1 (單位:kg):
實施例1: (1) 配料:按表1進行配料稱重； (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，對鋼水的化學成分進行 實時檢驗，檢驗合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗不合格的通過對含量不足的化學成分進行添加，含 量過量的化學成分進行稀釋等方式進行調(diào)整，直到鋼水的化學成分達到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進行吹氬凈化，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氣的氣壓澆鑄保溫爐內(nèi)進行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機模具中進行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至250Γ，當坯 件溫度在1150 °C時立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進行自由鍛鐓粗-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盤用鋼鍛件。
[0022] 實施例2: (1) 配料:按表1進行配料稱重； (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，對鋼水的化學成分進行 實時檢驗，檢驗合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗不合格的通過對含量不足的化學成分進行添加，含 量過量的化學成分進行稀釋等方式進行調(diào)整，直到鋼水的化學成分達到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進行吹氬凈化，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氣的氣壓澆鑄保溫爐內(nèi)進行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機模具中進行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至300Γ，當坯 件溫度在1150 °C時立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進行自由鍛鐓粗-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盤用鋼鍛件。
[0023] 實施例3: (1) 配料:按表1進行配料稱重； (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，對鋼水的化學成分進行 實時檢驗，檢驗合格即為優(yōu)質(zhì)鋼水;檢驗不合格的通過對含量不足的化學成分進行添加，含 量過量的化學成分進行稀釋等方式進行調(diào)整，直到鋼水的化學成分達到要求，即成為優(yōu)質(zhì) 鋼水，鋼水冶煉完畢后，進行吹氬凈化，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氣的氣壓澆鑄保溫爐內(nèi)進行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機模具中進行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至350Γ，當坯 件溫度在1150 °C時立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進行自由鍛鐓粗-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盤用鋼鍛件綜合力學數(shù)據(jù)對比，如下表 2： 表2高速列車鍛鋼制動盤用鋼鍛件綜合力學數(shù)據(jù)對比
由表2可知，上述3個實施例產(chǎn)品與國際技術(shù)規(guī)范要求進行對比，本發(fā)明獲得的產(chǎn)品力 學參數(shù)均遠高于國際技術(shù)規(guī)范要求。制造的高速列車鍛鋼制動盤用鋼鍛件的綜合力學性能 尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于低溫制動。
【主權(quán)項】
1. 一種高速列車鍛鋼制動盤用鋼材料，其特征在于：以質(zhì)量百分比計，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，然后在液壓機上進行液態(tài)模鍛，并在1150°C進行 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氣的氣壓澆鑄保溫爐內(nèi)進行保溫;再將保溫 爐內(nèi)鋼水澆鑄到液態(tài)模鍛機模具中進行液態(tài)模鍛，澆鑄前要將模具進行預熱至250~350Γ， 當坯件溫度在1150 °C時立即脫模； (4) 終鍛成型：將脫模后的高溫坯件立即進行自由鍛鐓粗-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 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)模鍛機模具 采用內(nèi)層為高溫合金的復合模具，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，水冷時對水進行攪拌處理，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】C22C38/12GK106086679SQ201610658175
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號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】南京工程學院