專利名稱：：制動盤用合金鋼的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種制動盤用合金鋼以及由這種合金鋼制成的制動盤，屬于金屬材料冶金領域。
背景技術：
：車輛制動盤，特別是高速列車等的制動盤，均是在強摩擦、高熱負荷以及較大制動力和離心力等復雜工況下工作，制動盤工作的可靠性幾乎決定了整個基礎制動裝置的可靠性水平，直接影響列車的行車安全。目前，世界鐵路機車車輛制動盤材料基本上都是采用鑄鐵，這種材料具有成本低、耐磨性好等優(yōu)點，在鐵路機車車輛上發(fā)揮著重要的作用。隨著高速鐵路飛速發(fā)展，通常采用的鑄鐵制動盤的機械強度及摩擦性能難以滿足高速緊急制動時所需消耗的制動能，不適合用于高速列車。高速列車制動盤必須采用機械強度高、抗熱疲勞性能好的鋼制動盤，同時，制動盤的材質還必須具有好的抗熱裂性、穩(wěn)定的摩擦性能和良好的散熱性(導熱性)。中國專利申請01137007.6號中公開了一種用于盤式制動器制動盤的不銹鋼，該不銹鋼的成分主要包括(質量百分比)C:0.04-0.10%，Si:最多1.0%,Mn:0.1-2.0%，P:最多0.04%，S:最多0.01%，Cr:大于11.5到13.5%，Al:最多0.1%,N:最多0.04%，Cu:0-1.0%，Ni:0-1.0%，Ti:0-0.03%，還包括如下一種或多種Nb:0.01-0.08%和V:0.05-0.5%。上述不銹鋼是一種馬氏體不銹鋼，存在耐磨性差、易出現(xiàn)熱裂紋等缺陷，利用這種不銹鋼材料制造的制動盤，容易產生熱疲勞。中國專利申請02103951.8號中公開了一種用于高速列車制動盤的合金結構鋼，該合金結構鋼包括以下一些組成(重量百分比)C:0.25-0.35%，Si:0.4-0.70/o，Ni:0.2-0.5o/o，Cr:1.0-1.9，Mn:0.5-1.2%，Mo:0.5-1.00/o，V:0.1-0,3%，S:<0.007°/。，P:<0.015%，其余成分為Fe。上述合金結構鋼是一種鍛鋼材料，利用這種材料制成的鍛鋼制動盤的散熱速度比較慢，高速制動時摩擦表面溫度較高，易形成熱斑，抗熱疲勞能力較低。而從國內外的經驗來看，熱疲勞是造成制動盤失效破壞的主要原因，因此，為保證制動裝置的高可靠性以及列車運行的安全性，對制動盤材料進行研究具有重要的意義。
發(fā)明內容本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種制動盤用新型合金鋼材料，利用該材料制造的制動盤具有較高的機械強度和抗熱疲勞性能，能夠在強摩擦和高熱負荷的復雜工況下連續(xù)工作而不出現(xiàn)熱疲勞等情況。本發(fā)明所解決的技術問題還在于提供一種采用上述合金鋼材料制成的制動盤。首先，本發(fā)明提供了一種制動盤用合金鋼，其化學組成包括，以重量碳(C):0.21-0.26%，硅(Si):0.8-1.0%，錳(Mn):0.5-1.0%,鉻(Cr):1.2-1.55%，鎳(Ni):1.95-1.99%,鉬(Mo):0.34-0.41%，釩(V):0.1-0.2%，鈮(Nb):0.05-0.06%，鴿(W):$0,01%，鈦(Ti):鋁(Al):S0.02%，銅(Cu):0.05-0.09%，鋯(Zr):0.02-0.03°/。，其余為鐵和不可避免的雜質。本發(fā)明所提供的合金鋼的主要成分包括碳、鐵、硅、錳、鉻、鎳、鉬、釩等；提高性能的成分包括鈮、鎢、銅等；鈦、鋯可以起到脫氧、脫氣、凈化、細化晶粒成分的作用。本發(fā)明的合金鋼中各種成分的作用和具體含量如下碳(C)是保證鋼的強度和硬度等性能必不可少的元素，為保證利用本發(fā)明提供的合金鋼鑄造獲得的制動盤的強度和硬度等性能滿足復雜工況下的使用要求，本發(fā)明的合金鋼中將碳的含量控制在0.21-0.26%;硅(Si)、錳(Mn)元素的加入，可在合金鋼中生成硬質點相，從而提高合金鋼的耐磨性能，同時提高基體的熱強性及沖擊韌性，但二者需要滿足一定的配比，否則將會相互影響，本發(fā)明的發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，將合金鋼中的硅元素和錳元素分別控制在0.8-1.0%和0.5-1.0%，可以使制造得到的制動盤具有最佳的性能；鉻(Cr)能增加鋼的淬透性，提高鋼的耐磨性，并且具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化介質腐蝕作用，本發(fā)明的合金鋼中將鉻的含量控制在1.2-1.55%;鎳(Ni)可增強合金鋼的淬透性，提高鋼的強度、耐磨性、抗脆斷裂性，使合金鋼具有良好的冷加工成型性，本發(fā)明提供的合金鋼中將鎳元素的含量控制為1.95-1.99%;鉬(Mo)能提高鋼的淬透性、熱強性和蠕變強度，本發(fā)明的合金鋼中將鉬的含量控制在0.34-0.41%;釩(V)能夠細化晶粒，提高鋼的強度和韌性，降低鋼的過熱敏性，同時釩還能增加鋼的回火穩(wěn)定性，并有強烈的二次硬化作用，能提高合金鋼的耐磨性，延長其使用壽命，本發(fā)明的合金鋼中將釩的含量控制在0.1-0.2%;鈮(Nb)可增加回火穩(wěn)定性，有二次硬化作用，具有固定碳和沉淀硬化作用，可以提高鋼的蠕變性能，同時鈮具有細化晶粒的作用，能夠提高鋼的沖擊韌性并降低脆性轉變溫度，微量鈮還可以提高強度，因此，本發(fā)明添加一定量的鈮以提高合金鋼的性能，鈮的含量可控制在0.05-0.06%;鎢(W)能提高鋼在高溫下的蠕變拉力與熱強化，在本發(fā)明提供的合金鋼中，鎢的含量可控制在^).01%;銅(Cu)在熱處理時可產生沉淀強化，可提高鋼耐大氣腐蝕的性能，在本發(fā)明提供的合金鋼中，銅的含量可控制為0.05-0.09%;鋯(Zr)有脫氣、凈化和細化晶粒作用，能提高鋼的低溫性能，在本發(fā)明提供的合金鋼中，鋯的含量可控制在0.02-0.03%;鋁(Al)有脫氣、細化晶粒作用，在本發(fā)明提供的合金鋼中，鋁的含量可控制在<0.02%;硫(S)、磷(P)為合金鋼中不可避免的雜質，其含量越低越好，在本發(fā)明的合金鋼中，其含量分別控制為磷(P):<0.01，硫(S):<0.01。本發(fā)明提供的合金鋼中，對于鎢、鈦、鋁等元素僅限定了其含量的上限，這并不代表本發(fā)明的合金鋼中可以不含有上述元素，而是指只要含有少量上述元素就可以起到其所對應的作用，例如低至痕跡量或者0.001%(重量百分比)的含量。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的合金鋼具有全新的成分組成，到目前還沒有見到相關的應用和報道。該合金鋼是一種鑄造用鋼，具有較高的機械強度和抗熱疲勞性能，同時還具有較好的抗熱裂性、穩(wěn)定的摩擦性能和白力；的執(zhí)#1杜_;s^田qp生ii浩^t本細田的法ii^舟.f苴話會午法ii浩^tt媯憎k、HJ"、、,/stiI~I/l-J一'|一J*"^Ci"|/、I'H'J/WHW,|"_7V.....乂Z、I~I一'I"*J|/'-^-交通車輛，例如城市軌道交通車輛、鐵道機車車輛、動車組、高速列車等所使用的制動盤。因此，本發(fā)明還提供了一種制動盤，該制動盤是采用上述的合金鋼制造的。優(yōu)選地，本發(fā)明的制動盤可以是釆用上述合金鋼通過鑄造的工藝制造的。本發(fā)明提供的制動盤適合用于各種軌道交通車輛；優(yōu)選地，本發(fā)明提供的制動盤具有較佳的性能，是一種高速列車用制動盤；更優(yōu)選地，本發(fā)明提供的制動盤是一種速度在200-380km/h范圍內的高速列車使用的制動盤。根據(jù)本發(fā)明的具體技術方案，本發(fā)明提供的合金鋼的冶煉可以采用本領域中常用的合金鋼冶煉工藝進行，例如采用感應電爐冶煉工藝和電渣重溶工藝進行冶煉，具體冶煉工藝中的工藝參數(shù)也可以根據(jù)現(xiàn)有的冶煉工藝確定。其中，感應電爐冶煉工藝可以包括以下步驟裝料(其中，不易氧化的爐料直接裝入電爐，易氧化的爐料在冶煉的過程中根據(jù)工藝要求分批加入)——熔化(利用大功率將爐料快速熔化)——精煉(以30%的功率對爐料進行精煉)——出鑄鋼錠；電渣重熔工藝可以采用單相水冷結晶電渣爐進行，其中，結晶器的直徑為360mm，電極直徑180mm;經過感應電爐冶煉和電渣重溶工藝可以得到合格的母合金，滿足制造制動盤的要求。經過感應電爐+電渣重熔制成的合金質量明顯提高，成分均勻，基本沒有縮孔疏松偏析等冶金缺陷，鑄造材料利用率可達80%以上，提高了合金鋼的性能。制備得到本發(fā)明的合金鋼(即母合金)之后，可以利用本領域中的常規(guī)鑄造工藝制造制動盤，例如采用以下的鑄造工藝流程澆鑄位置設計一一分形面設計——收縮量設計——加工余量設計——澆鑄系統(tǒng)設計——冒口、冷鐵、鑄筋設計——模具設計與制造——造型、造芯^~~砂型加熱——澆鑄。本發(fā)明的關鍵在于提供了一種用于制動盤的合金鋼以及利用這種合金鋼制造的制動盤，而合金鋼的冶煉以及制動盤的制造(例如鑄造)均可以根據(jù)本領域中的常規(guī)工藝進行，例如，利用合金鋼鑄造高速列車用制動盤時，可以采用現(xiàn)有的高速列車制動盤的鑄造工藝進行。在強摩擦、高熱負荷以及較大制動力和離心力等復雜工況下工作時，本發(fā)明提供的制動盤能夠滿足上述工況對制動盤安全性能的要求，例如在超過250km/h的速度下剎車時，本發(fā)明的制動盤能夠穩(wěn)定地正常工作，保持比較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，不會出現(xiàn)熱裂紋、等現(xiàn)象問題。利用本發(fā)明提供的合金鋼制造的鑄鋼制動盤與其它制動盤相比較，具有以下優(yōu)點1、在高速制動條件下能保證良好的機械性能；2、鑄鋼制動盤抗熱疲勞性能好，能減慢疲勞裂紋擴展速率，從而提高制動盤的使用壽命；3、鑄鋼制動盤的抗摩擦性能好。具體實施方式以下通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的技術及特點，但這些實施例并非用以限定本發(fā)明的保護范圍。以下的實施例給出的合金鋼均是通過本發(fā)明所提供的感應電爐冶煉和電渣重溶工藝冶煉得到的。實施例1:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實施例制備的具有以上化學成分的合金鋼在常溫下的機械性能指標如下ab=1090MPa、cys=1010MPa。實施例2:合金鋼的成分組成如表2(重量百分比，％)所示:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實施例制備的具有以上化學成分的合金鋼在常溫下的機械性能指標如下crb=1130MPa、cjs=1010MPa。試驗例本試驗例是利用實施例1中得到的合金鋼制成的制動盤在1:1制動動力臺架按照UIC541-3相關要求進行的試驗試驗工況l:所采用的車輪直徑為890mm，制動盤載荷為4.5t，閘片壓力為15.0kNx2，摩擦半徑為247mm，制動的初速度為270km/h，實制動距離為1957.7m，實制動時間為52.2s，試驗測得制動盤的距離平均摩擦系數(shù)為0.378。試驗工況2:所采用的車輪直徑為890mm，制動盤載荷為4.5t，閘片壓力為22.5kNx2，摩擦半徑為247mm，制動的初速度為270km/h，實制動距離為1405.3m，實制動時間為37.7s，試驗測得制動盤的距離平均摩擦系數(shù)為0.361。試驗結果標明，制動盤與所配對的摩擦副摩擦系數(shù)穩(wěn)定，制動盤表面無熱斑及熱裂紋出現(xiàn)，而且無明顯磨損現(xiàn)象。權利要求1、一種制動盤用合金鋼，其化學組成包括，以重量百分比計碳0.21-0.26％，硅0.8-1.0％，錳0.5-1.0％，鉻1.2-1.55％，鎳1.95-1.99％，鉬0.34-0.41％，釩0.1-0.2％，鈮0.05-0.06％，鎢≤0.01％，鈦≤0.02％，鋁≤0.02％，銅0.05-0.09％，鋯0.02-0.03％，其余為鐵和不可避免的雜質。2、如權利要求l所述的合金鋼，其中，所述不可避免的雜質包括，以重量百分比計磷<0.01%，硫<0.01%。3、如權利要求l所述的合金鋼，其中，該合金鋼是通過感應電爐冶煉工藝和電渣重溶工藝冶煉得到的。4、如權利要求l所述的合金鋼，其中，該合金鋼為鑄造用鋼。5、一種制動盤，其是由權利要求l-4任一項所述的合金鋼制造的。6、如權利要求5所述的制動盤，其是通過鑄造制造的。7、如權利要求5所述的制動盤，該制動盤是一種軌道交通車輛用制動盤。8、如權利要求5所述的制動盤，該制動盤是一種高速列車用制動盤。9、如權利要求8所述的制動盤，該制動盤是一種速度為200-380km/h的高速列車用制動盤。全文摘要本發(fā)明涉及一種制動盤用合金鋼。該合金鋼的化學組成包括，以重量百分比計碳0.21-0.26％，硅0.8-1.0％，錳0.5-1.0％，鉻1.2-1.55％，鎳1.95-1.99％，鉬0.34-0.41％，釩0.1-0.2％，鈮0.05-0.06％，鎢＜0.01％，鈦＜0.02％，鋁＜0.02％，銅0.05-0.09％，鋯0.02-0.03％，其余為鐵和不可避免的雜質。本發(fā)明提供的合金鋼是一種鑄造用鋼，具有較高的機械強度和抗熱疲勞性能，同時還具有較好的抗熱裂性、穩(wěn)定的摩擦性能和良好的導熱性，尤其適合用于制造供軌道交通車輛，例如城市軌道交通車輛、鐵道機車車輛、動車及高速列車等使用的制動盤。文檔編號F16D69/02GK101519754SQ200810227749公開日2009年9月2日申請日期2008年11月28日優(yōu)先權日2008年11月28日發(fā)明者李和平,李繼山申請人:北京縱橫機電技術開發(fā)公司