專利名稱：：制動(dòng)盤用合金鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種制動(dòng)盤用合金鋼以及由這種合金鋼制成的制動(dòng)盤，屬于金屬材料冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：車輛制動(dòng)盤，特別是高速列車等的制動(dòng)盤，均是在強(qiáng)摩擦、高熱負(fù)荷以及較大制動(dòng)力和離心力等復(fù)雜工況下工作，制動(dòng)盤工作的可靠性幾乎決定了整個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)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(jī)車車輛制動(dòng)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(diǎn)，在鐵路機(jī)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(dòng)盤的機(jī)械強(qiáng)度及摩擦性能難以滿足高速緊急制動(dòng)時(shí)所需消耗的制動(dòng)能，不適合用于高速列車。高速列車制動(dòng)盤必須采用機(jī)械強(qiáng)度高、抗熱疲勞性能好的鋼制動(dòng)盤，同時(shí)，制動(dòng)盤的材質(zhì)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(dǎo)熱性)。中國(guó)專利申請(qǐng)01137007.6號(hào)中公開(kāi)了一種用于盤式制動(dòng)器制動(dòng)盤的不銹鋼，該不銹鋼的成分主要包括(質(zhì)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(dòng)盤，容易產(chǎn)生熱疲勞。中國(guó)專利申請(qǐng)02103951.8號(hào)中公開(kāi)了一種用于高速列車制動(dòng)盤的合金結(jié)構(gòu)鋼，該合金結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼是一種鍛鋼材料，利用這種材料制成的鍛鋼制動(dòng)盤的散熱速度比較慢，高速制動(dòng)時(shí)摩擦表面溫度較高，易形成熱斑，抗熱疲勞能力較低。而從國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，熱疲勞是造成制動(dòng)盤失效破壞的主要原因，因此，為保證制動(dòng)裝置的高可靠性以及列車運(yùn)行的安全性，對(duì)制動(dòng)盤材料進(jìn)行研究具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種制動(dòng)盤用新型合金鋼材料，利用該材料制造的制動(dòng)盤具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱疲勞性能，能夠在強(qiáng)摩擦和高熱負(fù)荷的復(fù)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(shù)問(wèn)題還在于提供一種采用上述合金鋼材料制成的制動(dòng)盤。首先，本發(fā)明提供了一種制動(dòng)盤用合金鋼，其化學(xué)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(zhì)。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(xì)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(qiáng)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(dòng)盤的強(qiáng)度和硬度等性能滿足復(fù)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(zhì)點(diǎn)相，從而提高合金鋼的耐磨性能，同時(shí)提高基體的熱強(qiáng)性及沖擊韌性，但二者需要滿足一定的配比，否則將會(huì)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(dòng)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(zhì)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(qiáng)合金鋼的淬透性，提高鋼的強(qiáng)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(qiáng)性和蠕變強(qiáng)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(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，降低鋼的過(guò)熱敏性，同時(shí)釩還能增加鋼的回火穩(wěn)定性，并有強(qiáng)烈的二次硬化作用，能提高合金鋼的耐磨性，延長(zhǎng)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(shí)鈮具有細(xì)化晶粒的作用，能夠提高鋼的沖擊韌性并降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，微量鈮還可以提高強(qiáng)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(qiáng)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(shí)可產(chǎn)生沉淀強(qiáng)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(xì)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(xì)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(zhì)，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(duì)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(duì)應(yīng)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(shù)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(méi)有見(jiàn)到相關(guān)的應(yīng)用和報(bào)道。該合金鋼是一種鑄造用鋼，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱疲勞性能，同時(shí)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_(tái);s^田qp生ii浩^t本細(xì)田的法ii^舟.f苴話會(huì)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(jī)車車輛、動(dòng)車組、高速列車等所使用的制動(dòng)盤。因此，本發(fā)明還提供了一種制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤是采用上述的合金鋼制造的。優(yōu)選地，本發(fā)明的制動(dòng)盤可以是釆用上述合金鋼通過(guò)鑄造的工藝制造的。本發(fā)明提供的制動(dòng)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(dòng)盤具有較佳的性能，是一種高速列車用制動(dòng)盤；更優(yōu)選地，本發(fā)明提供的制動(dòng)盤是一種速度在200-380km/h范圍內(nèi)的高速列車使用的制動(dòng)盤。根據(jù)本發(fā)明的具體技術(shù)方案，本發(fā)明提供的合金鋼的冶煉可以采用本領(lǐng)域中常用的合金鋼冶煉工藝進(jìn)行，例如采用感應(yīng)電爐冶煉工藝和電渣重溶工藝進(jìn)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(yīng)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(guò)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(duì)爐料進(jìn)行精煉)——出鑄鋼錠；電渣重熔工藝可以采用單相水冷結(jié)晶電渣爐進(jìn)行，其中，結(jié)晶器的直徑為360mm，電極直徑180mm;經(jīng)過(guò)感應(yīng)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(dòng)盤的要求。經(jīng)過(guò)感應(yīng)電爐+電渣重熔制成的合金質(zhì)量明顯提高，成分均勻，基本沒(méi)有縮孔疏松偏析等冶金缺陷，鑄造材料利用率可達(dá)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(lǐng)域中的常規(guī)鑄造工藝制造制動(dòng)盤，例如采用以下的鑄造工藝流程澆鑄位置設(shè)計(jì)一一分形面設(shè)計(jì)——收縮量設(shè)計(jì)——加工余量設(shè)計(jì)——澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)——冒口、冷鐵、鑄筋設(shè)計(jì)——模具設(shè)計(jì)與制造——造型、造芯^~~砂型加熱——澆鑄。本發(fā)明的關(guān)鍵在于提供了一種用于制動(dòng)盤的合金鋼以及利用這種合金鋼制造的制動(dòng)盤，而合金鋼的冶煉以及制動(dòng)盤的制造(例如鑄造)均可以根據(jù)本領(lǐng)域中的常規(guī)工藝進(jìn)行，例如，利用合金鋼鑄造高速列車用制動(dòng)盤時(shí)，可以采用現(xiàn)有的高速列車制動(dòng)盤的鑄造工藝進(jìn)行。在強(qiáng)摩擦、高熱負(fù)荷以及較大制動(dòng)力和離心力等復(fù)雜工況下工作時(shí)，本發(fā)明提供的制動(dòng)盤能夠滿足上述工況對(duì)制動(dòng)盤安全性能的要求，例如在超過(guò)250km/h的速度下剎車時(shí)，本發(fā)明的制動(dòng)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(huì)出現(xiàn)熱裂紋、等現(xiàn)象問(wèn)題。利用本發(fā)明提供的合金鋼制造的鑄鋼制動(dòng)盤與其它制動(dòng)盤相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、在高速制動(dòng)條件下能保證良好的機(jī)械性能；2、鑄鋼制動(dòng)盤抗熱疲勞性能好，能減慢疲勞裂紋擴(kuò)展速率，從而提高制動(dòng)盤的使用壽命；3、鑄鋼制動(dòng)盤的抗摩擦性能好。具體實(shí)施方式以下通過(guò)具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)及特點(diǎn)，但這些實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。以下的實(shí)施例給出的合金鋼均是通過(guò)本發(fā)明所提供的感應(yīng)電爐冶煉和電渣重溶工藝冶煉得到的。實(shí)施例1:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實(shí)施例制備的具有以上化學(xué)成分的合金鋼在常溫下的機(jī)械性能指標(biāo)如下ab=1090MPa、cys=1010MPa。實(shí)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(shí)施例制備的具有以上化學(xué)成分的合金鋼在常溫下的機(jī)械性能指標(biāo)如下crb=1130MPa、cjs=1010MPa。試驗(yàn)例本試驗(yàn)例是利用實(shí)施例1中得到的合金鋼制成的制動(dòng)盤在1:1制動(dòng)動(dòng)力臺(tái)架按照UIC541-3相關(guān)要求進(jìn)行的試驗(yàn)試驗(yàn)工況l:所采用的車輪直徑為890mm，制動(dòng)盤載荷為4.5t，閘片壓力為15.0kNx2，摩擦半徑為247mm，制動(dòng)的初速度為270km/h，實(shí)制動(dòng)距離為1957.7m，實(shí)制動(dòng)時(shí)間為52.2s，試驗(yàn)測(cè)得制動(dòng)盤的距離平均摩擦系數(shù)為0.378。試驗(yàn)工況2:所采用的車輪直徑為890mm，制動(dòng)盤載荷為4.5t，閘片壓力為22.5kNx2，摩擦半徑為247mm，制動(dòng)的初速度為270km/h，實(shí)制動(dòng)距離為1405.3m，實(shí)制動(dòng)時(shí)間為37.7s，試驗(yàn)測(cè)得制動(dòng)盤的距離平均摩擦系數(shù)為0.361。試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明，制動(dòng)盤與所配對(duì)的摩擦副摩擦系數(shù)穩(wěn)定，制動(dòng)盤表面無(wú)熱斑及熱裂紋出現(xiàn)，而且無(wú)明顯磨損現(xiàn)象。權(quán)利要求1、一種制動(dòng)盤用合金鋼，其化學(xué)組成包括，以重量百分比計(jì)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(zhì)。2、如權(quán)利要求l所述的合金鋼，其中，所述不可避免的雜質(zhì)包括，以重量百分比計(jì)磷<0.01%，硫<0.01%。3、如權(quán)利要求l所述的合金鋼，其中，該合金鋼是通過(guò)感應(yīng)電爐冶煉工藝和電渣重溶工藝冶煉得到的。4、如權(quán)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(dòng)盤，其是由權(quán)利要求l-4任一項(xiàng)所述的合金鋼制造的。6、如權(quán)利要求5所述的制動(dòng)盤，其是通過(guò)鑄造制造的。7、如權(quán)利要求5所述的制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤是一種軌道交通車輛用制動(dòng)盤。8、如權(quán)利要求5所述的制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤是一種高速列車用制動(dòng)盤。9、如權(quán)利要求8所述的制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤是一種速度為200-380km/h的高速列車用制動(dòng)盤。全文摘要本發(fā)明涉及一種制動(dòng)盤用合金鋼。該合金鋼的化學(xué)組成包括，以重量百分比計(jì)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(zhì)。本發(fā)明提供的合金鋼是一種鑄造用鋼，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱疲勞性能，同時(shí)還具有較好的抗熱裂性、穩(wěn)定的摩擦性能和良好的導(dǎo)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(jī)車車輛、動(dòng)車及高速列車等使用的制動(dòng)盤。文檔編號(hào)F16D69/02GK101519754SQ200810227749公開(kāi)日2009年9月2日申請(qǐng)日期2008年11月28日優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日發(fā)明者李和平,李繼山申請(qǐng)人:北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司