高速列車鍛造用制動盤材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速列車鍛造用制動盤材料,該制動盤材料的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16~0.25,Si:0.25~0.60,Mn:0.80~1.30,Cr:0.70~1.20,W:0.01~0.03,Ni:0.80~1.30,Mo:0.40~0.70,Cu:0.05~0.20,SiC:0.18~0.25,Al2O3:0.20~0.30,V:0.03~0.15,N:0.0050~0.025,Re:0.005~0.20,P≤0.015,S≤0.010,余量為Fe。本發(fā)明具有高耐磨性能和良好的抗熱裂性能,能使高速列車實現(xiàn)安全可靠制動,并減少高速列車的使用和維修成本。
【專利說明】高速列車鍛造用制動盤材料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高速列車制動裝置,尤其涉及高速列車制動裝置中制動盤的材料。
【背景技術】
[0002]高速列車制動盤體材質性能是制動裝置中最為關鍵的技術問題之一。在高速列車速度高和運行條件惡劣的制動工況下,巨大的制動熱負荷及熱沖擊會帶來很高的熱應力和溫度梯度。因此制動盤材料必須具有良好的高溫力學性能和導熱性能,以及低彈性模量和低熱膨脹系數(shù),使得制動熱量能迅速逸散,制動盤材料還應具有較高的熱疲勞強度和制動壽命。具體地講,高速列車制動盤應當具有如下的性能:一是穩(wěn)定而均勻的摩擦性能,摩擦系數(shù)不隨壓力、溫度和速度的變化而變化;二是良好的耐疲勞性能和極好的抗熱裂紋擴展能力,以減少制動盤摩擦表面急冷急熱所形成的高熱應力;三是較高的耐磨性能,以減少盤面摩擦而產(chǎn)生的磨損;制動盤材料還應具有良好的抗摩擦熱變形性能和熱導率。
[0003]目前高速列車制動盤材料主要以鐵系材料和鋼系材料為主。鐵系材料主要有高強度灰鑄鐵、螺墨鑄鐵和球墨鑄鐵;鋼系材料中的碳素鋼、合金鋼和合金鑄鋼材料是聞速列車制動盤最為廣泛的使用材料。為了滿足列車不斷提速的要求,又開發(fā)了鑄鐵一鑄鋼組合式制動盤。就制動盤結構而言,由于制動盤呈圓盤狀結構,在制動盤摩擦面上不同圓周上的制動速度差異很大,從而形成不均勻的熱應力,在制動中心部位其溫度要比盤的外側小很多,而均質材料制成的制動盤由于各部分的耐熱性能和耐磨性能均是一致,這種一致性能恰恰帶來了疲勞和磨損量的不一致,反而加快了熱裂紋出現(xiàn)機率和擴展速度,不利于制動盤使用壽命的提高。因此隨著列車不斷增速,其速度達到甚至高于300Km/h時,現(xiàn)有制動盤材料和結構設計不能很好地滿足高速列車制動要求。故而高速列車制動摩擦材料應當由單一材質、低熱容量、低高溫比強度、低耐熱裂性向分段材料、高熱容量、高比強度、高耐熱裂的方向發(fā)展。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種具有高耐磨性能和良好抗熱裂性能的高速列車鍛造用制動盤材料。
[0005]本發(fā)明的高速列車鍛造用制動盤材料,該制動盤材料的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16 ~0.25, Si:0.25 ~0.60,Mn:0.80 ~1.30, Cr:0.70 ~1.20, W:0.01 ~0.03,N1:0.80 ~1.30, Mo:0.40 ~0.70, Cu:0.05 ~0.20, Si C:0.18 ~0.25,A1203:0.20 ~
0.30,V:0.03 ~0.15,N:0.0050 ~0.025,Re:0.005 ~0.20,P ≤ 0.015,S ≤ 0.010,余量
為Fe。
[0006]在本發(fā)明的技術方案中,由于通過對上述合金元素制動盤材料力學性能影響的分析,并結合高速列車制動盤對材質性能的要求確定了上述的材料組份和成份比例,使其不僅具有適應高速列車制動裝置的高溫力學性質、抗冷熱疲勞性能和物理力學性能,而且具有高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)、高導熱系數(shù)。因此本發(fā)明的合金材料能在高溫高壓下長期使用,是理想的針對高速列車的制動盤材料。尤其本發(fā)明合金材料中的SiC和A1203具有高耐磨性、高強度、高硬度和低膨脹系數(shù),SiC在高溫下仍能保持其固有的硬度和強度,在合金材料中添加SiC使其導熱率很高,熱膨脹又小、抗熱震性很高。而且其中的A1203又具有較好的導熱性能和較低的密度;N1、Cr等元素的添加又使本發(fā)明的合金材料具有良好的抗磨損、抗熱裂性能,且摩擦系數(shù)穩(wěn),不易受到外部環(huán)境的影響。稀土元素RE不僅能細化晶粒,提高晶界結合強度,增強材料的綜合性能,而且RE能起到固溶強化和彌散強化的作用,從而提高了合金材料的力學性能和抗腐蝕性。本發(fā)明中主要元素的作用機理如下:
碳(C):碳是合金材料中的主要元素之一,材料性能在很大程度上決定于其在鋼中的含量和分布形式;碳是穩(wěn)定奧氏體的元素,并且作用程度很大;材料中碳的含量增加,屈服點和抗拉強度升高,而塑性和沖擊韌性會下降。
[0007]硅(Si):硅作為還原劑和脫氧劑凈化鋼液,硅是鐵素體形成元素,部分硅與碳形成高硬高強耐磨的SiC。
[0008]錳(Mn):錳是具有強烈穩(wěn)定奧氏體的作用,能顯著提高N在奧氏體鋼中的溶解度。
[0009]鉻(Cr):鉻增加鋼的滲透性并有二次硬化作用,能提高鋼的強度、硬度和耐磨性;鉻還能提高鋼的高溫強度,是耐熱鋼的重要元素。
[0010]鎢(W):鎢強化碳化物形成元素,本發(fā)明中加入了上述比例的鎢,達到了細化組織晶粒,提高強度和韌性的效果。
[0011]鎳(Ni):鎳細化鐵素體晶粒,在強度相同的條件下,鎳能提高鋼塑性和韌性,特別是低溫韌性;其與Cr、Mo聯(lián)合使用又提高鋼的熱強和常溫強度及耐蝕性。
[0012]鑰(Mo):鑰使鋼的晶粒細化,提高材料的滲透性和紅硬性,使合金材料能在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。
[0013]銅(Cu):銅的適量添加提高了合金材料的耐大氣、耐酸、堿腐蝕性,銅還能增強材料抗熱沖擊性能,提高材料導熱性和抗熱性。
[0014]釩(V):釩與碳形成的碳化物在高溫高壓下可提高鋼的抗氫腐蝕能力。
[0015]氮(N):氮能提高鋼的耐腐蝕性能,特別是耐晶間腐蝕點腐蝕和縫隙腐蝕性能,阻止熱裂的擴展。
[0016]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式,在同一制動盤上分為A、B、C三個材料區(qū)域,所述A材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16,Si:0.25,Mn:0.80,Cr:0.70,W:0.01,Ni:0.80,Mo:0.40,Cu:0.05,SiC:0.18,A1203:0.20,V:0.03,N:0.0050,Re:0.005,P≤0.015,S≤0.010,余量為Fe ;所述B材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.20,Si:0.45,Mn:1.10,Cr:0.95,W:0.02,N1:1.05,Mo:0.550,Cu:0.10,SiC:0.20,A1203:
0.25,V:0.10,N:0.01,Re:0.10,P≤ 0.015,S ≤ 0.010,余量為 Fe;所述 C 材料區(qū)域的組份及質量百分比(wt%)為:C: 0.25,S1: 0.60, Mn: 1.30, Cr: 1.20, W: 0.03, Ni:
1.30, Mo: 0.70, Cu: 0.20, SiC: 0.25, A1203: 0.30, V: 0.15, N: 0.025, RE: 0.20,P ≤0.015, S ≤0.010,余量為Fe。所述制動盤為帶有盤體中孔的圓盤結構,所述制動盤上的A、B、C三個材料區(qū)域為依次相鄰三個圓環(huán);所述A材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Ra: r ≤ Ra< [r + 1/3 (R — r)];所述 B 材料區(qū)域的圓環(huán)半徑 Rb: [r + 1/3 (R 一 r)] ≤ Rb < [r +2/3 (R - r)];;所述C材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Re: [r + 2/3 (R - r)] ≤ Re≤ R0該發(fā)明的實施方案根據(jù)制動盤在制動時不同的溫度區(qū)域、熱應力大小不同采用不同的材料組分,從而使得制動盤具有更好的整體耐磨性和抗熱裂性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1采用本發(fā)明材料的制動盤結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
[0019]如圖1所示的高速列車制動盤。在該制動盤的盤體摩擦面上,設置有安裝孔,制動盤盤體半徑為r,制動盤盤體分為A、B、C三個具有相同材料組分不同組分百分比的材料區(qū)域。該A、B、C三個材料區(qū)域為依次相鄰的三個圓環(huán),制動盤體可由三個圓環(huán)拼裝而成,也可以由不同組分百分比材料分區(qū)域整體鍛造而成。在同一制動盤上分為A、B、C三個材料區(qū)域,所述A材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16,Si:0.25,Mn:0.80,Cr:
0.70,W:0.01,Ni:0.80,Mo:0.40,Cu:0.05,SiC:0.18,A1203:0.20,V:0.03,N:0.0050,Re:0.005,P≤0.015,S≤0.010,余量為Fe ;所述B材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.20, Si:0.45,Mn:1.10, Cr:0.95, W:0.02, N1:1.05,Mo:0.550, Cu:0.10, SiC:0.20,A1203:0.25,V:0.10,N:0.01,Re:0.10,P ≤ 0.015,S^0.010,余量為 Fe;所述 C 材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C: 0.25,S1: 0.60,Mn: 1.30, Cr: 1.20, W: 0.03, Ni:
1.30, Mo: 0.70, Cu: 0.20, SiC: 0.25, A1203: 0.30, V: 0.15, N: 0.025, RE: 0.20,P ^ 0.015, S <0.010,余量為Fe。所述制動盤為帶有盤體中孔的圓盤結構,所述制動盤上的A、B、C三個材料區(qū)域為依次相鄰三個圓環(huán);所述A材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Ra: r≤Ra< [r + 1/3 (R — r)];所述 B 材料區(qū)域的圓環(huán)半徑 Rb: [r + 1/3 (R 一 r)]^ Rb < [r +2/3 (R - r)];;所述C材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Re: [r + 2/3 (R - r)] ^ Re ^ R0
[0020]上述高速列車鍛造用制動盤材料采用重熔法制備,采用堿性爐襯,造堿性渣。為了獲得性能優(yōu)良的制動盤材料,需先對材料進行預備熱處理,然后再進行調質處理。
【權利要求】
1.一種高速列車鍛造用制動盤材料,其特征在于:該制動盤材料的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16 ~0.25,S1:0.25 ~0.60,Mn:0.80 ~1.30,Cr:0.70 ~1.20,W:0.01 ~0.03,N1:0.80 ~1.30,Mo:0.40 ~0.70,Cu:0.05 ~0.20,Si C:0.18 ~0.25,A1203:0.20 ~0.30, V:0.03 ~0.15,N:0.0050 ~0.025, Re:0.005 ~0.20, P ≤ 0.015,S≤0.010,余量為Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述的高速列車鍛造用制動盤材料,其特征在于:在同一制動盤上分為A、B、C三個材料區(qū)域,所述A材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.16,S1:0.25,Mn:0.80,Cr:0.70,W:0.01,N1:0.80,Mo:0.40,Cu:0.05,SiC:0.18,A1203:0.20,V:0.03,N:0.0050,Re:0.005,P ( 0.015,S ≤ 0.010,余量為 Fe ;所述 B 材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C:0.20,Si:0.45,Mn:1.10,Cr:0.95,W:0.02,N1:1.05,Mo:0.550,Cu:0.10,SiC:0.20,A1203:0.25,V:0.10,N:0.01,Re:0.10,P ≤ 0.015,S ≤ 0.010,余量為Fe;所述C材料區(qū)域的組份及質量百分比(Wt%)為:C: 0.25, Si: 0.60,Mn: 1.30,Cr:1.20, W: 0.03, Ni: 1.30, Mo: 0.70, Cu: 0.20, SiC: 0.25, A1203: 0.30, V: 0.15, N:0.025,RE: 0.20,P ≤ 0.015,S ≤ 0.010,余量為 Fe。
3.根據(jù)權利要求2所述的高速列車鍛造用制動盤材料,其特征在于:所述制動盤為帶有盤體中孔的圓盤結構,所述制動盤上的A、B、C三個材料區(qū)域為依次相鄰三個圓環(huán);所述A材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Ra: r ≤ Ra < [r + 1/3 (R — r)];所述B材料區(qū)域的圓環(huán)半徑Rb:[r + 1/3 (R — r)] ≤Rb < [r + 2/3 (R — r)];;所述 C 材料區(qū)域的圓環(huán)半徑 Re: [r +2/3 (R — r)] ^ Re ≤R0
【文檔編號】F16D65/12GK103952637SQ201410155628
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】林國強, 李英奎, 文輝, 胡謙, 周晚林, 高大可, 韋紅余, 于欽順, 王飛, 魯文超, 張志強 申請人:南京鋼鐵股份有限公司, 南京中盛鐵路車輛配件有限公司, 青島四方車輛研究所有限公司, 南京航空航天大學