本發(fā)明屬于機(jī)車車輛用鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼及其熱處理方法。

背景技術(shù)：

高速動車組列車基礎(chǔ)制動均采用盤形制動裝置，對于200km/h以上高速列車，國際上一般是采用鍛鋼制動盤與粉末冶金閘片配對的制動裝置。盤形制動是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，是確保高速列車安全的重要措施，尤其是在列車其他安全措施出現(xiàn)故障時，只能靠盤形制動作為安全可靠制動的最后保障。制動盤其最基本的功能是吸收制動動能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，在此過程中，制動盤的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。

高速列車制動盤體材質(zhì)性能是制動裝置中最為關(guān)鍵的技術(shù)問題之一。在高速列車速度高和運(yùn)行條件惡劣的制動工況下，巨大的制動熱負(fù)荷及熱沖擊會帶來很高的熱應(yīng)力和溫度梯度。因此制動盤材料必須具有良好的高溫力學(xué)性能和導(dǎo)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(yīng)具有較高的熱疲勞強(qiáng)度和制動壽命。

具體地講，高速列車制動盤應(yīng)當(dāng)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(kuò)展能力，以減少制動盤摩擦表面急冷急熱所形成的高熱應(yīng)力對制動盤的損傷；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(yīng)具有良好的抗摩擦熱變形性能和熱導(dǎo)率。

目前的研究大部分集中在創(chuàng)新制動盤結(jié)構(gòu)，提高制動盤散熱性方面，對材質(zhì)的創(chuàng)新性研究相對較少。而在列車制動時，特別是緊急制動時，制動盤瞬時熱能量很難快速釋放出去，因此，提高制動盤材料的耐熱性及高溫條件下組織穩(wěn)定性對提高制動盤壽命具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，通過調(diào)整元素含量，提高低碳鋼的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，其冷熱疲勞性能和制動過程中摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性得到一定程度的改善，從而顯著提高制動盤的服役性能。

本發(fā)明還提供了一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法，根據(jù)元素的含量設(shè)計熱處理工藝，進(jìn)一步提高制動盤的服役性能。

本發(fā)明提供的一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質(zhì)量百分含量的元素：

c：0.10～0.20％、si：0.20～0.40％、mn：0.60～0.80％、cr：1.20～1.50％、w：0.10～0.30％、ni：0.20～0.40％、mo：0.70～1.10％、cu：0.10～0.20％、al：0.005～0.015％、v：0.30～0.50％、n：≤0.0060％、p≤0.010％、s≤0.010％，

并且還應(yīng)滿足0.012mo+0.005cr+0.022v≥0.023，

余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質(zhì)量百分含量的元素：

c：0.11％、si：0.38％、mn：0.75％、cr：1.45％、w：0.12％、ni：0.35％、mo：1.05％、cu：0.20％、al：0.008％、v：0.32％、n：0.0055％、p：0.009％、s：0.002％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質(zhì)量百分含量的元素：

c：0.15％、si：0.34％、mn：0.70％、cr：1.40％、w：0.15％、ni：0.30％、mo：1.00％、cu：0.18％、al：0.010％、v：0.40％、n：0.0045％、p：0.009％、s：0.002％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質(zhì)量百分含量的元素：

c：0.17％、si：0.30％、mn：0.65％、cr：1.35％、w：0.20％、ni：0.28％、mo：0.9％、cu：0.15％、al：0.012％、v：0.45％、n：0.0040％、p：0.008％、s：0.001％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質(zhì)量百分含量的元素：

c：0.19％、si：0.25％、mn：0.62％、cr：1.30％、w：0.25％、ni：0.25％、mo：0.85％、cu：0.10％、al：0.014％、v：0.48％、n：0.0035％、p：0.007％、s：0.002％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

本發(fā)明提供的一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

正火溫度：950～1000℃，淬火溫度950-1050℃，回火溫度600-700℃，回火后水冷。

進(jìn)一步的，正火保溫3～5小時，然后空冷；

進(jìn)一步的，淬火保溫2.5～5小時，然后水冷；

進(jìn)一步的，回火處理4～8小時，然后水冷。

經(jīng)過熱處理后低碳鋼具有原奧氏體晶粒的平均粒徑在15～20μm的回火索氏體組織，在0～700℃之間，平均摩擦因數(shù)在0.3～0.4之間，導(dǎo)熱系數(shù)在30～34w/(m·k)，20-700℃冷熱循環(huán)1000次無裂紋，500℃抗拉強(qiáng)度≥900mpa。

本發(fā)明中各元素及其含量作用如下：

c：c元素是獲得高的強(qiáng)度、硬度所必需的。高的c含量雖然對鋼的強(qiáng)度、硬度等有利，但對鋼的塑性和韌性極為不利，且使屈強(qiáng)比降低、脫碳敏感性增大，惡化鋼的抗疲勞性能、加工性能和高溫塑性。尤其是當(dāng)碳含量過高時，鋼的ac1點(diǎn)溫度較低，易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致制動盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低，摩擦系數(shù)不均勻變化，降低制動盤冷熱疲勞性能。因此，應(yīng)適當(dāng)降低鋼中的c含量，將其控制在0.20％以下。然而，淬火和高溫回火后為了獲得所需的高強(qiáng)度，c含量須在0.10％以上，因而c含量宜控制為0.10～0.20％。

si：si是鋼中主要的脫氧元素，具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但si含量過高將使鋼的塑性和韌性下降，c的活性增加，促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向，并且使冶煉困難和易形成夾雜物，惡化鋼的抗疲勞性能。因此控制si含量為0.20～0.40％。

mn：mn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。但淬火鋼回火時，mn和p有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向，促進(jìn)回火脆性，惡化鋼的韌性，過高mn含量易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致制動盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低，摩擦系數(shù)不均勻變化，降低制動盤冷熱疲勞性能，因而控制mn含量在0.60％～0.80％。

cr：cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強(qiáng)度；同時cr還可降低c的活度，可降低加熱、軋制和熱處理過程中的鋼材表面脫碳傾向，有利用獲得高的抗疲勞性能和良好的高溫性能。但含量過高會惡化鋼的韌性，因而控制cr含量為1.20～1.50％。

ni：ni可提高鋼的淬透性、耐蝕性和保證鋼在低溫下的韌性。但過高ni含量易導(dǎo)致反復(fù)加熱冷卻過程中產(chǎn)生奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致制動盤導(dǎo)熱系數(shù)急劇降低，摩擦系數(shù)不均勻變化，降低制動盤冷熱疲勞性能，因此ni含量為0.20～0.40％。

mo：mo在鋼中的作用主要為提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，mo元素與cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明顯提高，mo含量過低則上述作用有限，mo含量過高，則上述作用飽和，且提高鋼的成本。因此，控制mo含量為0.70～1.10％。

p：在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而使鋼的高溫回火脆性傾向增加。因此，p含量應(yīng)控制在0.010％以下。

s：不可避免的不純物，形成mns夾雜物和在晶界偏析會惡化鋼的韌性，從而降低鋼的韌塑性。因此，s含量應(yīng)控制在0.010％以下。

cu：通過析出ε-cu實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度，此外，加入適量的cu元素，還能夠增加鋼的耐大氣腐蝕性能，因此，cu含量應(yīng)控制在0.10-0.20％。

al：al是鋼中主要的脫氧元素，與鋼中n元素形成aln析出相具有抑制晶粒長大，但過細(xì)或過粗晶粒均會導(dǎo)致鋼的導(dǎo)熱系數(shù)降低，因此，al含量應(yīng)控制在0.005-0.010％。

n：含v、al鋼中過高n含量促進(jìn)了碳vn、aln在奧氏體的析出，細(xì)化奧氏體晶粒，但過細(xì)或過粗晶粒均會導(dǎo)致鋼的導(dǎo)熱系數(shù)降低，因此，n含量應(yīng)控制在≤60ppm。

w：w是是強(qiáng)碳化物形成元素，提高鋼的高溫強(qiáng)度和耐熱性，綜合考慮成本因素，w含量應(yīng)控制在0.10-0.30％。

0.012mo+0.005cr+0.022v≥0.023：主要是保證在熱處理過程中，鋼中的c均以合金碳化物形式存在，保證制動盤反復(fù)加熱冷卻過程中抑制奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變，保證制動盤導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)溫度，提高制動盤冷熱疲勞性能。

所述熱處理工藝：正火溫度：950～1000℃，保溫3～5小時，然后空冷；淬火溫度950-1050℃，保溫2.5～5小時，然后水冷；回火溫度600-700℃，回火處理4～8小時，然后水冷。正火和淬火溫度選擇較高的溫度和長時間保溫時間，保證成分均勻性的同時，保證一定的晶粒尺寸，晶粒尺寸過大或過小，均會使導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低；此外，在保證室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度前提下，選擇相對較高的回火溫度，并采用盡可能長的保溫時間，保證鋼中碳化物充分析出和長大，降低鋼中固溶c含量和碳化物表面能盡可能低，從而保證冷熱循環(huán)過程中組織穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的制動盤用鋼還具有良好導(dǎo)熱性能，低彈性模量和低熱膨脹系數(shù)，可廣泛適用于各類高速列車的制動系統(tǒng)中。本發(fā)明的制動盤用鋼和普通鍛造制動盤用鋼相比，在顯著提高高溫強(qiáng)度的同時，其冷熱疲勞性能和制動過程中摩擦因數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定性得到一定程度的改善，從而顯著提高制動盤的服役性能。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌；

圖2為實(shí)施例2制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌；

圖3為實(shí)施例3制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌；

圖4為實(shí)施例4制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼原奧氏體晶粒形貌；

圖5為實(shí)施例1制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌；

圖6為實(shí)施例2制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌；

圖7為實(shí)施例3制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌；

圖8為實(shí)施例4制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼微觀組織形貌形貌；

圖9為實(shí)施例1-4制備的動車組制動盤鍛造用低碳鋼平均摩擦因數(shù)隨溫度的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及表1和表2實(shí)施例1-4對本發(fā)明做詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1-4中的一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼的化學(xué)成分重量百分比如表1所示，實(shí)施例1-4均采用電爐冶煉經(jīng)lf精煉+rh真空脫氣后直接連鑄成φ600mm的圓坯，經(jīng)加熱軋制成φ280mm圓鋼，再經(jīng)加熱鍛造成板坯，厚度為75mm，經(jīng)表2熱處理、精加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸和沖擊試樣及摩擦試樣后進(jìn)行力學(xué)性能和摩擦因數(shù)分析。可見，各實(shí)施例中晶粒尺寸均15～20μm，組織均為回火索氏體，在0～700℃之間摩擦因數(shù)在0.3～0.4之間，導(dǎo)熱系數(shù)在30～34w/(m·k)，500℃高溫強(qiáng)度≥900mpa，20-700℃冷熱循環(huán)1000次無裂紋。

表1實(shí)施例1-4化學(xué)成分(wt％)

實(shí)施例1-4制得的動車組制動盤鍛造用低碳鋼的熱處理方法采用下表2所列方式熱處理，500℃高溫力學(xué)性能如表2所示。

表2實(shí)施例1-4熱處理工藝及500℃高溫力學(xué)性能

實(shí)施例1-4熱處理后的動車組制動盤鍛造用低碳鋼中晶粒尺寸均15～20μm，組織均為回火索氏體，在0～700℃之間摩擦因數(shù)在0.3～0.4之間，導(dǎo)熱系數(shù)在30～34w/(m·k)，500℃高溫強(qiáng)度≥900mpa。