一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢及制备方法，属于金属材料及其制备领域，解决了现有技术中高速列车制动盘用铸钢室温强韧性、高温力学性能及抗冷热疲劳失效性能匹配问题。一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢，化学组成按质量百分比计为：C：0.20％‑0.40％、Si：0.30％‑0.70％、Mn：0.50％‑2.00％、Cr：0.50％‑2.00％、Ni：0.50％‑2.00％、Mo：0.40％‑1.80％、V：0.01％‑0.30％、P≤0.015％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.015％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.00％‑6.00％，Mo+V总含量为0.41％‑2.00％。通过合理的成分、组织结构及制备工艺调控，实现了铸钢优良的室温强韧性、高温力学性能及抗冷热疲劳失效性能配合，满足高速列车铸钢制动盘综合力学性能及长服役寿命要求，适宜作为高速列车铸钢制动盘用材。

【技术实现步骤摘要】
一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢及制备方法
本专利技术属于金属材料及其制备领域，尤其涉及一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢及制备方法。
技术介绍
高速列车制动技术作为高速列车核心技术之一，关系着列车运行的安全性、平稳性和舒适性。高速列车主要安全措施是出现故障时依靠盘形制动作为最后的安全保障，制动盘是高速列车基础制动系统中核心关键部件。高速列车制动过程中制动盘与制动闸片发生剧烈摩擦使动能直接转换为了热能，列车最大时速提高导致动能和制动时产生的热能增大，巨大的热负荷、热冲击和热循环导致了盘体制动效能降低、高温磨耗和热疲劳失效等现象，对制动盘性能提出了严苛的要求，高性能高速列车制动盘的研制已成为高速列车发展的前沿性关键技术。在高时速等级高速列车中普遍采用了铸钢制动盘，铸钢制动盘通过在盘体内构造复杂的散热结构以有效降低制动盘制动后温度。目前，德国等高速列车制动盘生产厂商铸钢制动盘产品研制水平较高，然而相关铸钢制动盘材料及制备工艺鲜见报道。我国长期致力于高速列车制动盘材料及工艺研发，已公开的相关专利主要涉及高速列车铸钢制动盘材料室温力学性能，鲜有专利涉及铸钢制动盘材料高温性能。然而，在已公开铸钢制动盘材料高温性能专利中，普遍存在提高铸钢制动盘材料高温力学性能的同时难以兼顾其韧性。此外，高速列车制动盘用铸钢材料抗冷热疲劳性能研究，及抗冷热疲劳铸钢材料相关专利鲜见报道。高速列车铸钢制动盘室温强韧性、高温力学性能以及抗冷热疲劳性能直接关系着高速列车制动盘服役性能和寿命，研制出综合力学性能和抗失效性能均优良的高速列车铸钢制动盘材料对实现高速列车铸钢制动盘国产化，保障列车运行安全具有重要意义，是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术目的在于提供一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢及其制备方法，解决了现有技术中高速列车铸钢制动盘材料室温强韧性、高温强度以及抗冷热疲劳性能匹配的问题。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢，铸钢的化学组成按质量百分比计为：C：0.20％-0.40％、Si：0.30％-0.70％、Mn：0.50％-2.00％、Cr：0.50％-2.00％、Ni：0.50％-2.00％、Mo：0.40％-1.80％、V：0.01％-0.30％、P≤0.015％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.015％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.00％-6.00％，Mo+V总含量为0.41％-2.00％。进一步，铸钢的化学组成按质量百分比为：C：0.20％-0.30％、Si：0.40％-0.60％、Mn：0.80％-1.60％、Cr：0.80％-1.60％、Ni：0.80％-2.00％、Mo：0.60％-1.60％、V：0.01％-0.25％、P≤0.010％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.010％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.50％-5.00％，Mo+V总含量为0.61％-1.80％。一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢的制备方法，包括如下步骤：步骤1：制造树脂砂型；步骤2：配备熔炼原料，原料清洁熔炼至钢水；步骤3：钢水常压浇注；步骤4：浇注后铸件隔绝空气静置冷却后，再经接触空气冷却至凝固，经打箱取件、切割冒口后空冷至室温；步骤5：铸件粗加工后进行热处理，最后经精加工成材。进一步，步骤1中采用石英砂、树脂、固化剂制造树脂砂型，石英砂粒度为10-200目，石英砂中SiO2含量质量百分比大于90％，树脂加入量为砂型总质量的0.5％-25.0％，固化剂加入量为所加入树脂质量的5％-50％；砂型自然干燥固化后在100-800℃预热1-8h去除其中水分，并去除砂型型腔中固体颗粒物。进一步，步骤2中采用真空熔炼方式，低S、P熔炼原料进行抛丸处理，原料经100-300℃烘烤1-8h后，按本专利技术铸钢的化学组成配比后加入原料升温至化清，1550-1700℃精炼5-180min制备获得钢水。进一步，步骤3中钢水采用翻包浇注方式进行浇注，浇注温度为1500-1700℃，浇注时间5-360s，在浇注时浇道口覆盖陶瓷过滤网过滤钢水中粗大夹杂物。进一步，步骤4中浇注后铸件在隔绝空气条件下静置冷却5-480min后，铸件接触空气冷却至100-800℃进行打箱，经切割冒口后空冷至室温得到铸件。进一步，步骤4中浇注后铸件隔绝空气静置冷却采用空冷或加速冷却的方法进行冷却。具体的，隔绝空气静置冷却采用真空环境、惰性气氛保护或覆盖剂保护实现，加速铸件冷却采用铁模覆砂、铁模、钢模、加冷铁模具或高压气体冷却方式实现。进一步，步骤5中采用淬火-回火热处理工艺或正火-淬火-回火热处理工艺。具体的，正火、淬火和回火升温速率均为2-200℃/min，正火温度800-1100℃，正火保温时间≤3h，正火保温后空冷至室温；淬火温度800-1100℃，淬火保温时间≤3h，淬火保温后淬火至室温，淬火介质为水或机械油；回火温度400-800℃，回火保温时间≤4h，回火保温后空冷至室温。进一步，步骤5中，依据粗加工需求在淬火-回火热处理工艺或正火-淬火-回火热处理工艺前添加退火热处理工艺，所述退火升温速率2-200℃/min，退火温度600-800℃，退火保温时间≤6h，退火保温后空冷至室温。与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：1.本专利技术提供了一种高速列车制动盘用铸钢室温强韧性、高温力学性能和抗冷热疲劳性能协同调控技术：本专利技术铸钢通过C元素含量，V元素含量，Mn+Cr+Ni元素总量成分调控，晶粒尺寸及回火马氏体组织退化程度结构调控调控，实现了铸钢室温强韧性能匹配；通过含Mo、V元素含量及组配，热处理工艺和打箱温度调控形成了纳米尺度、高热稳定性、细小且弥散分布MC、MX型析出相，通过Mo固溶强化及V沉淀强化提高该铸钢高温力学性能，并通过此类型析出相抑制冷热疲劳裂纹萌生和扩展，提高铸钢抗冷热疲劳失效性能。2.本专利技术提供了一种高速列车制动盘用铸钢室温强韧性、高温力学性能和抗冷热疲劳性能协同调控制备工艺：为确保铸钢获良好强韧性配合，一方面，采用低S、P熔炼原料、真空熔炼方式及浇注后隔绝空气静置冷却获得低S、P有害元素，低O、N、H气体含量铸钢。另一方面，通过调控浇注温度、浇注时间以及采用铸后加速冷却以减少铸造缺陷并细化晶粒尺寸。同时，通过热处理工艺获得适宜组织退化回火马氏体组织及纳米尺度、高热稳定性、细小且弥散分布MC、MX型析出相，并且调控打箱温度抑制此类型析出相长大，由此进一步调控铸钢室温强韧性并获得了良好的高温力学性能及抗冷热疲劳失效性能。本专利技术中退火工艺为调整铸钢硬度接近或低于30HRC利于加工；正火工艺为细化铸钢晶粒尺寸并使V微合金元素充分固溶；淬火工艺为获得淬火马氏体组织；回火工艺为调控回火马氏体组织强度、塑性和韧性配合，并获得细小、弥散、高密度、高热稳定性MC、MX型析出相。由此综合提高铸钢的室温强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢，其特征在于，所述铸钢的化学组成按质量百分比计为：C：0.20％-0.40％、Si：0.30％-0.70％、Mn：0.50％-2.00％、Cr：0.50％-2.00％、Ni：0.50％-2.00％、Mo：0.40％-1.80％、V：0.01％-0.30％、P≤0.015％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.015％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.00％-6.00％，Mo+V总含量为0.41％-2.00％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢，其特征在于，所述铸钢的化学组成按质量百分比计为：C：0.20％-0.40％、Si：0.30％-0.70％、Mn：0.50％-2.00％、Cr：0.50％-2.00％、Ni：0.50％-2.00％、Mo：0.40％-1.80％、V：0.01％-0.30％、P≤0.015％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.015％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.00％-6.00％，Mo+V总含量为0.41％-2.00％。


2.根据权利要求1所述一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢，其特征在于，所述铸钢的化学组成按质量百分比为：C：0.20％-0.30％、Si：0.40％-0.60％、Mn：0.80％-1.60％、Cr：0.80％-1.60％、Ni：0.80％-2.00％、Mo：0.60％-1.60％、V：0.01％-0.25％、P≤0.010％、S≤0.010％、O≤0.010％、N≤0.010％，其余为Fe及不可避免杂质；Mn+Cr+Ni总含量为2.50％-5.00％，Mo+V总含量为0.61％-1.80％。


3.一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢的制备方法，用于制备权利要求1～2所述的铸钢，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制造树脂砂型；
步骤2：配备熔炼原料，原料清洁熔炼至钢水；
步骤3：钢水常压浇注；
步骤4：浇注后铸件隔绝空气静置冷却后，再经接触空气冷却至凝固，经打箱取件、切割冒口后空冷至室温；
步骤5：铸件粗加工后进行热处理，最后经精加工成材。


4.根据权利要求3所述的一种高韧抗冷热疲劳高速列车制动盘用铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1中采用石英砂、树脂、固化剂制造树脂砂型，石英砂粒度为10-200目，石英砂中SiO2含量质量百分比大于90％，树脂加入量为砂型总质量的0.5％-25.0％，固化剂加入量为所加入树脂质量的5％-50％；砂型自然干燥固化后在100-800℃预热1-8h去除其中水分，并去除砂型型腔中固体颗粒物。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤忖江，陈蕴博，宋佳健，王金南，左玲立，臧玉郡，祁晔思，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，锦州捷通铁路机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11