专利名称：合金锻钢与其热处理方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金锻钢及其热处理方法，还涉及一种由该合金锻钢制造的高速列车制动盘。
背景技术：
制动盘是动车组制动系统的重要部件，尤其是250Km/h及更高速的动车组，制动盘的质量性能直接影响着动车组的各项性能指标。而对于制动盘质量性能影响最大的是制 动盘所使用的合金锻钢材料的各项力学性能指标。国内现有高速列车锻钢制动盘用合金锻钢材料的不足之处主要有
(I)现有合金锻钢的各成分匹配不尽合理，且在冶炼过程中成分不容易控制，综合力学性能不是很理想。例如，公开号为CN1385628A、名称为“一种用于高速列车制动盘的材料” (最接近的现有技术)的专利申请为了满足高速列车制动盘材料性能的要求，添加了铬、钥、钒等合金成分，但铬、钥等合金成分在增加材料强度的同时却带来了材料塑性和韧性的明显降低；类似的，钒虽然可以细化晶粒，提高强度，但是钒容易氧化，导致其在冶炼过程中成分不容易控制，而且添加量过多的话，往往容易分散不均匀，还易导致材料产生脆性；此外，钒的添加还会带来材料低温冲击韧性的下降，影响材料的温度适应性能，导致列车在一些寒冷地区或低温季节的制动性能下降。(2)现有合金锻钢采用淬火加回火处理的热处理方法不尽合理，未能充分进一步地优化、提升材料的性能；导致所制得的制动盘容易产生变形和裂纹，影响制动盘的使用寿命O(3)国内现有高速列车锻钢制动盘用合金锻钢主要依赖进口，且价格昂贵。因此，为满足我国高速铁路发展的需要，开发一种综合力学性能优良、制造容易，且性价比高的高速列车制动盘用材料显得尤为迫切。
发明内容
本发明的第一目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种合金锻钢，该合金锻钢制造容易、综合力学性能优良，尤其适用于制造高速列车或动车组制动盘。本发明的第一目的是通过以下技术方案来实现的一种合金锻钢，其各组分及其质量百分比如下碳O. 26% O. 35% ;硅O. 15% O. 39% ;锰O. 85% I. 50% ;磷小于等于O. 02% ;硫小于等于 O. 01% ;铬 O. 80% 2. 00% ;镍 O. 70% 2. 00% ;钥 O. 35% I. 00% ;余量为铁及其他元素，所述其他元素的质量百分比总和小于等于O. 30%。在上述技术方案中，优选，所述锰为O. 85% I. 19% ;进一步优选，所述锰为O. 85% I. 10%ο在上述技术方案中，优选，所述铬为O. 91% 2. 00%;进一步优选，所述铬为
O.91% I. 95% ;再进一步优选，所述铬为O. 91% I. 85%。在上述技术方案中，优选，所述镍为O. 71% 2. 00% ;再优选，所述镍为O. 71% I.64% ;进一步优选，所述镍为O. 71% I. 61% ;更进一步优选，所述镍为O. 72% I. 61%。在上述技术方案中，优选，所述钥为O. 35% O. 70%;进一步优选，所述钥为O. 38% O. 63% ;再进一步优选，所述钥为O. 38% O. 49%。在上述技术方案中，优选，所述硅为O. 20% O. 39% ;进一步优选，所述硅为O. 22% O. 34%ο在上述技术方案中，优选，所述磷的含量为小于等于O. 019% ;优选，所述硫的含量为小于等于O. 009%。在上述技术方案中，优选，所述其他元素包括氧、氢、氮，其中氧质量百分比含量小于等于O. 0020% ;氢质量百分比含量小于等于O. 0005% ;氮质量百分比含量小于等于 O.0070%。在所述其他元素中，除了一些常见的应控制的有害合金元素外，如锡、锑、砷、铜等；还可以包括一些对钢的性能有益的合金元素如钒、钛、钨、铌等元素中的一种或几种。在上述技术方案中，优选，所述其他元素包括钒、钛、钨、铌元素中的任意一种或任意二种及以上；其含量为钒< O. 1%，钛< O. 08%，钨< O. 04%，铌< O. 05%。在上述技术方案中，进一步优选，所述其他元素包括钒、钛、钨、铌元素中的任意一种或任意二种及以上;其含量为钒< O. 1%，钛< O. 08%，钨< O. 04%，铌< O. 05%。在上述技术方案中，所述合金锻钢调质处理后的金相组织为索氏体组织。本发明的合金锻钢可以采用现有技术中的LF+V0D+VD (钢包炉法+真空吹氧脱碳炉法+真空脱碳炉法)炼钢工艺方法或类似的炼钢工艺进行制备。下面详细描述一下本发明的合金锻钢所含的各化学成分在锻钢冶炼中所起的作用及其优选的含量范围。在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在碳素钢中加入O. 70%以上时就算“锰钢”，较一般锰量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。在本发明中，将其含量优选控制在O. 85% I. 19% ;进一步优选锰为O. 85% I. 10%ο铬能提高钢的强度、硬度和耐磨性。同时，铬又能提高钢的高温强度，是耐热钢的重要合金元素。在本发明中，将其含量优选控制在铬为O. 91% 2. 00%，进一步优选铬为O. 91% I. 95%,更进一步优选铬为O. 91% I. 85%。镍是扩大奥氏体相区的元素，并且也是固溶强化元素，随着镍含量的增加，钢的常温强度和高温强度增加，而对塑性和韧性影响不大，具体可以见图I、图2。在本发明中，将其含量优选控制在所述镍为O. 71% 2. 00% ;进一步优选所述镍为O. 71% I. 64%，再进一步优选镍为O. 71% I. 61% ;更进一步优选镍为O. 72% I. 61%。钥能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。钢中加入钥，能提高机械性能；并且还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。在本发明中，将其含量优选控制在钥为O. 35% O. 70% ;进一步优选钥为O. 38% O. 63% ;再进一步优选为钥O. 38% O. 49%。在本发明中，将硅控制在O. 15% O. 39%，优选硅为O. 20% O. 39%，进一步优选硅为 O. 22% O. 34%ο在本发明中，将磷控制在小于等于O. 02% ;硫小于等于O. 01% ;优选磷含量小于等于O. 019% ;优选硫含量为小于等于O. 009%。在本发明中，优选氧含量小于等于O. 0020% ;优选氢含量小于等于O. 0005% ;优选氮含量小于等于O. 0070%。本发明的第二目的在于提供一种前述合金锻钢的应用，所述合金锻钢应用于制造高速列车制动盘。本发明的第二目的 通过提供如下的一种高速列车制动盘来实现的其使用前述的合金锻钢制造而成。本发明的第三目的在于提供一种能进一步改善力学性能、减少变形和裂纹倾向的前述合金锻钢的热处理方法。本发明的第三目的是通过提供前述合金锻钢的热处理方法来实现，其包括以下步骤
首先进行正火处理，升温至860°C 920°C后保温3 5小时，风冷至常温；
然后进行调质处理先淬火处理升温至860°C 920°C后保温3 5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至550 620°C后保温3 5小时，风冷或水冷至常温。优选的，合金锻钢的热处理方法中，进行所述正火处理和淬火处理时的升温过程为，首先升温至650°C 700°C后保温I 2小时，然后再升温至860°C 920°C。优选的，合金锻钢的热处理方法中，进行所述正火处理和淬火处理时，升温速度为120。。 2000C / 小时。本发明的有益效果主要体现在
(I)通过对锰、镍、铬、钥多个合金成分的合理选择和搭配，在保证锻钢强度增加的同时，还能保证材料的塑性和韧性不受较大影响，避免了因强度增加导致材料塑性和韧性明显下降的现象。所制得的合金锻钢材料综合力学性能优良；明显克服了现有技术中的制动盘材料由于各成分匹配不尽合理而导致在强度和塑、韧性方面不能兼顾的矛盾(详见后面的对比试验)。(2)通过对锰、镍、铬、钥多个合金成分及其与碳、硅等主要化学成分的合理配比，提高了合金锻钢材料的淬透性和热强性能，而且常温强度和高温强度也得到了大幅度提闻。(3)通过对锰、镍、铬、钥多个合金成分及其与碳、硅等其它主要化学成分的合理配t匕，本发明的合金锻钢材料的耐磨性要优于现有技术。采用本发明技术方案所获得的合金锻钢材料的布氏硬度值达到300 388HBW (详见后面的对比试验)。(5)本发明的合金锻钢材料经适当的热处理后，晶粒细化，进一步提高了合金锻钢材料的抗拉强度、屈服强度及韧性，高温强度和塑性也得到了明显改善，变形和裂纹倾向小(详见后面的对比试验)。(6)本发明的合金锻钢经热处理后所达到的力学性能指标如下抗拉强度彡1070MPa ;屈服强度彡905MPa ;延伸率彡14% ;断面收缩率彡35% ;布氏硬度值为300 388HBW。完全能够满足250Km/h及以上的高速列车制动盘的材料要求。此外，本发明的合金锻钢采用常规的LF+V0D+VD (钢包炉法+真空吹氧脱碳炉法+真空脱碳炉法)炼钢工艺方法或类似的炼钢工艺进行制备，冶炼方便，锻造容易，生产制造成本降低，更有利于工业化的实施和推广。
用本发明的合金锻钢材料制造的高速动车组制动盘已经在高速动车组上进行了试运行试验。运行结果表明，用本发明的合金锻钢材料制造的高速动车组制动盘质量稳定、性能优异、使用寿命长；同时，与国外同类 产品相比，还具有较高的性价比优势。综上所述表明，由于本发明通过锰、铬、镍、钥等合金成分和锻钢材料中碳、硅等其他主要化学成分的合理选择和配比，在适当的热处理后，使晶粒细化，提高了合金锻钢材料的淬透性和热强性能，常温强度和高温强度大幅度提高，所制得的合金锻钢不仅有较高的抗拉强度和屈服强度，在塑、韧性方面也有较好的表现，综合力学性能优良。同时，本发明的合金锻钢材料还具有耐磨性能好、变形和裂纹倾向小、冶炼方便、锻造容易和生产制造成本低的优点，有利于延长高速列车制动盘的使用寿命和工业化推广应用。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图I为含镍量与合金锻钢的常温强度及高温强度的关系图。图2为含镍量与合金锻钢的伸长率及断面收缩率的关系图。图3为本发明的具体实施例的淬火温度和合金锻钢抗拉强度的关系图。图4为本发明的具体实施例的淬火温度和合金锻钢伸长率的关系图。图5为本发明的具体实施例的淬火温度和合金锻钢抗拉强度、屈服强度的关系图。图6为本发明的具体实施例的淬火温度和合金锻钢的伸长率、断面收缩率的关系图。图7为本发明的具体实施例的合金锻钢经热处理后的金相组织放大100倍时的图片。图8为本发明的具体实施例的合金锻钢经热处理后的金相组织放大500倍时的图片。
具体实施例方式有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下具体实施方式
的详细说明中，将可清楚的呈现。然而本领域技术人员将意识到此处的参考了附图的具体描述仅仅用于示例目的，本发明并不局限于此。表I本发明的合金锻钢的化学成分(％)
权利要求
1.一种合金锻钢，其特征在于，其各组分及其质量百分比如下碳O. 26% O. 35% ;硅O. 15% O. 39% ；锰O. 85% I. 50% ;磷小于等于O. 02% ；硫小于等于O. 01% ；铬O. 80% 2. 00% ;镍O. 70% 2. 00% ;钥O. 35% I. 00% ;余量为铁及其他元素，所述其他元素的质量百分比总和小于等于O. 30%。
2.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述锰为O.85% I. 19%。
3.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述锰为O.85% I. 10%。
4.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述铬为O.91% 2. 00%。
5.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述铬为O.91% I. 95%。
6.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述铬为O.91% I. 85%。
7.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述镍为O.71% 2. 00%。
8.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述镍为O.71% I. 64%。
9.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述镍为O.71% I. 61%。
10.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述镍为O.72% I. 61%。
11.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述钥为O.35% O. 70%。
12.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述钥为O.38% O. 63%。
13.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述钥为O.38% O. 49%。
14.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述硅为O.20% O. 39%。
15.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述硅为O.22% O. 34%。
16.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述其他元素包括氧、氢、氮，其中氧质量百分比含量小于等于O. 0020% ;氢质量百分比含量小于等于O. 0005% ;氮质量百分比含量小于等于O. 0070%。
17.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述其他元素包括钒、钛、钨、铌元素中的任意一种或任意二种及以上；其含量为钒< O. 1%，钛< O. 08%，钨< O. 04%，铌(O. 05%。
18.根据权利要求I所述的合金锻钢，其特征在于所述合金锻钢调质处理后的金相组织为索氏体组织。
19.根据权利要求I 18所述的任一合金锻钢的应用，其特征在于所述合金锻钢应用于制造高速列车制动盘。
20.根据权利要求I 18所述的任一合金锻钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤 首先进行正火处理，升温至860°C 920°C后保温3 5小时，风冷至常温； 然后进行调质处理先淬火处理升温至860°C 920°C后保温3 5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至550 620°C后保温3 5小时，风冷或水冷至常温。
21.根据权利要求20所述的合金锻钢的热处理方法，其特征在于，进行所述正火处理和淬火处理时的升温过程为，首先升温至650°C 700°C后保温I 2小时，然后再升温至860。。 920。。。
22.根据权利要求20所述的合金锻钢的热处理方法，其特征在于，进行所述正火处理和淬火处理时，升温速度为120°C 200°C /小时。
全文摘要
本发明提供了一种合金锻钢，其各组分及其质量百分比如下碳0.26%～0.35%；硅0.15%～0.39%；锰0.85%～1.50%；磷小于等于0.02%；硫小于等于0.01%；铬0.80%～2.00%；镍0.70%～2.00%；钼0.35%～1.00%；余量为铁和其他元素。本发明的有益效果主要体现在通过锰、镍、铬、钼等合金元素和锻钢材料中碳、硅等主要化学成分的合理配比，并进行适当的热处理，使晶粒细化，提高了合金锻钢材料的淬透性和热强性能，常温强度和高温强度大幅度提高，具有优良的综合力学性能。
文档编号C22C38/44GK102953008SQ20111024522
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者钱坤才, 金文伟, 郭晓晖, 阙红波, 严运涛, 郭立宾, 张勋林, 郑剑云 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司, 常州南车铁马科技实业有限公司