专利名称：高速列车制动盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种列车制动装置，尤其是一种高速列车制动盘及制备该高速列车制动盘的合金材料。
背景技术：
目前，盘形制动装置已经大量运用于160km/h以上速度等级的普通列车和高速动车组上，速度超过100km/h的城轨列车上也用上了盘形制动系统，因此大力发展盘形制动系统将是一个趋势；盘形制动系统主要是依靠制动盘与摩擦材料间的摩擦作用把动能转化为热能散发到空气中，从而实现车辆的停车制动。·
现在高速列车上所用的制动盘主要分为两种，一种以CRH2型动车组用锻钢结构制动盘，此种制动盘是盘面内侧伸出连接爪，通过连接爪上螺栓孔用螺栓把制动盘紧固到车轮或者盘毂上，这种结构的锻钢结构制动盘往往很重，盘体的锻造成型工艺比较麻烦 ’另一种是以CRH3型等动车组用铸钢结构制动盘，此种制动盘是通过盘面中心孔用螺栓把制动盘紧固到车轮上，通过螺栓压紧产生的摩擦力来传递动力，这种动力传递方式使螺栓承受剪力，螺栓容易变形或断裂，从而使制动盘的强度较低，以上两种制动盘的通风散热效果较差。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
本发明的目的在于提供一种散热效果好、锻造成型简单和强度高的高速列车制动盘。为了达到上述目的，本发明的技术方案是
一种高速列车制动盘，包括具有中孔的盘体，盘体具有摩擦面和位于摩擦面背后的内侧面，盘体上均匀分布有若干个安装孔，所述盘体的内侧面上一体锻造有多个第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台，第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台的侧面均具有拔模斜度，安装孔穿过第二径向板状散热筋，所述凸台上具有径向销槽。所述第一径向板状散热筋在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体的内侧面上，第二径向板状散热筋在圆周方向间隔30°均匀分布于盘体的内侧面上，凸台在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体的内侧面上。所述第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台的底部与盘体的内侧面之间均采用圆弧面过渡。
所述第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台的底部与盘体的内侧面之间的圆弧面的圆角半径为10 25mm。所述第一板状径向散热筋的两个周向侧面均采用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均采用25° 30°拔模斜度。所述第二径向板状散热筋的两个周向侧面均采用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均采用25° 30°拔模斜度。所述凸台的侧面采用15° 18°拔模斜度。所述凸台的下部具有过渡台阶。所述第二径向板状散热筋上具有制成一体的安装孔座，安装孔座两个轴向侧面为圆锥面或者弧锥面，所述安装孔穿过安装孔座。本发明的另一目的在于提供一种适用于制造高速列车或动车组制动盘的合金锻钢，该合金锻钢制造容易、综合力学性能优良。上述高速列车制动盘由合金锻钢制得，所述合金锻钢的各组分及其质量百分比如下-M 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% M 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
0.91% 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%
1.64% ;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3、图4。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盘体的内侧面上一体锻造有多个第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台，因此加大了空气的流通，散热效果好，结构强度也高，又由于第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台的侧面均具有拔模斜度，因此锻造成型简单。 对于制备所述高速列车盘的合金锻钢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。
图I是本发明的立体 图2是图I的后视立体图。图3为含镍量与合金锻钢的常温强度及高温强度的关系图。图4为含镍量与合金锻钢的伸长率及断面收缩率的关系图。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伸长率的关系图。图7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8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9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10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。
具体实施例方式以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。参见图1、2所示，一种高速列车制动盘，包括具有中孔的盘体1，盘体I具有摩擦面1-1和位于摩擦面1-1背后的内侧面1-2，盘体I上均匀分布有若干个安装孔1-3，所述盘体I的内侧面1-2上一体锻造有多个第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1-2-3，第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1_2_3的侧面均具有拔模斜度，安装孔1-3穿过第二径向板状散热筋1-2-2，所述凸台1-2-3上具有径向销槽1-2-4。参见图1、2所示，为了方便制造，而且能够更加合理的布置，所述第一径向板状散热筋1-2-1在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体I的内侧面1-2上，第二径向板状散热筋1-2-2在圆周方向间隔30°均匀分布于盘体I的内侧面1-2上，凸台1-2-3在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体I的内侧面1-2上。参见图2所示，为了更加方便制造，所述第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1-2-3的底部与盘体I的内侧面1-2之间均采用圆弧面2过渡。参见图2所示，为了能够满足实际加工需要，所述第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1-2-3的底部与盘体I的内侧面1-2之间的圆弧面2的圆角半径为10 25mm ;所述第一板状径向散热筋1_2_1的两个周向侧面均采用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均采用25° 30°拔模斜度；所述第二径向板状散热筋1-2-2的两个周向侧面均米用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均米用25° 30°拔模斜度；所述凸台1-2-3的下部具有过渡台阶1-2-6，过渡台阶1-2-6为圆弧状。
参见图2所示，为了能够加强第二径向板状散热筋1-2-2的强度，所述第二径向板状散热筋1-2-2上具有制成一体的安装孔座1-2-5，安装孔座1-2-5两个轴向侧面为圆锥面或者弧锥面，所述安装孔1-3穿过安装孔座1-2-5。参见图1、2所示，本发明安装时，两个盘体I同时安装在轮毂的左、右两侧，再用螺栓将两个盘体I固定在轮毂上，由于盘体I的内侧面1-2上具有多个第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1-2-3，因此加大了空气的流通，散热效果好，结构强度也高，又由于第一径向板状散热筋1-2-1、第二径向板状散热筋1-2-2和凸台1-2-3的侧面均具有拔模斜度，因此锻造成型简单。本发明还详细揭示了用于制备本发明上述高速列车制动盘的合金锻钢。表I本发明的合金锻钢的化学成分(％)
权利要求
1.一种高速列车制动盘，包括具有中孔的盘体(I )，盘体(I)具有摩擦面(1-1)和位于摩擦面(1-1)背后的内侧面(1-2)，盘体(I)上均匀分布有若干个安装孔(1-3)，其特征在于所述盘体(I)的内侧面(1-2)上一体锻造有多个第一径向板状散热筋(1-2-1)、第二径向板状散热筋(1-2-2)和凸台(1-2-3)，第一径向板状散热筋(1-2-1)、第二径向板状散热筋(1-2-2)和凸台(1-2-3)的侧面均具有拔模斜度，安装孔(1-3)穿过第二径向板状散热筋(1-2-2)，所述凸台(1-2-3)上具有径向销槽(1-2-4)。
2.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第一径向板状散热筋(1-2-1)在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体(I)的内侧面(1-2)上，第二径向板状散热筋(1-2-2)在圆周方向间隔30°均匀分布于盘体(I)的内侧面(1-2)上，凸台(1-2-3)在圆周方向间隔60°均匀分布于盘体(I)的内侧面(1-2)上。
3.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第一径向板状散热筋(1-2-1)、第二径向板状散热筋(1-2-2)和凸台(1-2-3)的底部与盘体(I)的内侧面(1_2)之间均采用圆弧面(2 )过渡。
4.根据权利要求3所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第一径向板状散热筋(1-2-1)、第二径向板状散热筋(1-2-2)和凸台(1-2-3)的底部与盘体(I)的内侧面(1_2)之间的圆弧面(2)的圆角半径为10 25mm。
5.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第一板状径向散热筋(1-2-1)的两个周向侧面均采用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均采用25° 30°拔模斜度。
6.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第二径向板状散热筋(1-2-2)的两个周向侧面均采用15° 18°拔模斜度，两个径向侧面均采用25° 30°拔模斜度。
7.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述凸台(1-2-3)的侧面采用15° 18°拔模斜度。
8.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述凸台(1-2-3)的下部具有过渡台阶(1_2_6)。
9.根据权利要求I所述的高速列车制动盘，其特征在于所述第二径向板状散热筋(1-2-2)上具有制成一体的安装孔座(1-2-5)，安装孔座(1-2-5)两个轴向侧面为圆锥面或者弧锥面，所述安装孔(1-3 )穿过安装孔座(1-2-5 )。
10.根据权利要求1-9所述的任一高速列车制动盘，其特征在于所述高速列车制动盘由合金锻钢制得，所述合金锻钢的各组分及其质量百分比如下碳O. 26% O. 35% ;娃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%。
11.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的锰为O. 85% I. 19%。
12.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的锰为O. 85% I. 10%O
13.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的铬为O. 91% 2· 00%O
14.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的铬为O. 91% I. 95%。
15.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的铬为O. 91% I. 85%。
16.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的镍为O. 71% 2. 00%ο
17.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的镍为O. 71% I. 64%O
18.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的镍为O. 71% I. 61%。
19.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的镍为O. 72% I. 61%。
20.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的钥为O. 35% O. 70%ο
21.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的钥为O. 38% O. 63%。
22.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的钥为O. 38% O. 49%ο
23.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的硅为O. 20% O. 39%ο
24.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的硅为O. 22% O. 34%ο
25.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的其他元素包括氧、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%。
26.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述合金锻钢中的其他元素包括钒、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%，钨彡 O. 04%，铌彡 O. 05%。
27.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，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。
28.根据权利要求10所述的高速列车制动盘，其特征在于所述用于制备高速列车制动盘的合金锻钢的热处理方法包括以下步骤 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。
29.根据权利要求28所述的高速列车制动盘，其特征在于所述用于制备高速列车制动盘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。
30.根据权利要求28所述的高速列车制动盘，其特征在于所述用于制备高速列车制动盘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°C 2000C / 小时。
全文摘要
本发明公开了一种高速列车制动盘，包括具有中孔的盘体，盘体具有摩擦面和位于摩擦面背后的内侧面，盘体上均匀分布有若干个安装孔，所述盘体的内侧面上一体锻造有多个第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台，第一径向板状散热筋、第二径向板状散热筋和凸台的侧面均具有拔模斜度，安装孔穿过第二径向板状散热筋，所述凸台上具有径向销槽。本发明散热效果好、锻造成型简单和强度高。
文档编号F16D65/847GK102900793SQ20111024466
公开日2013年1月30日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年7月28日
发明者金文伟, 钱坤才, 郭立宾, 黄彪, 郭晓晖, 杜利清 申请人:常州南车铁马科技实业有限公司, 南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司