本發明屬于機車車輛用鋼技術領域，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：

高速動車組列車基礎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鍵技術之一，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化為熱能散發到空氣中，在此過程中，制動盤的材料、結構和性能不能被破壞。

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，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：一是穩定而均勻的摩擦性能，摩擦系數不隨壓力、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。

目前的研究大部分集中在創新制動盤結構，提高制動盤散熱性方面，對材質的創新性研究相對較少。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定性對提高制動盤壽命具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，通過調整元素含量，提高低碳鋼的高溫強度和導熱系數，其冷熱疲勞性能和制動過程中摩擦因數的穩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，根據元素的含量設計熱處理工藝，進一步提高制動盤的服役性能。

本發明提供的一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質量百分含量的元素：

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％，

并且還應滿足0.012mo+0.005cr+0.022v≥0.023，

余量為fe及不可避免的雜質。

優選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質量百分含量的元素：

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。

優選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質量百分含量的元素：

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。

優選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質量百分含量的元素：

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。

優選的，一種動車組制動盤鍛造用低碳鋼，含有以下質量百分含量的元素：

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。

本發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。

進一步的，正火保溫3～5小時，然后空冷；

進一步的，淬火保溫2.5～5小時，然后水冷；

進一步的，回火處理4～8小時，然后水冷。

經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，平均摩擦因數在0.3～0.4之間，導熱系數在30～34w/(m·k)，20-700℃冷熱循環1000次無裂紋，500℃抗拉強度≥900mpa。

本發明中各元素及其含量作用如下：

c：c元素是獲得高的強度、硬度所必需的。高的c含量雖然對鋼的強度、硬度等有利，但對鋼的塑性和韌性極為不利，且使屈強比降低、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。尤其是當碳含量過高時，鋼的ac1點溫度較低，易導致反復加熱冷卻過程中產生奧氏體-馬氏體轉變，導致制動盤導熱系數急劇降低，摩擦系數不均勻變化，降低制動盤冷熱疲勞性能。因此，應適當降低鋼中的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，具有很強的固溶強化作用，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度。但淬火鋼回火時，mn和p有強烈的晶界共偏聚傾向，促進回火脆性，惡化鋼的韌性，過高mn含量易導致反復加熱冷卻過程中產生奧氏體-馬氏體轉變，導致制動盤導熱系數急劇降低，摩擦系數不均勻變化，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含量易導致反復加熱冷卻過程中產生奧氏體-馬氏體轉變，導致制動盤導熱系數急劇降低，摩擦系數不均勻變化，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含量應控制在0.010％以下。

cu：通過析出ε-cu實現析出強化，提高鋼的強度，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，但過細或過粗晶粒均會導致鋼的導熱系數降低，因此，al含量應控制在0.005-0.010％。

n：含v、al鋼中過高n含量促進了碳vn、aln在奧氏體的析出，細化奧氏體晶粒，但過細或過粗晶粒均會導致鋼的導熱系數降低，因此，n含量應控制在≤60ppm。

w：w是是強碳化物形成元素，提高鋼的高溫強度和耐熱性，綜合考慮成本因素，w含量應控制在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，保證制動盤反復加熱冷卻過程中抑制奧氏體-馬氏體轉變，保證制動盤導熱系數和摩擦系數溫度，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，均會使導熱系數顯著降低；此外，在保證室溫強度和高溫強度前提下，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，從而保證冷熱循環過程中組織穩定性。

與現有技術相比，本發明的制動盤用鋼還具有良好導熱性能，低彈性模量和低熱膨脹系數，可廣泛適用于各類高速列車的制動系統中。本發明的制動盤用鋼和普通鍛造制動盤用鋼相比，在顯著提高高溫強度的同時，其冷熱疲勞性能和制動過程中摩擦因數和導熱系數的穩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隨溫度的變化。

具體實施方式

下面結合附圖及表1和表2實施例1-4對本發明做詳細的說明。

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

表1實施例1-4化學成分(wt％)

實施例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℃高溫力學性能如表2所示。

表2實施例1-4熱處理工藝及500℃高溫力學性能

實施例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℃之間摩擦因數在0.3～0.4之間，導熱系數在30～34w/(m·k)，500℃高溫強度≥900mpa。