高速动车制动盘体及其铸造方法和热处理方法 |
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| 申请号 | CN201710559080.8 | 申请日 | 2017-07-11 | 公开(公告)号 | CN107354384A | 公开(公告)日 | 2017-11-17 |
| 申请人 | 江苏金石铸锻有限公司; | 发明人 | 吉哲; 范献兵; 李长海; 孙允龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高速动车 制动 盘 体及其 铸造 方法和 热处理 方法，该制动盘体是经铸造和热处理而得的，盘体的上盘面和下盘面是相互平行的，盘体的上盘面和下盘面之间由均分的若干 块 “U”型块链接的。通过盘体的结构设计，保证盘体在高速旋转时平衡度，大幅度降低制动盘高速制动时抖动的幅度；通过盘体的铸造工艺的设计，大幅度提高盘体 质量 ，保证盘体在长时间的连续制动的安全系数和使用寿命；通 过热 处理工艺的设计，既保证盘体在极寒环境下高速制动时所要承受的强度和冲击，还保证在连续制动过程中所产生的热 翘曲 变形 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.高速动车制动盘体，其特征是该制动盘体由包括以下化学成分的材料铸造而成的，各组分的质量百分比如下：C 0.20～0.30，Si 0.40～0.7，Mn 0.80～1.30，P≤0.010，S≤ |
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| 说明书全文 | 高速动车制动盘体及其铸造方法和热处理方法技术领域背景技术[0002] 制动盘即刹车盘，是一个金属圆盘，是用合金钢制造，固定在车轮上随车轮转动。车辆行驶过程中踩刹车时，制动卡钳夹住制动盘起到减速或者停车的作用。制动盘是动车制动系统中技术含量最高的零件之一，也是进行国产化和自主创新的重点，其优劣直接影响到动车组的安全性和舒适性以及部件的轻量化和维修量。 [0003] 目前，我国中低速机车的制动盘技术相对比较成熟，但由于高速动车的车速高且运行条件恶劣，这就对制动盘的材料、性能和结构稳定性的技术要求甚高。随着我国“一带一路”政策得到广大国外友人的认可，铁路运输将成为这次贸易革命的关键手段，而高速动车的使用将在这次革命中登上历史的舞台。但随着我国铁路向高速化的发展，制动问题将更为突出，因此高速动车制动盘的关键技术的研究意义重大！制动盘材料的成分设计也就是材料的化学组成直接影响其金相组织形态，同时也是决定基体组织与热处理性能的主要因素之一。化学组分不同影响钢的力学性能，几种化学元素对钢的影响如下： 1) 碳(C)：扩大γ相区，但因渗碳体的形成，不能无限固溶；在α-Fe及γ-Fe中的最大溶解度分别为0.02%及2.1%；钢中含碳量增加，其屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性降低。 [0004] 2) 镍(Ni)：扩大γ相区，形成无限固溶体；镍在α-Fe中的最大溶解度约为10%，不形成碳化物，固溶强化及提高淬透性的作用中等；细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，镍能提高钢塑性和韧性，特别是低温韧性；其为主要奥氏体形成元素并改善钢的耐腐蚀性能；与Cr、Mo联合使用，提高钢的热强性和常温强度以及耐蚀性。 [0005] 3) 钨(W)：缩小γ相区，钨是强碳化物形成元素，钢中加入适量的钨可细化组织晶粒，提高强度和韧性；碳化钨熔点高，在高温下阻止晶粒长大，从而提高材料的高温强度。 [0006] 4) 铬(Cr)：增加钢的淬透性并有二次硬化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；铬还能提高钢的高温强度，是耐热钢的重要合金元素。5) 钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂；钢中加入适量的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性；钒与碳形成的碳化物在高温高压下提高钢的抗氢腐蚀能力。 6) 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和红硬性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，钼还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。 [0007] 7) 钛(Ti)：钛是强碳化物形成元素，钢中加入适量的钛可显著细化组织晶粒，提高强度和韧性，尤其对提高冲击韧性贡献较为明显。 发明内容[0008] 本发明的目的是：提供一种高速动车制动盘体及其铸造方法和热处理方法，通过盘体的结构设计，保证盘体在高速旋转时平衡度，大幅度降低制动盘高速制动时抖动的幅度；通过盘体的铸造工艺的设计，大幅度提高盘体质量，保证盘体在长时间的连续制动的安全系数和使用寿命；通过热处理工艺的设计，既能保证盘体在极寒环境下高速制动时所要承受的强度和冲击，还能保证在连续制动过程中所产生的热翘曲变形。 [0009] 本发明的技术解决方案是：该制动盘体由包括以下化学成分的材料铸造而成，各组分的质量百分比如下：C 0.20～0.30，Si 0.40～0.7，Mn 0.80～1.30，P≤0.010，S≤0.010，Ni 2.0～2.5，Cr 0.6～1.2，Mo 0.6～1.0，W≤0.10，微量元素总和≤0.5，其余为Fe； 气体含量H含量≤1.5ppm，O含量≤20ppm，N含量≤60ppm。 [0010] 其中，该制动盘体的力学性能参数如下：0.2%延伸率时应力（Rp0.2）≥1000Mpa，抗拉强度（Rm）≥1170 Mpa，断后延伸率（A）≥10%，断面收缩率（Z）≥30%，-60℃冲击功（AKV）≥40J，硬度要求：360～390HBW。 [0011] 其中，该制动盘体是铸造而成的，盘体的上盘面和下盘面是相互平行的，盘体的上盘面和下盘面之间由均分的若干块“U”型块链接的。 [0012] 其中，该制动盘体的总外圆直径在650～700mm之间，距外圆边留摩擦面140～160mm，其余加工成孔。 [0013] 其中，该制动盘体的上盘面和下盘面的厚度相等，在20～25mm之间；该制动盘体的上盘面和下盘面的距离在60～65mm之间。 [0014] 其中， “U”型块的长度200～220mm，宽度60～80mm，厚度为上盘面和下盘面的距离在60～65mm之间，“U”型块的圆弧与盘体同半径的圆弧尺寸一致。 [0015] 其中，该制动盘体的铸造方法是：采用呋喃树脂砂造型、制2#坭芯，冷芯盒砂制1#坭芯，铬铁矿砂制3#坭芯，在制动盘体的上盘面均布六只A×1.5A×1.3A腰圆型发热保温冒口（1），直浇道根部上下箱采用两爪砖（2），横浇道末端采用二只φA×0.3A型号的陶瓷过滤片（3），二道内浇道（4）沿切线方向从盘体的下盘面进入，下盘面采用铬铁矿砂（5）激冷。 [0016] 其中，在制动盘体的上盘面均布六只80×120×105（mm）腰圆型发热保温冒口（1），直浇道根部上下箱采用φ50（mm）两爪砖（2），横浇道末端采用二只φ100×30（mm）型号的陶瓷过滤片（3），二道分别是70、75×20（mm）的内浇道（4）沿切线方向从盘体下盘面进入，下盘面采用80×30（mm）铬铁矿砂（5）激冷。 [0017] 其中，采用呋喃树脂砂造型、制2#坭芯，冷芯盒砂制1#坭芯，铬铁矿砂制3#坭芯时，直浇道为Ф50耐火粘土砖，横浇道为40，45×40，内浇道为70，75×20，横浇道末端采用二只φ100×30（mm）型号的陶瓷过滤片（3），二道内浇道（4）沿切线方向从铸钢轴盘体下盘面进入。 [0018] 其中，该制动盘体的热处理方法包括以下步骤：（1）铸造制动盘体毛坯：取权利要求1所述的材料按照权利要求3的结构依权利要求6所述的铸造方法制造出制动盘体毛坯； （2）盘体毛坯的正火+回火处理：盘体毛坯先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到930±10℃保温4.0h后出炉空冷至250℃以下，接着再继续装炉升温至660±10℃保温 4.0h后空冷至室温； （3）粗加工盘体的淬火+回火处理：粗加工盘体先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到900±10℃保温2.5h后出炉入PAG聚合物淬火液快冷至150℃以下，接着再继续装炉升温至550±10℃保温4.0h后空冷至室温。 [0020] 2、该制动盘体的化学成分设计和热处理方法相结合，从而改善制动盘材料的显微组织结构，减轻应力集中现象，阻止裂纹的产生和扩展。 [0021] 3、该制动盘体的机械性能的设计符合高速动车各种工况下制动的性能要求，既能保证盘体在极寒环境下高速制动时所要承受的强度和冲击，也能保证在连续制动过程中所产生的热翘曲变形。 [0022] 4、该制动盘体的结构设计通过减轻盘体重量和两面的平行度，保证了盘体在高速旋转时平衡度，大幅度降低了制动盘高速制动时抖动的幅度。 [0023] 5、该制动盘体的铸造方法的设计采用发热保温冒口补缩加铬铁矿砂激冷，避免盘面出现缩孔、缩松等铸造缺陷；利用树脂砂和冷芯盒砂溃散性好的优点，采用树脂砂造型、铬铁矿砂、冷芯盒砂制芯，避免出现粘砂、裂纹、砂气孔等铸造缺陷，尺寸精度高，满足客户技术要求；直浇道窝采用两爪砖，横浇道采用陶瓷过滤片过滤钢水，有效降低钢水夹杂物和砂孔的数量、级别；内浇道沿切线方向进入下盘面，有效避免钢水产生紊流，减少产生气孔缺陷。 [0024] 6、热处理方法的设计通过毛坯的正火+回火处理，使盘体的晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，组织更加稳定，方便后续的粗加工；通过淬火+回火处理，使盘体的硬度和机械性能满足设计的要求，保证盘体性能稳定，保证了盘体在长时间的连续制动的安全系数和使用寿命。附图说明 [0025] 图1为本发明的制动盘体的结构简图。 [0026] 图2为制动盘体铸造方法的冒口和铬铁矿砂位置简图。 [0027] 图3为坭芯简图。 [0028] 图4为内浇道、陶瓷过滤片及两爪砖简图。 [0029] 图5为正火+回火的热处理方法曲线图。 [0030] 图6为淬火+回火的热处理工艺曲线图。 [0031] 图7为实施例1-3所得试样解剖位置简图。 具体实施方式[0032] 下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。 [0033] 实施例1：依以下步骤铸造并热处理高速动车制动盘体（1）制动盘体的结构设计：该制动盘体是铸造而成的，盘体的上盘面和下盘面是相互平行的，盘体的上盘面和下盘面之间由均分的若干块“U”型块链接的；所述制动盘体的总外圆直径650mm，距外圆边留摩擦面140mm，其余加工成孔；所述制动盘体的上盘面和下盘面的厚度相等，20mm；所述制动盘体的上盘面和下盘面的距离60mm；所述“U”型块的长度200mm，宽度60mm，厚度60mm，“U”型块的圆弧与盘体同半径的圆弧尺寸一致； （2）制动盘体的材料设计：在炉前熔炼时控制化学成分范围如下：C 0.20，Si 0.40，Mn 0.80，P≤0.010，S≤0.010，Ni 2.0，Cr 0.6，Mo 0.6，W≤0.10，微量元素总和≤0.5，其余为Fe；气体含量H含量≤1.5ppm，O含量≤20ppm，N含量≤60ppm； （3）铸造制动盘体毛坯：采用呋喃树脂砂造型、制2#坭芯，冷芯盒砂制1#坭芯，铬铁矿砂制3#坭芯；在制动盘体的上盘面均布六只80×120×105（mm）腰圆型发热保温冒口（1），直浇道为Ф50耐火粘土砖，直浇道根部上下箱采用φ50（mm）两爪砖（2）；横浇道为40，45×40，横浇道末端采用二只φ100×30（mm）型号的陶瓷过滤片（3）；二道分别是70、75×20（mm）的内浇道（4）沿切线方向从盘体下盘面进入；下盘面采用80×30（mm）铬铁矿砂（5）激冷； （4）盘体毛坯的正火+回火处理：盘体毛坯先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到930±10℃保温4.0h后出炉空冷至250℃以下，接着再继续装炉升温至660±10℃保温 4.0h后空冷至室温； （5）粗加工盘体的淬火+回火处理：粗加工盘体先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到900±10℃保温2.5h后出炉入PAG聚合物淬火液快冷至150℃以下，接着再继续装炉升温至550±10℃保温4.0h后空冷至室温。 [0034] 实施例2：依以下步骤铸造并热处理高速动车制动盘体（1）制动盘体的结构设计：该制动盘体是铸造而成的，盘体的上盘面和下盘面是相互平行的，盘体的上盘面和下盘面之间由均分的若干块“U”型块链接的；所述制动盘体的总外圆直径675mm，距外圆边留摩擦面150mm，其余加工成孔；所述制动盘体的上盘面和下盘面的厚度相等，22.5mm；所述制动盘体的上盘面和下盘面的距离62.5mm；所述“U”型块的长度 210mm，宽度70mm，厚度62.5mm，“U”型块的圆弧与盘体同半径的圆弧尺寸一致； （2）制动盘体的材料设计：在炉前熔炼时控制化学成分范围如下：C 0.25，Si 0.55，Mn 1.05，P≤0.010，S≤0.010，Ni 2.25，Cr 0.9，Mo 0.8，W≤0.10，微量元素总和≤0.5，其余为Fe；气体含量H含量≤1.5ppm，O含量≤20ppm，N含量≤60ppm； （3）铸造制动盘体毛坯：采用呋喃树脂砂造型、制2#坭芯，冷芯盒砂制1#坭芯，铬铁矿砂制3#坭芯；在制动盘体的上盘面均布六只80×120×105（mm）腰圆型发热保温冒口（1），直浇道为Ф50耐火粘土砖，直浇道根部上下箱采用φ50（mm）两爪砖（2）；横浇道为40，45×40，横浇道末端采用二只φ100×30（mm）型号的陶瓷过滤片（3）；二道分别是70、75×20（mm）的内浇道（4）沿切线方向从盘体下盘面进入；下盘面采用80×30（mm）铬铁矿砂（5）激冷； （4）盘体毛坯的正火+回火处理：盘体毛坯先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到930±10℃保温4.0h后出炉空冷至250℃以下，接着再继续装炉升温至660±10℃保温 4.0h后空冷至室温； （5）粗加工盘体的淬火+回火处理：粗加工盘体先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到900±10℃保温2.5h后出炉入PAG聚合物淬火液快冷至150℃以下，接着再继续装炉升温至550±10℃保温4.0h后空冷至室温。 [0035] 实施例3：依以下步骤铸造并热处理高速动车制动盘体（1）制动盘体的结构设计：该制动盘体是铸造而成的，盘体的上盘面和下盘面是相互平行的，盘体的上盘面和下盘面之间由均分的若干块“U”型块链接的；所述制动盘体的总外圆直径700mm，距外圆边留摩擦面160mm，其余加工成孔；所述制动盘体的上盘面和下盘面的厚度相等，25mm；所述制动盘体的上盘面和下盘面的距离65mm；所述“U”型块的长度220mm，宽度80mm，厚度65mm，“U”型块的圆弧与盘体同半径的圆弧尺寸一致； （2）制动盘体的材料设计：在炉前熔炼时控制化学成分范围如下：C 0.30，Si 0.7，Mn 1.30，P≤0.010，S≤0.010，Ni 2.5，Cr 1.2，Mo 1.0，W≤0.10，微量元素总和≤0.5，其余为Fe；气体含量H含量≤1.5ppm，O含量≤20ppm，N含量≤60ppm； （3）铸造制动盘体毛坯：采用呋喃树脂砂造型、制2#坭芯，冷芯盒砂制1#坭芯，铬铁矿砂制3#坭芯；在制动盘体的上盘面均布六只80×120×105（mm）腰圆型发热保温冒口（1），直浇道为Ф50耐火粘土砖，直浇道根部上下箱采用φ50（mm）两爪砖（2）；横浇道为40，45×40，横浇道末端采用二只φ100×30（mm）型号的陶瓷过滤片（3）；二道分别是70、75×20（mm）的内浇道（4）沿切线方向从盘体下盘面进入；下盘面采用80×30（mm）铬铁矿砂（5）激冷； （4）盘体毛坯的正火+回火处理：盘体毛坯先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到930±10℃保温4.0h后出炉空冷至250℃以下，接着再继续装炉升温至660±10℃保温 4.0h后空冷至室温； （5）粗加工盘体的淬火+回火处理：粗加工盘体先预热至650±10℃并保温1.0小时，再加热到900±10℃保温2.5h后出炉入PAG聚合物淬火液快冷至150℃以下，接着再继续装炉升温至550±10℃保温4.0h后空冷至室温。 [0036] 取实施例1-3所得制动盘体，依图7所示位置分别取试样1-3，进行机械性能解剖试验，硬度检测和机械性能结果如下：。 |
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