热处理对时速350 km_h列车制动盘材料组织及性能的影响.pdf
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1、第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEEL热处理对时速350 km/h列车制动盘材料组织及性能的影响李凯昕1,邓伟2,文辉2,于良机1,邬冬生1,王福明1(1 北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083;2 南京钢铁股份有限公司,南京 211500)摘 要:随着列车高速化发展,对列车性能要求愈来愈高,尤其是制动系统中的制动盘性能。本文以锻钢制动盘材料为研究对象,进行了不同淬火、回火温度对比试验。结果表明,随淬火温度增加,强度提高,均可达1 100 MPa以上;而冲击功呈下降趋势。考虑强韧性匹配度,选择89092
2、0 淬火温度。随回火温度升高,强度降低,韧性升高;在650 时,强韧性匹配较好,抗拉强度和屈服强度可达1 274、1 204 MPa,冲击功达43 J。综合考虑,推荐选取中间温度650 为合适回火温度。关键词:高速列车;制动盘;淬火温度;回火温度DOI:10.20057/j.1003-8620.2022-00228 中图分类号:TG142.1Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Brake Disc for High-Speed Trains with 350 km/hLi Kaixin1,Deng Wei2,
3、Wen Hui2,Yu Liangji1,Wu Dongsheng1,Wang Fuming1(1 School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2 Nanjing Iron and Steel Co.,Ltd.,Nanjing 211500,China)Abstract:With the development of high-speed trains,the requirements for perfor
4、mance of trains are getting higher and higher,especially the performance of brake discs in braking systems.This paper studied the forged steel brake disc material,the comparative tests of different quenching and tempering temperatures were performed;The results show that quenching temperature increa
5、se resulted in the strength rising,which could reach more than 1 100 MPa,on the contrary,the impact energy values show a downward trend.With consideration of the matching degree of strength and toughness,890-920 C is selected as the appropriate quenching temperature range.At 650,the strength and tou
6、ghness match is better,and the tensile strength and yield strength can reach 1 274,1 204 MPa,and the impact power is up to 43 J.Considering comprehensively,it is recommended to choose the intermediate temperature of 650 as the appropriate tempering temperature.Key Words:High-Speed Trains;Brake Disc;
7、Quenching Temperature;Tempering Temperature近年来,随着高速列车速度的不断提升,对列车性能要求愈加严格。当列车出现紧急制动时,主要通过制动盘与刹车片摩擦副之间相互作用来实现列车制动1。制动过程中,制动盘承受的载荷随着列车时速的增加而提高,容易导致应力集中产生热裂纹,大幅缩短制动盘使用寿命,因此,对制动盘材料的性能要求非常苛刻。目前,国内投入市场应用的钢系制动盘材料主要有铸钢和锻钢两种2,力学性能指标是表征制动盘材料质量的关键。根据国内外研究成果,时速 300350 km/h 列车铸钢制动盘力学性能为:抗拉强度1 050 MPa,屈服强度950 MPa,
8、延伸率4%12%3。文献 45 表明,目前国内研制的铸钢制动盘常温抗拉强度可达1 3301 445 MPa,但断后延伸率仅 8%,冲击功30.8 J,强度高而韧塑性较低。国内铸钢制动盘生产过程中存在一定铸造缺陷,使得生产中难以保证较高的成品率;相对而言,锻钢制动盘制造工艺更加稳定,具有良好的力学性能、韧性和热疲劳抗力6。因此,对于锻钢材料的研究可有利于推动国内制动盘技术的发展。锻钢材料力学性能研究中,目前国内研制的材料抗拉强度多为 1 0001 100 MPa,屈服强度9001 080 MPa,断后延伸率14%18.5%,冲击功80117 J7-11。法国300 km/h列车应用的是锻 钢 制
9、 动 盘,其 材 料 的 抗 拉 强 度 为 1 030 成形与相变 基金项目:国家自然科学基金-基于合金结构钢本质晶粒度与韧性控制的AlN溶解析出热动力学研究(51974017)作者简介:李凯昕(1997-),女,硕士研究生;E-mail:;收稿日期:2022-12-07通讯作者:王福明(1963-),男,教授;E-mail:80第 4 期李凯昕等:热处理对时速350 km/h列车制动盘材料组织及性能的影响1 250 MPa,屈服强度980 MPa,断后延伸率11%;韩国应用在KTX高速列车上的28CDV5-08制动盘,其 材 料 的 抗 拉 强 度 为 1 234 MPa,屈 服 强 度
10、为1 145 MPa,断后延伸率为18%,冲击功为3641 J。国内研制的制动盘材料力学性能逐渐接近国际先进水平,但由于材料性能、核心技术及制备工艺仍有差距,当前制动盘仍依赖于进口12。因此,打破技术壁垒,掌握自主知识产权对国内制动盘技术的发展具有重要意义。本文从热处理工艺出发,针对时速350 km/h列车制动盘材料,以Cr-Ni-Mo-V钢为基础,提高Mo等合金元素含量,并对其组织和性能进行研究,以期对制动盘钢材料的发展提供理论指导。1试验材料及方法制动盘用钢的成分见表 1。采用 50 kg真空感应炉熔炼,锻造成17 mm的棒材,从锻制棒材上切取试样进行不同热处理工艺实验。利用Thermo-
11、Calc热力学软件计算制动盘钢的相析出如图1所示,由图1中可看出,在 890950 温度区间内,相及 MnS稳定存在,且随温度降低,V(C,N)含量逐渐增加,可提高钢种强度及硬度等性能,故试样的淬火温度选取890、920、950 三个温度点。热处理工艺图如图2所示,为消除钢中热应力以及组织均匀化,对所有试验材料在940 进行正火处理;不同淬火温度对比试验是选取 890、920、950 三个不同温度淬火处理保温1 h后水冷,通过650 回火处理后测试其性能;不同温度回火试验中,采用适当的淬火温度 920,再进行 600、650、700 三个不同温度回火处理的试验,对比其性能;并对不同热处理工艺的
12、试样进行显微组织分析,确定组织和性能之间的关系。室温拉伸试验样品尺寸为 5 mm(M12)65 mm(标 距),按 照 GB/T 228.1-2021 标 准 在CMT4105 型万能试验机上进行拉伸试验;按照GB/T 1817-2017标准在JB-300B摆锤式冲击试验机上进行夏比冲击试验,采用V型缺口试样,缺口深度为2 mm,试样尺寸为55 mm10 mm10 mm;对拉伸和冲击断口进行SEM(Scanning Electron Microscope)分析。试样经硝酸酒精溶液腐蚀后,采用金相显微镜、扫描电镜对试样组织和晶界进行表征并进行EBSD(Electron Backscattered
13、 Diffraction)分析。2不同淬火温度下试验钢组织性能将940 正火处理后的材料在890、920、950 三个不同温度进行淬火处理,在650 回火处理,对比得出合适淬火温度范围13。2.1力学性能试样在890、920、950 三个温度淬火后再统一按650 回火,力学性能见表2。强度随温度增加而提高,在890 时最小,抗拉强度为1 245 MPa,屈服强度为1 190 MPa;在950 时强度达到最大,抗拉强度和屈服强度分别为1 297、1 221 MPa,总体强度较高;冲击功变化趋势为随温度升高而降低。断后表1制动盘材料的化学成分(质量分数)Table 1The chemical co
14、mposition of brake disc material%C0.24Si0.30Mn1.08P0.002 8S0.002 8Cr1.22Ni0.26Mo1.03Cu0.098Al0.048V0.34N0.006 6O0.000 9图1制动盘钢的平衡相析出Fig.1The equilibrium phase of the brake disc steel precipitates图2热处理工艺图Fig.2Heat treatment process diagram81第 44 卷 特殊钢延伸率均在15%以上,塑性良好。淬火温度对比试验中,三组强度较高,均可达1 190 MPa及以上,相差
15、不大;而950 时韧性过低,冲击功仅24 J。综合考虑,选择890920 为合适的淬火温度范围。2.2断口分析2.2.1拉伸断口图3为三组试样不同淬火温度对比试验(回火温度为650)的拉伸断口宏观形貌。观察发现其为典型的韧性断裂,宏观形貌呈杯锥状,断口处均有明显颈缩。颈缩是材料塑性变形大小的直接反映,颈缩越大,材料塑性越好。断口可分为纤维区、放射区、剪切唇区,断裂萌生于纤维区,扩展形成放射区,最终断裂形成剪切唇区。纤维区与剪切唇区所占比重越大,证明材料塑性越好。图 4 为不同淬火温度对比试验(回火温度为650)的拉伸断口各区微观形貌。由图4看出,三个区均以韧窝为主,说明材料具有良好的韧性和塑性
16、,且为典型的韧性断裂。韧窝的形成主要是由于材料内部分离形成空洞,在滑移作用下,空洞逐渐长大并与其他空洞相连接形成韧窝断口。韧窝形成过程可以吸收较多的冲击能量,抑制裂纹的产生和扩展,降低开裂倾向14。因此,韧性好坏可通过韧窝大小和形状进行判断。明显可见,890 下纤维区与放射区韧窝相对细小平整,如图 4(a,b)所示;高低不平的阶梯状展现了良好的塑性,而920 时形貌无明显差别,如图4(d,e)所示;950 时相对890 韧窝数量减少,韧性下降,如图 4(g)、(h)所示;随着淬火温度提高,纤维区和放射区韧窝数量略有降低,而剪切唇区均为扁平状韧窝,无明显差别。2.2.2冲击断口图 5 为不同淬火
17、温度对比试验(回火温度650)的冲击断口微观形貌。其形貌为明显韧性断裂,纤维区大大小小的韧窝紧密排布,韧性较好,良好的塑性使得断口呈台阶状高低不平;放射区为撕裂的大尺寸韧窝;放射区为统一的扁平状韧窝形貌。2.3组织图6为光学显微镜和扫描电镜观察到的该钢种组织图,由OM(Optical Microscope)图与SEM图中可看出,不同淬火温度+回火处理后的基体组织均为板条状马氏体,板条组织和晶界清晰可见。马氏体组织是由一群内部组织性质相似的板条排列组成,单个的组织内部分布着大大小小的板条块。板条块被分割成不同位向的板条束,板条束是满足最紧密排列呈平行关系的板条群15。板条尺寸对裂纹的萌生和扩展影
18、响显著,且板条尺寸和韧性之间遵循 Hall-Petch公式。板条马氏体的板条块、板条束存在若干大角度的晶界,阻碍裂纹扩展或者滑移变形作用。图7为试样在不同淬火温度并统一按650 回火后的组织IPF(Inverse Pole Figure)图,图7中不同颜色代表不同位向,可看出明显的马氏体组织亚结构,由板条(lath)到板条束(block),再到板条块(packet),组成一个板条状马氏体组织。晶界对于裂纹扩展有阻碍作用,晶粒越大,晶界数量越少,对表2不同温度淬火后的力学性能Table 2The mechanical performance at different quenching temp
19、eratures淬火温度/890920950回火温度/650650650抗拉强度/MPa1 2451 2741 297屈服强度/MPa1 1901 2041 221冲击功/J644324断后伸长率/%16.416.716.2图3不同淬火温度对比试验(回火温度为650)的宏观拉伸断口形貌:(a)890,(b)920,(c)950 Fig.3The macroscopic tensile fractures comparison test of the samples at different quenching temperatures(The tempering temperature is
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