一种高强度制动盘螺栓用钢及其热处理工艺的制作方法

本发明属于螺栓用钢技术领域，尤其涉及一种高强度制动盘螺栓用钢及其热处理工艺。

背景技术：

随着高速列车速度的提高，对列车制动的及时性、安全性和稳定性提出了更高的要求，对列车制动盘螺栓和其材料的质量和性能需要满足更高的要求。高速列车速度高和运行条件恶劣的制动工况下，巨大的制动热负荷及热冲击会带来很高的热应力和温度梯度。因此螺栓材料必须在具有良好的常温强韧性，同时具有优良的高温力学性能和导热性能。

《大连交通大学学报》论文《高速动车组制动盘螺栓断裂分析及优化方案》，针对高速动车组运用中出现制动盘螺栓断裂问题，选取典型断裂螺栓进行失效分析，并在振动和热负荷环境下对制动盘紧固结构受力状态进行试验和分析。针对制动盘螺栓受力情况，提出了变截面螺栓的改进方案，新结构螺栓弯曲疲劳性能显著增强，可用于既有动车组轴盘螺栓的替换。但此论文仅针对螺栓结构进行改进设计，未从材料上进行改进。

中国专利cn106929623b公开了一种10.9级高强度螺栓用钢热轧圆盘条的制备方法，其钢的化学成分为c0.24～0.28wt％、si0.17～0.27wt％、mn0.30～0.50wt％、cr0.35～0.45wt％、b0.0065～0.0085wt％、s≤0.010wt％、p≤0.015wt％，其余为fe及不可避免的不纯物。通过合理的制备方法，该专利生产的高强度紧固件螺栓用钢热轧圆盘条具有洁净度高、淬透性好、合适的强度和硬度以及优异的塑韧性和冷镦顶锻变形能力。不足之处时该钢并不具有显著的耐热性能，不适用于需经历高温条件的紧固件。

中国专利cn103173694b公开了一种耐高温紧固件的制作方法，本发明公开了一种耐高温紧固件的制作方法，其中耐高温紧固件由合金材料制成，该合金材料的组份和含量为：碳0.06％～0.08％，硅0.8％～1％，锰1.8％～2％，磷0.015％～0.035％，硫0.01％～0.03％，镍24％～27％，铬13.5％～16％，钒0.1％～0.5％，钼1％～1.5％，钛1.9％～2.35％，铝0.15％～0.35％，硼0.001％～0.01％，其余为铁。该发明同时介绍了耐高温紧固件的制作方法，生产出来的紧固件塑性好，硬度大，强度高。但该方法添加了大量的贵金属元素，制作成本极高，不适合轨道交通行业批量的推广使用。

目前的研究大部分集中在创新制动盘螺栓结构，提高其散热性方面，对材质的创新性研究相对较少。而在列车制动时，特别是紧急制动时，制动盘螺栓瞬时热能量很难快速释放出去，因此，提高制动盘螺栓材料的高温性能和导热性能对提高制动盘寿命具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高强度制动盘螺栓用钢，通过设计加入w、mo、v、cr等元素，具有优异的常温和高温力学性能。

本发明另一目的在于提供一种高强度制动盘螺栓用钢的热处理工艺，根据设计的配方设计匹配的热处理方法，获得的盘螺栓常温力学性能达到12.9级，且具有优异的高温性能。

本发明具体技术方案如下：

一种高强度制动盘螺栓用钢，包括以下重量百分比成分：c0.28％～0.38％、si0.15％～0.30％、mn0.20％～0.40％、cr1.30％～1.60％、v0.08％～0.20％、ni3.00％～3.50％、alt0.015％～0.040％、w0.50％～0.80％、mo0.45～0.65％、p≤0.015％，s≤0.015％、o≤0.0015％、n≤0.006％,余量为fe和其它不可避免的杂质，且0.40(％c)≤0.023(％v)+0.060(％cr)+0.063(％mo)+0.033(％w)≤0.75(％c)。

本发明上述各元素的作用如下：

c：c是钢中最基本有效的强化和淬透性元素。c可以扩大和稳定奥氏体，从而提高耐热钢的高温强度。但随着其含量增大，延展性降低，同时恶化加工性能。c含量控制在0.28％～0.38％。

si：si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，c的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。si含量控制在0.15％～0.30％。

mn：mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度。但淬火钢回火时，mn和p有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，过高mn含量易导致反复加热冷却过程中产生奥氏体-马氏体转变，导致热膨胀系数、导热系数激变，降低制动盘冷热疲劳性能，mn含量控制在0.20％～0.40％。

cr：cr元素在钢中显著提高强韧性和热强性，其以碳化物形式析出，增加氢捕获点，提高耐延迟断裂性。同时cr还可降低c的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能和良好的高温性能。cr能增加钢的淬透性，但过量的cr增加钢的回火脆性倾向。cr含量控制在1.30％～1.60％。

v：v是强碳化物元素，也是强的缩小γ相区元素，具有强的二次硬化效果，提高钢的高温性能，同时还可以提高反复加热冷却过程中组织的稳定性。过量的v会导致粗大的碳化物析出，恶化冷加工性。v含量控制在0.08％～0.20％。

ni：ni能与fe生成无限互溶的固溶体，具有扩大相区的作用,不形成碳化物。镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性。ni同时是降低韧脆转变温度的有效元素，显著提高低温韧性。但钢中过量的镍加入，钢在高温环境时的热脆性倾向增加。ni含量控制在3.00％～3.50％。

al：al是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，有利于保持高温性能。但随着al含量的增加，粗大的碳氮化物系夹杂物量增大。alt含量控制在0.015％～0.040％。

w：w耐高温，且溶于钢中会与碳形成碳化物，能提高钢的常温强度和高温性能，但过量的w会降低钢的抗蚀性和高温抗氧化性。w含量控制在0.50％～0.80％。

mo：mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，mo元素与cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，mo对钢热导率有较大的影响，加入mo元素显著提高钢的热导率、高温强度、热稳定性、热疲劳性能。mo含量过低则上述作用有限，mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制mo含量为0.45～0.65％。

s和p：硫容易在钢中与锰形成mns夹杂，对材料加工变形有害；p是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害。控制p≤0.015％，s≤0.015％。

o和n：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤0.0015％；n在钢中析出fe4n，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时n还会降低钢的冷加工性能，控制n≤0.006％。

同时，本发明钢还需保证：0.40(％c)≤0.023(％v)+0.060(％cr)+0.063(％mo)+0.033(％w)≤0.75c。为了保证钢的高温力学性能，需尽量保证钢中的c大部分以碳化物的方式析出强化，而非固溶强化，因为固溶强化在高温状态下不稳定，弱化了其强韧化作用。其中，v在本发明钢种主要以vc碳化物析出，cr主要以cr23c6碳化物析出，mo主要以mo2c碳化物析出，w主要是以w2c碳化物析出，为了保证钢中主要是高温下较稳定的碳化物析出，同时不导致合金元素过剩，控制0.40(％c)≤0.023(％v)+0.060(％cr)+0.063(％mo)+0.033(％w)≤0.75(％c)。

本发明的高强度制动盘螺栓用钢的生产包括以下工艺流程：电弧炉或转炉冶炼→lf炉精炼→rh或vd真空脱气→圆坯连铸→方坯轧制→棒材轧制→软化退火→剥皮→热锻为制动盘螺栓→正火+调质热处理。

本发明提供一种高强度制动盘螺栓用钢的热处理工艺，具体如下：

正火+调质热处理工艺具体为：900～1000℃正火，空冷后调质处理，调质工艺：860～960℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃；540～600℃回火，空冷。

通过此正火和淬火温度范围，充分保证适当尺寸的奥氏体晶粒度，如果晶粒度偏大，则组织过粗，钢的高温性能降低，而如果晶粒度过细，组织中大角度晶界提高，降低钢的导热性。回火过程中选择二次硬化效果最佳的温度区间540～600℃进行回火，使钢中的碳化物充分析出，并保证碳化物尺寸适中，既能保证钢的高温性能，还能够提高钢在急冷急热过程中组织稳定性，提高钢在高温条件下的导热系数。

与现有技术相比，本发明设计高强度制动盘螺栓用钢的成分及含量，设计匹配的热处理工艺，螺栓组织为回火索氏体，常温力学性能：rm≥1220mpa，rp0.2≥1000mpa，a≥8％，z≥44％，屈强比≥0.9，达到12.9级紧固件性能要求；500℃高温强度≥1100mpa；20℃～700℃导热系数为35～41w/(m·k)，具有优异的高温性能。

附图说明

图1为本发明实施例1碳化物析出图。

具体实施方式

实施例1-实施例5

一种高强度制动盘螺栓用钢，包括以下重量百分比成分：见下表1。

对比例1-对比例5

一种制动盘螺栓用钢，包括以下重量百分比成分：见下表1。

表1本发明实施例1-5及对比例1-5化学成分(wt％)，

余量为fe和其它不可避免的杂质

上述实施例1-5和对比例5的化学成分范围均在要求范围内，且配比满足0.40(％c)≤0.023(％v)+0.060(％cr)+0.063(％mo)+0.033(％w)≤0.75(％c)的条件。而对比例1-3成分在要求范围以外，而对比例4不满足成分配比要求。

上述实施例1-5和对比例1-5的钢均采用如下方法生产：

1)电炉冶炼：出钢前定氧，严格控制出钢过程下渣；

2)lf炉：c、si、mn、cr、v、ni、w、mo等元素调至目标值；

3)rh真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[h]含量；

5)圆坯连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸φ380mm圆坯；

6)方坯轧制：圆坯在加热炉中加热，再轧制为150mm×150mm方坯；

7)棒材轧制：方坯在加热炉中加热，再轧制为φ18～40热轧棒材；

8)软化退火：680℃，保温4hr-6hr，随炉冷；

9)剥皮：剥皮至指定直径；

10)热锻：对剥皮银亮材进行加热，锻造制动盘螺栓；

11)正火+调质热处理：900～1000℃正火，空冷后调质处理，调质工艺：860～960℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃；540～600℃回火，空冷。实施例1-5和对比例1-5的正火+调质热处理工艺具体参数如下表2所示。

将实施例1-5和对比例1-5的配方按照上述方法生产的钢进行性能检测，性能检测方法如下：

常温拉伸试验：根据gb/t3098.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中螺栓拉伸试验方法，在常温试验环境中测定螺栓的rm、rp0.2、延伸率和面缩率；

高温拉伸试验：在棒材上取样，和螺栓一起经过正火+调质处理，再根据gb/t4338《金属材料高温拉伸试验方法》加工试验并进行试验，测定钢500℃时的rm、rp0.2、延伸率和面缩率；

导热率测定试验：在棒材上取样，和螺栓一起经过正火+调质处理，再制备φ17.5mm×2mm圆片，使用lfa427激光导热仪测定钢20℃～700℃导热系数值。

常温拉伸试验和高温拉伸试验结果如下表2所示。

表2本发明实施例1-5和对比例1-5常温力学性能及高温力学性能

实施例1-5及对比例1-5生产钢的导热率测定试验结果见表3。

表3本发明实施例1-5及对比例1-5不同温度下导热系数

实施例1～实施例5的钢化学成分组成和热处理工艺均按照本发明得到适当控制，按本发明得到的高强度制动盘螺栓，其晶粒尺寸平均为20μm，碳化物粒径在0.025μm～0.055μm之间。常温力学性能达到12.9级，500℃抗拉强度在1100mpa以上，20℃～700℃导热系数范围为35～41w/(m·k)。

对比例1～对比例4为热处理工艺控制适当，但化学成分控制不当的例子，在本申请范围之外，同样采用常规制备方法制作加工螺栓，但对比例1的c含量低于本发明下限要求，且其他合金元素均在下限值，因此常温力学性能和高温强度均较低；对比例2中未添加w、mo元素，导致钢在高温力学性能和导热率较差；对比例3虽添加了较高的c、mn元素，但未添加v、ni、w元素，cr、mo含量也偏低，导致最终常温力学性能和高温力学性能低于实施例，且并不具有良好的导热率；对比例4虽然化学成分范围在要求范围内，但配比不当(对比例4不满足0.40(％c)≤0.023(％v)+0.060(％cr)+0.063(％mo)+0.033(％w)≤0.75(％c)，导致碳以固溶强化为主，虽然常温力学性能勉强达到12.9级要求，但由于没有足够的碳化物析出，高温力学性能和导热系数均较差。

对比例5为化学成分控制适当，但热处理工艺控制不当的例子，由于正火温度和淬火温度较高，导致晶粒尺寸较粗，而回火温度较低，碳化物未能充分析出，导致钢的常温强度虽然较高，但钢的塑性差，同时高温力学性能和导热系数不高。