时速300km以上高铁制动盘用钢的成分、组织与性能研究

发布时间：2020-07-23 16:04

【摘要】：随着我国高速铁路不断发展,列车时速也不断提高,从200km逐步上升到350km。高速列车通常采用盘形制动。紧急制动过程中,通过制动盘与制动闸片剧烈摩擦将列车动能转化为摩擦热能,其中大部分热能被制动盘吸收。对于时速300km乃至更高的高速列车,制动时产生更大的摩擦热能,制动盘表面局部温度甚至超过制动盘用钢的A3点温度。在经过长期反复的制动过程后,制动盘用钢表面会出现热疲劳裂纹、热斑等热损伤,对其使用寿命产生危害。苛刻的服役环境对制动盘材料提出了更高的要求。针对制动盘用钢对强韧性及热疲劳性等性能的需求提高,本论文在28CrMoV制动盘用钢的基础上对合金成分进行优化,提高钢的A3点温度和导热系数,并针对显微组织演变、第二相粒子析出、力学性能及热疲劳性能变化等进行了系统的研究。本文通过Thermo-Calc软件对制动盘用钢析出相的成分和析出行为进行了计算,并研究了合金元素对相变点和导热系数的影响。结果表明,应适当提高制动盘用钢中V、Mo含量,降低C、Cr含量。在基础成分的实验钢中,析出相主要为V(C,N)、(Mo,V)C、M23C6、M7C3和MnS相。增加V、Mo含量促进V(C,N)和(Mo,V)C相的析出,提高A3点温度,同时增加V主要形成析出相而对导热系数影响不大。而增加C、Cr含量促使钢中析出更多的M23C6和M7C3相,A3点温度降低,同时增加的Cr主要固溶在基体中而降低导热系数。此外,实验钢的A3点温度为840℃。在热力学计算基础上研究了奥氏体晶粒长大行为,并通过热膨胀仪测定和绘制了实验钢的静态CCT曲线。结果表明,在温度不高于1000℃,增加V含量能细化奥氏体晶粒;而添加Nb在900～1200℃都具有较好的细化效果。实验钢中富V的M8C7(即V(C,N)相)和NbC相的溶解和粗化导致了异常晶粒长大。随着冷速增加,冷却转变组织中铁素体含量减小,而贝氏体含量先增加后降低,转变组织最终完全为马氏体。增加V主要提高析出V含量,固溶C含量降低,M8C7粒子含量增加。因此实验钢的Ac1点、Ac3点和Ms点温度提高,CCT曲线左移,全马氏体临界冷速从10增到15℃·s-1。Nb的影响与V相类似,但由于Nb增加量较小(0.045%),其效果也较弱。实验钢淬火+高温回火的显微组织为回火马氏体。淬火温度为880～900℃,V含量应为0.31%～0.49%时,实验钢具有较好的强韧性。实验钢淬回火态的析出相主要为M8C7、(Mo,V)C、M7C3和M23C6。淬火温度为880～900℃时,增加V细化马氏体组织,提高小尺寸(Mo,V)C含量,同时抑制大尺寸M23C6和M7C3的析出,因此实验钢强度明显增加,而冲击功变化不大。但淬火温度为920～940℃时,提高钒含量促使(Mo,V)C含量急剧增加,冲击功快速下降。回火实验表明,当回火温度不大于600℃时,实验钢冲击功小于100J;而在700℃回火时,屈服强度小于1000MPa。为了满足性能要求,回火温度应为650℃。此外,实验钢强度与回火时间呈对数规律下降,回火时间应小于2h。实验钢中Nb的最佳添加量为0.025%。添加0.025%Nb后,实验钢回火马氏体组织细化,大角度晶界比例增加,因此强韧性同时提高。在回火初期,添加0.045%Nb抑制了钢中(Mo,V)C的析出,同时析出大尺寸NbC粒子,因此实验钢的强韧性同时下降。而在长时间回火时,添加0.045%Nb抑制了M23C6和M7C3粒子的析出和粗化,同时析出了热稳定性更好的M8C7和NbC粒子,因此实验钢回火稳定性提高,且冲击功与不添加Nb时差别不大,但仍小于添加0.025%Nb时的冲击功。通过冷热疲劳试验机、马弗炉和高温拉伸试验机进行了实验钢的高温性能试验,如热疲劳性、抗氧化性和高温力学性能。添加0.025%Nb或增加0.18%V(0.31%到0.49%)提高实验钢的热疲劳性能。添加Nb或V抑制了实验钢中大尺寸M23C6等的析出和粗化,同时M8C7或NbC含量提高,分布更加弥散,故实验钢组织稳定性提高,表面硬度增加。因此实验钢中主裂纹长度降低,热疲劳性能提高。氧化实验表明,增加Cr抑制了实验钢的氧化行为。氧化层分为两层,外层为松散的Fe203层;而内层更加致密,含有更高的Cr含量,主要为FeCr2O4和部分FeO。增加Cr提高了内层Cr含量,内层更加致密,氧化层厚度降低,抗氧化性提高。高温力学性能实验表明,当实验温度不大于400℃时,增加V、Mo含量提高实验钢的高温强度;而添加Nb、Cr对高温强度影响较小。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

制动盘,轮装式

２．１．１制动盘简介逡逑制动盘１５］是制动系统中比较重要的部件，其结构和尺寸决定制动效果。逡逑通常情况下，制动盘是一体式结构，如图２－１所示。由于动力传动部件占据逡逑了相当的空间，在从动轴上安装制动装置的空间十分有限，因此当前列车主逡逑要采用轮装式制动装置。轮装式制动方式能在车轴周围提供更多的空间，同逡逑时还能简化车轴的设计。因此，轮装式制动盘既适用于装有小直径车轮的车逡逑辆，也适用于要求车轴上端有空间以装配大直径车轮的大型列车。此外，对逡逑于轮装式制动装置，制动盘只在外表面发生摩擦，而轴装式制动盘在两侧同逡逑时受热。逡逑－２－逡逑

第二相尺寸,屈服强度,第二相粒子,位错

位错切过机制与第二相粒子的二分之一次方成正比。由于位错会采用消耗能逡逑量较小的机制通过第二相粒子，因此存在一个临界转换尺寸，两种强化机制逡逑相当，此时的强化效果最好，如图２－２所示。逡逑－９－逡逑

低碳,板条马氏体,结构示意图,第二相

＆第二相的尺寸ｄ／ｎｍ逡逑图２－２钢的屈服强度与第二相尺寸的关系逡逑通常情况下，钢中第二相粒子的尺寸都大于临界转换尺寸，故Ｏｒｏｗａｎ机逡逑制为第二相主要的强化机制，其对屈服强度的影响如式２－４所示［６｜，６２］：逡逑ａｐ＝５．９邋ｆ＇２－ｄ－＇ｌｎ（ｄ／邋０．０００２５）逦（２－４）逡逑式中，0＞为屈服强度，／为第二相的体积分数，ｄ为第二相尺寸ｊＨｍ）。逡逑由式２－４可知，增加第二相粒子的体积分数或降低其尺寸都能提高析出逡逑强化效果，其中细化第二相尺寸的效果更加明显。此外，由于钢中第二相粒逡逑子幵性较差，因此第二相粒子的析出，尤其是粗大的粒子，会对钢的幵塑性逡逑造成危害。因此，相比于提高第二相的体积分数，细化第二相粒子尺寸不仅逡逑能有效提氋析出强化效果

【相似文献】