時速300km以上高鐵制動盤用鋼的成分、組織與性能研究

時速300km以上高鐵制動盤用鋼的成分、組織與性能研究隨著我國高速鐵路不斷發(fā)展,列車時速也不斷提高,從200km逐步上升到350km。高速列車通常采用盤形制動。緊急制動過程中,通過制動盤與制動閘片劇烈摩擦將列車動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能,其中大部分熱能被制動盤吸收。對于時速300km乃至更高的高速列車,制動時產(chǎn)生更大的摩擦熱能,制動盤表面局部溫度甚至超過制動盤用鋼的A3點溫度。在經(jīng)過長期反復(fù)的制動過程后,制動盤用鋼表面會出現(xiàn)熱疲勞裂紋、熱斑等熱損傷,對其使用壽命產(chǎn)生危害?？量痰姆郗h(huán)境對制動盤材料提出了更高的要求。針對制動盤用鋼對強韌性及熱疲勞性等性能的需求提高,本論文在28CrMoV制動盤用鋼的基礎(chǔ)上對合金成分進行優(yōu)化,提高鋼的A3點溫度和導(dǎo)熱系數(shù),并針對顯微組織演變、第二相粒子析出、力學(xué)性能及熱疲勞性能變化等進行了系統(tǒng)的研究。本文通過Thermo-Calc軟件對制動盤用鋼析出相的成分和析出行為進行了計算,并研究了合金元素對相變點和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明,應(yīng)適當(dāng)提高制動盤用鋼中V、Mo含量,降低C、Cr含量。在基礎(chǔ)成分的實驗鋼中,析出相主要為V(C,N)、(Mo,V)C、M23C6、M7C3和MnS相。增加V、Mo含量促進V(C,N)和(Mo,V)C相的析出,提高A3點溫度,同時增加V主要形成析出相而對導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。而增加C、Cr含量促使鋼中析出更多的M23C6和M7C3相,A3點溫度降低,同時增加的Cr主要固溶在基體中而降低導(dǎo)熱系數(shù)。此外,實驗鋼的A3點溫度為840℃。在熱力學(xué)計算基礎(chǔ)上研究了奧氏體晶粒長大行為,并通過熱膨脹儀測定和繪制了實驗鋼的靜態(tài)CCT曲線。結(jié)果表明,在溫度不高于1000℃,增加V含量能細(xì)化奧氏體晶粒;而添加Nb在900～1200℃都具有較好的細(xì)化效果。實驗鋼中富V的M8C7(即V(C,N)相)和NbC相的溶解和粗化導(dǎo)致了異常晶粒長大。隨著冷速增加,冷卻轉(zhuǎn)變組織中鐵素體含量減小,而貝氏體含量先增加后降低,轉(zhuǎn)變組織最終完全為馬氏體。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。因此實驗鋼的Ac1點、Ac3點和Ms點溫度提高,CCT曲線左移,全馬氏體臨界冷速從10增到15℃·s-1。Nb的影響與V相類似,但由于Nb增加量較小(0.045%),其效果也較弱。實驗鋼淬火+高溫回火的顯微組織為回火馬氏體。淬火溫度為880～900℃,V含量應(yīng)為0.31%～0.49%時,實驗鋼具有較好的強韌性。實驗鋼淬回火態(tài)的析出相主要為M8C7、(Mo,V)C、M7C3和M23C6。淬火溫度為880～900℃時,增加V細(xì)化馬氏體組織,提高小尺寸(Mo,V)C含量,同時抑制大尺寸M23C6和M7C3的析出,因此實驗鋼強度明顯增加,而沖擊功變化不大。但淬火溫度為920～940℃時,提高釩含量促使(Mo,V)C含量急劇增加,沖擊功快速下降。回火實驗表明,當(dāng)回火溫度不大于600℃時,實驗鋼沖擊功小于100J;而在700℃回火時,屈服強度小于1000MPa。為了滿足性能要求,回火溫度應(yīng)為650℃。此外,實驗鋼強度與回火時間呈對數(shù)規(guī)律下降,回火時間應(yīng)小于2h。實驗鋼中Nb的最佳添加量為0.025%。添加0.025%Nb后,實驗鋼回火馬氏體組織細(xì)化,大角度晶界比例增加,因此強韌性同時提高。在回火初期,添加0.045%Nb抑制了鋼中(Mo,V)C的析出,同時析出大尺寸NbC粒子,因此實驗鋼的強韌性同時下降。而在長時間回火時,添加0.045%Nb抑制了M23C6和M7C3粒子的析出和粗化,同時析出了熱穩(wěn)定性更好的M8C7和NbC粒子,因此實驗鋼回火穩(wěn)定性提高,且沖擊功與不添加Nb時差別不大,但仍小于添加0.025%Nb時的沖擊功。通過冷熱疲勞試驗機、馬弗爐和高溫拉伸試驗機進行了實驗鋼的高溫性能試驗,如熱疲勞性、抗氧化性和高溫力學(xué)性能。添加0.025%Nb或增加0.18%V(0.31%到0.49%)提高實驗鋼的熱疲勞性能。添加Nb或V抑制了實驗鋼中大尺寸M23C6等的析出和粗化,同時M8C7或NbC含量提高,分布更加彌散,故實驗鋼組織穩(wěn)定性提高,表面硬度增加。因此實驗鋼中主裂紋長度降低,熱疲勞性能提高。氧化實驗表明,增加Cr抑制了實驗鋼的氧化行為。氧化層分為兩層,外層為松散的Fe203層;而內(nèi)層更加致密,含有更高的Cr含量,主要為FeCr2O4和部分FeO。增加C