一種合金鋼和集成式制動梁架及其製造方法與流程

2023-09-27 05:34:50 2

本發明涉及一種合金鋼和集成式制動梁架及其製造方法，屬於冶金材料
技術領域：
和鐵路貨車
技術領域：
。
背景技術：
：20世紀80年代初期，北美研製了集成制動技術，並在鐵路貨車上推廣。隨著國內外重載鐵路貨運技術的快速發展，集成制動技術得到了廣泛應用。與傳統基礎制動裝置槓桿布置方式相比，集成制動裝置具有結構緊湊、傳動效率高、質量輕等優點，能夠有效利用車輛空間，並降低車輛的自重、提高車輛的載重能力。在鐵路貨車的集成制動裝置中，集成式制動梁架是最關鍵的部件，圖1是集成式制動梁架的截面圖，具體結構可參見文獻《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與衝壓，2014(13)：65-69.》。目前，集成式制動梁架是採用牌號為q460e的熱軋丁字異型鋼，經加熱、切分、拉伸、壓彎整形後冷卻並回火後得到。q460e鋼材的化學成分如表1所示。表1q460e鋼材的化學成分(質量分數，％)csimnpsnbv≤0.20≤0.50≤1.70≤0.025≤0.020≤0.07≤0.20tinicralcumofe≤0.20≤0.80≤0.30≤0.015≤0.55≤0.20餘量在目前集成式制動梁架的生產製造過程中，因q460e鋼材過熱敏感性難以控制、連續冷卻轉變曲線不唯一等原因，極易導致魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等脆硬相組織的產生。圖2是現有集成式制動梁架的典型金相組織照片，其中，(a)圖中標註的區域為魏氏組織，魏氏組織常伴隨著奧氏體晶粒粗大而出現，一般是由鍛造的加熱溫度過高或者冷卻速度過快所致。魏氏組織的存在，會使集成式制動梁架的塑性和衝擊韌性顯著降低，同時使脆性轉折溫度升高；(b)圖中標註的區域為粒狀貝氏體組織，其在鐵素體組織界面處形核、生長，使鐵素體組織界面附近的韌性組織局部割裂，晶界表面積大幅升高。在半擴散性轉變形成的晶界處，原子排列混亂，存在大量的空位、位錯等缺陷，所以在承受衝擊載荷過程中，粒狀貝氏體附近的斷裂敏感性急劇升高，從而嚴重影響集成式制動梁架的衝擊性能；(c)圖中標註的區域為m-a組元，其是在貝氏體轉變區間，待轉變的富碳奧氏體(奧氏體中碳原子擴散不充足)呈島狀分布在塊狀鐵素中形成。奧氏體部分在受衝擊及拉伸載荷過程中會產生應力誘發馬氏體相變現象，可視為一種脆硬相的加劇反應。上述有害組織的存在，嚴重影響了集成式制動梁架的力學性能，尤其體現在集成式制動梁架的切分口肩部極易出現橫向開裂、壓彎深度92.5±2mm尺寸部位(十字鋼與弓形杆部)在熱成型及回火處理後壓彎深度的回彈量無法控制等問題，致使大部分集成式制動梁架的性能穩定性較差，不能滿足目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的基本力學性能要求(參見表2)。並且，上述原因還會導致集成式制動梁架的性能穩定性較差，通常產品的一次合格率僅為20％～30％。即使經多次冷修、熱修、磨修及回火調整處理，產品的總合格率也只能達到70％左右，遠遠不能滿足實際生產的要求。表2集成式制動梁架的力學性能指標項目屈服強度/mpa抗拉強度/mpa斷後伸長率/％衝擊功/j指標4205501727並且，因集成式制動梁架局部開裂、回火後尺寸變形等原因導致的多次冷修、熱修、磨修，以及因力學性能不合格導致的多次回火調整處理，不僅造成了巨大的資源浪費，也降低了生產效率。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明提供一種合金鋼和集成式制動梁架及其製造方法。通過合理設置合金鋼的化學成分，使其具有良好的工藝適應性，不僅能夠使製得的集成式制動梁架滿足相關性能要求，而且顯著提高了產品的一次合格率。本發明首先提供一種合金鋼，由以下質量百分比的成分組成：碳：0.12～0.18％、矽：0.25～0.35％、錳：1.20～1.50％、磷：0.001～0.015％、硫：0.001～0.010％、鈮：0.01～0.08％、鎳：0.01～0.45％、鉻：0.20～0.30％、鋁：0.015～0.050％、銅：0.01～0.15％、釩：0.08～0.14％、鉬：0.01～0.20％、鈦：0.06～0.10％，餘量為鐵。可以理解，在實際生產過程中，除了上述成分，合金鋼中還可能含有其它不可避免的雜質元素，這些雜質元素在合金鋼中的含量可忽略不計，在此不做過多說明。在合金鋼中，c、si、mn是影響鋼材力學性能及加工性能的重要因素，比如si能提高合金鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度；mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，能減弱甚至消除因硫元素所引起的鋼的熱脆性，從而改善合金鋼的熱加工性能；同時，mn和fe形成固溶體，還可以提高合金鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度。發明人研究發現，增加c、si、mn的含量，雖然可以對合金鋼起到很好的強化作用，但卻顯著降低了鋼材的韌性，為了提高鐵路行車制動穩定性，降低鋼材的熱裂紋敏感性，需將c、si、mn的含量控制在合理的範圍內。與此同時，通過cr、v、ti等元素的微合金化來細化晶粒以提高合金鋼的綜合性能；通過調節ni元素的含量，降低原奧氏體的組織穩定性；通過控制其它成分的含量，控制合金鋼的cct冷卻曲線正火組織轉變區在常規加工工藝參數範圍內，利於在鍛造成型後的自回火處理時，有效消除魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等硬脆相組織，因而合金鋼具有良好的工藝適應性，使加工得到的集成式制動梁架具有良好且穩定的力學性能，顯著提高了產品的一次合格率。合理控制合金鋼中各成分的含量，有利於進一步提高產品的力學性能，並提高產品性能的穩定性。在本發明具體實施過程中，通常合金鋼由以下質量百分比的成分組成：碳：0.12～0.18％、矽：0.30～0.35％、錳：1.30～1.50％、磷：0.005～0.015％、硫：0.001～0.005％、鈮：0.01～0.08％、鎳：0.30～0.45％、鉻：0.20～0.30％、鋁：0.015～0.035％、銅：0.01～0.15％、釩：0.08～0.14％、鉬：0.01～0.20％、鈦：0.06～0.10％，餘量為鐵。合理控制合金鋼中的碳當量，有利於進一步提高集成式制動梁架的強度等力學性能。在本發明優選的技術方案中，合金鋼的碳當量為0.45％～0.50％。如無特殊說明，本發明中的碳當量(ceq，％)，是按照下述公式計算得到：ceq＝c+mn/6+(cr+v+mo)/5+(cu+ni)/15上述公式中，c、mn、cr、v、mo、cu、ni分別代表相應成分在合金鋼中的質量百分含量。本發明其次提供上述合金鋼在加工製造集成式制動梁架中的應用。可以理解，通過合金鋼中各成分之間的配合，使合金鋼具有良好的加工性能，從而有利於製得性能穩定且良好的集成式制動梁架，以滿足目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的力學性能要求。本發明最後提供一種集成式制動梁架，是對上述合金鋼進行加工得到。具體的，採用上述合金鋼為原料加工得到的集成式制動梁架，其顯微組織是多相顯微組織，包括均勻分布的鐵素體和珠光體。通常情況下，鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％；魏氏組織、粒狀貝氏體組織、m-a組元等有害組織的體積含量之和不超過5％。在具體生產過程中，可認為是正火組織轉變完全。採用本發明提供的合金鋼加工得到的集成式制動梁架，具有良好的綜合力學性能，具體的，其屈服強度＞500mpa、抗拉強度＞680mpa、斷後伸長率＞25％、衝擊功＞50j，遠遠超過了目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的基本力學性能要求(參見表2)。並且，集成式制動梁架產品的一次合格率≥95％。本發明對於集成式制動梁架的具體製造方法不做特別限定。發明人研究發現，本發明提供的合金鋼具有良好的工藝適應性，所以可採用本領域常規的工藝進行加工製造，比如可採用文獻《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與衝壓，2014(13)：65-69.》中方案3的加工工藝。在實際生產過程中，集成式制動梁架的製造方法，可以包括以下步驟：對上述合金鋼進行軋制處理，得到型鋼；對型鋼進行加熱處理、切分處理、拉伸處理和整形處理，得到梁架半成品；對梁架半成品進行自回火處理和自然冷卻處理，得到集成式制動梁架。其中，加熱處理具體包括：首先採用低頻(1khz～4khz)加熱，使所述型鋼在100～120s內升溫至730～750℃；然後採用高頻(10khz～20khz)加熱，使所述型鋼在20～30s內升溫至940～980℃並保溫1～5s。在本發明具體實施過程中，是通過控制加熱設備的加熱頻率、輸出功率和加熱時長，以調節加熱處理過程中升溫效果，如表3所示，首先採用低頻進行慢速加熱，使整個型鋼進行透熱，最終使型鋼的內部和表面溫度大致相等，達到730～750℃左右，之後切換到高頻進行大功率快速加熱，使型鋼整體的溫度達到940～980℃，最後實施保溫處理。並且，在本發明具體實施過程中，通常控制加熱處理的總時間為130～140s。表3型鋼加熱處理的具體工藝參數(額定輸出功率450kw)發明人研究發現，採用上述雙頻加熱的工藝對對型鋼進行加熱處理，不僅能夠在保證型鋼的原奧氏體晶粒尺寸的同時進一步降低原奧氏體組織的穩定性，而且能夠有效降低甚至消除魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等有害組織的產生的可能性，從而為後續自回火處理提供組織準備，並最終使製得的集成式制動梁架的晶粒細小且組織均勻，因而使集成式制動梁架產品具有良好且穩定的力學性能。加熱處理後的型鋼經常規工藝的切分、拉伸、整形處理後，得到梁架半成品，然後進行自回火處理。本發明對自回火處理的具體工藝不做特別限定，比如可以將得到的梁架半成品送入緩冷室中進行冷卻。在本發明具體實施過程中，是將整形處理後的梁架半成品在15s內送入緩冷室工位內，以確保梁架半成品在送入緩冷室之前的溫度≥800℃。在緩冷室中，當梁架半成品的溫度降低至300℃，即完成了自回火處理，最後再經送出緩冷室進行自然冷卻，得到集成式制動梁架。可以理解，在上述自回火處理過程中，即將不低於800℃的梁架半成品送入緩冷室至溫度降低至300℃的過程中，溫度降低速率越慢，越有利於使冷卻曲線避開粒狀貝氏體及m-a組元轉變區，避免產生脆硬組織。在具體自回火處理時，通常控制梁架半成品的溫度降低速率≤0.25℃/s，最終達到正火組織轉變完全的目的。本發明提供了一種合金鋼，通過合理設置合金鋼的化學成分，使其具有良好的工藝適應性，並且能夠用於加工得到性能良好的集成式制動梁架，而且使集成式制動梁架具有非常高的性能穩定性，產品的一次合格率≥95％。本發明還提供了一種採用上述合金鋼加工得到的集成式制動梁架。該集成式制動梁架的顯微組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，並且鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％；其屈服強度＞500mpa，抗拉強度＞680mpa，斷後伸長率＞25％，衝擊功＞50j，從而使集成式制動梁架的性能遠遠高於目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的基本力學性能要求。本發明還提供了一種集成式制動梁架的製造方法，該製造方法簡單可靠，並能夠使集成式制動梁架的晶粒細小且微觀組織均勻、正火組織轉變完全，最終獲得性能優良的集成式制動梁架。同時，該製造方法使產品的一次合格率≥95％，並且未出現切分口肩部橫向開裂的問題，不僅提高了生產效率，而且降低了能耗，適宜大規模推廣。附圖說明圖1為鐵路貨車的集成式制動梁架的截面圖；圖2為現有集成式制動梁架的金相組織照片；圖3為本發明實施例1製得的集成式制動梁架的金相組織照片。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明的附圖和實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。如無特殊說明，本發明中所述的衝擊功，均是按照《gb-t229-2007金屬材料夏比擺錘衝擊試驗方法》，對集成式制動梁架取樣進行-40℃夏比v型缺口衝擊試驗，每個樣品測試三次，取平均值得到。實施例1實施例1提供一種合金鋼，其具體的化學成分參見表4。採用文獻《李潔，唐振英，鄭官興.集成式制動梁架成形工藝研究[j]，鍛造與衝壓，2014(13)：65-69.》中記載的方案3對本實施例的合金鋼進行加工，得到集成式制動梁架。取本實施例中集成式制動梁架的樣品，經粗磨、細磨後再進行機械拋光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蝕後，在不同放大倍數下，樣品的金相組織照片如圖3所示。可以看出，本實施例的集成式制動梁架樣品，其具有細小的晶粒，微觀顯微組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，即均勻的正火態強韌組織，並且鐵素體與珠光體的體積含量之和＞95％。對本實施例的集成式制動梁架的力學性能進行測試，具體結果參見表5。由表5可知，以本實施例提供的合金鋼為原料，採用現有工藝製得的集成式制動梁架，其性能遠高於目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的基本力學性能要求(參見表2)。經計算，以本實施例提供的合金鋼為原料，採用上述現有工藝加工得到集成式制動梁架，產品的一次合格率為95％，並且未出現切分口肩部橫向開裂的問題，生產效率非常高且能耗低，並實現了原料的充分有效利用。表4實施例1-4中合金鋼的化學成分(質量分數，％)表5實施例1-4中集成制動梁架的力學性能測試結果測試項目實施例1實施例2實施例3實施例4屈服強度/mpa505531530512抗拉強度/mpa692711709698斷後伸長率/％26.52827.528衝擊功/j11955.311794.7實施例2-4實施例2-4分別提供一種合金鋼，其化學成分參見表4。以實施例2-4提供的合金鋼為原料加工製造集成式制動梁架，其具體工藝包括以下步驟：s1：按照常規工藝對合金鋼進行軋制，得到型鋼。s2：對型鋼進行加熱處理，所採用的設備是湖北十堰恆進科技有限公司生產的hktp-450kw型數控感應加熱工具機生產線(額定輸出功率450kw)，並通過調節設備的輸出功率控制加熱頻率，具體加熱處理的工藝參數如下表6所示：表6實施例2-4中型鋼加熱處理的工藝參數其中，在第三階段，型鋼的溫度上升到740℃左右，在第六階段，型鋼的溫度達到970℃左右，最後在970℃下實施保溫處理。s3：按照常規工藝，對經加熱處理的型鋼進行切分處理、拉伸處理和整形處理，得到梁架半成品。s4：將梁架半成品在15s內送入緩冷室內，使梁架半成品在緩冷室工位內存放直至所有梁架半成品的溫度從800℃緩慢降至300℃，降溫速率約為0.25℃/s，然後出緩冷室工位進行自然冷卻，得到集成式制動梁架產品。分別取實施例2-4中集成式制動梁架的樣品，經粗磨、細磨後再進行機械拋光，用硝酸酒精溶液(4％)腐蝕後，觀察樣品的金相組織，與圖3基本相同，晶粒細小且為均勻分布的鐵素體和珠光體，即均勻的正火態強韌組織，未見魏氏組織、粒狀貝氏體及m-a組元等有害組織。對實施例2-4的集成式制動梁架的力學性能進行測試，具體結果參見表5。由表5可知，以實施例2-4提供的合金鋼為原料、並以本實施例中的加工工藝製得的集成式制動梁架，其性能不僅遠遠高於目前鐵路貨車對於集成式制動梁架的基本力學性能要求，而且其綜合力學性能(比如屈服強度、抗拉強度和斷後伸長率)也優於採用常規工藝(如實施例1)製得的集成式制動梁架。經計算，採用實施例2-4中的加工工藝製造集成式制動梁架，產品的一次合格率分別為98％、99％、97％，並且均未出現切分口肩部橫向開裂的問題，生產效率高於常規工藝且能耗進一步降低，實現了原料的有效利用。最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。當前第1頁12