本发明涉及一种高速列车刹车盘用钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。本发明的创造性在于设计了一种适合我国高速列车运行条件的刹车盘用钢，替代进口材料。采用中频炉熔炼—LF炉精炼—VD真空处理的工艺流程生产，保证了化学成分的精确控制，并保证了钢水的洁净度。该钢经过铸造、锻造及热处理，产品中氧含量≤15ppm，氮含量≤90ppm，氢含量小于等于0.8ppm，晶粒度≥8级，各类别夹杂物≤1.0级，屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥20％，‑60℃低温V型冲击功达到40J以上。
1.一种高速列车刹车盘用钢，其特征在于，其化学成分按照质量百分数计算为：C
0.10％～0.18％，Mn 1.20％～1.80％，Si 0.20％～0.40％，Ni 0.20％～0.50％，Cr<
0.20％，Nb 0.03％～0.06，V 0.05％～0.15％，Mo<0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％，Als≥
0.020％，Cu<0.20％，Ti≤0.02％，余量为Fe；该钢经过铸造、锻造及热处理后，产品中氧含量≤15ppm，氮含量≤90ppm，氢含量小于等于0.8ppm，晶粒度≥8级，各类别夹杂物≤1.0级，屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥20％，-60℃低温V型冲击功达到40J以上。
2.如权利要求1所述的一种高速列车刹车盘用钢的制备方法，其特征在于，采用中频炉熔炼—LF炉精炼—VD真空处理的工艺流程生产，具体步骤为：a)中频炉冶炼：加入优质废钢及工业纯铁冶炼，熔清后采用快速光谱分析化学成分，根据化学成分分析结果，加入适量Si铁、Mn铁、Ni合金，调整Si、Mn、Ni元素进入到成分设计范围，其中Mn元素按照设计成分的中间值以上控制；一定要注意入炉料的质量，保证P、Cu等杂质元素不超过设定范围，C元素成分按照设计成分的中间值以下控制，达到出钢温度后出钢，出钢过程中按照2kg/t钢的量向钢水中投入铝锭；
b)LF精炼：LF精炼渣按照钢水量的3％～8％配入，白渣保持时间须大于20min以上，出钢前须为白渣；出钢前15min，依次加入Al线、Nb铁、V铁，调整上述元素成分进入设计范围，吹氩搅拌，视情况添加石灰，将钢中S含量控制在0.010％以下；
c)VD真空处理：VD真空处理过程作用在于真空脱气和强烈搅拌去除夹杂物。VD真空处理将钢水中氧含量降低到10ppm以下，夹杂物符合设计要求，氮含量降低到70ppm以下，氢含量降低到0.6ppm以下；
d)经过铸造、锻造并热处理后得到高速列车刹车盘用钢。
一种高速列车刹车盘用钢及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高速列车刹车盘用钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。
背景技术
[0002] 2017年，我国高速列车通车里程已经接近3万公里，占到世界高速列车通车里程的60％以上，但是在高速列车的关键部件上，仍然使用大量的进口材料。高速列车刹车盘是高速列车的关键部件，我国幅员辽阔，南北纬度跨度大，高速列车运行要经历的气象条件复杂，要适应高温多雨天气和极寒天气，刹车盘的服役条件极为苛刻，要求其材料具有较高屈服强度的同时又要具备良好的低温冲击性能。2017年底，国家发改委发布了《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》重点领域关键技术产业化实施方案，发改办产业〔2017〕2063号，其中涉及到了对未来高速列车刹车盘的一些技术要求。具体内容如下：高速列车刹车盘用钢的各级别夹杂物≤1.5级，-60℃冲击功≥27J，晶粒度≥7级。
[0003] 本发明的创造性在于设计了一种适合我国高速列车运行条件的刹车盘用钢，替代进口材料。为了提高其低温冲击性能，降低了钢中的C元素含量，加入Ni元素，降低钢中杂质元素P、S含量；为了提高其强度，利用锰元素对其进行固溶强化，加入Nb、V、Al等元素进行晶粒细化。采用中频炉熔炼—LF炉精炼—VD真空处理的工艺流程生产，保证了化学成分的精确控制，并保证了钢水的洁净度。该钢经过铸造、锻造及热处理，产品中氧含量≤15ppm，氮含量≤90ppm，氢含量小于等于0.8ppm，晶粒度≥8级，各类别夹杂物≤1.0级，屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥20％，-60℃低温V型冲击功达到40J以上。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提供一种高速列车刹车盘用钢及其制备方法，适应更加苛刻的服役条件，替代进口材料。
[0005] 上述高速列车刹车盘用钢，其化学成分按照质量百分数计算为：C 0.10％～0.18％，Mn 1.20％～1.80％，Si 0.20％～0.40％，Ni 0.20％～0.50％，Cr<0.20％，Nb
0.03％～0.06，V 0.05％～0.15％，Mo<0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％，Als≥0.020％，Cu<0.20％，Ti≤0.02％，余量为Fe。
[0006] 上述高速列车刹车盘用钢的制备方法，其特征在于：
[0007] a)制备工艺流程为：中频炉冶炼—LF精炼—VD真空处理
[0008] b)中频炉冶炼：加入优质废钢及工业纯铁冶炼，熔清后采用快速光谱分析化学成分，根据化学成分分析结果，加入适量Si铁、Mn铁、Ni合金，调整Si、Mn、Ni元素进入到成分设计范围，其中Mn元素按照设计成分的中间值以上控制。一定要注意入炉料的质量，保证P、Cu等杂质元素不超过设定范围，C元素成分按照设计成分的中间值以下控制。达到出钢温度后出钢，出钢过程中按照2kg/t钢的量向钢水中投入铝锭。
[0009] c)LF精炼：LF精炼渣按照钢水量的3％～8％配入，白渣保持时间须大于20min以上，出钢前须为白渣。出钢前15min，依次加入Al线、Nb铁、V铁，调整上述元素成分进入设计范围。吹氩搅拌，视情况添加石灰，将钢中S含量控制在0.010％以下。
[0010] d)VD真空处理：VD真空处理过程作用在于真空脱气和强烈搅拌去除夹杂物。VD真空处理将钢水中氧含量降低到10ppm以下，夹杂物符合设计要求，氮含量降低到70ppm以下，氢含量降低到0.6ppm以下。
[0011] 上述的钢铁刹车盘用钢，经过铸造、锻造并热处理后，产品质量及力学性能达到如下指标：
[0012] 钢中气体含量：氧含量≤15ppm，氮含量≤90ppm，氢含量小于等于0.8ppm；组织和夹杂物：晶粒度≥8级，各类别夹杂物≤1.0级；力学性能：屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥20％，-60℃低温V型冲击功>40J。
[0013] 由于我国高铁发展时间晚，当前的国家标准中，没有对高铁刹车盘材料作规定，国家标准中的客车(普通列车)刹车盘采用灰口铸铁或蠕墨铸铁制造，屈服、抗拉强度级别为300MPa级，延伸率≥1％，未对低温冲击性能提出要求，难以适应我国高速列车的运行工况。
一直以来，高铁刹车盘采用进口。本发明从材料设计角度出发，采用合金钢替代铸铁材料，利用先进的冶炼技术，保证了材质的纯净度，力学性能较国标中的铸铁材料有了较大程度的提升，可以满足我国高铁运行要求，替代进口。
具体实施方式
[0014] 实施例1
[0015] 中频炉冶炼。采用20t中频炉冶炼，中频炉衬材质为MgO。冶炼工艺为：加入优质废钢及工业纯铁冶炼，熔清后快速光谱分析化学成分，加入Si铁、Mn铁、Ni合金，调整Si、Mn、Ni元素进入到成分设计范围，其中Mn元素按照中上限控制。一定要注意入炉料的质量，保证P、Cu等杂质元素不超过设定范围，C元素成分按照中下限控制。达到出钢温度1650℃后出钢，出钢过程中按照2kg/t钢的量向钢水中投入铝锭。
[0016] LF精炼。LF精炼渣按照钢水量的3％～8％配入，白渣保持时间须大于20min以上，出钢前须为白渣。出钢前10min，视情况依次加入Al线、Nb铁、V铁，调整上述元素成分进入设计范围。吹氩搅拌，视情况添加石灰，将钢中S含量控制在0.008％以下。LF炉出钢温度为1660℃。
[0017] VD真空处理。LF炉出钢后，将钢包吊入到真空罐中，接氩气，调低氩气流量，闭合罐盖开始抽真空。抽真空时，注意在窥视孔中观察罐内钢包情况，根据钢水翻腾情况调整氩气流量，既保证钢水的充分脱气，又要保证钢水及炉渣不喷溅到钢包外部。真空度达到67Pa时开始计时，保持12min以上，然后停止抽气，破除真空。真空破除后打开罐盖，在钢液面加入保温剂炭化稻壳进行软吹，氩气流量调整以渣面微动不露钢液为宜，软吹时间大于15min。测温，温度下降到1570℃吊包浇注。
[0018] 采用普通砂型铸造，锻造后进行调质处理(1050℃淬火，600℃回火)、机加工，测试钢中气体含量，检测其组织及夹杂物并测试其力学性能，测试结果：钢中氧含量12ppm，氮含量60ppm，H含量为0.5ppm，钢中各类夹杂物级别均为0.5级，晶粒度为8级，屈服强度600MPa，抗拉强度750MPa，延伸率25％，-60℃下V型低温冲击功53J。
