吴丹等：钒对高铁制动盘钢中碳化物析出及力学性能的影响 .69· V)C content;therefore,the impact energy drops rapidly.Thus,it is concluded that the quenching temperature of tested steel should not exceed900℃. KEY WORDS brake disc steel;precipitates;vanadium;microstructure;quenching temperature 制动盘是保障列车安全的最终屏障.列车制动 等[16]在Ni-Cr-Mo制动盘钢添加质量分数0.1%的 过程中，尤其在紧急制动时，制动盘与制动闸片剧烈 V,抑制了钢的高温相变及白层的形成，同时使制动 摩擦，将列车巨大的动能转换为热能，其中大部分热 盘钢的硬度增加，提高钢的抗热震性和耐磨性.但 量都被制动盘吸收[山.随着列车最大时速不断提 进一步提高钒含量对制动盘钢组织及性能的影响没 高，运行时动能及制动时产生的热能也随之增大，制 有被报道.因此本文设计了三种不同钒含量的实验 动盘表面温度急剧升高，局部温度甚至可能超过A? 钢，研究钒含量变化对制动盘钢性能的影响. 点温度2].在经过长期反复的制动过程后，制动盘 Cr-Mo-V系制动盘钢为低合金调质钢.随着 钢表面会出现热疲劳裂纹、热斑等热损伤，对其使用 淬火温度提高，钢中析出相发生溶解，更多的合金元 寿命产生危害3-)].由于列车时速提高，服役环境更 素固溶到奥氏体基体中，在回火过程中起到更好的 加苛刻，这就对制动盘材料提出了更高的要求 析出强化效果.但析出强化与细品强化对韧性的效果 C-Mo-V系低合金钢因具有较好的强韧度、耐 是矛盾的.提高淬火温度促使奥氏体晶粒长大，粗大的 热性、耐磨性等优点，当前广泛运用于列车制动盘 奥氏体晶粒导致转变得到的马氏体板条束及板条块尺 钢[].Cr和Mo具有较好的固溶强化及析出强化效 寸增大，从而促使钢的强度及韧性同时下降-).因 果，能提高钢的强度-).此外，C还能提高合金钢 此需要通过实验研究得到合适的淬火温度 的抗氧化能力].对于V元素，高温析出的V(C, 本文研究不同淬火温度时V含量对制动盘钢 N)能抑制品粒长大，起到细品强化效果：低温析出 组织及力学性能的影响，并使用扫描电镜、碳复型、 的VC能起到析出强化的作用，同时增强钢的强韧 透射电镜等方法研究了V含量变化对不同种类碳 性10-.刘庆春等2)研究表明添加钒能有效提高 化物析出行为的影响.通过热处理实验确定合适的 耐火钢的常温及高温性能.Nafisi等[]发现在API 淬火温度，为制动盘钢的实际生产提供参考. X100管线钢中添加质量分数0.06%的V显著提高 1实验材料及方法 其屈服及抗拉强度，同时对韧塑性没有危害.Gwon 等[4]研究了质量分数0.3%V的添加对TWIP钢的 1.1实验材料 影响，结果表明添加V促使品粒尺寸下降，屈服强 实验钢设计参照制动盘钢28 CrMoV,在其基础 度增加108MPa.Oh等1s]发现在15Cr铁素体不锈 上改变V含量，具体成分见表1.三种实验钢均通 钢中添加V能提高固溶强化效果，略微提高其疲劳 过真空感应炉冶炼得到，铸锭重39kg.再经高温退 寿命.关于V对制动盘钢的研究相对较少.Harada 火，多向锻造为直径17mm的圆棒 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested steels 钢种 C Si Mn Cr Ni Mo N Fe /0 0.26 0.60 0.64 1.14 0.40 0.81 0.10 0.0032 余量 0.26 0.62 0.63 1.15 0.40 0.81 0.31 0.0031 余量 3 0.26 0.66 0.64 1.16 0.40 0.81 0.49 0.0027 余量 1.2实验方法 标准冲击试样(U型缺口)，进行室温拉伸及室温冲 热处理工艺如图1所示，从锻后圆棒上截取毛 击试验.并从冲击试样上截取金相试样，尺寸为10 坯样，在马弗炉中经930℃正火1h后，分别在880、 mm×10mm×8mm,经磨抛后用4%（体积分数）硝 900、920和940℃保温1h后水淬.取部分淬火试样 酸乙醇溶液侵蚀，使用冷场发射扫描电镜(JSM- 在添加少量缓蚀剂的饱和苦味酸水溶剂中侵蚀，通 6701)对显微组织进行观察.通过碳萃取复型及透 过光学显微镜(MX6R)观察原奥氏体品界.其余毛 射电镜(JSM-2100F)对析出相的形貌、尺寸、分布及 坯样在650℃回火1h,之后加工成标准拉伸试样及 化学组成进行研究吴 丹等: 钒对高铁制动盘钢中碳化物析出及力学性能的影响 V)C content; therefore, the impact energy drops rapidly. Thus, it is concluded that the quenching temperature of tested steel should not exceed 900 益 . KEY WORDS brake disc steel; precipitates; vanadium; microstructure; quenching temperature 制动盘是保障列车安全的最终屏障. 列车制动 过程中,尤其在紧急制动时,制动盘与制动闸片剧烈 摩擦,将列车巨大的动能转换为热能,其中大部分热 量都被制动盘吸收[1] . 随着列车最大时速不断提 高,运行时动能及制动时产生的热能也随之增大,制 动盘表面温度急剧升高,局部温度甚至可能超过 A3 点温度[2] . 在经过长期反复的制动过程后,制动盘 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[3鄄鄄5] . 由于列车时速提高,服役环境更 加苛刻,这就对制动盘材料提出了更高的要求. Cr鄄鄄Mo鄄鄄V 系低合金钢因具有较好的强韧度、耐 热性、耐磨性等优点,当前广泛运用于列车制动盘 钢[6] . Cr 和 Mo 具有较好的固溶强化及析出强化效 果,能提高钢的强度[7鄄鄄8] . 此外,Cr 还能提高合金钢 的抗氧化能力[9] . 对于 V 元素,高温析出的 V(C, N)能抑制晶粒长大,起到细晶强化效果;低温析出 的 VC 能起到析出强化的作用,同时增强钢的强韧 性[10鄄鄄11] . 刘庆春等[12] 研究表明添加钒能有效提高 耐火钢的常温及高温性能. Nafisi 等[13] 发现在 API X100 管线钢中添加质量分数 0郾 06% 的 V 显著提高 其屈服及抗拉强度,同时对韧塑性没有危害. Gwon 等[14]研究了质量分数 0郾 3% V 的添加对 TWIP 钢的 影响,结果表明添加 V 促使晶粒尺寸下降,屈服强 度增加 108 MPa. Oh 等[15] 发现在 15Cr 铁素体不锈 钢中添加 V 能提高固溶强化效果,略微提高其疲劳 寿命. 关于 V 对制动盘钢的研究相对较少. Harada 等[16]在 Ni鄄鄄Cr鄄鄄Mo 制动盘钢添加质量分数 0郾 1% 的 V,抑制了钢的高温相变及白层的形成,同时使制动 盘钢的硬度增加,提高钢的抗热震性和耐磨性. 但 进一步提高钒含量对制动盘钢组织及性能的影响没 有被报道. 因此本文设计了三种不同钒含量的实验 钢,研究钒含量变化对制动盘钢性能的影响. Cr鄄鄄Mo鄄鄄V 系制动盘钢为低合金调质钢. 随着 淬火温度提高,钢中析出相发生溶解,更多的合金元 素固溶到奥氏体基体中,在回火过程中起到更好的 析出强化效果. 但析出强化与细晶强化对韧性的效果 是矛盾的. 提高淬火温度促使奥氏体晶粒长大,粗大的 奥氏体晶粒导致转变得到的马氏体板条束及板条块尺 寸增大,从而促使钢的强度及韧性同时下降[17鄄鄄18] . 因 此需要通过实验研究得到合适的淬火温度. 本文研究不同淬火温度时 V 含量对制动盘钢 组织及力学性能的影响,并使用扫描电镜、碳复型、 透射电镜等方法研究了 V 含量变化对不同种类碳 化物析出行为的影响. 通过热处理实验确定合适的 淬火温度,为制动盘钢的实际生产提供参考. 1 实验材料及方法 1郾 1 实验材料 实验钢设计参照制动盘钢 28CrMoV,在其基础 上改变 V 含量,具体成分见表 1. 三种实验钢均通 过真空感应炉冶炼得到,铸锭重 39 kg. 再经高温退 火,多向锻造为直径 17 mm 的圆棒. 表 1 实验钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested steels % 钢种 C Si Mn Cr Ni Mo V N Fe 1 # 0郾 26 0郾 60 0郾 64 1郾 14 0郾 40 0郾 81 0郾 10 0郾 0032 余量 2 # 0郾 26 0郾 62 0郾 63 1郾 15 0郾 40 0郾 81 0郾 31 0郾 0031 余量 3 # 0郾 26 0郾 66 0郾 64 1郾 16 0郾 40 0郾 81 0郾 49 0郾 0027 余量 1郾 2 实验方法 热处理工艺如图 1 所示,从锻后圆棒上截取毛 坯样,在马弗炉中经 930 益 正火 1 h 后,分别在 880、 900、920 和 940 益保温 1 h 后水淬. 取部分淬火试样 在添加少量缓蚀剂的饱和苦味酸水溶剂中侵蚀,通 过光学显微镜(MX6R)观察原奥氏体晶界. 其余毛 坯样在 650 益回火 1 h,之后加工成标准拉伸试样及 标准冲击试样(U 型缺口),进行室温拉伸及室温冲 击试验. 并从冲击试样上截取金相试样,尺寸为 10 mm 伊 10 mm 伊 8 mm,经磨拋后用 4% (体积分数)硝 酸乙醇溶液侵蚀,使用冷场发射扫描电镜( JSM鄄鄄 6701)对显微组织进行观察. 通过碳萃取复型及透 射电镜(JSM鄄鄄2100F)对析出相的形貌、尺寸、分布及 化学组成进行研究. ·69·