提高高碳当量灰铸铁刹车盘机械性能的方法

提高高碳当量灰铸铁刹车盘机械性能的方法 引言刹车盘是汽车制动系统中的基础零件，行车过程中能否保证可靠的制动起关键性作用。刹车盘（鼓）出口大部分是配件市场，客户订货品种多、批量小，但其对质量及性能的要求日趋严格。由于高碳当量刹车盘较强的吸震能力，良好的整体散热能力，更好的预防瞬间受热产生的裂纹和变形，而愈来愈受到客户的青睐。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，制动盘的安全、可靠性备受重视。灰铸铁是刹车盘常用的材料。作为刹车盘材料的灰铸铁应具有高的强度、良好的导热性和耐磨性。高碳当量灰铸铁导热性和铸造性能较好，是刹车盘材料的发展方向，但高碳当量灰铸铁因组织中有较多粗大的石墨存在，强度通常较低。 本文将对如何稳定提高高碳当量灰铸铁刹车盘的硬度、抗拉强度进行探讨。 1 普通高碳当量刹车盘的化学成分、金相组织、机械性能的要求 1.1 普通高碳当量刹车盘的化学成分 C=3.63.9、Si=1.62.3、Mn=0.40.8、S0.1、P0.12、Ni0.1、Cr=0.10.25、Cu=0.150.6、Mo0.2、Sn0.1、V0.1、Ti0.031.2 普通高碳当量刹车盘的金相组织 珠光体含量85%，主要是A形石墨，石墨长度35级。 1.3 普通高碳当量刹车盘的机械性能要求 硬度：125205HBW，抗拉强度b150N/mm2。2 高碳当量刹车盘炉料配比（使用中频感应电炉） 感应电炉具有升温、保温、纯净铁水的优点；不仅可以使粗大的石墨变得细化，同时感应电炉强大的电磁搅拌力还可以使铁水中各种细小的固态杂质得以熔解或成渣除去，使铁水净化，给随后的孕育处理带来方便。为保证刹车盘的机械性能达到客户要求，优质的铁水是获得高强度灰铸铁的必要条件，炉料配比尤为重要，生铁最好不使用，一般配比为废钢：回炉料=60%：40%（废钢为普通碳素钢），增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁随炉料一同加入。废钢、增碳剂最好先加入炉内。3 铁水熔化温度控制及铁水化学成分检验 由于高碳盘的含碳量较高，在合金元素一定量的前提下，较高的碳当量必然导致铸件的硬度、抗拉强度降低，因此保证制作的光谱分析试样能准确反映铁水化学成分的真实状况至关重要，实际操作中应该注意以下几方面的控制。3.1 铁水温度达到1520在炉内保温5-8分钟（这是较为重要的一个环节，目的为使增碳剂能较好的熔解），再进行扒渣处理，清理掉铁水表面的杂质及未充分熔解的增碳剂，然后用采样勺在电炉内舀取铁水制作光谱分析试 样。舀取铁水时，采样勺凹面朝下，伸入电炉铁水内，上下搅动4-5次， 采 样勺伸入液面下100mm左右舀取铁水。 3.2 制作的光谱分析试样必须白口化。由于铸铁中的碳以游离的石墨状态存在，直接用于光谱分析时导致激发不良，另外由于有石墨的存在，不同激发点的成分偏差很大，分析结果难以稳定，因此要将试样白口化，使石墨转化为 Fe3C的组织结构。 3.3 若光谱仪检验铁水成分不符合要求，重新添加炉料调整成分以后，不能马上舀取铁水制作光谱分析试样检验，此时铁水在炉内还没有充分的搅匀，检验出来的化学成分是虚值，正确的做法是，在保温的状态下，使铁水在炉内翻滚35分钟，待铁水成分均匀以后再取光谱分析试样，这样检验出的数据才是真值。 3.4 光谱仪做好类型标准化。3.5 光谱仪检验试样时最少激发两点，如果这两点数据相差较大，必须激发第三点，删除异常点，余下两点各化学元素的平均值为该试样的检验值。 3.6 铁水成分检验合格后，提温至1530出炉。 3.7 铁水孕育处理 为了使铸件达到较好的机械性能、金相组织，要对铁水进行孕育处理，因 为灰铸铁的机械性能主要取决于基体组织及石墨型态，一般情况下，灰铸 铁的基体组织和片状石墨都较粗大，因而强度较低，塑性较差，另外灰铸 铁对冷却速度十分敏感，在同一铸件上的不同厚度的界面处，往往得到不 同的组织，石墨的大小和分布也不均匀，这就使铸件的各部分性能很不一 致，为改变以上缺点常采用“孕育处理”的方法，使铁水同时生成大量均匀的晶核，降低过冷度，改变了铁水的结晶条件，促进A型石墨生长，同时获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织，故对提高铸铁强度有利。常用的孕育剂是含硅75%的硅铁，其加入量一般为铁水重0.3-0.5%，经过孕育处理的铁水要在10分钟之内用完，否则孕育衰退。 4 影响铸件性能的主要因素：化学成分、冷却速度。 4.1 碳当量的高低对铸件机械性能影响明显。 化学成分的上下限是客户验收产品的极限位，在铁水中合金元素含量、铸件冷却速度、造型硬度一定的前提下，碳当量的高低直接影响铸件的硬度、抗拉强度，通过实验，一般碳当量控制在CE=C%+Si%/3=4.15%-4.25%之间，高碳当量刹车盘的机械性能完全能够满足客户要求。碳当量每增加0.05%，单铸试棒的抗拉强度降低1520Mpa。 4.2 合金元素对铸件性能的影响 合金元素价格都较高，加入量的多少将直接影响到产品的成本，因此在满足客户要求的前提下，尽可能少量使用合金元素。下图为合金元素加入量对铸件抗拉强度的影响（摘自：新型高碳当量高强度灰铸铁组织与性能的研究）4.2.1 Mn 在灰铸铁中是促进珠光体和稳定渗碳体元素，是阻碍石墨化的元素。Mn能降低共晶温度和共析温度，因此，提高铁水中的含Mn量可有效地降低共晶转变温度，有利于增加奥氏体枝晶的数量，从而促进珠光体的形成。另外，奥氏体向珠光体的转变在较低温度下进行，使珠光体片间距减小，促进珠光体片细化。Mn是强碳化物形成和稳定碳化物元素，Mn置换了 Fe3C 中的Fe，形成（Fe，Mn）3C，构成更强更硬的珠光体。Mn能无限固溶于奥氏体，强化基体，改善灰铸铁的性能。 4.2.2 Mo 是提高灰铸铁强度最有效的合金元素之一。它是较温和的反石墨化元素，对石墨有阻碍作用，可以细化珠光体，亦能细化石墨，从而改善石墨片，改善灰铸铁的性能。同时，Mo具有较温和的碳化物形成作用，且形成的复合碳化物极为稳定，尤其在高温状态下。钼是优异的合金元素，但价格昂贵，尽量不选用。当Mo0.6时，它稳定碳化物的作用比较温和，主要作用在于细化珠光体，亦能细化石墨，对提高铸件抗拉强度效果较为明显。4.2.3 Cr 是强烈的反石墨化元素，具有促进珠光体形成，并细化珠光体的作用。因此铸件中加入一定量的Cr可以提高灰铸铁的强度。Cr加入量不当会增加铸件的缩松、缩孔倾向。为了避免其负面影响，铁水中应该加入适量的Cr，以0.20.3为宜。4.2.4 Cu 为了抵消Cr增大白口的不利影响，在添加Cr的同时，往往组合添加一定量的Cu。而且，有研究显示，Cu和Cr复合加入时的强度优于其单独加入。Cu是较温和的促进石墨化元素，它能细化石墨并使石墨均匀分布，有效抵消Cr元素增大白口的倾向。Cu也是一种稳定珠光体的合金元素，因此，Cu的加入可以增加和稳定基体中珠光体组织，改善灰铸铁的机械性能。另外，Cu的加入可有效的提高灰铸铁的耐磨性和耐蚀性，也可提高铁水的流动性，显著改善铸造性能。但Cu含量也不是越多越好，大量的Cu和Cr、Sn在一起，会使基体中产生大量的索氏体，影响铸件的切削性能。4.2.5 Sn 是灰铸铁件中的微量元素之一。当Sn0.1%时，能增加稳定珠光体的含量，其作用10倍于Cu，提高铸件的硬度。Sn在金属基体中的溶解度很有限，加入量不可过多，否则会使铸铁脆化，冲击韧性下降，同时增加铸件成本。 结 论1. 在铁水中合金元素含量、铸件冷却速度、型腔硬度一定的前提下，控制碳当量CE=C%+Si%/3=4.15%-4.25%，铁水中的C高、Si低一点，C低，Si高一点，控制碳当量在一定范围内，保证铸件的硬度、抗拉强度满足客户要求。2. 适量加入合金元素，达到提高铸件珠光体含量、细化石墨的目的。3. 为得到铁水化学成分的真值，尤其是C、Si含量的真值，熔化铁水温度达到1520以后要保温58分钟、扒渣处理后再取光谱分析试样；向炉内添料调整铁水成分后，不要马上用采样勺舀取铁水制作光谱分析试样，应使铁水在电炉内翻滚35