剎車盤用高碳當量灰鑄鐵組織和性能的研究

1、設(shè)計題目 剎車盤用高碳當量灰鑄鐵組織和性能的研究 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 院系名稱 材料科學(xué)與工程學(xué)院 畢業(yè)論文年 月 日目錄中文摘要1英文摘要21 引 言31.1 制動器的介紹及研究意義31.1.1 制動器的介紹31.1.2 研究意義41.2 剎車盤的失效分析41.3 剎車盤的組織要求51.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.4.1 國外研究現(xiàn)狀61.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀72 改善高碳當量灰鑄鐵性能的途徑82.1 調(diào)整鐵液化學(xué)成分82.1.1 碳和碳當量CE的選擇82.1.2 硅和SiC值的選擇92.1.3 硫的選擇102.1.4 錳的選擇102.1.5 磷的選擇112.2 微合金化112

2、.2.1 鉬122.2.2 鉻122.2.3 銅132.2.4 錫132.3 優(yōu)化熔煉工藝132.4 孕育處理143 試驗研究的內(nèi)容及方法153.1 成分設(shè)計及原材料選擇153.2 試樣制備153.3 機械性能測試153.3.1 抗拉強度測試153.3.2 硬度測試163.4 金相組織的觀察174 試驗結(jié)果與分析184.1 成分測定結(jié)果184.2 機械性能測試結(jié)果與分析184.3 高碳當量灰鑄鐵組織分析194.3.1 石墨的分析194.3.2 基體組織的分析21結(jié) 論24致 謝25參考文獻26剎車盤用高碳當量灰鑄鐵組織和性能的研究摘要：灰鑄鐵一直是剎車盤常用的材料。作為剎車盤材料的灰鑄鐵應(yīng)具有

3、高的強度、良好的導(dǎo)熱性和耐磨性。高碳當量灰鑄鐵具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和鑄造性能，是剎車盤材料的發(fā)展方向。但是，高碳當量灰鑄鐵因組織中有較多粗大的石墨強度通常很低。本文分析了改善高碳當量灰鑄鐵性能的途徑，其中包括調(diào)整鐵液化學(xué)成分、微合金化、優(yōu)化熔煉工藝和孕育處理等。在此基礎(chǔ)上，通過改變Mn、S含量研究了碳當量介于4.104.20三組灰鑄鐵的組織和性能。研究結(jié)果表明：為了改善高碳當量灰鑄鐵的性能，應(yīng)在微量合金化的同時采用較高的Mn、S含量，避免在組織中出現(xiàn)粗大的片狀石墨，降低其強度；同時Mn的加入量不宜太高，否則會抑制石墨的析出，使石墨片相對細小，不利于其導(dǎo)熱性。關(guān)鍵詞：高碳當量灰鑄鐵；合金化；顯微組織

4、；性能Study on Microstructure and Properties of High Carbon Equivalent Gray Cast Iron for Brake Disc Abstract: Gray cast iron has been a commonly used material of brake disc. As the brake disc material, Gray cast iron should have high strength, good thermal conductivity and wear resistance. High carbon

5、 equivalent gray cast iron has excellent thermal conductivity and casting properties, so it is the development direction of the brake disc materials. However, the strength of high carbon equivalent gray cast iron is usually low because of much coarse graphite flake in microstructure. The ways to imp

6、rove properties of high carbon equivalent gray cast iron including adjusting chemical composition of molten iron, micro-alloying, optimization of melting process and inoculation，was analyzed in this paper. On this basis, by changing the Mn and S content to study on microstructure and properties of t

7、hree groups of gray cast iron which has the carbon equivalent between 4.10 and 4.20. The results show that: in order to improve properties of high carbon equivalent gray cast iron, a higher content of Mn, S should be added while using micro-alloying. Thus, coarse graphite flake which can reduce its

8、strength can not be found in the organization. At the same time, the dosage of Mn should not be too high. Otherwise it will inhibit the precipitation of graphite, then the graphite flake is relatively small and having a negative effect on its thermal conductivity.Keywords: high carbon equivalent gra

9、y cast iron；alloying；microstructure；property1 引 言1.1 制動器的介紹及研究意義 制動器的介紹從汽車誕生時起，車輛制動系統(tǒng)就在車輛的安全方面扮演著至關(guān)重要的角色。近年來，隨著車輛技術(shù)的進步和汽車行駛速度的提高，這種重要性表現(xiàn)得越來越明顯。在汽車的制動系統(tǒng)中，它的關(guān)鍵部件之一就是制動器。目前我們比較常見的制動器主要有鼓式制動器和盤式制動器兩種，即鼓剎和盤剎，如圖1.1、1.2所示。 圖1.1 鼓式制動器 圖1.2 盤式制動器鼓式制動器是最早形式的汽車制動器，迄今有接近一個世紀的歷史，當盤式制動器還沒有出現(xiàn)之前，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類汽車上。鼓剎的最大

10、優(yōu)點就是具有良好的自剎作用，能夠提供強大的制動力，在相同直徑下，鼓剎的力度要大于盤剎。另外，剎車鼓的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。但由于結(jié)構(gòu)相對封閉，剎車蹄片和剎車鼓的摩擦表面很難散熱，剎車鼓在受熱后直徑會增大，造成踩下剎車踏板的行程加大，出現(xiàn)制動效果衰退現(xiàn)象，長時間剎車將導(dǎo)致剎車失靈。這種結(jié)構(gòu)的另一個弊端就是進入剎車鼓里的雜質(zhì)或摩擦過程中脫落的磨粒很難自動清理，加速剎車鼓的磨損。盤式制動器的剎車盤裸露在空氣中，這種設(shè)計恰好解決了散熱難和雜質(zhì)難自動清理的問題。特別是高負載時耐高溫性能好，制動效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲，在冬季和惡劣路況下行車，盤剎比鼓剎更容易在較短的時間內(nèi)令汽車停下來。盤式制動器剎車

11、靈敏，可做高頻率剎車動作或高速行駛時的緊急剎車。但是盤剎的制動力比鼓剎小，而且必須要有助力裝置的車輛才能使用，成本也比較高，所以只能適用于輕型車上。 研究意義隨著技術(shù)的進步，鼓剎在轎車領(lǐng)域已逐步讓位給盤剎。不過由于鼓剎成本較低，目前它仍然在一些經(jīng)濟型轎車中使用，主要用于制動負荷較小的后輪和駐車制動。而相對低速，且需要大制動力的卡車、客車，仍然采用鼓剎。但鼓剎有剎車不夠靈敏、剎車鼓容易過熱等缺陷，而這些缺陷有時能產(chǎn)生致命的傷害，如城市里的公交車，如果剎車不靈敏，容易產(chǎn)生車禍；卡車、客車在山區(qū)道路連續(xù)下長坡過程中容易造成剎車鼓過熱，輕則降低剎車效果，重則導(dǎo)致車輛制動失靈，最終車毀人亡，特別是重卡出

12、現(xiàn)這種事故的概率更高。因此有必要對剎車盤的材料做進一步研究，以滿足更大制動力的需求。1.2 剎車盤的失效分析剎車盤是汽車的重要安保件，對汽車的安全行駛起著至關(guān)重要的作用，也是汽車日常檢修中重要檢查部件。經(jīng)查閱相關(guān)資料，剎車盤的失效形式主要有兩種：一是熱疲勞失效，二是逐步磨損失效。熱疲勞失效是指剎車盤使用一段時間以后，在摩擦力和不均勻的冷熱循環(huán)下，剎車盤的內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變，并由此導(dǎo)致裂紋和斷裂的失效。通常，在一次緊急制動過程中，剎車盤和摩擦塊的摩擦表面溫度可升到500以上，此時剎車盤的強度和熱導(dǎo)率明顯降低。接觸面因受摩擦熱而使該處組織發(fā)生相變（在400600時，珠光體分解），產(chǎn)生相變應(yīng)力；同時，

13、由于剎車盤在厚度方向的溫度梯度變大，形成溫度應(yīng)力。在冷熱交替和外力的作用下，材料發(fā)生了疲勞，產(chǎn)生了微小裂紋。在摩擦力的作用下，裂紋擴展。許多小裂紋，結(jié)合在一起，形成長的裂紋，裂紋多呈斷續(xù)或連續(xù)狀，如圖1.3所示。長裂紋可能使剎車盤突然斷裂，威脅著汽車的制動性能，因此剎車盤的熱疲勞性能至關(guān)重要。對于卡車和大巴，其制動力更大，產(chǎn)生的摩擦熱也更多。如果把剎車盤應(yīng)用到這類車上，則材料的抗熱疲勞能力應(yīng)當要更好。否則，剎車盤很容易在大的摩擦熱和切向力的作用下發(fā)生變形或開裂。圖1.3 剎車盤熱疲勞裂紋逐步磨損失效是指剎車盤在使用過程中，其厚度不斷減小，減小到一定厚度時，剎車盤的強度不能滿足正常的制動需求而造

14、成的失效。剎車盤的主要磨損形式為磨粒磨損。磨粒磨損的機理是剎車盤表面的硬質(zhì)相首先與配對副材料接觸，構(gòu)成第一摩擦面，起著承受磨損骨架的作用；基體與石墨構(gòu)成第二摩擦面，當軟基體被磨損后儲存潤滑油起潤滑作用。所以剎車片和剎車盤之間的摩擦實際多為凸點狀接觸摩擦，提高了材料的耐磨性。由此可見，硬質(zhì)相的性質(zhì)決定著剎車盤的磨損性能1。1.3 剎車盤的組織要求作為剎車盤材料，首先就要克服上一節(jié)所說的熱疲勞失效和磨損失效問題。另外，隨著生活水平的提高，還要求剎車盤具有噪音小、抗抖動性好的特點。與其他傳統(tǒng)材料相比，灰鑄鐵具有更好的導(dǎo)熱性、耐磨性和抗抖動性，另外，灰鑄鐵的價格也比較便宜。因此，長期以來灰鑄鐵一直是剎

15、車盤的首選材料。以前，剎車盤材料以普通灰鑄鐵 HT150 和 HT200 為主。這類剎車盤的優(yōu)點是沒有剎車抖動，也不會產(chǎn)生刺耳的制動異響。但是，由于這類剎車盤的材質(zhì)軟，強度低，在使用過程中容易產(chǎn)生疲勞裂紋和磨損，使用壽命較短，已滿足不了新形勢下的市場需求。 材料的性能與成分、組織之間有密切的聯(lián)系。為了解決剎車盤熱疲勞失效的問題，剎車盤材料首先應(yīng)具有高的熱導(dǎo)率，因為采用高導(dǎo)熱率材料可以顯著降低制動初期剎車盤表面與內(nèi)部的溫差。石墨具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，所以可以采用高碳當量灰鑄鐵來生產(chǎn)剎車盤。因為高的碳當量可在灰鑄鐵的顯微組織中形成大量的石墨，使其具備較好的熱傳導(dǎo)性和減震性。但高碳當量灰鑄鐵難以獲得高的

16、強度，其力學(xué)性能指標較低（b200MPa），容易使微小裂紋擴展，抗熱疲勞能力差。因此，有必要在提高碳當量的同時，改善灰鑄鐵的性能，提高其強度，從而充分發(fā)揮灰鑄鐵的特長。每年都有大量的剎車盤、剎車片因磨損過量而報廢。對于剎車盤來說，提高耐磨性是必須的。在上一節(jié)剎車盤失效分析中，我們分析出硬質(zhì)相的性質(zhì)決定著剎車盤的磨損性能，因此在高碳當量灰鑄鐵中加入一定量的強碳化物形成元素，可以提高剎車盤的耐磨性。這主要是因為強碳化物元素可以通過沉淀強化的方式析出硬質(zhì)顆粒相。強碳化物形成元素的含量也不是越多越好，如果強碳化物形成元素加入量過多，容易富集形成大的塊狀，在摩擦過程中，容易脫落，且對基體有犁削作用，使剎

17、車盤產(chǎn)生溝槽，加速磨損。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀隨著市場的發(fā)展，對剎車盤性能的要求也越來越高。為了提高剎車盤的強度和耐熱性，避免使用過程中的“熱裂”，需要在灰鑄鐵中加入一些合金元素如: Ni、Cu、Mo、Cr 等。世界各國所采用灰鑄鐵剎車盤材料各不相同，英、美等國主要用高 C 低合金(V、Mo)鑄鐵，前蘇聯(lián)采用 Cr、Ni、Mo 合金鑄鐵，德國則采用 Cu、Cr、Sn 合金鑄鐵2。蠕墨鑄鐵具有良好的抗熱疲勞能力，因此國內(nèi)外在80年代中后期對其在制動器上的應(yīng)用展開了研究。為了提高鑄鐵的熱傳導(dǎo)特性，也有關(guān)于高導(dǎo)熱鑄鐵的研究。隨著陶瓷材料和碳纖維材料的發(fā)展，目前已有商用的陶瓷剎車盤。由于

18、其價格較高，陶瓷剎車盤主要應(yīng)用在超級跑車上。陶瓷剎車盤并非就是普通陶瓷，而是在1700高溫下碳纖維與碳化硅合成的增強型復(fù)合陶瓷。陶瓷盤的重量只有普通鑄鐵盤的一半不到。更輕的剎車盤就意味著懸掛下重量的減輕，這令懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。另外，普通的剎車盤容易在全力制動下因高熱產(chǎn)生熱衰退，而陶瓷剎車盤能有效而穩(wěn)定的抵抗熱衰退，其耐熱效果比普通剎車盤高出許多倍。還有，陶瓷剎車盤在制動最初階段就立刻能產(chǎn)生最大的剎車力，因此甚至無需增加剎車輔助系統(tǒng)，而整體制動比傳統(tǒng)剎車系統(tǒng)更快、制動距離更短。為了抵抗高熱，在制動活塞與剎車襯塊之間有陶瓷來隔熱，陶瓷剎車盤有非凡的耐用性，如果正常

19、使用是終生免更換的，而普通的鑄鐵剎車盤一般用上幾年就要更換。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀由于我國汽車工業(yè)起步晚，整體實力不強，所以在過去很長的一段時間里沒有重視作為汽車零部件的剎車盤，剎車盤材料停留在HT150和HT200上。近十年來，隨我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，改善汽車制動性能，提高汽車的市場競爭力，成了迫在眉睫的問題。許多汽車制造公司在原來灰鑄鐵剎車盤材料的基礎(chǔ)上，通過提高碳當量、添加合金元素和強化孕育等措施來開發(fā)高碳當量高強度灰鑄鐵剎車盤材料，以改善汽車剎車盤的性能。如江淮卡車原先存在制動鼓亮斑、黑斑、網(wǎng)狀裂紋以及制動異響等現(xiàn)象。后來調(diào)整材料化學(xué)成分，在普通灰鑄鐵HT200的基礎(chǔ)上，調(diào)整C、Si量，并加

20、入適量的Cr、Cu、Sn，采用強化孕育的措施，有效地提高了制動鼓的強度和抗熱疲勞性能，使制動鼓的使用壽命由原來的不足 3萬公里提高到6萬公里以上,而其成本增加不足5%,經(jīng)濟效益十分明顯3。2 改善高碳當量灰鑄鐵性能的途徑灰鑄鐵的金相組織由金屬基體和片狀石墨所組成。主要的金屬基體形式有珠光體、鐵素體和珠光體加鐵素體三種。石墨片以不同的數(shù)量、大小、形狀分布于基體中。此外，還有少量非金屬夾雜物，如硫化物、磷化物等4。石墨片的形態(tài)、尺寸和基體中珠光體、鐵素體比例等因素決定了灰鑄鐵的性能。高強度灰鑄鐵組織應(yīng)為：有一定數(shù)量的奧氏體枝晶為骨架，有足夠的共晶團數(shù)目，石墨呈A 型，中等尺寸的片狀石墨，片間距較小

21、的百分之百珠光體5。經(jīng)過國內(nèi)外鑄造工作者多年來的研究，對于如何改善灰鑄鐵性能總結(jié)出以下幾個方面的措施：(1)調(diào)整鐵液化學(xué)成分，主要是調(diào)整Si/C 和M n、S的含量，促進石墨化和細化石墨；（2）加入合金元素，強化灰鑄鐵；(2)優(yōu)化熔煉工藝，提高鐵水的冶金質(zhì)量；(3)孕育處理，細化晶粒。近年來，由于鐵水質(zhì)量的提高，孕育劑的廣泛應(yīng)用，使灰鑄鐵的性能有了明顯的改善。2.1 調(diào)整鐵液化學(xué)成分合適的化學(xué)成分是保證高碳當灰鑄鐵材料具有優(yōu)異的性能跟理想組織的前提條件。在本次研究中，為了滿足剎車盤高導(dǎo)熱率和優(yōu)良的抗熱疲勞性能，在普通灰鑄鐵HT200的基礎(chǔ)上，對其成分做一個調(diào)整。在保持高C含量的前提下，相應(yīng)地調(diào)

22、整Si、Mn、S含量，使其既利于A型石墨的產(chǎn)生又利于珠光體基體組織的形成。2.1.1 碳和碳當量CE的選擇C在灰鑄鐵中常以片狀石墨的形式存在，石墨片的強度和硬度極低，相對于鐵來說可以視為零，且片狀石墨對灰鑄鐵的基體有嚴重的割裂作用，因此，灰鑄鐵中的C含量越高，其強度和硬度越低。在高強度灰鑄鐵的發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)做法是降低碳當量, 提高Mn的含量, 從而提高灰鑄鐵中珠光體的比例，最終提高灰鑄鐵強度6。這是因為碳當量越低，在凝固過程中，共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量越多，奧氏體骨架得到強化。但是, 降低碳當量來提高灰鑄鐵強度的方法不僅不利于加工制造，也不利于提高材料的導(dǎo)熱性。當前，隨著發(fā)動機缸體

23、和剎車盤對灰鑄鐵材料要求的不斷提高，高強度灰鑄鐵向著高碳當量的方向發(fā)展。根據(jù)剎車盤的特點和性能要求，經(jīng)查相關(guān)資料，以C=3.33.5、CE=3.94.2為宜。2.1.2 硅和SiC值的選擇Si在灰鑄鐵中是強烈的促進石墨化元素。因為隨著含Si量的增加，共晶點和共析點左移，導(dǎo)致初生奧氏體、共晶產(chǎn)物和共析產(chǎn)物中含碳量減少。另外，Si促進共晶溫度和共析溫度的提高，有利于石墨的析出，所以Si促進所有階段的石墨化過程。雖然Si促進石墨化過程對灰鑄鐵的強度不利，但Si能促進初生奧氏體枝晶的生長，且最終固溶到鐵素體中，提高了基體的強度，所以Si的作用是雙重的。圖2.14為不同Si/C對灰鑄鐵強度的影響。從圖中

24、可以看出，當Si/C不斷提高時，強度先上升后下降。這是因為，Si是一個促進石墨化元素，其石墨化作用所析出的游離石墨片破壞了灰鑄鐵的連續(xù)性，嚴重損害了抗拉強度。另一方面，Si又可以對灰鑄鐵基體組織中的鐵素鐵起到固溶強化作用，相應(yīng)的提高鑄鐵的抗拉強度。這說明，Si提高強度有一個臨界值，在稍低于這個臨界值之下時，會增加珠光體數(shù)量，進而提高鑄鐵強度。當 Si/C提高到一定程度，Si 含量增加到這個臨界值以上時，由于高Si/C值和高CE的雙重影響使石墨粗大和珠光體量下降，強度降低。Si/C不斷提高，共析轉(zhuǎn)變溫度也在提高，使珠光體在較高溫度下形成，片層間距增大；又因為高Si使C在奧氏體中的溶解度急劇下降，

25、使奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變量增多。因此，Si/C提高可以產(chǎn)生兩種相反的影響7。在高碳當量(3.9%4.2%)下，Si/C值控制在0.650.75范圍內(nèi)時，強度值較佳。1-CE=3.63.8 2-CE=3.84.0 3-CE=4.04.2圖2.1 Si/C對b的影響Si/C值對硬度的影響如圖2.28所示。從圖中可以看出，當CE在3.6%3.8%范圍內(nèi)時，硬度值隨Si/C增大而呈上升趨勢，提高幅度不大；當CE在3.8%4.0%范圍內(nèi)時，硬度值基本不變；當CE在4.0%4.2%范圍內(nèi)時，硬度值隨Si/C的增大而呈下降趨勢，下降幅度比較大。因此，由圖2.2及分析可知，高碳灰鑄鐵不適合通過提高Si/C值來獲

26、得高的硬度。從硬度的角度出發(fā)，Si/C值應(yīng)盡量選低一點。綜合考慮，以Si=2.12.3為宜。1-CE=3.63.8 2-CE=3.84.0 3-CE=4.04.2圖 2.2 Si/C值對硬度的影響2.1.3 硫的選擇過去，人們一直以為S是有害元素。但研究發(fā)現(xiàn)，S對灰鑄鐵的凝固呈現(xiàn)雙重作用9，一方面，S與Mn、Sr、Ba等元素形成硫化物，為共晶石墨的成核提供基底，增加共晶團數(shù)量；另一方面，S作為表面活性元素，富集在結(jié)晶前沿，會抑制共晶團的生長，增加結(jié)晶過冷度，白口傾向增大。S可溶于液態(tài)鑄鐵中，但不溶于凝固的奧氏體和共晶團中，所以適當?shù)腟富集于共晶團的邊界而干涉原子的擴散，從而限制共晶團的生長，使

27、石墨分枝減少，導(dǎo)致生成厚而短的片狀石墨。當S0.03時，由于缺少石墨結(jié)晶核心，孕育劑的孕育效果削弱，容易導(dǎo)致共晶團粗大，并產(chǎn)生D型和B型石墨。當0.04S0.10時，灰鑄鐵的孕育效果最為明顯，硫化物形成石墨結(jié)晶的核心，有助于A型石墨的產(chǎn)生，也有助于改善灰鑄鐵的切削性能。當灰鑄鐵中的S0.10%時，大量的S富集于共晶團的邊界而干涉原子的擴散，使結(jié)晶的過冷度增大，有利于過冷石墨的生長，又形成D型石墨10。所以，以S=0.040.10為宜。2.1.4 錳的選擇Mn在灰鑄鐵中是促進珠光體和穩(wěn)定滲碳體元素。Mn能降低共晶溫度和共析溫度，因此，提高鐵水中的含Mn量可有效地降低共晶轉(zhuǎn)變溫度，有利于增加奧氏體

28、枝晶的數(shù)量，從而促進珠光體的形成。另外，奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變在較低溫度下進行，使珠光體片間距減小，促進珠光體片細化。Mn是強碳化物形成和穩(wěn)定碳化物元素，Mn置換了 Fe3C 中的Fe，形成（Fe，Mn）3C，構(gòu)成更強更硬的珠光體。Mn能無限固溶于奧氏體，強化基體，改善灰鑄鐵的性能。一般來說，灰鑄鐵中都含有S，Mn和S之間有比較大的親和力，可發(fā)生如下反應(yīng)：Mn+S=MnSMn+FeS=MnS+FeMnS的熔點在1610左右，高于灰鑄鐵的熔煉溫度，所以在鐵液中多呈固體質(zhì)點存在。MnS質(zhì)點可作為石墨非自發(fā)形核的核心，促使鑄鐵石墨化。隨著Mn量的增加，與Mn結(jié)合的S就增多，使鐵液中的自由S含量降低，抑

29、制了硫的有利作用，石墨長度增加，端部鈍化效果變差，導(dǎo)致鑄鐵性能下降。另外，形成的大量MnS夾雜物，一部分形成石墨核心，另一部分則會發(fā)生聚集，形成局部密集的MnS排列，消弱了基體的強度11。因此，Mn不是越多越好，S也不是越少越好，它們在灰鑄鐵中相互制約相互影響，存在一個合理的Mn/S值。當S0.2時，可以用Mn=1.7S+0.3來考慮Mn含量12。2.1.5 磷的選擇P在灰鑄鐵基體中的固溶度很低。在凝固過程中，在最后凝固的晶界處往往出現(xiàn)二元磷共晶（-FeFe3P）或三元磷共晶（-FeFe3CFe3P）。磷共晶硬度較高（600800HV），以斷續(xù)網(wǎng)狀分布在金屬基體中。在剎車過程中，摩擦熱可以熔化

30、低熔點磷共晶，并均勻地涂掛于摩擦面上，可明顯的提高灰鑄鐵的耐磨性。但磷共晶嚴重割裂基體，且在大量摩擦熱的作用下熔化，使剎車盤易產(chǎn)生裂紋，故要嚴格控制灰鑄鐵中的P含量，一般要求P含量在0.05%以下4。2.2 微合金化通常，當碳當量CE3.9%時，不加入適量的合金元素，難以穩(wěn)定珠光體組織，而且還可能會出現(xiàn)粗大石墨，使灰鑄鐵的強度和硬度達不到要求。因此，實際生產(chǎn)中必須加入適當?shù)暮辖鹪亍：辖鹪氐淖饔脵C理主要表現(xiàn)在：（1）細化石墨和共晶團；（2）增加基體組織中珠光體的含量，并細化珠光體；（3）提高滲碳體的熱穩(wěn)定性能，防止基體組織中的珠光體在高溫下分解；（4）生成碳化物或含有合金元素的硬化相。圖2.

31、313為灰鑄鐵抗拉強度與合金元素之間的關(guān)系。圖2.3 合金元素對灰鑄鐵抗拉強度的影響2.2.1 鉬Mo是提高灰鑄鐵強度最有效的合金元素之一。它是較溫和的反石墨化元素，對石墨有阻礙作用，可以細化珠光體，亦能細化石墨，從而改善石墨片，改善灰鑄鐵的性能。同時，Mo具有較溫和的碳化物形成作用，且形成的復(fù)合碳化物極為穩(wěn)定，尤其在高溫狀態(tài)下。所以，Mo一直是灰鑄鐵剎車盤的首選合金元素。當Mo0.6時，它穩(wěn)定碳化物的作用比較溫和，主要作用在于細化珠光體，亦能細化石墨。用Mo合金化時，P量一定要低，否則形成P-Mo四元共晶，增加脆性4。通常Mo的加入量為0.2O.6。隨著世界范圍內(nèi)鉬鐵合金價格的不斷上漲，加入

32、Mo合金元素后，生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)品在市場中的競爭力就會下降。所以，現(xiàn)代廠家都盡量使用其他替代元素，減少Mo的使用。本次試驗也就不加Mo元素。2.2.2 鉻Cr是強烈的反石墨化元素，具有促進珠光體形成，并細化珠光體的作用。所以，鑄件中加入一定量的Cr可以提高灰鑄鐵的強度。這是因為Cr促使C在奧氏體中的溶解度增加，阻礙了鐵素體的生長，使基體組織中鐵素體含量下降，從而促進珠光體形成并細化珠光體。但是，Cr和C具有很強的親和力，能夠形成一種強碳化合物（特別是在鑄件的邊緣部分），增加機加工的難度。Cr的加入肯定會促使鑄件白口傾向的增加，而且當鐵液中的Cr含量達到一定程度后（超過0.8時），基體組織中的游

33、離碳化物就會迅速增加，導(dǎo)致灰鑄鐵鑄件的強度大大下降14。此外，Cr的加入也會導(dǎo)致灰鑄鐵的共晶凝固溫度降低，擴大鐵液的凝固溫度范圍，大大增加了灰鑄鐵鑄件的縮松、縮孔傾向，從而導(dǎo)致灰鑄鐵鑄件的致密性大大下降。由于Cr的價格相對較低，并能明顯提高灰鑄鐵的強度，所以，Cr成為灰鑄鐵常用的合金元素15。為了避免其負面影響，鐵液中應(yīng)該加入合適含量的Cr，以0.20.3為宜。2.2.3 銅為了抵消Cr增大白口的不利影響，在添加Cr的同時，往往組合添加一定量的Cu。而且，有研究顯示，Cu和Cr復(fù)合加入時的強度優(yōu)于其單獨加入。Cu是較溫和的促進石墨化元素，它能細化石墨并使石墨均勻分布，有效抵消Cr元素增大白口的

34、傾向。Cu也是一種穩(wěn)定珠光體的合金元素，因此，Cu的加入可以增加和穩(wěn)定基體中珠光體組織，改善灰鑄鐵的機械性能。另外，Cu的加入可有效的提高灰鑄鐵的耐磨性和耐蝕性，也可提高鐵水的流動性，顯著改善鑄造性能3。但Cu含量也不是越多越好，大量的Cu和Cr、Sn在一起，會使基體中產(chǎn)生大量的索氏體，影響鑄件的加工性。因此，Cu含量以0.40.7為宜。2.2.4 錫Sn是灰鑄鐵件中的微量元素之一。當Sn0.1%時，能增加珠光體含量，其作用10倍于Cu。這是因為，Sn是很好的穩(wěn)定珠光體元素，在共晶凝固過程中，Sn富集在與石墨片相鄰的奧氏體中；共析轉(zhuǎn)變時，阻礙奧氏體中的碳向石墨片擴散，從而使珠光體數(shù)量增加。Sn

35、在金屬基體中的溶解度很有限，加入量不可過多，否則會使鑄鐵脆化，沖擊韌性下降，同時增加鑄件成本。Sn減少鐵素體和增加珠光體的作用很強，在灰鑄鐵中的主要作用是消除鐵素體，用量一般為0.04%0.10%16?？紤]到灰鑄鐵中促進珠光體的元素比較多，Sn的價格也比較貴，Sn添加量以0.03為宜。2.3 優(yōu)化熔煉工藝鑄件的組織以及是否產(chǎn)生缺陷都與鐵液的質(zhì)量有很大關(guān)系，優(yōu)質(zhì)的鐵液是獲得高強度灰鑄鐵的必要條件。應(yīng)從爐料質(zhì)量、熔煉工藝和鐵液處理技術(shù)等方面提高鐵液質(zhì)量。在爐料質(zhì)量方面，忌用生鐵，宜采用合成鑄鐵工藝。生鐵中組織、微量元素和缺陷都存在遺傳性，特別是生鐵中粗大的過共晶石墨。由于石墨的熔點在2000以上，

36、在重熔過程中石墨不能完全熔化，在結(jié)晶中變成了石墨結(jié)晶的核心，使石墨變得粗大，降低了灰鑄鐵的強度。合成鑄鐵工藝是指在生產(chǎn)高強度灰鑄鐵時，爐料中的廢鋼用量在50%以上，其余為回爐料、鐵屑，并在電爐中加入增碳劑進行增碳的工藝。這種工藝生產(chǎn)出的鑄鐵稱為鋼性鑄鐵，又叫做合成鑄鐵。具有成本低，力學(xué)性能、工藝性能和使用性能優(yōu)越等特點17。在熔煉工藝方面，宜采用沖天爐-電爐雙爐熔煉。近些年，對鐵水質(zhì)量要求顯著提高，沖天爐作為初級熔煉設(shè)備與感應(yīng)電爐組成雙聯(lián)熔化系統(tǒng)，取得了較好的效益。沖天爐具有升溫快、出渣方便、能耗低的優(yōu)點，但元素易燒損，成分波動大，鐵水質(zhì)量不易控制；感應(yīng)電爐具有升溫、保溫、純凈鐵水的能力。二者

37、互補，即沖天爐向感應(yīng)電爐提供鐵水，感應(yīng)電爐對鐵水進行升溫、調(diào)質(zhì)，從而熔煉高質(zhì)量鐵水。用感應(yīng)電爐對沖天爐鐵水進行升溫，不僅可以使粗大的石墨變得細化，同時由于感應(yīng)電爐強大的電磁攪拌力還可以使鐵液中各種細小的固態(tài)雜質(zhì)得以熔解或成渣除去，這樣就減少了所謂爐料遺傳性的危害，使鐵液更加凈化，給隨后的孕育處理帶來方便18。雙爐熔煉可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時降低生產(chǎn)成本。在鐵液處理技術(shù)方面，應(yīng)從提高出鐵溫度、減少鐵液雜質(zhì)方面著手。因為高的出鐵溫度有利于析出和細化石墨，提高鐵液的流動性，以獲得健全的鑄件，并使鑄件的力學(xué)性能得到改善，基體組織更加細密。國外出鐵溫度一般在1550 以上，而

38、國內(nèi)一般在1480 左右。鐵液中不可避免的有一些氣體、夾渣等雜質(zhì)，為了提高鐵液的質(zhì)量，減少因氣孔、夾渣缺陷而產(chǎn)生的廢品，可以在澆注系統(tǒng)中設(shè)置陶瓷過濾器。有研究顯示19：鐵液經(jīng)過陶瓷過濾器后，鑄件的夾渣、氣孔的廢品率下降了70%左右，并簡化了澆注系統(tǒng)，工藝出品率提高了10%，成本下降了6%。2.4 孕育處理孕育處理是在澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種方法20。優(yōu)質(zhì)的鐵水配以合適的孕育劑進行有效的孕育是獲得高性能鑄鐵的有效方法。這是因為采用廢鋼和回爐料作為主要爐料，沖天爐-電爐雙爐熔煉后，鐵液的純凈度較高，能夠作為內(nèi)在晶核的數(shù)量急劇降低，在這種情況

39、下用強石墨化能力的孕育劑進行孕育處理，就能有效地發(fā)揮孕育作用。孕育分為常規(guī)孕育和稀土孕育。為了降低成本，我們采用常規(guī)的75Si-Fe孕育。具體做法為：在出鐵槽上加入0.4的75Si-Fe進行隨流孕育。在澆包中加入0.275Si-Fe進行瞬時孕育。在孕育前后分別澆注三角試塊,以控制孕育效果和組織21。3 試驗研究的內(nèi)容及方法3.1 成分設(shè)計及原材料選擇為了改善灰鑄鐵的性能，微合金化已經(jīng)成為鑄造行業(yè)的共識。但在選擇基礎(chǔ)元素時，Mn、S元素的含量依然較低。而Mn能夠促進和細化細化珠光體，并固溶于基體中，提高灰鑄鐵的強度和耐磨性，S能改變石墨形態(tài)。一種想法是，在已有的研究基礎(chǔ)上，適當?shù)靥岣進n、S含量

40、，研究Mn、S對碳當量介于4.104.20灰鑄鐵組織和性能的影響。為此，設(shè)計三種成分的灰鑄鐵，其成分范圍為：3.33.5C、 2.12.3Si、1.11.8Mn、0.060.1S、P0.05、0.20.3Cr、 0.40.6Cu、0.03Sn。選擇原材料進行配料時，要在保證鐵液質(zhì)量的前提下，盡量結(jié)合我國原料特點，就地取材，充分利用來源廣泛和價格合理的材料。對于整車企業(yè)來說，具有大量的優(yōu)質(zhì)碳素鋼廢邊角料。這些廢料具有成分單一、雜質(zhì)少、晶粒細小等優(yōu)點，可作為高碳當量灰鑄鐵的原材料。另外，為了調(diào)整鐵液成分，高碳當量灰鑄鐵爐料還包括回爐料、硅鐵、錳鐵、硫化亞鐵、低碳鉻鐵、電解銅、純錫和增碳劑等。3.2

41、 試樣制備按照3.1設(shè)計的成分范圍進行配爐料，其中廢鋼占70，回爐料占30。熔煉過程在實驗室進行，采用30公斤級酸性中頻感應(yīng)電爐熔煉，熱電偶測溫。爐料按以下方式加入：首先在爐底加入回爐料、廢鋼、硅鐵；爐料熔化后加入錳鐵和低碳鉻鐵；當鐵液溫度達到1400時加入增碳劑、硫化亞鐵進行增碳、增硫；合金元素Cu以電解銅的方式在出爐前加入，合金元素Sn以純錫的方式置于澆包內(nèi)。當鐵水達到1480后，保溫一段時間出爐。孕育劑為75Si-Fe，以5mm左右的顆粒狀在加入到澆包內(nèi)鐵液的表面，并適當攪拌進行包內(nèi)孕育。隨后將處理后的鐵液澆注到粘土砂鑄型中，每種成分澆注3個試樣。試樣的尺寸為30mm×200m

42、m。3.3 機械性能測試 抗拉強度測試抗拉強度是高碳當量灰鑄鐵力學(xué)性能的主要測定指標之一。根據(jù)GB/T228-2002，將30mm的試樣加工成標準拉伸試樣，如圖3.1所示。在液壓式萬能拉伸試驗機上進行抗拉強度的測定，拉伸速度為1mm/min，負載為100 kN。測量每組三根試棒拉斷時的拉力后，通過計算得到該組實驗的抗拉強度，最后取三組抗拉強度的平均值?？估瓘姸扔嬎愎饺缦拢?F/S式中：抗拉強度(MPa)；F最大拉力(N)；S試樣拉斷前的橫截面(mm2)。圖3.1 拉伸試樣試樣。單位：mm 3.3.2 硬度測試硬度是金屬材料力學(xué)性能中最常用的性能指標之一，也是抗磨損的重要指標。太軟，容易磨損；

43、太硬，容易產(chǎn)生制動異響。用鋼鋸在拉伸試樣的一端鋸下一部分（約 23cm）作為硬度試樣。然后用砂輪、砂紙磨平端面。根據(jù)試驗方法和適應(yīng)范圍的不同，硬度單位可分為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。其中，布氏硬度用于較軟材料，洛氏硬度用于較硬材料，維氏硬度用于測量表面硬度或高硬材料。由于灰鑄鐵的硬度不高，故硬度試驗采用布氏硬度。硬度試驗在HB-3000型布氏硬度試驗機上進行。壓頭為5的鋼球，保壓時間為15S，載荷為750Kg。試驗時試樣應(yīng)平穩(wěn)放置，試樣表面與砧座平行。每個試樣測6個點，取平均值。布氏硬度的測量原理是：對一定直徑D(mm)的硬質(zhì)合金或鋼球為壓頭，施加試驗力F(N)壓入試樣表面，如圖3.2a

44、，經(jīng)規(guī)定保持時間t(s)后，卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕，如圖3.2b。測量試樣表面壓痕的直徑d(mm)，求得壓痕球形面積A (mm2)。布氏硬度值(HB)就是實驗力F除以壓痕球形表面積A所得的商，F(xiàn)以N為單位時，其計算公示為圖3.2 布氏硬度實驗原理圖可依據(jù)實測的壓痕直徑d查表，或按上面公式計算得布氏硬度值。通常布氏硬度不標出單位。3.4 金相組織的觀察用鋼鋸在拉伸試樣的斷口附近鋸下一段，約23cm，作為金相試驗試樣。試樣鋸下來后，首先在砂輪機上打掉毛刺、棱角，并磨平試樣端面。打磨時采用砂輪的側(cè)面打磨，這樣比較安全，也比較好控制力度。試樣端面磨平后，依次用W40、W20、W10、W5的金相

45、砂紙進行磨光。磨光時要注意，在第一張砂紙上試樣始終朝一個方向磨，換下一道砂紙的時候?qū)⒃嚇有D(zhuǎn)90°，同時只朝一個方向磨，直到將上一道砂紙上磨出的磨痕磨光為止。另外，磨光時必須做到平推、提起、拉回、再向前平推三個基本動作，防止來回磨造成金相面不平。 金相磨光后，金相面上仍有呈一個方向的細磨痕，這些磨痕需要在拋光機上拋掉。拋光時，先用三氧化二鉻拋光粉拋光。拋光過程中，在拋光布上倒少量的水，防止試樣升溫。待金相面的劃痕都拋掉以后，加大量清水拋光，清潔金相面上的污垢。拋光操作時，對試樣所施加的壓力要均衡，且應(yīng)先重后輕。在拋光初期，試樣上的磨痕方向應(yīng)與拋光盤轉(zhuǎn)動的方向垂直，以利較快的拋除磨痕。

46、在拋光后期，需將試樣緩緩轉(zhuǎn)動，這樣有利于獲得光亮平整的磨面，同時能防止夾雜物及硬性的相產(chǎn)生曳尾現(xiàn)象。拋光后，用MR2000型金相顯微鏡觀察試樣的石墨形態(tài)，并用拍照軟件在100倍下拍攝金相照片。然后用3的硝酸酒精對試樣的金相面進行腐蝕。腐蝕好后，用拍照軟件分別在100倍和400倍下拍攝金相照片。4 試驗結(jié)果與分析4.1 成分測定結(jié)果由于原材料的成分有一定的波動性以及熔煉過程有一定的元素燒損，需要對三組試樣的成分進行測定。其中，C和S元素含量采用遠紅外線碳硫儀測定，Mn、Si及其它元素采用光電直讀儀測定，測定結(jié)果如表4.1所示。表4.1 試樣的化學(xué)成分（wt.）編號CSiMnSPCrCuSnCE1

47、#3.42.181.130.0630.0480.240.490.0314.142#3.42.211.340.0910.0500.240.490.0294.153#3.412.311.800.0890.0470.240.490.0304.19注：CE=C+1/3(Si+P) 4.2 機械性能測試結(jié)果與分析抗拉強度是評價灰鑄鐵力學(xué)性能的主要指標，灰鑄鐵的等級基本上是按抗拉強度大小來劃分的。對剎車盤來說，抗拉強度影響著剎車盤的抗熱疲勞裂紋能力。硬度表示金屬材料在一個小的體積范圈內(nèi)抵抗彈、塑性變形的能力。在一定條件下，硬度可表示灰鑄鐵強度大小、耐磨性高低以及切削性能的好壞。1#、2#、3#試樣的抗拉強

48、度、布氏硬度的測量結(jié)果如表4.2所示。表4.2 不同的Mn、S含量對機械性能的影響編號布氏硬度(HB)抗拉強度(MPa)1#2132162#2082463#224260注：表4.2中硬度值為試樣6個點硬度的平均值，抗拉強度為3根試樣抗拉強度的平均值由表4.2可知，2#試樣的硬度略低于1#，為208HB；3#試樣的硬度最高，達到224HB?？傮w上看，硬度值變化不大，說明在一定范圍內(nèi)調(diào)整灰鑄鐵的Mn、S含量對灰鑄鐵的硬度影響不大。與1#試樣相比，2#試樣主要提高了S含量。S的增加可使共晶過冷度大大減小，從而減慢了晶體的生長速度。而層片間距與晶體生長速率 R 之間存在2R=常數(shù)的關(guān)系。層片間距對灰鑄

49、鐵性能的影響非常大，S含量提高使層片間距粗化，鑄鐵件的硬度相應(yīng)下降。所以，2#試樣的硬度略低于1#。3#試樣在2#試樣的基礎(chǔ)上提高了Mn含量。由于Mn能形成強碳化物，穩(wěn)定滲碳體，并最后固溶于基體中，所以3#試樣的硬度比2#高。在抗拉強度方面，1#試樣的抗拉強度最低，為216MPa；2#試樣的抗拉強度與1#試樣相比有較大幅度的提高，為246MPa；3#試樣的抗拉強度最高，達到260MPa?？傮w上看，抗拉強度值變化很大，說明在一定范圍內(nèi)調(diào)整灰鑄鐵的Mn、S含量對灰鑄鐵的抗拉強度影響很大。2#試樣的抗拉強度比1#高很多的原因是，在S含量較低的情況下，提高S含量，會使鐵液中的MnS質(zhì)點增多，改善孕育，

50、減輕石墨片對基體的割裂作用，從而使灰鑄鐵的抗拉強度提高。3#試樣的抗拉強度相對于2#有進一步的提高，這得益于Mn含量的提高。因為Mn是反石墨化元素，Mn含量的提高，使石墨片細化，減輕了石墨片對基體的割裂作用。另外，Mn含量的提高有助于增加和細化珠光體， Mn也能固溶到基體中，強化基體，提高基體的強度。所以3#試樣的抗拉強度很高。對于剎車盤材料來說，它的力學(xué)性能要求是：材料的抗拉強度在220MPa以上，硬度在180HB220HB之間。三種實驗材料中，除了1#材料因抗拉強度低達不到要求外，2#、3#材料都能滿足要求。雖然3#材料的硬度略偏高，但其抗拉強度高，對提高抗熱疲勞性能有利。4.3 高碳當量

51、灰鑄鐵組織分析4.3.1 石墨的分析石墨是灰鑄鐵組織中的重要組成部分。石墨的作用具有二重性。一方面，石墨片割裂基體，使材料的力學(xué)性能降低；另一方面，石墨片能賦予灰鑄鐵若干優(yōu)良性能，比如導(dǎo)熱性、減震性、減磨性等。石墨本身沒有強度，但是它的形狀、大小、數(shù)量及分布對鑄鐵的性能有重要影響。1#、2#、3#試樣基體中的石墨形態(tài)如圖4.1所示，放大倍數(shù)為100倍。 1# 2# 3#圖4.1 不同的Mn、S含量對石墨形態(tài)的影響從圖4.1中可以看出，3組試樣的石墨片都呈A型。其中，1#試樣的石墨片很長；2#試樣的石墨片長度中等，比較均勻；3#試樣的石墨片很短，而且比較細?？傮w上看，石墨片的長度變化較大，說明在

52、一定范圍內(nèi)調(diào)整灰鑄鐵的Mn、S含量對灰鑄鐵的石墨片的長度影響很大。石墨片的長度與灰鑄鐵的抗拉強度有密切聯(lián)系，正是由于石墨片的不斷變短變細，才造成了1#、2#、3#試樣的抗拉強度不斷升高。對于1#試樣來說，由于S含量較少，S與Mn結(jié)合形成MnS質(zhì)點也少，缺少石墨結(jié)晶核心，孕育效果削弱，容易導(dǎo)致共晶團粗大，從而形成很長的石墨片。2#試樣適當?shù)靥岣吡薙含量，從而增加了MnS質(zhì)點的含量，改善了孕育效果，所以導(dǎo)致石墨縮短，大大減輕了石墨片對基體的割裂作用。對于3#試樣，由于Mn的進一步提高，抑制了石墨的析出，所以3#試樣的石墨片看起來比較細，也比較短。對于剎車盤來說，為了滿足高導(dǎo)熱率的要求，灰鑄鐵中的石

53、墨片必須為A型。一般來說，石墨片越長，導(dǎo)熱性能越好，但這樣也增加了石墨片對基體的割裂作用。綜合考慮，石墨片長度以35級為宜。三種實驗材料中，2#材料的石墨形態(tài)滿足要求。1#材料石墨片太長，割裂基體，不符合要求。3#材料的石墨片太細、太短，不利于導(dǎo)熱， 也不符合要求。4.3.2 基體組織的分析灰鑄鐵的基體組織有三種，分別為：珠光體、鐵素體和珠光體加鐵素體。與鐵素體相比，珠光體具有更高的強度和硬度。另外，基體組織中還可能有碳化物或者其他硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相的形態(tài)、大小影響了剎車盤的耐磨損性能。因此有必要觀察灰鑄鐵的基體組織。1#、2#、3#試樣的基體組織形態(tài)如圖4.2所示，其中，(a)圖放大倍數(shù)為1

54、00倍，(b)圖放大倍數(shù)為400倍。 1#(a) 1#(b) 2#(a) 2#(b) 3#(a) 3#(b)4.2 不同的Mn、S含量對基體組織的影響由圖4.2可知，在低倍下觀察，3組試樣的基體組織都是由深色的珠光體和少量白亮區(qū)組成（見1#（a）、2#（a）、3#（a），但在低倍下難以識別白亮區(qū)是什么組織?；w組織的金相進一步放大后，大部分白亮區(qū)的組織呈層片狀以及小塊狀，所以這些該白亮區(qū)為珠光體和少量的碳化物。從圖4.2中的1#（b）、2#（b）和3#（b）可以看出，1#和2#試樣的碳化物很少，3#試樣的碳化物相對較多。綜上所述，3組試樣的基體組織都是珠光體+少量碳化物。總體上看，3組試樣白亮區(qū)的大小、數(shù)量和分布都差不多，說明在一定范圍內(nèi)