钼锑合金化球墨铸铁在重型卡车刹车盘中的应用

2016-08-10谢庆智夏凌涛盛龙海

铸造设备与工艺 2016年3期

关键词：刹车盘珠光体碳化物

谢庆智，夏凌涛，盛龙海

（莱州华汽机械有限公司，山东莱州　261400）

·艺术铸造·

钼锑合金化球墨铸铁在重型卡车刹车盘中的应用

谢庆智，夏凌涛，盛龙海

（莱州华汽机械有限公司，山东莱州261400）

钼的质量分数为0.5%～0.6%，锑的质量分数为0.01%～0.02%的球墨铸铁做为重型卡车刹车盘的材质，较普通灰铸铁、高碳合金化灰铸铁、普通球墨铸铁，高温强度和高温下耐磨性得到提高，刹车盘的使用寿命大大延长，较好地适应了载重卡车高速、重载、频繁刹车的使用状况，在路试和台架试验中得到良好的使用效果。

刹车盘；球墨铸铁；钼；锑

重型卡车刹车盘的钼锑合金化球墨铸铁，是在普通球墨铸铁的基础上，复合添加钼（Mo）和锑（Sb）两种元素，提高材料在冷热循环使用条件下的热疲劳性能和耐磨性能，延长重型卡车刹车盘的使用寿命。这种含有钼锑合金的球墨铸铁，钼的质量分数为0.5%～0.6%，锑的质量分数为0.01%～0.02%，其他成分质量分数：碳（C）3.6%～3.8%，硅（Si）2.0% ～2.5%，锰（Mn）＜0.4%，硫（S）＜0.02%，磷（P）＜0. 04%，镁（Mg）0.03%～0.06%，稀土（RE）0.02%～0. 05%.抗拉强度＞580 N/mm2，断后伸长率＞3%，硬度HBS170～230.基体组织中珠光体质量分数40% ～70%.相对于含铜、铬、钼合金的灰铸铁同类产品，具有强度高、碳化物含量低、韧性好、热应力小的优点。相对于普通球墨铸铁或复合其他种类合金的球墨铸铁同类产品，热疲劳强度得到提高。

1　技术背景

汽车刹车盘是汽车盘式制动器的主要零部件，它与刹车衬片作为一对摩擦副，依靠摩擦衬片对刹车盘的夹紧和摩擦，使汽车减速或停车。刹车盘要承受摩擦衬片对它的轴向夹紧力和二者的摩擦力。汽车自重及载荷越大、速度越快，减速及制动时刹车盘的受力越大。汽车每次制动，行车动能都转换为热能，其中90%的热量被刹车盘本体吸收。频繁地制动刹车，与刹车衬片相互摩擦的刹车盘摩擦面处的温度将持续升高。尤其汽车在高原、山地等下坡路较长的地段超载行驶，刹车系统连续工作，刹车盘的表面温度能够达到400℃～600℃，颜色呈暗红色的高温状态。铸铁材料具有热胀冷缩的特性，刹车盘盘面温度升高之处的材料具有自发向外膨胀的趋势，但刹车盘零件是一个整体，这个膨胀的趋势受到其他低温部位的抑制，即其他部位阻碍它的向外膨胀，因此盘面处于高温状态时受到一个压应力。盘面温度越高，这种压应力越大。当汽车行车停止或平路和上坡行车时，刹车频率下降，刹车盘的盘面温度下降，该处的材料又产生自发收缩的趋势，这个收缩的趋势同样受到其他部位的抑制，盘面处又受到一个拉应力。到达常温，随着降温而产生的拉应力最终不能与材料高温时受到的压应力相抵消，最终在刹车盘中形成残余拉应力。伴随着汽车的行驶过程，刹车盘的盘面温度处于由低到高，再由高到低的循环变化中，刹车盘中的残余拉应力也就不断积累增大。刹车盘在行车过程中长期处于高温状态，还引起材料组织中晶界上的碳化物和珠光体中的碳化物分解，使材料的体积膨胀，在盘体中产生相变应力。拉应力、相变应力和刹车盘受到的轴向夹紧而产生的扭力共同作用，使盘面上与摩擦衬片相互作用的部位不断产生沿径向弯曲且不连续的细小的疲劳裂纹。这些微小的裂纹在盘面上均匀分布，并随着行车里程的增加呈扩展变长的趋势。一旦这些合成力超过材料的强度极限，必然导致刹车盘从盘面强度最薄弱的地方断裂。

无论是轻型车还是重型车的刹车盘发生断裂失效都是由于材料热疲劳造成的。重型卡车载重量大、连续行车距离长、相对行车路况差、刹车盘连续工作时间长的行车特点，使它使用盘式制动器刹车盘更易发生断裂失效，不仅刹车盘使用寿命短，而且影响行车安全，制约了盘式制动器在重型卡车上的推广。目前全世界范围内，重型卡车刹车盘都采用较高的碳含量和以铜、铬、钼、等合金化元素低合金化的高碳灰铸铁为材料。高碳灰铸铁具有高的导热率、低的线膨胀系数和弹性模量。高的导热率利于减小刹车盘工作时盘面与其他低温部分的温差，加速热量向风道传递，降低盘面温度，避免局部过热。低的线膨胀系数和弹性模量，能够减小材料因温度变化而产生的胀缩量，由此减小刹车盘中的残余拉应力。铜、铬、钼、等合金化元素促进珠光体的形成，提高高碳材料的抗拉强度，提高刹车盘的耐磨性能。但灰铸铁属于脆性材料，其中的石墨呈片状对基体产生割裂作用，所以其抗拉强度低。片状石墨的尖端或边缘易产生应力集中，引起脆性解理或界面断裂，成为裂纹的根源。灰铸铁的这种物理特性决定了即使这种高碳低合金化的材质难以满足重型卡车刹车盘的使用要求。球墨铸铁石墨呈球形，减小了应力集中对基体的割裂作用，基体强度的利用率可达70%～90%，所以其常温和高温的力学性能都明显优于灰铸铁，疲劳强度也大大优于灰铸铁。但由于球墨铸铁的导热性能比灰铸铁差，线膨胀系数和弹性模量比灰铸铁高，所以高温下抗蠕变能力差，变形倾向大，在有约束力的情况下，将导致较大的内应力，促使裂纹的产生和扩展，因此由球墨铸铁制造的重型卡车刹车盘在冷热循环的使用条件下，尤其在急冷急热的情况下，其使用寿命与灰铸铁材料相比，优势不明显。

2　钼锑合金在球墨铸铁中的作用

用于重型卡车刹车盘的含钼锑合金的球墨铸铁，是在普通球墨铸铁的基础上，添加钼和锑两种元素，提高材料在冷热循环使用条件下的热疲劳性能和耐磨性能，延长重型卡车刹车盘的使用寿命。这种球墨铸铁的化学成分质量分数为：碳3.6% ～3.8%，硅2.0%～2.5%，锰0.3%-0.5%，硫＜0.02%，磷＜0.04%，镁0.03%～0.06%，稀土0.02%～0.05%，钼0.5%～0.6%，锑0.01%～0.02%.抗拉强度＞580N/mm2，断后伸长率＞3%，硬度HBS170-230.基体组织中珠光体含量40%～70%.

钼（Mo）元素在铸铁中能够促进碳化物和珠光体形成，一部分溶解在铁素体和渗碳体中，另一部分以碳化物的形式出现。钼溶解在铁素体中，可以强化铁素体，从而提高铁素体和珠光体的显微硬度。钼与碳有较强的亲和力，碳化物主要是MoC、 Mo2C、以及溶于渗碳体所形成的（Fe，Mo）3C.这些碳化物与铬、锰等促进球墨铸铁中碳化物和珠光体形成的元素所形成的碳化物相比，它们是在高于铸铁凝固温度之上形成，熔点高、热稳定性好，不易分解，所以高温下使用含钼球墨铸铁刹车盘的相变应力相对最小。球墨铸铁中钼的质量分数小于0.3%时，钼有轻微促进铁素体的作用。当含钼量逐渐增高时，钼则促进珠光体的形成。当钼的质量分数为0.8%～1.0%时，会形成贝氏体和马氏体的混合组织，对力学性能不利。所以作为重卡刹车盘的球墨铸铁钼的质量分数确定为0.5%～0.8%.钼在球墨铸铁中促进珠光体的形成能力相对于铬和锰较弱，但它能细化珠光体，也能细化石墨球，所以它提高球墨铸铁的抗拉强度和热疲劳强度的作用比铬和锰强。对于铸铁而言，在提高抗热疲劳强度及抗蠕变和抗裂纹生长等方面，钼都是最有效的合金元素。

锑（Sb）强烈促进珠光体，它在铸铁中以锑化铁（FeSb）和二锑化铁（FeSb2）的形态存在于铁素体-渗碳体相界面上，二锑化铁的熔点为1 001℃，在共析转变温度范围（奥氏体、铁素体、石墨共存温度）不能分解，阻止铁素体从奥氏体中析出，促使珠光体转变，并具有明显稳定珠光体的作用。锑元素在凝固时被吸附在石墨与金属相界面上，如同隔离膜形成障碍层，对碳原子过晶界向石墨扩散产生阻碍作用，因而使石墨变小，基体组织向Fe-Fe3C转变，使体素体数量减少，珠光体数量增加。锑与铬、锰、钼等促进珠光体形成的元素相比，它不形成碳化物，高温下不存在因碳化物分解产生的相变应力，因此含锑球墨铸铁不仅常温下机械性能好，而且一定的高温下热强度和耐磨性也比普通球墨铸铁高。

球墨铸铁中复合加入钼、锑两种元素，较普通球墨铸铁基体组织和球形石墨得到细化，机械性能和热疲劳强度得到强化。钼元素促进珠光体形成的能力相对温和，而锑元素促进珠光体形成能力强，且锑元素不形成碳化物，所以两种元素共同作用不仅可稳定球墨铸铁中珠光体的含量，提高球墨铸铁的机械强度和耐热性能，而且使球墨铸铁在保证高强度和高硬度的同时，仍保持良好的韧性和切削加工性能。

3　台架试验模拟结果比较

钼、锑两种元素复合作用在球墨铸铁中，提高了球墨铸铁的热疲劳性能和高温强度，由这种材料制作的重型卡车刹车盘高温强度和高温下耐磨性得到提高，刹车盘的使用寿命大大延长。几种不同材料的同类产品台架模拟刹车试验结果见表1.模拟试验条件为：行车初速度85 km/h，制动扭矩2 200 N·m～2 300 N·m，制动压力0.17 MPa.制动40 s，释放50 s，为一个轮回，连续50个轮回为一个循环。试验过程中，温度传感器时时检测刹车摩擦面的温度，当温度达到400℃，在完成本轮制动后，冷却风机进行抽风冷却，风速12 m/s.温度降至80℃，继续下一轮制动。完成一个循环后，检查刹车盘是否断裂失效。如果没有失效，继续下一个循环的试验。模拟试验过程中，刹车盘的最高瞬时温度达700℃.

表1　几种不同材料的同类产品台架模拟刹车试验结果

4　结束语

重型卡车刹车盘铸件的毛坯重量一般在40 kg左右，毛坯直径400 mm左右，平均壁厚20 mm左右，采用砂型铸造工艺。根据这一产品结构特点和造型工艺，钼锑球墨铸铁中含钼质量分数0.5%～0.6%，含锑质量分数0.01%～0.02%，即可满足产品使用要求。钼铁作为钼元素的添加材料由于其熔点高，所以熔炼设备以中频电炉为宜。锑元素以金属锑为添加材料，金属锑的熔点为690℃，最好随孕育剂加入铁水中。钼铁的吸收率为80%～85%，金属锑的吸收率为80%，产品铸造过程中产生的浇冒口、废品和机械加工所产生的铁屑都可以作为回炉料重复使用。

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