鉬銻合金化球墨鑄鐵在重型卡車剎車盤中的應用

謝慶智，夏凌濤，盛龍海

（萊州華汽機械有限公司，山東萊州　261400）

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鉬銻合金化球墨鑄鐵在重型卡車剎車盤中的應用

謝慶智，夏凌濤，盛龍海

（萊州華汽機械有限公司，山東萊州261400）

鉬的質量分數為0.5%～0.6%，銻的質量分數為0.01%～0.02%的球墨鑄鐵做為重型卡車剎車盤的材質，較普通灰鑄鐵、高碳合金化灰鑄鐵、普通球墨鑄鐵，高溫強度和高溫下耐磨性得到提高，剎車盤的使用壽命大大延長，較好地適應了載重卡車高速、重載、頻繁剎車的使用狀況，在路試和臺架試驗中得到良好的使用效果。

剎車盤；球墨鑄鐵；鉬；銻

重型卡車剎車盤的鉬銻合金化球墨鑄鐵，是在普通球墨鑄鐵的基礎上，復合添加鉬（Mo）和銻（Sb）兩種元素，提高材料在冷熱循環(huán)使用條件下的熱疲勞性能和耐磨性能，延長重型卡車剎車盤的使用壽命。這種含有鉬銻合金的球墨鑄鐵，鉬的質量分數為0.5%～0.6%，銻的質量分數為0.01%～0.02%，其他成分質量分數：碳（C）3.6%～3.8%，硅（Si）2.0% ～2.5%，錳（Mn）＜0.4%，硫（S）＜0.02%，磷（P）＜0. 04%，鎂（Mg）0.03%～0.06%，稀土（RE）0.02%～0. 05%.抗拉強度＞580 N/mm2，斷后伸長率＞3%，硬度HBS170～230.基體組織中珠光體質量分數40% ～70%.相對于含銅、鉻、鉬合金的灰鑄鐵同類產品，具有強度高、碳化物含量低、韌性好、熱應力小的優(yōu)點。相對于普通球墨鑄鐵或復合其他種類合金的球墨鑄鐵同類產品，熱疲勞強度得到提高。

1　技術背景

汽車剎車盤是汽車盤式制動器的主要零部件，它與剎車襯片作為一對摩擦副，依靠摩擦襯片對剎車盤的夾緊和摩擦，使汽車減速或停車。剎車盤要承受摩擦襯片對它的軸向夾緊力和二者的摩擦力。汽車自重及載荷越大、速度越快，減速及制動時剎車盤的受力越大。汽車每次制動，行車動能都轉換為熱能，其中90%的熱量被剎車盤本體吸收。頻繁地制動剎車，與剎車襯片相互摩擦的剎車盤摩擦面處的溫度將持續(xù)升高。尤其汽車在高原、山地等下坡路較長的地段超載行駛，剎車系統(tǒng)連續(xù)工作，剎車盤的表面溫度能夠達到400℃～600℃，顏色呈暗紅色的高溫狀態(tài)。鑄鐵材料具有熱脹冷縮的特性，剎車盤盤面溫度升高之處的材料具有自發(fā)向外膨脹的趨勢，但剎車盤零件是一個整體，這個膨脹的趨勢受到其他低溫部位的抑制，即其他部位阻礙它的向外膨脹，因此盤面處于高溫狀態(tài)時受到一個壓應力。盤面溫度越高，這種壓應力越大。當汽車行車停止或平路和上坡行車時，剎車頻率下降，剎車盤的盤面溫度下降，該處的材料又產生自發(fā)收縮的趨勢，這個收縮的趨勢同樣受到其他部位的抑制，盤面處又受到一個拉應力。到達常溫，隨著降溫而產生的拉應力最終不能與材料高溫時受到的壓應力相抵消，最終在剎車盤中形成殘余拉應力。伴隨著汽車的行駛過程，剎車盤的盤面溫度處于由低到高，再由高到低的循環(huán)變化中，剎車盤中的殘余拉應力也就不斷積累增大。剎車盤在行車過程中長期處于高溫狀態(tài)，還引起材料組織中晶界上的碳化物和珠光體中的碳化物分解，使材料的體積膨脹，在盤體中產生相變應力。拉應力、相變應力和剎車盤受到的軸向夾緊而產生的扭力共同作用，使盤面上與摩擦襯片相互作用的部位不斷產生沿徑向彎曲且不連續(xù)的細小的疲勞裂紋。這些微小的裂紋在盤面上均勻分布，并隨著行車里程的增加呈擴展變長的趨勢。一旦這些合成力超過材料的強度極限，必然導致剎車盤從盤面強度最薄弱的地方斷裂。

無論是輕型車還是重型車的剎車盤發(fā)生斷裂失效都是由于材料熱疲勞造成的。重型卡車載重量大、連續(xù)行車距離長、相對行車路況差、剎車盤連續(xù)工作時間長的行車特點，使它使用盤式制動器剎車盤更易發(fā)生斷裂失效，不僅剎車盤使用壽命短，而且影響行車安全，制約了盤式制動器在重型卡車上的推廣。目前全世界范圍內，重型卡車剎車盤都采用較高的碳含量和以銅、鉻、鉬、等合金化元素低合金化的高碳灰鑄鐵為材料。高碳灰鑄鐵具有高的導熱率、低的線膨脹系數和彈性模量。高的導熱率利于減小剎車盤工作時盤面與其他低溫部分的溫差，加速熱量向風道傳遞，降低盤面溫度，避免局部過熱。低的線膨脹系數和彈性模量，能夠減小材料因溫度變化而產生的脹縮量，由此減小剎車盤中的殘余拉應力。銅、鉻、鉬、等合金化元素促進珠光體的形成，提高高碳材料的抗拉強度，提高剎車盤的耐磨性能。但灰鑄鐵屬于脆性材料，其中的石墨呈片狀對基體產生割裂作用，所以其抗拉強度低。片狀石墨的尖端或邊緣易產生應力集中，引起脆性解理或界面斷裂，成為裂紋的根源。灰鑄鐵的這種物理特性決定了即使這種高碳低合金化的材質難以滿足重型卡車剎車盤的使用要求。球墨鑄鐵石墨呈球形，減小了應力集中對基體的割裂作用，基體強度的利用率可達70%～90%，所以其常溫和高溫的力學性能都明顯優(yōu)于灰鑄鐵，疲勞強度也大大優(yōu)于灰鑄鐵。但由于球墨鑄鐵的導熱性能比灰鑄鐵差，線膨脹系數和彈性模量比灰鑄鐵高，所以高溫下抗蠕變能力差，變形傾向大，在有約束力的情況下，將導致較大的內應力，促使裂紋的產生和擴展，因此由球墨鑄鐵制造的重型卡車剎車盤在冷熱循環(huán)的使用條件下，尤其在急冷急熱的情況下，其使用壽命與灰鑄鐵材料相比，優(yōu)勢不明顯。

2　鉬銻合金在球墨鑄鐵中的作用

用于重型卡車剎車盤的含鉬銻合金的球墨鑄鐵，是在普通球墨鑄鐵的基礎上，添加鉬和銻兩種元素，提高材料在冷熱循環(huán)使用條件下的熱疲勞性能和耐磨性能，延長重型卡車剎車盤的使用壽命。這種球墨鑄鐵的化學成分質量分數為：碳3.6% ～3.8%，硅2.0%～2.5%，錳0.3%-0.5%，硫＜0.02%，磷＜0.04%，鎂0.03%～0.06%，稀土0.02%～0.05%，鉬0.5%～0.6%，銻0.01%～0.02%.抗拉強度＞580N/mm2，斷后伸長率＞3%，硬度HBS170-230.基體組織中珠光體含量40%～70%.

鉬（Mo）元素在鑄鐵中能夠促進碳化物和珠光體形成，一部分溶解在鐵素體和滲碳體中，另一部分以碳化物的形式出現。鉬溶解在鐵素體中，可以強化鐵素體，從而提高鐵素體和珠光體的顯微硬度。鉬與碳有較強的親和力，碳化物主要是MoC、 Mo2C、以及溶于滲碳體所形成的（Fe，Mo）3C.這些碳化物與鉻、錳等促進球墨鑄鐵中碳化物和珠光體形成的元素所形成的碳化物相比，它們是在高于鑄鐵凝固溫度之上形成，熔點高、熱穩(wěn)定性好，不易分解，所以高溫下使用含鉬球墨鑄鐵剎車盤的相變應力相對最小。球墨鑄鐵中鉬的質量分數小于0.3%時，鉬有輕微促進鐵素體的作用。當含鉬量逐漸增高時，鉬則促進珠光體的形成。當鉬的質量分數為0.8%～1.0%時，會形成貝氏體和馬氏體的混合組織，對力學性能不利。所以作為重卡剎車盤的球墨鑄鐵鉬的質量分數確定為0.5%～0.8%.鉬在球墨鑄鐵中促進珠光體的形成能力相對于鉻和錳較弱，但它能細化珠光體，也能細化石墨球，所以它提高球墨鑄鐵的抗拉強度和熱疲勞強度的作用比鉻和錳強。對于鑄鐵而言，在提高抗熱疲勞強度及抗蠕變和抗裂紋生長等方面，鉬都是最有效的合金元素。

銻（Sb）強烈促進珠光體，它在鑄鐵中以銻化鐵（FeSb）和二銻化鐵（FeSb2）的形態(tài)存在于鐵素體-滲碳體相界面上，二銻化鐵的熔點為1 001℃，在共析轉變溫度范圍（奧氏體、鐵素體、石墨共存溫度）不能分解，阻止鐵素體從奧氏體中析出，促使珠光體轉變，并具有明顯穩(wěn)定珠光體的作用。銻元素在凝固時被吸附在石墨與金屬相界面上，如同隔離膜形成障礙層，對碳原子過晶界向石墨擴散產生阻礙作用，因而使石墨變小，基體組織向Fe-Fe3C轉變，使體素體數量減少，珠光體數量增加。銻與鉻、錳、鉬等促進珠光體形成的元素相比，它不形成碳化物，高溫下不存在因碳化物分解產生的相變應力，因此含銻球墨鑄鐵不僅常溫下機械性能好，而且一定的高溫下熱強度和耐磨性也比普通球墨鑄鐵高。

球墨鑄鐵中復合加入鉬、銻兩種元素，較普通球墨鑄鐵基體組織和球形石墨得到細化，機械性能和熱疲勞強度得到強化。鉬元素促進珠光體形成的能力相對溫和，而銻元素促進珠光體形成能力強，且銻元素不形成碳化物，所以兩種元素共同作用不僅可穩(wěn)定球墨鑄鐵中珠光體的含量，提高球墨鑄鐵的機械強度和耐熱性能，而且使球墨鑄鐵在保證高強度和高硬度的同時，仍保持良好的韌性和切削加工性能。

3　臺架試驗模擬結果比較

鉬、銻兩種元素復合作用在球墨鑄鐵中，提高了球墨鑄鐵的熱疲勞性能和高溫強度，由這種材料制作的重型卡車剎車盤高溫強度和高溫下耐磨性得到提高，剎車盤的使用壽命大大延長。幾種不同材料的同類產品臺架模擬剎車試驗結果見表1.模擬試驗條件為：行車初速度85 km/h，制動扭矩2 200 N·m～2 300 N·m，制動壓力0.17 MPa.制動40 s，釋放50 s，為一個輪回，連續(xù)50個輪回為一個循環(huán)。試驗過程中，溫度傳感器時時檢測剎車摩擦面的溫度，當溫度達到400℃，在完成本輪制動后，冷卻風機進行抽風冷卻，風速12 m/s.溫度降至80℃，繼續(xù)下一輪制動。完成一個循環(huán)后，檢查剎車盤是否斷裂失效。如果沒有失效，繼續(xù)下一個循環(huán)的試驗。模擬試驗過程中，剎車盤的最高瞬時溫度達700℃.

表1　幾種不同材料的同類產品臺架模擬剎車試驗結果

4　結束語

重型卡車剎車盤鑄件的毛坯重量一般在40 kg左右，毛坯直徑400 mm左右，平均壁厚20 mm左右，采用砂型鑄造工藝。根據這一產品結構特點和造型工藝，鉬銻球墨鑄鐵中含鉬質量分數0.5%～0.6%，含銻質量分數0.01%～0.02%，即可滿足產品使用要求。鉬鐵作為鉬元素的添加材料由于其熔點高，所以熔煉設備以中頻電爐為宜。銻元素以金屬銻為添加材料，金屬銻的熔點為690℃，最好隨孕育劑加入鐵水中。鉬鐵的吸收率為80%～85%，金屬銻的吸收率為80%，產品鑄造過程中產生的澆冒口、廢品和機械加工所產生的鐵屑都可以作為回爐料重復使用。

［1］ 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊（第1卷）鑄鐵［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：345-354.

［2］ 盛龍海，楊彬，謝慶智，等.一種汽車剎車盤鑄件縮松的解決方法［J］.鑄造技術，2009，30（2）：148-150.

［3］ 陸文華，李隆盛，黃玉良.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996：39-74.

［4］ 陳子華，高性能剎車鼓的生產［J］.現代鑄鐵，2002（03）：48-50.

［5］ 梁義田，劉真，袁森.合金元素在鑄鐵中的應用［M］.西安：西安交通大學出版社，1992：77-103.

［6］ 韓國強，盛龍海，謝慶智.一種用于重型卡車剎車盤的球墨鑄鐵：中國，200910229533.6［P］.2010-5-12.

［7］ 司乃潮，張 亮，孫少純，等.高強度灰鑄鐵汽車發(fā)動機缸體鑄件的研制與應用［J］.鑄造，2005（05）：501-506.

［8］ 司乃潮，孫少純，付明喜，等.新型薄壁柴油機缸體鑄件的研制與應用［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2003（03）：6-9.

［9］ 張金山，衛(wèi)振亞，高慧，等.低合金蠕墨鑄鐵玻璃模具的組織與性能［J］.太原理工大學學報，2000（03）：330.

［10］ 曹瑜強，丁建生，焦斌.銻對鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵的影響［J］.鑄造技術，2003（07）：330.

［11］ 張 濤，王晶琦.鑄態(tài)機床工作臺球鐵鑄件內在質量控制［J］.一重技術，2002（08）：83-85.

［12］ 徐慧民.合金元素對鑄態(tài)球墨鑄鐵性能的影響［J］.熱加工工藝，2008（11）：47-49.

TG255

A

1674-6694（2016）03-0041-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.012

2016-03-29

謝慶智（1981-），男，山東萊州人，工程師，主要從事鑄造技術工作。

盛龍海（1968-），男，山東萊州人，山東鑄造協(xié)會理事，高級工程師。