謝慶智，夏凌濤，盛龍海

（萊州華汽機(jī)械有限公司，山東萊州　261400）

·藝術(shù)鑄造·

鉬銻合金化球墨鑄鐵在重型卡車剎車盤中的應(yīng)用

謝慶智，夏凌濤，盛龍海

（萊州華汽機(jī)械有限公司，山東萊州261400）

鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.6%，銻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%的球墨鑄鐵做為重型卡車剎車盤的材質(zhì)，較普通灰鑄鐵、高碳合金化灰鑄鐵、普通球墨鑄鐵，高溫強(qiáng)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(yīng)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(yàn)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(chǔ)上，復(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.6%，銻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%，其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：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(qiáng)度＞580 N/mm2，斷后伸長率＞3%，硬度HBS170～230.基體組織中珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)40% ～70%.相對于含銅、鉻、鉬合金的灰鑄鐵同類產(chǎn)品，具有強(qiáng)度高、碳化物含量低、韌性好、熱應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。相對于普通球墨鑄鐵或復(fù)合其他種類合金的球墨鑄鐵同類產(chǎn)品，熱疲勞強(qiáng)度得到提高。

1　技術(shù)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(shí)剎車盤的受力越大。汽車每次制動，行車動能都轉(zhuǎn)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(dá)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(shí)受到一個壓應(yīng)力。盤面溫度越高，這種壓應(yīng)力越大。當(dāng)汽車行車停止或平路和上坡行車時(shí)，剎車頻率下降，剎車盤的盤面溫度下降，該處的材料又產(chǎn)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(yīng)力。到達(dá)常溫，隨著降溫而產(chǎn)生的拉應(yīng)力最終不能與材料高溫時(shí)受到的壓應(yīng)力相抵消，最終在剎車盤中形成殘余拉應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生相變應(yīng)力。拉應(yīng)力、相變應(yīng)力和剎車盤受到的軸向夾緊而產(chǎn)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(chǎn)生沿徑向彎曲且不連續(xù)的細(xì)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?yán)锍痰脑黾映蕯U(kuò)展變長的趨勢。一旦這些合成力超過材料的強(qiáng)度極限，必然導(dǎo)致剎車盤從盤面強(qiáng)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(shí)間長的行車特點(diǎn)，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(nèi)，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(dǎo)熱率、低的線膨脹系數(shù)和彈性模量。高的導(dǎo)熱率利于減小剎車盤工作時(shí)盤面與其他低溫部分的溫差，加速熱量向風(fēng)道傳遞，降低盤面溫度，避免局部過熱。低的線膨脹系數(shù)和彈性模量，能夠減小材料因溫度變化而產(chǎn)生的脹縮量，由此減小剎車盤中的殘余拉應(yīng)力。銅、鉻、鉬、等合金化元素促進(jìn)珠光體的形成，提高高碳材料的抗拉強(qiáng)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(chǎn)生割裂作用，所以其抗拉強(qiáng)度低。片狀石墨的尖端或邊緣易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起脆性解理或界面斷裂，成為裂紋的根源?；诣T鐵的這種物理特性決定了即使這種高碳低合金化的材質(zhì)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(yīng)力集中對基體的割裂作用，基體強(qiáng)度的利用率可達(dá)70%～90%，所以其常溫和高溫的力學(xué)性能都明顯優(yōu)于灰鑄鐵，疲勞強(qiáng)度也大大優(yōu)于灰鑄鐵。但由于球墨鑄鐵的導(dǎo)熱性能比灰鑄鐵差，線膨脹系數(shù)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(dǎo)致較大的內(nèi)應(yīng)力，促使裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)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(chǔ)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(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)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(jìn)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(xiàn)。鉬溶解在鐵素體中，可以強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(diǎn)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(yīng)力相對最小。球墨鑄鐵中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%時(shí)，鉬有輕微促進(jìn)鐵素體的作用。當(dāng)含鉬量逐漸增高時(shí)，鉬則促進(jìn)珠光體的形成。當(dāng)鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%時(shí)，會形成貝氏體和馬氏體的混合組織，對力學(xué)性能不利。所以作為重卡剎車盤的球墨鑄鐵鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.5%～0.8%.鉬在球墨鑄鐵中促進(jìn)珠光體的形成能力相對于鉻和錳較弱，但它能細(xì)化珠光體，也能細(xì)化石墨球，所以它提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度的作用比鉻和錳強(qiáng)。對于鑄鐵而言，在提高抗熱疲勞強(qiáng)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(qiáng)烈促進(jìn)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(diǎn)為1 001℃，在共析轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，并具有明顯穩(wěn)定珠光體的作用。銻元素在凝固時(shí)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(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，因而使石墨變小，基體組織向Fe-Fe3C轉(zhuǎn)變，使體素體數(shù)量減少，珠光體數(shù)量增加。銻與鉻、錳、鉬等促進(jìn)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(chǎn)生的相變應(yīng)力，因此含銻球墨鑄鐵不僅常溫下機(jī)械性能好，而且一定的高溫下熱強(qiáng)度和耐磨性也比普通球墨鑄鐵高。

球墨鑄鐵中復(fù)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(xì)化，機(jī)械性能和熱疲勞強(qiáng)度得到強(qiáng)化。鉬元素促進(jìn)珠光體形成的能力相對溫和，而銻元素促進(jìn)珠光體形成能力強(qiáng)，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(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能，而且使球墨鑄鐵在保證高強(qiáng)度和高硬度的同時(shí)，仍保持良好的韌性和切削加工性能。

3　臺架試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果比較

鉬、銻兩種元素復(fù)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(qiáng)度，由這種材料制作的重型卡車剎車盤高溫強(qiáng)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(chǎn)品臺架模擬剎車試驗(yàn)結(jié)果見表1.模擬試驗(yàn)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(yàn)過程中，溫度傳感器時(shí)時(shí)檢測剎車摩擦面的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到400℃，在完成本輪制動后，冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)冷卻，風(fēng)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(yàn)。模擬試驗(yàn)過程中，剎車盤的最高瞬時(shí)溫度達(dá)700℃.

表1　幾種不同材料的同類產(chǎn)品臺架模擬剎車試驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)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(jù)這一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和造型工藝，鉬銻球墨鑄鐵中含鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%～0.6%，含銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%～0.02%，即可滿足產(chǎn)品使用要求。鉬鐵作為鉬元素的添加材料由于其熔點(diǎn)高，所以熔煉設(shè)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(diǎn)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(chǎn)品鑄造過程中產(chǎn)生的澆冒口、廢品和機(jī)械加工所產(chǎn)生的鐵屑都可以作為回爐料重復(fù)使用。

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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(shù)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。