CN101418413A

CN101418413A - 铌合金铸铁制动盘材质及其生产工艺

Info

Publication number: CN101418413A
Application number: CNA2008102003259A
Authority: CN
Inventors: 周文彬; 征灯科; 翟启杰; 华勤
Original assignee: Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2028-09-24
Also published as: CN101418413B

Abstract

本发明涉及一种铌合金铸铁制动盘材质及其生产工艺，属高碳当量过共晶灰铸铁生产技术领域。该铌合金铸铁制动盘材质的化学成分及其质量百分比：3.7～3.9％的碳、1.8～2.2％的硅、0.5～0.8％的锰、≤0.08％的磷、≤0.10％的硫、≤0.60％的铜、≤0.20％的镍、≤0.05％的钒、≤0.05％的锡、≤0.05％的钛、≤0.25％的铬钼、0.08％～0.3％的铌，铁余量，采用中频炉将铁料进行熔炼。该材料的组织特征为珠光体+石墨(A3～5)+少量铁素体，其性能特征为：硬度HB≥150，抗拉强度≥170N/mm²。本发明适用于灰铸铁材质的中高档轿车用制动盘，性能稳定，成本低廉，使用寿命较长，加工方便。

Description

铌合金铸铁制动盘材质及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种铌合金铸铁制动盘材质及其生产工艺，属高碳当量过共晶灰铸铁生产技术领域。

背景技术

铌在铸铁中的应用属于一项新兴技术，至少与铌在钢中的应用相比是这样。在1981年召开的“铌—国际学术会议”中还未涉及到含铌铸铁这一主题。近年来，铌在各种铸铁中的应用已得到较大的发展，迄今为止，铌在铸铁中的一些最重要的应用主要包括两个方面，一是汽车工业，如气缸盖、活塞环及制动器等；二是冶金工业，如轧辊等高温耐磨材料。铌在灰口铸铁、白口铸铁及麻口铸铁中都已有应用，尤其在灰铸铁、冷硬铸铁、球铁等领域应用相对比较广泛。

制动盘(附图1)作为铌在铸铁中的应用对象，其广泛应用各种车辆的制动系统中，因其常常承受强烈的摩擦作用和热疲劳冲击，制动盘材料应当具有良好的耐磨损性能和吸热、散热性能。灰铸铁因具有良好的机械性能和耐热性能，成为制动盘的传统制造材料。随着汽车速度的提高、负载的增加和制动距离的限制，对制动盘提出了更高要求，传统灰铸铁很难满足要求。开发具有良好制动性能的制动盘成为各国专家的研究内容，这包括提高传统铸铁的性能和寻找新型制动盘材料(比如金属基复合材料、陶瓷复合材料和碳/碳复合材料等)。但是复杂的制备工艺、昂贵的制造成本和不稳定的使用性能制约了这些新型材料在制动盘中广泛应用，铸铁因具有良好减震性能、高传热性能、良好的磨损性能、稳定磨损系数、易于制造和成本低廉等特点，至今仍然是制动盘的主要使用材料。目前人们正通过优化化学成分、改进热处理工艺和添加合金元素的方法来提高铸铁的耐磨损性能，以拓宽其使用范围。众多研究表明，微量元素铌在铸铁中能够生成极高硬度的Nb(C、N)硬质相(约为2400HV)并能够提高其组织的高温稳定性，从而提高了铸铁的室温和高温机械性能，因此铌铸铁有望用来制造高品质的制动盘。

发明内容

本发明的目的是提供和开发一种优质的灰铸铁材质，并提供该材质的制备工艺。

本发明为一种铌合金铸铁制动盘材质，其特征在于该材质具有以下的化学成分及其质量百分比：该材质由3.7～3.9％的碳、1.8～2.2％的硅、0.5～0.8％的锰、≤0.09％的磷、≤0.10％的硫、≤0.60％的铜、≤0.20％的镍、≤0.05％的钒、≤0.05％的锡、≤0.05％的钛、≤0.25％的铬钼、0.08～0.3％的铌，以及铁余量构成。

该材料的组织特征为珠光体+石墨(A3～5)+少量铁素体，其性能特征为：硬度≥150，抗拉强度≥170N/mm²。

本发明的工艺过程和步骤如下：

(1)铸造工艺

采用铸造生铁、低碳废钢、同类回炉铁、锰、铜、铌等合金材料为原材料，按上述质量百分比配料，采用中频炉熔化，加料顺序及铸造工艺如下：部分炉料(回炉铁+废钢)→生铁→铁屑→增碳剂+碳化硅+锰、铜、铌等合金材料→其余炉料(回炉铁+废钢)→升温至1400℃取光谱试样→根据分析结果调整炉前成分→升温至1500℃出炉→孕育处理(孕育量为0.15～0.35％)→1400±20℃开始浇注(浇注时间不超过5分钟)

(2)成分检验工艺

为确保成分可靠，出炉前对铁水化学成分进行检验，检验工艺如下：

炉料全部熔化后，升温到1400℃取适量铁水浇注于光谱试样模中，光谱试样模型腔尺寸为φ45mm×4mm；

铁水在光谱试样模中激冷，得到全白口的分析试样，通过SPECTRO LAB直读光谱仪进行成分分析检验，根据分析结果进一步调整铁水化学成分。

本发明是在原合金铸铁中加入铌铁精矿得到改良后的灰铸铁材质。加入铌元素后，铸铁中的石墨趋于细化、分布均匀(附图2和3)、珠光体共晶团及片层间距都趋于细小(附图4～6)，同时，在珠光体基体中均匀析出Y型、V型、条棒型、块状富铌相质点(附图8)，其显微硬度达到2300～2500HV，并与基体牢固结合在一起，摩擦不易脱落。当铌含量较低<0.3％时，Y型、V型、条棒型为主，随着铌含量继续增加，块状富铌相的数量也在增多，当铌含量超过1％时，富铌相以较大的块状式存在，由于铌具有净化晶界的作用，使得共晶团相互间的结合力提高，此外铌的加入还使得材料的硬度、抗弯强度、楔压强度(附图7)都得到了提高。

附图说明

图1为制动盘的结构示意图

图2为合金铸铁的金相图：石墨较粗，分布不均匀

图3为铌合金铸铁的金相图：石墨细化，分布均匀

图4为铌对灰铸铁中珠光体共晶团大小及数量的影响

图5为灰铸铁中珠光体片层间距随着铌含量变化的金相图

图6为0.042％～1.48％Nb范围内珠光体片层细化曲线

图7为楔压强度检测示意图

图8为灰铸铁中常见块状、Y型、渗碳体型、V型、条棒型富铌相的存在形态

图9制动盘-磨擦环处的温度交变-裂纹

具体实施方式

现将本发明的具体实施叙述于后。

(1)铸造工艺

根据制动盘性能以及铸造工艺要求，实验用铸铁材料的基础成分(wt.％)如下：3.80～3.84％ C；2.03～2.08％ Si；0.71～0.74％ Mn；0.073～0.077％ S；0.08～0.09％P；Nb在0.042～1.48％之间递增；CE：4.51-4.56％。具体成分表1所示。采用球铁生铁、低碳废钢、同类回炉铁、锰、铜、铌等合金材料为原材料，实验用铌铁为65％的标准铌铁，经破碎后粒度为3～5mm。按成分配料后在1t中频感应炉中熔炼。加料顺序及铸造工艺如下：

部分炉料(回炉铁+废钢)→生铁→铁屑→增碳剂+碳化硅+锰、铜、铌等合金材料→其余炉料(回炉铁+废钢)→升温至1400℃取光谱试样→根据分析结果调整炉前成分→升温至1500℃出炉→孕育处理(孕育量为0.15～0.35％)→1420℃开始浇注(浇注时间不超过5分钟)，采用湿型砂模；实验共分10组成分进行，分别浇注制动盘铸件。

(2)成分检验工艺

通过JSM-6700F场发射高分辨扫描电子显微镜对金相组织做高倍观察。

表1实验用铸铁材料的化学成分(wt.％)

本发明具有以下优点：

1、石墨形态基本为片状，石墨大小随铌的加入而出现细化。同时，珠光体共晶团尺寸及片间距也得到细化，分别取铌含量为0.042％、0.29％、1.48％的三个样品做如下分析说明，如说明书附图所示：

表2铌对珠光体共晶团数量、尺寸及抗弯强度的影响

当铌含量为0.042％时，珠光体共晶团尺寸较为粗大，在Φ40毫米的视场内，共晶团数量约50个，或共晶团的平均直径为950μm左右，具有这样大小共晶团的灰口铸铁，其抗弯强度约390～440MPa；随着铌含量的提高，当铌含量达到0.29％时，其珠光体共晶团尺寸明显得到细化，在同样大小的视场内，共晶团数量约150个，共晶团平均直径为500μm左右，抗弯强度约为685MPa；继续提高铌含量至1％左右，珠光体共晶团的尺寸较为稳定；当铌含量提高到本次实验的最高值1.48％时，珠光体共晶团尺寸已变得相当细小，在Φ40毫米的视场内，其数量达到250个，共晶团的平均直径为300μm左右，抗弯强度可达700MPa以上，相对于低铌含量的灰铸铁，其晶粒得到了极大的细化，抗弯强度也得到了很大的提高。

2、珠光体基体中均匀析出Y型、V型、条棒型、块状富铌相质点，其显微硬度达到2300～2500HV，并与基体牢固结合在一起，摩擦不易脱落。铌元素在起着第二相强化的同时还提高了材料的耐磨性能，从而满足了制动盘材质的耐磨性能要求。

3、性能稳定。当铌加入量在0.042～1.48％范围时，该材质的灰铸铁的硬度达到144～166HB，抗拉强度达到169～191N/mm2。

铌加入量的多少不仅取决于该元素本身在灰铸铁材质中所表现出的特性，还要考虑到企业生产成本。不同的产品有着不同的质量要求，如本实验用材料ROVER制动盘的材质要求如下：1)基体组织：珠光体，铁素体<10％；2)石墨：A3-5，少量B和个别C，加工后外圆5mm内允许有极少量D.E；3)硬度：制动面(150-200)HB2.5/187.5，安装面(160-200)HB2.5/187.5，抗拉强度：150-250N/mm²。当铌的加入量为0.08～0.10％时，产品的各项质量指标均已达到要求。热裂纹试验(按照大众PV29954标准，评判参见附图9)：制动惯量J＝38kgm²，制动次数500，循环后无裂纹。

如此生产的Rover制动盘，微观组织中含有足够数量石墨，是过共晶铸铁具有足够热疲劳强度的基础，是高碳当量制动盘具备较好吸震性、热传导性、抗抖动性等性能的保证条件。Nb0.09％的微合金化，改善了过共晶铸铁的石墨形态，细化了共晶团，细化了珠光体片间距，确保了高碳当量制动盘的硬度、强度等力学性能。

4、原材料供应充足，价格稳定，成本低廉。巴西铌公司(CBMM)是全球最大的铌产品供应商，按目前世界消费水平，铌资源可供全球使用500年。一般生产中钼铁的加入量是铌铁加入量的4倍左右，而目前钼铁的市场价格较铌铁贵，采用铌元素改善灰铸铁材质，其成本还不到使用钼铁或钒铁的一半，考虑到国内资源及现有采矿分捡技术水平，铌元素具有广泛的应用推广价值。

Claims

1、一种铌合金铸铁制动盘材质，其特征在于该材质具有以下的化学成分及其质量百分比：3.7～3.9％的碳、1.8～2.2％的硅、0.5～0.8％的锰、≤0.09％的磷、≤0.10％的硫、≤0.60％的铜、≤0.20％的镍、≤0.05％的钒、≤0.05％的锡、≤0.05％的钛、≤0.25％的铬钼、0.08～0.3％的铌，铁余量；该材料的组织特征为珠光体+石墨(A3～5)+少量铁素体，其性能特征为：硬度HB≥150，抗拉强度≥170N/mm²。

2、一种铌合金铸铁制动盘材质的生产工艺，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

(1)铸造工艺

采用铸造生铁、低碳废钢、同类回炉铁、锰、铜、铌等合金材料为原材料，按质量百分比为：3.7～3.9％的碳、1.8～2.2％的硅、0.5～0.8％的锰、≤0.09％的磷、≤0.10％的硫、≤0.60％的铜、≤0.20％的镍、≤0.05％的钒、≤0.05％的锡、≤0.05％的钛、≤0.25％的铬钼、0.08～0.3％的铌，铁余量进行配料，采用中频炉熔化，加料顺序及铸造工艺如下：

部分炉料(回炉铁+废钢)→生铁→铁屑→增碳剂+碳化硅+锰、铜、铌等合金材料→其余炉料(回炉铁+废钢)→升温至1400℃取光谱试样→根据分析结果调整炉前成分→升温至1500℃出炉→孕育处理(孕育量为0.15～0.35％)→1400±20℃开始浇注(浇注时间不超过5分钟)；

(2)成分检验工艺

A、炉料全部熔化后，升温到1400℃取适量铁水浇注于光谱试样模中，光谱试样模型腔尺寸为φ45mm×4mm；

B、铁水在光谱试样模中激冷，得到全白口的分析试样，通过SPECTROLAB直读光谱仪进行成分分析检验，根据分析结果进一步调整铁水化学成分。