CN103074540B - 一种用于刹车盘的铸铁及其制造的刹车盘的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于刹车盘的铸铁及其制造的刹车盘的热处理方法，铸铁是由重量百分比为2.8％～3.2％的碳，1.6％～2.0％的硅，0.4％～0.7％的锰，0.8％～1.2％铜，0.25～1.4％的铬，0.3～0.5％的钼，0.03～0.05％的硼，0.15％～0.25％的磷，≤0.12％的硫，余量为铁组成，由该铸铁制造的刹车盘经过氮化热处理后具有在高温干摩擦条件下的耐疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性，使刹车盘使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于用于刹车盘的铸铁技术领域，尤其是涉及一种用于刹车盘的铸铁及其制造的刹车盘的热处理方法。
背景技术
汽车刹车盘是汽车盘式制动器的主要零部件，目前，公知汽车刹车盘由铜、铬、钼、等合金化元素低合金化的高碳灰铸铁或球墨铸铁制造，如中国专利申请说明书200910229533.6（申请日为 2009.10.28）公开一种用于重型卡车刹车盘的球墨铸铁，是由重量百分比为0.5％～0.6％的钼，0.008％～0.02％的锑，3.6％～3.8％的碳，2.0％～2.5％硅，0～0.4％的锰，0～0.02％的硫，0～0.04％的磷，0.03％～0.06％的镁，0.02％～0.05％的稀土，余量为铁组成。高碳灰铸铁具有抗拉强度低的特点。球墨铸铁具有较高的抗拉强度，但其在高温干摩擦条件下耐磨性能不高，尤其在急冷急热的情况下，其耐热性与灰铸铁材料相比，优势不明显，并且在空气中易锈蚀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于刹车盘的铸铁及其制造的刹车盘的热处理方法，能显著提高刹车盘在高温干摩擦条件下的耐疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。
本发明的技术方案是：该铸铁是由重量百分比为2.8％～3.2％的碳，1.6％～2.0％的硅，0.4％～0.7％的锰，0.8％～1.2％铜，0.5％～1.4％的铬，0.3％～0.5％的钼，0.07％～0.1％的硼，0.15％～0.25％的磷，≤0.12％的硫，余量为铁组成。为了进一步实现本发明的目的，由该铸铁制造的刹车盘需经过以下氮化热处理步骤：
(1)将刹车盘表面清洗干净，
(2)将刹车盘置于氮化炉中后去除空气，
(3)向氮化炉中充入供氮介质对刹车盘进行氮化处理，
(4) 退除氮化炉中供氮介质，
(5)刹车盘随氮化炉自然冷却后出炉。
供氮介质可以采用尿素、氨气、甲酰胺或三乙醇胺。
本发明铸铁含有硼(B)、铜(Cu)和铬(Cr)等元素，并经过氮化热处
理提高材料在高温干摩擦条件下的耐疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性，刹车盘可以达到的机械性能：氮化表面硬度HRC=55～65， 本体抗拉强度δb≥245 N/mm2 。
对于刹车盘可以采用气体软氮化、液体软氮化、固体软氮化，采用气体氮化并且供氮介质是氨气时，氮化温度为500～570℃，氮化时间为4～70小时，氮化层厚度为0.1～0.5mm，氮化时间长则氮化层厚，氮化时间较长时，氮化层深度增加缓慢。
具体实施方式
实施例1，一种用于刹车盘的铸铁是由重量百分比为2.8％的碳，1.6％的硅，0.4％的锰，0.8％铜，0.5％的铬，0.3％的钼，0.07％的硼，0.1％的磷，≤0.12％的硫，余量铁的含量一般为93.62％，用该组分铸铁制造的刹车盘，经过精加工后，在氮化热处理前的本体硬度为HB=220～280，氮化热处理过程的步骤包括：将刹车盘表面清洗干净，将刹车盘置于氮化炉中后去除空气，向氮化炉中充入供氮介质对刹车盘进行氮化处理，退除氮化炉中供氮介质，刹车盘随氮化炉自然冷却后出炉。根据氮化炉的不同，供氮介质可以采用尿素、氨气、甲酰胺或三乙醇胺。氮化后刹车盘表面硬度为HRC=55～60。
实施例2，一种用于刹车盘的铸铁是由重量百分比为3.2％的碳，2.0％的硅，0.7％的锰，1.2％铜，1.4％的铬，0.5％的钼，0.1％的硼，0.25％的磷，≤0.12％的硫，余量铁的含量一般为90.75％。用该组分铸铁制造的刹车盘，经过精加工后，在氮化热处理前的本体硬度为HB=250～280，氮化热处理过程的步骤包括：将刹车盘表面清洗干净，将刹车盘置于氮化炉中后去除空气，向氮化炉中充入供氮介质对刹车盘进行氮化处理，退除氮化炉中供氮介质，刹车盘随氮化炉自然冷却后出炉。根据氮化炉的不同，供氮介质可以采用尿素、氨气、甲酰胺或三乙醇胺。氮化后刹车盘表面硬度为HRC=60～65。
实施例3，一种用于刹车盘的铸铁是由重量百分比为3％的碳，1.8％的硅，0.5％的锰，1％铜，1.2％的铬，0.4％的钼，0.08％的硼，0.2％的磷，≤0.12％的硫，余量铁的含量一般为91.92％。用该组分铸铁制造的刹车盘，经过精加工后，在氮化热处理前的本体硬度为HB=240～270，氮化热处理过程的步骤包括：将刹车盘表面清洗干净，将刹车盘置于氮化炉中后去除空气，向氮化炉中充入供氮介质对刹车盘进行氮化处理，退除氮化炉中供氮介质，刹车盘随氮化炉自然冷却后出炉。根据氮化炉的不同，供氮介质可以采用尿素、氨气、甲酰胺或三乙醇胺。氮化后刹车盘表面硬度为HRC=58～60。
本发明与已有技术相比具有以下显著特点和积极效果：本发明是在普通铸铁的基础上，复合添加硼(B)和钼(Mo)两种元素，提高材料在冷热循环干摩擦条件下的的耐疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性，刹车盘可以达到的机械性能：氮化表面硬度HRC=55～65， 本体抗拉强度δb≥245 N/mm2 ，金相组织：基本为细片中片状珠光体，铁素体≤5%。 钼(Mo)元素在铸铁中能够促进碳化物和珠光体形成，它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、Mo.,C、以及溶于渗碳体所形成的(Fe，Mo) 3C。这些碳化物与铬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铸铁刹车盘的相变应力相对最小。铸铁中含钼量小于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。当含钼量为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。所以本发明刹车盘的铸铁含钼量确定为0.3％～0.5％。钼在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，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。
硼(B)可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁。含硼渗碳体显微硬度在HV960-1280之间，随硼含量的增加，显微硬度增加。用硼铸铁制成的气缸套比高磷铸铁的使用寿命提高50-70%。含硼铸铁所以有较好的耐磨性,就是因为它有着和普通铸铁不同的特殊的金相组织.特别是硼的加入,在组织中出现了新的硬质相--含硼碳化物.这种含硼碳化物的结构如何,一般认为是Fe23(CB)6,Fe3(CB)也有人认为是Fe-Fe2B-Fe3(CB)的三元共晶组织,还有的人认为当含有一定量的钒、钨、钼等元素时，还有形成(FeX)3(CB)6和(FeX)23(CB)6等结构.含硼铸铁在全相组织上的明显特点是在珠光体基体上分布着断续网状的含硼碳化物和磷共晶的复合组织.其量约6-l2%.基体是细片状珠光体，石墨呈A型均匀分布。 含硼碳化物的显微硬度(HV1000以上)比磷共晶的(HV700-800)更高.这种含硼碳化物在铸铁中常以小块状或条状均匀分布于基体上,而基体是硬度比它低得很多的珠光体.经过初步磨损后,硬度较低的珠光体基体由于磨损而略微凹陷,而成为第二摩擦面.硬度很高的硼碳化物硬质相就突出在基体上形成第一摩擦面.基体上凹陷的部分储满着润滑油,再加上石墨的自润和储油作用,就形成了硼铸铁所特有的耐磨结构,极大地提高了它的耐磨性.硼铸铁的耐磨性是随着含硼碳化物的增加而提高,而含硼碳化物又随含硼量的增多而增加。
以下是几种不同材料制造的刹车盘和本发明材料制造的刹车盘经氮化热处理后在台架模拟试验后的对比。
高碳灰铸铁， C：3.7%，Si：1.78%, Mn：0.72%，P：0.09% , S：0.1% ，Cu：0.42%，Cr：0.32%，Mo：0.52%，余量为Fe；
钼锑球墨铸，C：3.7%，S：12.4%,，Mn：0.32%，P：0. 04% , S：0. 015% ，Mg：0. 037%,，Re：0. 03%，Mo：0.55%, Sb：0. 013%，余量为Fe；
本发明铸铁：C：3%，Si：1.8%，Mn：0.5%，Cu：1%，Cr：1.2%，Mo：0.4%，B：0.08%，P：0.2%，S≤0.1%，Fe：91.92%。
| 材质 | 循环次数 | 断裂特点 |
| 高碳灰铸铁 | 1.5 | 第1次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，第二次循环结束裂纹扩展，第3次循环到一半有一条裂纹扩 。 |
| 钼锑球墨铸 | 8 | 第3次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，随循环次数的增加，裂纹长度扩展缓慢，至第8次循环结束，仍未发现贯通裂纹出现。 |
| 本发明铸铁 | 15 | 第8次循环结束，刹车面有均布疲劳细纹，随循环次数的增加，裂纹长度扩展缓慢，至第15次循环结束，仍未发现贯通裂纹出现。 |
Claims (1)
1.一种铸铁制备的刹车盘的热处理方法，其特征在于，所述的铸铁是由重量百分比为2.8％～3.2％的碳，1.6％～2.0％的硅，0.4％～0.7％的锰，1.2％铜，0.25～0.5％的铬，0.3％的钼，0.03～0.05％的硼，0.15％～0.25％的磷，≤0.12％的硫，余量为铁组成；热处理方法包括以下步骤：
(1)将刹车盘表面清洗干净，
(2)将刹车盘置于氮化炉中后去除空气，
(3)向氮化炉中充入供氮介质对刹车盘进行氮化处理，所述供氮介质是氨气，氮化温度为500～570℃，氮化时间为4～70小时，氮化层厚度为0.1～0.5mm，
(4) 退除氮化炉中供氮介质，
(5)刹车盘随氮化炉自然冷却后出炉。
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