CN104937122A

CN104937122A - 铸铁及制动部件

Info

Publication number: CN104937122A
Application number: CN201480005709.9A
Authority: CN
Inventors: 张茂仁; 古屋公章; 渡边博之; 新川雅树
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-09-23
Also published as: JP5875538B2; US20150376747A1; WO2014119501A1; JP2014148717A

Abstract

本发明提供能够通过具有较高的比热而达成制动部件的轻量化等的铸铁及制动部件。本发明的铸铁以质量％计由以下成分构成，即，C：3.0～4.8％、Si：3.5～5.0％、Mn：0.5～2.0％、Sn和/或Sb即Sn：0.02～0.2％、Sb：0.01～0.2％、Cu：0.5％以下，余量为Fe及不可避免的杂质。

Description

铸铁及制动部件

技术领域

本发明涉及适合用于车辆等的制动装置的铸铁及制动部件，尤其涉及能够通过具备较高的比热而达成制动盘的轻量化的铸铁及制动部件。

背景技术

汽车、自动二轮车等制动装置具备与车轮一起旋转的制动盘和被按压到制动盘的制动垫。为了抑制由产生的摩擦热所致的功能降低而对制动盘要求较高的热导率。作为以低成本实现此种要求的材料，一直使用片状石墨铸铁、CV石墨铸铁、球状石墨铸铁。尤其对于片状石墨铸铁而言，由于石墨为热的良导体，因此通过增大石墨长度，能够提高热导率。

作为有关铸铁的现有技术文献，有以下的文献。专利文献1所记载的是关于耐腐蚀性铸铁的技术，在碳当量3.8～4.5％的范围内，以质量％计含有C：2.8～4％、Si：1.5～3.0％、Mn：0.3～1.2％、P：0.2％以下、S：0.06～0.25％、Cu：0.15～3.5％，并且余量由Fe及不可避免的杂质构成，通过改变Cu的含量来抑制生锈。

专利文献2所记载的是关于盘式制动用盘的技术，以质量％计含有C：2.8～3.8％、Si：1.8～3.4％、Mn：0.5～1.0％、S：0.02～0.1％、Cr：0.1～1.5％、Mo：0.1～1.0％、Ni：0.1～1.2％、Ce：0.01～0.05％、Cu：0.1～1.2％，余量由Fe及不可避的杂质构成，通过以Ce来实现高强度化，从而使耐热裂性提高。

专利文献3所记载的是一种制动部件，其是具有滑动部和轮毂安装部、并且由单一熔液制成的铸造制一体结构的制动部件，其以质量％计含有C：3.5～3.90％、Si：2.3～3.0％、Mn：0.7～1.1％、P：＜0.05％、S：0.08～0.012％、Cu：0.7～1.2％，余量由铁及不可避的杂质构成，CE值为4.3～4.7，拉伸强度为15～20kgf/mm²，衰减能为12～20×10^-3，并且按照使轮毂安装孔内面成为硬度HRB90～105的方式实施高频淬火。

专利文献4所记载的是高热导耐腐蚀铸铁，在碳当量：4～5％的范围内，以质量％计含有C：3～4.5％、Si：1.5～3.0％、Mn：0.5～1.5％、P：0.2％以下、S：0.06～0.25％、Cu：0.15～3.5％、Ca：0.02～0.1％、Al：0.02～0.1％，余量由铁及不可避免的杂质构成，通过使组织中生成针状石墨，从而使高热导性和耐腐蚀性提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公昭59-011653号公报

专利文献2：日本特开2002-105581号公报

专利文献3：日本特开平5-214480号公报

专利文献4：日本特开平7-3380号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，近年来，随着温室效应气体的排放的限制，对汽车等运输装置越发要求轻量化，尤其是由铸铁块制成的制动盘成为颇重的重量物，因此迫切要求其轻量化。

在此，利用制动盘和制动垫的制动伴有将动能转变为热能的作用，制动盘吸收热能，车辆停止后放出热能。因此，制动盘的热导率越高，越能迅速地放出热能。另外，制动盘的比热越高，蓄积热能的能力越高，越能抑制在吸收热能时的温度上升。因此，制动盘的比热越高，越能使制动盘小型化。

但是，现状是现阶段并没有着眼于提高比热的铸铁的开发。

另外，通常，为了确保强度、耐摩耗性，而使铸铁包含较多的Cu，由于Cu的材料成本高，因此需要减少Cu的量。

本发明是鉴于此种情况而完成的发明，其目的在于提供能够通过降低Cu含量而实现成本下降、并且能够通过具有较高的比热而达成制动部件的轻量化等的铸铁及制动部件。

用于解决课题的手段

本发明人等为了使铸铁及使用其的制动盘轻量化而反复进行研究，结果得出以下结论：若使用以下的组成的铸铁，则可以得到较高的比热(例如600J/kg/K以上)，并且还能充分得到温室效应气体的排放抑制效果。而且，为了得到此种比热而反复进行了深入研究。

铸铁包含铁素体、渗碳体、石墨及其他微量的夹杂物。本发明人等对其中重量分率较大的铁素体的高比热化进行研究，并且对固溶于铁素体并且具有提高比热的效果的各种元素进行了调查，结果判明：Si的效果最大，并且无需制作炭化物即可容易地固溶于铁素体中。

在铸铁中添加3.5％以上的Si时会显著体现Si的效果。在铸铁中Si主要富集在铁素体中，在铁素体中的重量分率达到4％以上。通常可以说在该浓度下以平衡状态析出Fe₃Si，但是基于利用X射线衍射的分析结果在通常的制造条件下几乎检测不出Fe₃Si。即，认为：不制作规则结构而不规则且过饱和地固溶的Si使铁素体的比热提高。

本发明的铸铁是基于上述见解而完成的，其特征在于，以质量％计含有C：3.0～4.8％、Si：3.5～5.0％、Mn：0.5～2.0％、Sn和/或Sb即Sn：0.02～0.2％、Sb：0.01～0.2％、Cu：0.5％以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

另外，本发明的铸铁可以进一步含有以质量％计为0.05～1.5％的Cr。

本发明的铸铁在200℃下的比热优选为600J/kg/K以上，在200℃下的热导率优选为44W/m/K以上。

本发明的铸铁在基体组织中的珠光体的面积率优选为90％以上。

本发明的制动部件由上述铸铁制造而成。

以下，对本发明的数值限定的根据和本发明的作用一并进行说明。需要说明的是，在以下的说明中，“％”是指“质量％”。

C：3.0～4.8％

C是用于使基体组织析出石墨所需的元素。石墨是热的良导体且提高铸铁的热导率，并且发挥迅速放出所吸收的热能的作用。在C的含量不足3.0％时，难以得到与现行材料的铸铁同等的热导率即44W/m/K。另一方面，若C的含量超过4.8％，则铸铁的熔点过高，难以熔解，并且因强度显著降低而难以进行添加。因此，C的含量为3.0～4.8％。

Si：3.5～5.0％

Si是提高铸铁的比热的元素。若Si的含量不足3.5％，则难以得到目标比热即600J/kg/K。另一方面，若Si的含量超过5％，则熔液的粘度变高，难以进行铸造。因此，Si的含量为3.5～5.0％。

Mn：0.5～2.0％

Mn从原料的废料混入而具有使基体组织强化的效果。在Mn的含量不足0.5％时，变得欠缺此种效果。另一方面，若Mn的含量超过2％，则基体组织的冷硬化变得显著，使切削性降低。因此，Mn的含量为0.5～2.0％。

P：0.2％以下

P虽然使熔液的流动性提高，但是使铸铁脆化，因此作为不可避免的杂质的P的含量理想的是0.2％以下。

S：0.25％以下

若S的含量超过0.25％，则MnS的生成量过多，白铁化倾向增大，切削性降低。因此，作为不可避免的杂质的S的含量理想的是0.25％以下。

Sn及Sb

在本发明中，为了提高比热而必须添加Si，Si具有促进铁素体化的作用。但是，若铁素体分率变大，则导致强度降低、耐摩耗性降低。为此，在本发明中，作为通过促进基体组织的珠光体化而提高强度的元素，含有选自Sn及Sb中的1种或2种。

在此，为了确保强度、耐摩耗性，而使铸铁包含Cu，但是Cu的材料成本高。为此，本发明人等发现了Sn及Sb作为与Cu同样能够促进基体组织的珠光体化的元素。Sn及Sb与Cu相比，相同质量的材料成本高，但是以比Cu少的含量即可得到同等的珠光体化效果，因此结果可以将Cu的含量降低至0.5％以下，能够实现成本下降。

Cu：0.5％以下

如上所述，通过含有Sn和/或Sb作为得到与Cu同等的效果的元素，即使Cu的含量为0.5％以下，也可以发挥珠光体化效果。

需要说明的是，若Sn和/或Sb的含量多于该规定范围内，则可以进一步降低Cu的含量，也可以根据情况而不含有Cu。需要说明的是，在铸铁的原材料中包含微量的Cu，实质上难以使Cu含量为0(zero)，不可避免地检测至0.01％的程度。因此，Cu的含量的下限为不可避免的量，例如作为下限，可列举0.01％。但是，未来在不含Cu也能制造铸铁的情况下，也可以使Cu的含量为0(zero)。

Sn：0.02％～0.2％

Sn是抑制铁素体的析出、促进强力的珠光体化的元素。通过使Sn富集于石墨与基体边界的狭小范围，从而抑制因由制动产生的摩擦热的重复循环所致的石墨的生长，防止热龟裂的进展。在Sn不足0.02％的情况下，珠光体化效果小。另一方面，若添加超过0.2％的Sn，则使韧性降低，并且使对热裂的韧性降低。因此Sn的含量为0.02％～0.2％。

Sb：0.01～0.20％

Sb是抑制铁素体的析出、使珠光体稳定的元素。在珠光体基体中，Sb有助于提高包含为了使石墨尺寸微细化而得的A型石墨的铸铁的硬度。在Sb不足0.01％时，对基体组织的改善、即珠光体稳定化的贡献小且不充分。若Sb的含量超过0.2％，则冲击值显著降低，容易形成D型石墨。Sb的含量为0.01％～0.20％。

Cr：0.05％～1.5％

如上所述，若使铸铁中含有Sn和/或Sb，则可以降低Cu的含量(或实质上使Cu的含量为0)，若含有Sn或Sb，则有时使炭化物不稳定，因此优选含有Cr。

Cr是使炭化物稳定、且使组织致密来提高强度的元素，理想的是含有0.05％以上的Cr。需要说明的是，Cr富集于渗碳体、并且使珠光体稳定化。即，Cr具有抑制生长现象、使因加热、冷却所致的体积的变化率变小的效果。另一方面，Cr形成难以固溶于铁素体的炭化物，因此对提高比热的贡献小。另外，若Cr的含量超过1.5％，则在基体组织中容易产生冷硬，使切削性降低，因此需要以1.5％作为上限。因此，Cr的含量为0.05％～1.5％。

Ni、Mo、V等合金元素会使铸铁的组织、性质提高，因此能够像以下那样含有少量的这些合金元素。

Ni：超过0％且为1.2％以下

Ni是促进石墨化的元素，其抑制冷硬化而使切削性良好。另外，具有提高基体组织的强度的作用。但是，Ni的价格非常昂贵，因此无法大量添加Ni。为了兼顾上述效果和成本，理想的是含有超过0％且为1.2％以下的Ni。Ni的含量的下限可以设定为例如0.01％。

Mo：超过0％且为1.0％以下

Mo是通过使炭化物稳定、使组织致密而提高强度的元素，为了得到此种效果，理想的是含有Mo。另一方面，Mo形成难以固溶于铁素体的炭化物，因此对提高比热的贡献小。因此，理想的是Mo的含量超过0％且为1.0％以下。Mo的含量的下限可以设为例如0.001％。

V：超过0％且为0.35％以下

V是通过使炭化物稳定、使组织致密而提高强度的元素，为了得到此种效果，理想的是含有V。另一方面，V形成难以固溶于铁素体的炭化物，因此对提高比热的贡献小。因此，理想的是V的含量超过0％且为0.35％以下。V的含量的下限可以设为例如0.01％。

如上所述，为了得到充分的轻量化效果(尤其在制动盘的情况)，需要使比热为600J/kg/K以上。在此，在重复进行加速和制动的汽车中，制动盘的平均温度为200℃左右，因此理想的是200℃下的比热为600J/kg/K以上。另外，在本发明的铸铁中，理想的是200℃下的热导率为44W/m/K以上。由此，使所吸收的热能的放出迅速地进行，抑制在制动盘上的热裂纹的产生。

本发明的铸铁还可以适用于片状石墨铸铁、CV石墨铸铁及球状石墨铸铁中的任意情况。但是，对于球状石墨铸铁而言，由于石墨为球状，因此拉伸强度高，热导率不充分。因此，优选热导率高的片状石墨铸铁、或取得了热导率与拉伸强度的平衡的CV石墨铸铁，只要允许更低的拉伸强度，则理想的是片状石墨铸铁。

另外，在本发明中，基体组织中的珠光体的面积率优选为90％以上，由此可以确保充分的强度。需要说明的是，从铸铁的剖面的金属组织照片，利用图像处理，(1)提取除石墨外的组织，(2)提取除石墨及铁素体的珠光体组织，通过(珠光体的面积)/(珠光体+铁素体的面积)，从而算出珠光体的面积率。

发明效果

本发明发现一直以来不被人所知的Si的比热提高效果，通过含有3.5～5.0％的Si，从而可以对铸铁(尤其由铸铁制造的制动部件)赋予较高的比热。由此，即使在相同重量下，热容量也会提高，因此可以抑制因摩擦热所致的滑动部的温度上升，因此，通过减轻热膨胀、减轻热裂纹、减轻热劣化等，使铸铁及使用其的部件的寿命提高。另外，能够将重量减少至同一热容量，因此能够达成制动部件的轻量化。进而，在由铸铁制造的制动部件的情况下，通过使作为对方材料的制动垫的温度降低，能够降低制动垫的热载荷，可以使制动垫的成分成为低廉的成分。

附图说明

图1是表示本发明的实施例中的Si添加量与比热的关系的图表的图。

图2是表示本发明的实施例中的C添加量与热导率的关系的图表的图。

图3是表示制动盘的制动时的时间与温度的关系的图表的图。

具体实施方式

实施例

为了调查化学成分与组织的影响，试制了表1所示的化学成分的铸铁样品。测定各铸铁样品的比热、珠光体的面积率、热导率，得到表1所示的结果。另外，以目视观察有无各铸铁样品的铸造时的缺陷，将其结果一并记录于表1中。

比热利用差示扫描量热测定来进行。另外，热导率利用激光脉冲法来进行。珠光体的面积率如上述那样进行测定。关于铸造时的缺陷，目视铸铁样品的表面，将确认到气孔、冷隔(原文：湯鏡い)等的情况设为“有”。

实施例1～8具有本发明的范围内的化学成分，比较例1为现行材料的一例即FC250(鼠铸铁)。在比较例1～5中，对超出本发明的范围的化学成分划上下划线。另外，在比热、热导率及珠光体的面积率中，对超出本发明的目标范围的情况划上下划线。图1～图3是将表1所示的结果作图而成的图表。

【表1】

由表1可知，本发明的实施例1～8均得到比比较例1(现行材料)更高的比热及热导率，珠光体的面积率同等，并且可以将Cu的含量设定成0.5％以下。

在比较例1中，Si的含量不足3.5％，因此比热呈较低的值。如图1所示，为了得到600J/kg/K以上的比热，需要使Si的含量为3.5％以上。

在比较例2中，使C及Si的含量成为与实施例1相同的水平，并且使珠光体化元素的Sn及Sb的含量为零，因此珠光体的面积率比实施例1～5大幅地降低。

综上，如表1所示，为了得到90％以上的珠光体的面积率，需要添加Sn、Sb中的至少1种。

在比较例3中，使Si的含量成为与实施例1相同的水平，并且使C的含量不足3.0％，因此热导率非常低。如图2所示，为了得到44W/m/K以上的热导率，需要使C的含量为3.0％以上。

在比较例4中，使C的含量成为与实施例1相同的水平，并且使Si量多于5.0％。如表1所示，在比较例4中，比热非常高，但熔液的粘度高，因此产生铸造缺陷。

在比较例5中，使Si的含量比实施例1低约0.8％，并且不足3.5％，比热比比较例1有所提高，但是未超出600J/kg/K。

在各实施例中，通过添加Sn、Sb中的至少1种，从而确保90％以上的珠光体率(珠光体的面积率)，并且比热为600J/kg/K以上，热导率为44W/m/K以上。

由实施例7和比较例1的铸铁样品制作同型号同样大小的制动盘，将其安装于汽车，从200km/h以0.6G减速至0km/h。将此时的制动盘的温度变化示于图3中。可见实施例7的制动盘的温度比比较例1大幅地降低。即，在实施例7中，通过提高比热而使热能的吸收量增大，可以抑制制动盘的温度上升。因此，根据本发明，能够使制动盘的比热提高，并相应地实现制动盘的轻量化，并且可以提高制动垫的寿命、使制动垫的成分低廉化。

本发明不限于盘状的制动部件，能够应用于圆筒状、长板状等任意形状的制动部件。

产业上的可利用性

本发明能够应用于汽车、自动二轮车、火车等运输装置的制动或者压力机等机械设备的制动等所有的制动部件及制动装置。

Claims

1.一种铸铁，其特征在于，其以质量％计由以下成分构成，即，C：3.0～4.8％、Si：3.5～5.0％、Mn：0.5～2.0％、Sn和/或Sb即Sn：0.02～0.2％、Sb：0.01～0.2％、Cu：0.5％以下，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸铁，其特征在于，其还含有以质量％计为0.05～1.5％的Cr。

3.根据权利要求1或2所述的铸铁，其特征在于，其在200℃下的比热为600J/kg/K以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的铸铁，其特征在于，其在200℃下的热导率为44W/m/K以上。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的铸铁，其特征在于，其在基体组织中的珠光体的面积率为90％以上。

6.一种制动部件，其由权利要求1～5中任一项所述的铸铁制造而成。