CN106148810A - 一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料及其制备方法 - Google Patents

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谢剑云
胡宏
王善南
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    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/08—Making cast-iron alloys

Abstract

本发明涉及一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料进及其制备方法，所述材料按质量百分比包括：C 3.4～3.9％，Si 2.1～2.7％，Mn 0.3～0.8％，P≤0.1％，S≤0.08％，Re残0.02～0.05％，Mg残0.02～0.03％，余量为Fe。制备方法包括：采用喂丝法制备蠕墨铸铁：按比例将原料混合，加入稀土系蠕化剂和75SiFe孕育剂，进行熔体熔炼与处理。本发明的材料与普通灰铸铁相比抗拉强度提高80％，弹性模量提高35‑40％，屈服强度提高近一倍；具有较高的强韧性、较好的耐热应力和不同疲劳应力等综合性能较优异的特性。

Description

一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车离合器压盘领域，特别涉及一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料及其制备方法。
背景技术
离合器总成是安装在发动机飞轮上，起到传递动力、保证汽车平稳起步、防止传动系统零件过载的汽车部件，由多个总成构成，表面形状复杂，影响因素较多，热传递过程复杂。离合器在接合状态下，其主从动作为整体一起旋转，摩擦表面没有热产生。而在汽车起步过程中，从动件的转速是逐渐增大至和主动部分转速保持一致，这一过程中摩擦表面就会产生滑磨。滑磨一方面使摩擦面磨损，另一方面引起表面温度升高，进一步加剧磨损，并严重影响离合器正常工作和使用寿命。离合器接合过程的滑磨是其最重要特性，它使离合器磨损，引起压盘和摩擦片温度升高，致使压盘和摩擦片接触面的摩擦点产生出许多微小热源，并不断对压盘和摩擦面输入热流。输入的热流导致接合区域温度升高，使压盘内部由于各部分温度不均匀产生内应力，当内应力增大至材料屈服点将产生永久变形，甚至使零件失效。
考虑驾驶员操作因素和使用条件问题，如山区行驶换档频繁，易使摩擦片磨损，造成滑磨而过热。使用不合理，装载时经常超载、超拖，加剧离合器压盘和摩擦片之间滑磨，产生大量热量。驾驶操作不当，部分驾驶员用“一脚离合器”换档，个别驾驶员不踏离合器换档，有的驾驶员经常习惯地把脚搁在离合器踏板上，使用“半脚离合器”，使离合器频繁接合分离产生滑磨引起高温。摩擦表面积累的温度来不及散去导致局部温度更高，甚至使零件失效。因此，防止离合器在工作过程中过度升温是保证系统可靠工作的前提。
离合器种类众多，干式单片膜片弹簧式离合器属于摩擦式离合器的一种，其结构简单、尺寸紧凑、分离迅速，是目前应用最广泛的离合器。据统计乘用车中采用摩擦离合器的车型占全部制造车型的74％，货运车甚至占到全部制造车型的90％以上。因此，针对它的各种改进一直在进行，其材料技术和制造技术也在不断发展，因此这种离合器在汽车上应用广泛，并且有进一步增加用量的趋势。
离合器压盘是离合器的关键零部件之一，离合器压盘工作时在弹簧的作用下使压盘与摩擦片结合，使发动机动力传递给变速箱。当需要离合器分离时，通过变速箱输入轴轴套上的分离轴承，推动分离杠杆最长一端，使分离杠杆拉动离合器压盘，克服弹簧在压板上的作用力，使压盘与摩擦片分离。离合器压盘通过液压或机械传动操作离合器压盘是否和飞轮结合，把发动机的动力传到变速器。踩下离合器踏板，离合器压盘离开飞轮，切断动力的传递。抬起离合器踏板离合器压盘和飞轮压紧传递动力。
压盘结构大多数是环形盘状的铸件，离合器通过压盘元件来与发动机紧密相连。试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升高而增大的，当压盘工作表面超过180-200℃时，摩擦片磨损急剧增加。正常条件使用的离合器压盘，工作表面的瞬时温度不能超过180℃。在特别频繁的使用条件下，压盘表面的瞬时温度有可能达到1000℃。过高的温度会使压盘在受压过程中产生裂纹甚至碎裂。为使摩擦表面温度不致过高，除了要求压盘有足够大的质量以保证拥有足够的热容量外，还要求散热通风性能良好。同时离合器压盘在使用一段时间后，压盘工作环境条件会引起工作平面磨损、擦伤、烧蚀、破裂和翘曲变形。同时由于使用地区道路情况恶劣，驾驶员可能需要频繁操作离合器，造成离合器反复接合分离，上一轮接合产生的热量还未散去下一轮接合己再次开始，使得离合器热负载极大，在极限重载工况下，其抗拉强度安全系数不足，导致其提前失效。若离合器出现打滑或分离不彻底故障时，又使压盘受热变形或不均匀磨损。当压盘翘曲变形后摩擦片只能与压盘部分接触，这样接触面减小，传递转矩困难，更易打滑。汽车压盘易引起早期变形损坏的最根本原因是热变形，其次是摩擦与机械刮伤。这主要是由于压盘本身为铸造件，材料为添加合金元素的灰铸铁，基本上是由铁、碳和硅等元素组成的共晶型合金，其力学性能在很大程度上取决于其基体组织。为了得到高强度、良好力学性能的铸件，希望基体组织以珠光体为主，尽量减少铁素体含量。因为铁素体含量过多不仅会使铸铁强度降低，而且在加工时易导致刀具过热，降低刀具寿命。对灰铸铁而言一般不要求其有延性和韧性，只要求其强度，所以一般都以珠光体含量高为好。分析认为温升导致的热变形、压盘材料问题和铸造工艺问题、驾驶员操作因素和使用条件问题等是可能导致压盘提前损坏的原因。
离合器压盘在实际使用情况中出现的热变形问题主要是由于温度不均匀而使压盘产生轴向变形，变形后的压盘摩擦面呈锥形，从而使其摩擦面积和作用半径减小，从而影响其传递转矩的能力。离合器中受热最严重的零件是压盘，对于重载工作条件下的离合器必须考虑起步过程接合时压盘的温升。离合器在接合、分离的过程中主从动部分存在滑磨，使得摩擦面温度升高。若不能有效散热，过度温升易使材料出现强度下降甚至导致部件失效，从而无法保证离合器正常工作，因此防止离合器过度升温是保证其可靠工作的一前提。
因此，离合器压盘应具有：
1、传热性好，具有较大的质量,以增大工作过程中的热容量，减小温升，防止过高温使其产生裂纹和破碎，也可设置各种形状的散热筋或鼓风筋，以帮助散热通风。
2、较高的摩擦系数，较大刚度，使压紧力在摩擦面上的压力均匀分布，并减小受热后的翘曲变形，以免影响摩擦片的均匀压紧及与离合器的彻底分离，厚度约为15～25mm。
3、与飞轮应保持良好的对中性，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于15～20g·cm。
现行的压盘材料一般采用灰铸铁，如HT200、HT250、HT300。另外可添加少量合金元素如镍、铁、锰等以增强其机械强度。灰铸铁中的石墨片有切割金属基体、破坏其连续性、降低其强度的作用，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片。优质压盘铸件的基体组织应全部为珠光体，石墨片为A型且均匀分布于金属基体中，珠光体也应该细小而均匀。压盘生产方法为铸造，它是将金属熔炼成符合一定要求的熔体浇进铸型里，经冷却凝固、精整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。其质量一般取决于浇注方法、型砂工艺参数、熔体处理等工艺环节，若压盘摩擦面的表面粗糙度较大、摩擦面硬度不均匀，可能使部分摩擦区域强度不够而出现热变形。
离合器工作时由于受到移动热源的热流冲击和对流换热的交替作用，且随着接合分离次数的增加波动上升，这将造成热疲劳和热冲击。HT20O的疲劳极限应力不超过11OMPa，HT25O的疲劳极限不超过127MPa，而中等载荷工况下的应力峰值己经超过了HT25O的疲劳极限应力。因此在中等载荷工况下，随着离合器接合分离次数的增多，热应力循环容易积累塑性变形损伤并导致压盘热弹性失稳，最终使得压盘出现热裂纹。这说明即使在汽车载重不大的情况下，此时离合器接合分离一次产生的热流不会很大。但是如果反复操作离合器，随着接合分离次数的增加，压盘反复升温降温，相应的应力循环次数增多，塑性变形损伤积累将导致压盘产生疲劳热裂纹，这种交变热应力很容易导致压盘的热弹性失稳，最终使得压盘提前损坏。
总的来说，离合器滑磨时，摩擦产生的热量流入飞轮、摩擦片和压盘。热量的不断流入，使得压盘的温度升高，产生热变形。压盘结构的改进方向是使结构简化、紧凑、便于通用，增大热容量，提高使用性能和使用寿命，便于拆装与调整等等。
灰铸铁材料由于具有很好的强韧性、耐热性、铸造性能和阻尼减震性能，一直是离合器压盘的理想材料。但随着现代离合器的发展，离合器所承受的热负荷和机械负荷不断提高。不但要求压盘材料具有很好的强韧性、耐热性和抗疲劳性，还要求具有较优良的导热性能，以缓解由于局部过热引起的热应力，满足频繁热冲击所带来的热疲劳需求。可见，目前所使用的灰铸铁材料在很大程度上已无法满足设计者的要求、特别是大马力的重型汽车离合器的发展需求以及客户的需求，离合器选择材料的主要出发点在于高强度、高韧性、高导热、优良的疲劳性能及轻量化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料及其制备方法，该材料具有较高的强韧性、较好的耐热应力和不同疲劳应力等综合性能较优异的特性，更适合做离合器压盘。
本发明的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料，所述材料按质量百分比包括：C3.4～3.9％，Si 2.1～2.7％，Mn 0.3～0.8％，P≤0.1％，S≤0.08％，Re残0.02～0.05％，Mg残0.02～0.03％，余量为Fe。(“残”代表Re和Mg的残余量)
所述材料按质量百分比包括：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Re残0.036％，Mg残0.027％，余量为Fe。
所述材料按质量百分比包括：C 3.6％，Si 2.5％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Re残0.033％，Mg残0.024％，余量为Fe。
所述材料按质量百分比包括：C 3.8％，Si 2.6％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Re残0.039％，Mg残0.024％，余量为Fe。
本发明的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料的制备方法，包括：
采用喂丝法制备蠕墨铸铁：按比例将原料混合，然后加入稀土系蠕化剂和75SiFe孕育剂，进行熔体熔炼与处理；其中，熔炼温度1500℃，熔体处理温度1450～1480℃，浇注温度1360～1400℃。
所述稀土系蠕化剂的加入量为材料总质量的1.2～1.8％；75SiFe孕育剂的加入量为材料总质量的0.5～1.0％。
对稀土系蠕化剂的具体成分及含量是否有要求。
金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率70～90％，基体组织，珠光体≥80％。
机械性能：抗拉强度≥440Mpa，硬度≥265，延伸率1.5％，室温疲劳性能≥210MPa(1×107次)，弹性模量≥150GPa。
物理性能：导热系数50W/m.K，摩擦系数0.72。
有益效果
与现有技术相比较，本发明所提供的蠕墨铸铁性能得到进一步提高，与普通灰铸铁相比蠕墨铸铁抗拉强度提高80％，弹性模量提高35-40％，屈服强度提高近一倍；蠕墨铸铁具有较高的强韧性、较好的耐热应力和不同疲劳应力等综合性能较优异的特性，更适合做离合器压盘。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
化学成分：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Re残0.036％，Mg残0.027％，余量为Fe。熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用稀土系蠕化剂，加入量为材料总质量的1.5％；75SiFe孕育剂，加入量为材料总质量的0.8％；经过喂丝法制备得到蠕墨铸铁。
金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率80％，基体组织，珠光体86％。
机械性能：抗拉强度450Mpa，硬度272，延伸率1.4％，室温疲劳性能240MPa(1×107次)，弹性模量180GPa。
物理性能：导热系数52W/m.K，摩擦系数0.72。
实施例2
化学成分：C 3.6％，Si 2.5％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Re残0.033％，Mg残0.024％，熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用稀土系蠕化剂，加入量为材料总质量的1.7％，75SiFe孕育剂，加入量为材料总质量的0.8％，经过喂丝法制备得到蠕墨铸铁。
金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率87％，基体组织，珠光体85％。
机械性能：抗拉强度470Mpa，硬度275，延伸率1.5％，室温疲劳性能260MPa(1×107次)，弹性模量190GPa。
物理性能：导热系数48W/m.K，摩擦系数0.73。
实施例3
化学成分：C 3.8％，Si 2.6％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Re残0.039％，Mg残0.024％，熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用稀土系蠕化剂，加入量为材料总质量的1.8％，75SiFe孕育剂，加入量为材料总质量的0.9％，经过喂丝法制备得到蠕墨铸铁。
金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率89％，基体组织，珠光体88％。
机械性能：抗拉强度490Mpa，硬度295，延伸率1.4％，室温疲劳性能280MPa(1×107次)，弹性模量199GPa。
物理性能：导热系数47W/m.K，摩擦系数0.76。

Claims (6)

1.一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料，其特征在于，所述材料按质量百分比包括：C3.4～3.9％，Si 2.1～2.7％，Mn 0.3～0.8％，P≤0.1％，S≤0.08％，Re残0.02～0.05％，Mg残0.02～0.03％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料，其特征在于，所述材料按质量百分比包括：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Re残0.036％，Mg残0.027％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料，其特征在于，所述材料按质量百分比包括：C 3.6％，Si 2.5％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Re残0.033％，Mg残0.024％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料，其特征在于，所述材料按质量百分比包括：C 3.8％，Si 2.6％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Re残0.039％，Mg残0.024％，余量为Fe。
5.一种如权利要求1所述的蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料的制备方法，包括：
采用喂丝法制备蠕墨铸铁：按比例将原料混合，然后加入稀土系蠕化剂和75SiFe孕育剂，进行熔体熔炼与处理；其中，熔炼温度1500℃，熔体处理温度1450～1480℃，浇注温度1360～1400℃。
6.根据权利要求5所述的一种蠕墨铸铁汽车离合器压盘材料的制备方法，其特征在于，所述稀土系蠕化剂的加入量为材料总质量的1.2～1.8％；75SiFe孕育剂的加入量为材料总质量的0.5～1.0％。
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