CN108330384A

CN108330384A - 一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料

Info

Publication number: CN108330384A
Application number: CN201810128192.2A
Authority: CN
Inventors: 袁福安; 涂欣达; 康明; 金通; 霍卯田; 王林; 李学兵
Original assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2018-07-27

Abstract

一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车用制动鼓材料，其原料组成及重量百分比含量为：C 3.5%～3.9%、Si 1.5%～2.2%、Mn 0.5%～0.9%、P 0.01%～0.05%、S<0.02%、Cu 0.3%～0.65%、Sn 0.04%～0.1%、Mg 0.01%～0.03%、Re 0.01%～0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。该材料在强度、韧性、热导率、耐磨性、摩擦系数和抗疲劳性能方面表现极佳，可显著提升重型商用车制动鼓的使用寿命和安全性能。

Description

一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料

技术领域

本发明属于汽车制动材料领域，具体涉及一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，适用于提升重型商用车制动鼓材料的强度和热疲劳性能。

背景技术

制动系统是保障重型商用车行驶安全的重要总成，由于在使用过程中承受巨大的制动力和冷热冲击，其寿命一般较低，特别是在云贵川等需要频繁刹车的山区，需要不间断地刹车并向制动鼓淋水降温，容易造成疲劳裂纹进而导致失效，频繁地更换制动鼓不仅浪费巨大的财力和人力，还严重影响着车辆行驶安全。因此，提高制动鼓材料的强度和热疲劳性能，并同时保证具有良好的塑性、耐磨性能、摩擦系数和抗变形能力，提高产品的使用寿命和可靠性，对提高产品竞争力和企业经济效益有重要的意义。

目前市场上使用的制动鼓材料大部分为灰铸铁，为了提高灰铸铁制动鼓的力学性能，往往添加一些Mo、Cu、Sn等合金元素，但其热疲劳性能和塑性并不能得到显著改善，寿命提升不明显，难以满足当前重型商用车制动鼓的性能需求。因此开发一种高强度、高热疲劳性能，并且拥有良好的塑性、摩擦系数、耐磨性能和抗变形能力，能够满足重型汽车在山区频繁刹车的使用要求的制动鼓材料尤其重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的难以满足当前重型商用车制动鼓的性能需求的问题，提供一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，其原料组成及重量百分比含量为：C 3.5％～3.9％、Si 1.5％～2.2％、Mn 0.5％～0.9％、P 0.01％～0.05％、S<0.02％、Cu 0.3％～0.65％、Sn 0.04％～0.1％、Mg 0.01％～0.03％、Re 0.01％～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。

所述材料的基体中包括均匀分布的石墨组织，所述石墨组织由两端钝化的长条状石墨、球状石墨组成，且长条状石墨的占比大于70％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料通过控制各元素的含量，尤其是保证Mg 0.01％～0.03％、Re 0.01％～0.04％、S<0.02％，使得基体中两端钝化的条状石墨的占比大于70％，珠光体含量大于等于80％，材料的抗拉强度≥450MPa，硬度180～250HB，在强度、韧性、热导率、耐磨性、摩擦系数和抗疲劳性能方面表现极佳，从而能够显著提升重型商用车制动鼓的使用寿命和安全性能。因此，本发明可显著提升重型商用车制动鼓的使用寿命和安全性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

上述具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车用制动鼓材料的制备方法依次包括以下步骤：

蠕化前处理：先在熔炼得到的原铁水中加入Sn和Cu得到铁水，再将铁水置于球化处理包内进行烫包，然后将球化剂倒入球化处理包的底部捣实，并依次用孕育剂75SiFe、铁板进行覆盖压实，其中，所述铁水的元素组成及其重量百分比含量为：C3.5％～3.9％、Si1.2％～1.6％、Mn 0.5％～0.9％、P 0.01％～0.05％、S<0.02％、Cu 0.3％～0.65％、Sn0.04％～0.1％，余量为Fe和不可避免杂质，所述球化剂为稀土镁钛球化剂，其原料组成及质量百分比含量为：Re 6％～12％、Mg 5％～10％、Ti 5％～10％、Si 40％～50％、Ca<4％，余量为Fe和不可避免杂质，所述球化剂、孕育剂、铁水的质量比为0.4％～0.7％:0.3％～0.5％:1；

球化处理：先将烫包后的铁水平均分成两份，再采用冲入法，向球化处理包内快速倒入一份铁水，使倒入的铁水迅速覆盖球化剂，然后将另一份铁水缓慢倒入球化处理包内，并在铁水表面加入覆盖剂后静置以完成蠕化，其中，铁水球化后的出炉温度为1460～1550℃，静置时间为1～3min；

浇注孕育处理：对球化后的铁水在1390～1430℃下进行浇注，同时加入随流孕育剂75SiFe进行随流孕育，得到蠕墨铸铁制动材料，其中，所述随流孕育剂与铁水的质量比为0.1％～0.2％:1。

本发明材料的原理说明如下：

强度和导热性是决定其耐热疲劳性能的主要因素。灰铸铁材料由于其基体中的石墨组织呈长片状，虽然拥有良好的导热性能，但片状石墨对基体的割裂作用使得材料的强度并不高。对此，本发明提供了一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，通过控制各元素的含量，使制动鼓材料的基体中含有大量两端钝化的长条状石墨，不仅其导热性能接近灰铸铁，而且钝化的石墨减小了对基体的割裂作用，使材料的强度明显高于灰铸铁。

C：为强烈促进石墨化元素，对于制动鼓这一性能特殊(耐热、耐磨)的铸件，组织中要求有一定数量的石墨。C含量过高，铸铁中石墨变粗大、数量增多，珠光体变粗，力学性能下降。C含量较低，会增加铸件收缩倾向，降低材料铸造和机加工性能。为了保证有一定数量的石墨，本发明中将C含量提高到3.5％～3.9％的范围内。

Si：强烈促进石墨化元素，其作用为C的1/3。Si对基体组织的影响也很大，随着Si量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素体量增加。为了保证铸铁金相组织中具有理想的石墨数量和珠光体含量，本发明选择高C低Si的成分配比，Si的含量控制在1.5％～2.2％的范围内。

Mn：该元素能能够促进珠光体的形成，从而提高材料的力学性能。Mn含量较低，基体中铁素体含量较多；Mn含量较高，组织中出现球状石墨，并且碳化物增多。在本发明中，为了获得较高的强度和耐磨性能，基体中应该拥有一定的珠光体，因此选定Mn含量范围为0.5％～0.9％。

S：和球化剂元素(主要为Mg和Re)都有很大亲和力。Mg和Re加入铁液中首先会消耗于脱硫和脱氧，剩余的Mg和Re才使对石墨起作用。若原铁液含S越多，消耗的球化剂也越多，而球化剂的加入量越多，形成的硫化夹渣也越多，既不经济，又危害材质的性能，加速石墨衰退。因此，本发明将铁水中S的含量控制在小于0.02％。

P：一般为有害元素，P元素过多会形成磷共晶，降低材料的韧性，使铸件易出现缩松和冷裂，因此P的含量一般宜控制在0.08％以下。但一定量的磷共晶体弥散分布在晶界处，有利于提高铸铁的耐磨性。本发明铸铁材料要求有一定的耐磨性能，综合考虑后将P含量控制在0.01％～0.05％范围内。

Cu：在铸铁共晶凝固中促进石墨化，能减小白口化倾向。在共析过程中促进珠光体的形成，能减小断面敏感性。其含量控制在0.3％～0.65％。

Sn：是促进珠光体形成的有效元素，能提高珠光体的热稳定性。Sn不促进形成游离渗碳体，但易于在共晶团边界形成FeSn₂偏析化合物而引起脆性。本发明将Sn的含量控制在0.04％～0.1％范围内。

Mg、Re：能够抑制片状石墨形成，含量低时会形成片状石墨，含量较高会增加白口倾向和缩松倾向，并增加生产成本，本发明严格控制Mg含量为0.01％～0.03％，Re含量为0.01％～0.04％。

实施例1：

一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，其原料组成及重量百分比含量为：C 3.7％、Si 1.8％、Mn 0.8％、P 0.02％、S 0.01％、Cu 0.6％、Sn 0.08％、Mg0.01％、Re 0.02％，余量为Fe和不可避免杂质。

实施例2：

所述制动鼓材料的原料组成及其重量百分比含量为：C 3.8％、Si 1.9％、Mn0.9％、P 0.02％、S 0.015％、Cu 0.6％、Sn 0.07％、Mg 0.01％、Re 0.01％，余量为Fe和不可避免杂质。

实施例3：

所述制动鼓材料的原料组成及其重量百分比含量为：C 3.7％、Si 2.0％、Mn0.6％、P 0.02％、S 0.01％、Cu 0.5％、Sn 0.04％、Mg 0.02％、Re 0.02％，余量为Fe和不可避免杂质。

实施例4：

一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，其原料组成及重量百分比含量为：C 3.7％、Si 1.9％、Mn 0.9％、P 0.02％、S 0.01％、Cu 0.6％、Sn 0.1％、Mg0.01％、Re 0.02％，余量为Fe和不可避免杂质。

实施例5：

所述制动鼓材料的原料组成及其重量百分比含量为：C 3.9％、Si 1.5％、Mn0.7％、P 0.01％、S 0.015％、Cu 0.3％、Sn 0.08％、Mg 0.03％、Re 0.01％，余量为Fe和不可避免杂质。

实施例6：

所述制动鼓材料的原料组成及其重量百分比含量为：C 3.5％、Si 2.2％、Mn0.5％、P 0.05％、S 0.01％、Cu 0.5％、Sn 0.04％、Mg 0.015％、Re 0.04％，余量为Fe和不可避免杂质。

为检测本发明材料的各项性能，以本发明材料以及现生产所用的灰铸铁制动材料为样品，进行常温机械性能检测、热疲劳性能检测以及摩擦磨损性能检测。结果如下：

1、常温机械性能检测

检测结果见表1：

表1常温机械性能检测结果

由上表能够看出，本发明材料由于减小了片状石墨对基体的割裂作用，并具有一定的铁素体含量，因此拥有比灰铸铁材料拥有更高的强度和韧性。

2、热疲劳性能检测

试验设备QPG-100，试验温度500℃，试验条件：Kt＝1、R＝0.1、振动频率120Hz、正弦波，试验方法GB/3075-2008。结果见表2、表3：

表2灰铸铁的高温疲劳检测结果

表3本发明材料的高温疲劳检测结果

上述检测结果表明，本发明材料的循环热疲劳强度达163Mpa，而灰铸铁的循环热疲劳强度仅为93.5Mpa，即本发明材料的热疲劳强度较灰铸铁提高了74.3％。

3、摩擦磨损性能试验

试验条件：参照DFMC—638-2003《重型车用无石棉制动器衬片》，摩擦片采用同一牌号的霍尼韦尔摩擦片，在相同试验条件下考察摩擦盘的摩擦磨损性能。

表4本发明材料与灰铸铁材料得问定速摩擦系数检测结果

表5本发明材料、低比例条状石墨材料以及灰铸铁材料的摩擦磨损性能结果磨损率：(1×10^﹣8cm³/N.m)

上述结果显示，本发明材料摩擦系数优于灰铸铁材料，且本发明材料的耐磨损性能显著优于低比例条状石墨材料，与珠光体含量为98％的灰铸铁材料相当。

Claims

1.一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，其特征在于：

所述材料的原料组成及其重量百分比含量为：C 3.5%～3.9%、Si 1.5%～2.2%、Mn 0.5%～0.9%、P 0.01%～0.05%、S<0.02%、Cu 0.3%～0.65%、Sn 0.04%～0.1%、Mg 0.01%～0.03%、Re 0.01%～0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种具有高强度、高热疲劳性能的重型商用车制动鼓材料，其特征在于：

所述材料的基体中包括均匀分布的石墨组织，所述石墨组织由两端钝化的长条状石墨、球状石墨组成，且长条状石墨的占比大于70%。