氮碳共渗高碳当量合金灰铸铁汽车制动盘的铸造仿真与实验研究

摘要

制动盘作为汽车制动系统中核心零部件之一，能将汽车制动过程中的动能转化为热能，对汽车的行车安全有着至关重要的影响。随着汽车发动机功率密度和转速的提升，汽车逐渐呈现高速化和重载化趋势，制动盘的服役条件变得越来越恶劣，传统高碳当量灰铸铁制动盘的制动性能和运行寿命已经远远不能满足高效制动和长期服役的要求。本文在仿真和实验研究的基础上，采用氮碳共渗(Ferritic Nitrocarburizing)工艺对高碳当量合金灰铸铁制动盘进行表面改性处理，研究工艺参数对制动盘共渗层组织结构、力学性能、耐磨性、耐蚀性及疲劳性能的影响。本文的创新点如下:
　　1.针对制动盘浇注过程中频繁出现的气孔和缩松缺陷，采用ProCAST和JMatPro软件对制动盘重力铸造过程进行数值模拟研究，分析浇注过程中的流场和温度场，阐述气孔和缩松产生原因，预测缩松分布位置，同时根据模拟结果改进浇注系统，并试验验证新浇注系统的合理性。
　　2.提出采用氮碳共渗工艺对高碳当量合金灰铸铁制动盘进行表面改性处理的方法，解决传统灰铸铁制动盘易磨损、易腐蚀、服役寿命短的难题。通过金相、XRD、显微硬度等分析测试方法研究共渗温度和保温时间对渗层组织结构的影响规律，获得最佳氮碳共渗工艺参数。
　　3.利用Fluent软件对推盘式氮碳共渗炉内部流场进行数值模拟，得出NH3和CO2在炉内运动轨迹，验证喷嘴布局的合理性。采用Workbench软件对制动盘氮碳共渗后的冷却过程进行数值模拟，得出温度场的变化规律，减小氮碳共渗后的变形缺陷。
　　4.研究氮碳共渗对高碳当量合金灰铸铁制动盘耐磨性能、耐蚀性能和疲劳性能的影响。利用摩擦磨损试验机、电化学工作站和液压万能试验机对氮碳共渗高碳当量合金灰铸铁制动盘进行摩擦磨损实验、电化学腐蚀实验和恒应变幅疲劳试验，分析其磨损机理、腐蚀机理和疲劳机理，揭示上述机理对制动盘耐磨性能、耐蚀性能和疲劳性能的影响，为氮碳共渗实际应用于高碳当量合金灰铸铁制动盘提供可靠的应用基础研究。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 汽车制动系统发展概况

1．2．1 汽车制动系统分类

1．2．2 汽车制动盘材料发展概况

1．3 氮碳共渗技术发展概况

1．4 铸造成形过程数值模拟技术发展概况

1．4．1 铸造成形过程数值模拟技术发展及应用

1．4．2 铸件凝固过程中缩孔缩松预测

1．5 课题研究来源、意义及主要研究内容

1．5．1 课题研究来源和意义

1．5．2 课题研究主要内容

1．6 本章小结

第二章 试样制备及实验方法

2．1 引言

2．2 实验材料

2．3 实验设备

2．4 氮碳共渗工艺方案

2．5 分析测试方法

2．5．1 组织结构分析

2．5．2 力学性能测试

2．5．3 渗层摩擦磨损性能测试

2．5．4 渗层耐腐蚀性能测试

2．5．5 恒应变幅疲劳实验

2．6 本章小结

第三章 高碳当量合金灰铸铁制动盘重力铸造数值模拟分析

3．1 引言

3．2 高碳当量灰铸铁制动盘合金化研究

3．2．1 高碳当量灰铸铁制动盘金相组织

3．2．2 合金元素对高碳当量制动盘组织及性能的影响

3．3 制动盘重力铸造数值模拟仿真

3．3．1 制动盘重力铸造数值模拟前处理

3．3．2 制动盘重力铸造数值模拟结果分析

3．4 制动盘浇注系统优化

3．4．1 新方案充型过程数值模拟结果分析

3．4．2 新方案凝固过程数值模拟结果分析

3．5 试验验证

3．6 本章小结

第四章 高碳当量合金灰铸铁制动盘氮碳共渗层组织结构

4．1 引言

4．2 推盘式氮碳共渗炉内部流场仿真

4．3 高碳当量合金灰铸铁制动盘氮碳共渗层组织结构

4．3．1 共渗温度对共渗层组织结构的影响

4．3．2 保温时间对共渗层组织结构的影响

4．4 制动盘表面鼓泡成因分析

4．5 制动盘冷却过程温度场模拟

4．6 本章小结

第五章 高碳当量合金灰铸铁制动盘氮碳共渗层性能

5．1 引言

5．2 制动盘氮碳共渗层摩擦磨损性能

5．2．1 制动盘氮碳共渗层摩擦磨损行为表征

5．2．2 制动盘氮碳共渗层摩擦磨损形貌及磨损机制

5．2．3 制动盘氮碳共渗前后磨损性能及磨损机制

5．3 制动盘氮碳共渗层耐蚀性能及腐蚀机理

5．4 制动盘恒应变幅疲劳行为机理

5．4．1 未处理制动盘疲劳断口分析

5．4．2 氮碳共渗制动盘疲劳断口分析

5．4．3 制动盘疲劳行为机理分析

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间公开发表的学术论文及专利

作者在攻读硕士学位期间参加的研究项目

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