高碳低硅含铌灰铸铁在制动盘中的应用

摘要

制动盘和制动鼓是汽车的保安件，是汽车制动系统中最重要的组成部分。制动器的工作环境比较恶劣，反复的机械摩擦和温度变化使其容易发生磨损和开裂而失效。随着时代的发展和生活水平的提高，要求汽车向高档化、舒适化、轻型化发展，要求制动器材料具有较高的强度、良好的耐磨性、导热散热性和抗热疲劳性能以及良好的减震性。
　　灰铸铁是一种传统的生产制动盘的材料，它的优势体现在价格低、易生产、成品率高，而且有多种提升性能的方式。本课题采用合金化的强化方法，通过调节碳硅元素的加入量以获得足够的石墨，提高灰铸铁的导热散热性和抗热疲劳性能，然后在熔炼时通过添加不同含量的Nb元素，研究Nb元素对灰铸铁组织及性能的影响规律。
　　研究表明:碳当量在4.0％以上的高碳当量灰铸铁拥有足量的石墨，导热散热性较高;碳当量相同的灰铸铁，适当降低Si/C比值，石墨片长度减小，数量增多，基体中铁素体比例减小，珠光体比例提高，珠光体片间距略有减小，材料的抗拉强度、硬度和耐磨性均有提高。降低灰铸铁的硅碳比细化了石墨片，一定程度上提高了灰铸铁的导热性，使材料抵抗热裂纹萌生和扩展的能力提高。高碳低硅灰铸铁的抗热疲劳性能优于相同碳当量的其他成分比的灰铸铁，也高于低碳当量的普通灰铸铁。
　　铌元素可以细化高碳当量灰铸铁的石墨片，在0～0.3％范围内，随着铌元素的增加，石墨逐渐由3级向4级转化，仍保持片状且分布较均匀。铌可以明显细化珠光体片间距，提高基体强度，并使材料的硬度和耐磨性均有不同程度的提高。
　　添加少量的铌元素可以提高灰铸铁的导热性和抗热疲劳性能，延缓热裂纹的萌生和扩展。铌含量从0增加到0.14％，灰铸铁抗热疲劳性能显著提高，当铌含量增加到0.20％以上，由于石墨片过于细化，反而降低了材料的导热性。细片石墨的尖角更易造成应力集中，促进热疲劳裂纹的萌生，降低灰铸铁的热疲劳性能。所以铌不宜添加过多。
　　在高碳低硅含量的灰铸铁制动盘添加少量的铌元素，所得的灰铸铁石墨片明显细化，灰铸铁的强度和硬度都有提高，弥补了高碳当量造成的力学性能的不足。考虑经济原因，可以将铌的添加量控制在0.10％左右。
　　使用Magmasoft软件模拟灰铸铁充型和凝固过程，盘面朝下的底注式工艺可获得质量良好的工作平面，使用外冷铁可以消除热节造成的缩松缩孔缺陷，给实际生产提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 灰铸铁的强化机制

1．2．1 调整铁液化学成分

1．2．2 孕育处理

1．2．3 灰铸铁的熔炼

1．2．4 灰铸铁的热处理

1．3 制动器的作用及其性能要求

1．3．1 制动盘和制动鼓简介

1．3．2 制动器的失效形式

1．3．3 对制动器性能的要求

1．4 制动器的研究现状

1．4．1 制动器材料的开发与研究

1．4．2 铌在制动器材料中的应用

1．5 本课题的选题意义和研究内容

1．5．1 课题的选题意义

1．5．2 课题的研究内容

第二章 实验方案及研究方法

2．1 实验方案

2．2 试验材料的选择

2．3 铸造工艺

2．4 实验仪器和具体检测方法

2．4．1 成分检测

2．4．2 显微组织观察

2．4．3 力学性能测试

2．4．4 热疲劳性能测试

第三章 碳硅含量对灰铸铁组织和性能的影响

3．1 碳硅含量的设计

3．2 微观组织形貌分析

3．2．1 碳硅含量对高碳当量灰铸铁石墨形态的影响

3．2．2 碳硅含量对高碳当量灰铸铁珠光体的影响

3．3 碳硅含量对灰铸铁力学性能的影响

3．3．1 抗拉强度和硬度测试

3．3．2 拉伸试棒断口形貌

3．3．3 耐磨性测试

3．4 碳硅含量对灰铸铁热疲劳性能的影响

3．5 本章小结

第四章 铌含量对灰铸铁组织和性能的影响

4．1 加铌实验的灰铸铁化学成分

4．2 微观组织形貌分析

4．2．1 铌对石墨形态的影响

4．2．2 铌对灰铸铁珠光体组织的影响

4．3 铌含量对灰铸铁力学性能的影响

4．3．1 铌含量对灰铸铁抗拉强度和硬度的影响

4．3．2 拉伸试棒断口形貌

4．3．2 铌含量对灰铸铁耐磨性的影响

4．4 铌含量对灰铸铁热疲劳性能的影响

4．5 本章小结

第五章 高碳低硅含铌灰铸铁的实用价值和经济意义

5．1 铌在高碳当量汽车制动盘中的应用

5．2 高碳低硅含铌灰铸铁在制动器材料中的应用前景

第六章 制动盘铸造工艺的数值模拟及优化

6．1 制动盘铸件结构及工艺

6．2 浇注系统的设计

6．3 初步数值模拟

6．3．1 建模及参数选择

6．3．2 充型顺序及温度场分布

6．3．3 凝固情况及缩松缩孔缺略

6．4 试加冷铁的工艺模拟

6．5 本章小节和存在的不足

第七章 结论

参考文献

致谢