高碳钒钛灰铸铁及制造方法、车辆制动盘及制造方法

摘要

本发明公开了一种高碳钒钛灰铸铁，按照重量百分比计算，其包括：3.8～4.2％的碳、0.4～0.8％的硅、0.4～0.8％的锰、0.15～0.25％的钒、0.10～0.25％的钛、≤0.25％的铬，余量为铁其它杂质；且所述高碳钒钛灰铸铁中的珠光体含量为95％以上、A型石墨含量为80％以上，利用成本较低的V、Ti及普通金属元素，降低了成本；且V和Ti可以使高碳钒钛灰铸铁组织中的石墨和基体得到显著细化，并同时分别与碳极易形成显微硬度极高的硬化相VC和TiC，提高了硬度。此外，高碳钒钛灰铸铁组织中的珠光体含量为95％以上，提高了抗拉强度和硬度等力学性能，且A型石墨含量为80％以上，提高了耐磨性和耐热性。此外，本发明还提供了高碳钒钛灰铸铁的制造方法、及由高碳钒钛灰铸铁制成的车辆制动盘及制造方法。

说明书

技术领域

本发明涉及铸铁合金及汽车零件领域，特别涉及一种高碳钒钛灰铸铁及制造方法、车辆制动盘及制造方法。

背景技术

制动盘是汽车刹车系统的重要组成部分，是汽车安全行驶的重要保障。近年来，随着我国道路交通的迅猛发展，汽车逐步向高速、重载、轻质等方向发展，这对汽车制动系统性能提出了更高的要求。

现在，汽车制动盘的材料一般都是采用普通的灰铸铁和低合金铸铁两类。由于普通灰铸铁的材料强度、硬度较低，易出现磨损严重或热疲劳裂纹情况，已不能满足现状汽车高负荷、高速度的要求。低合金铸铁主要是在普通铸铁中添加了Ni、Mo等贵金属合金元素，虽然能满足高强度的要求，但生产成本高。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施提供了一种成本低且强度高的高碳钒钛灰铸铁及制造方法，由该高碳钒钛灰铸铁制成的车辆制动盘及制造方法。所述技术方案如下：

一种高碳钒钛灰铸铁，按照重量百分比计算，其包括：3.8～4.2％的碳、0.4～0.8％的硅、0.4～0.8％的锰、0.15～0.25％的钒、0.10～0.25％的钛、≤0.25％的铬，余量为铁和其它杂质；且所述高碳钒钛灰铸铁中的珠光体含量为95％以上、A型石墨含量为80％以上。

优选地，所述其它杂质包括磷和硫，且所述硫的含量≤0.1％、所述磷的含量≤0.1％。

优选地，所述高碳钒钛灰铸铁的碳当量CE＝C+1/3(Si+P))，且所述碳当量CE为4.00～4.6；其中，C表示所述高碳钒钛灰铸铁中碳的含量，Si表示所述高碳钒钛灰铸铁中硫的含量，P表示所述高碳钒钛灰铸铁中磷的含量。

一种高碳钒钛灰铸铁的制造方法，其用于制备上述权利要求1至3中任一项所述的高碳钒钛灰铸铁，包括如下步骤：S1，将40-45重量份的钒钛生铁、28-35重量份的废钢及25-32重量份的回炉料组成的原始物料投入中频感应炉中熔炼得到铁水；S2，在浇包中加入0.1～0.15％的75SiFe，再将步骤S1中的铁水在所述浇包中孕育；S3，步骤S2中孕育完成的铁水浇铸后即可形成所述高碳钒钛灰铸铁。

优选地，所述步骤S1包括：S11，将25-32重量份的回炉料投入中频感应炉中，再从中频感应炉的炉底加入1.7-2.0％的增碳剂；S12，再将40-45重量份的钒钛生铁及28-35重量份的废钢投入所述中频感应炉并开始熔炼；S13，熔炼至原始物料融化30-40分钟后，再过热8-13分钟，然后再依次加入0.5-0.7％的锰铁、0.07-0.15％的铬铁、0.08-0.15％的钛铁进行成分调质，使得调质后铁水的碳当量为4.00～4.25。

优选地，经过所述步骤S13调质后的铁水中各化学成分的重量配比为3.8～4.2％的碳，0.4～0.8％的硅，0.4～0.8％的锰，0.15～0.25％的钒，0.10～0.25％的钛，≤0.25％的铬，余量为铁和其它杂质。

优选地，所述步骤S1中，还加入了所述原始物料的总重量的1.0～1.5％的石灰石，且所述石灰石的粒度为30～50mm。

优选地，所述步骤S1中加入的75SiFe的粒度为0.5～2.0mm。

一种车辆制动盘，其由上述高碳钒钛灰铸铁浇铸而成。

一种车辆制动盘的制造方法，包括如下步骤：步骤a，将上述权利要求1至3中任一项所述的高碳钒钛灰铸铁熔炼成铁水；步骤b，在浇包中加入步骤a中铁水重量的0.1～0.2％的75SiFe，再将步骤a中的铁水倒入浇包中进行孕育；步骤c，铁水在步骤b孕育完成后的5-8分钟内倒入制动盘的砂型腔内开始浇铸，且浇铸温度为1370～1400℃。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明的高碳钒钛灰铸铁及制造方法、车辆制动盘及制造方法通过低价丰富的钒钛生体作为原始物料；且V和Ti可以使高碳钒钛灰铸铁组织中的石墨和基体得到显著细化，并同时分别与碳极易形成显微硬度极高的硬化相VC和TiC，提高了硬度。此外，高碳钒钛灰铸铁组织中的珠光体含量为95％以上，提高了抗拉强度和硬度等力学性能，且A型石墨含量为80％以上，提高了耐磨性和耐热性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施提供了一种高碳钒钛灰铸铁，按照重量百分比计算，其包括：3.8～4.2％的C(碳)、0.4～0.8％的Si(硅)、0.4～0.8％的Mn(锰)、0.15～0.25％的V(钒)、0.10～0.25％的Ti(钛)、≤0.25％的Cr(铬)，余量为Fe(铁)和其它杂质；其中，上述高碳钒钛灰铸铁中的珠光体含量为95％以上、A型石墨含量为80％以上。

上述其它杂质包括P(磷)和S(硫)，其中，S会使高碳钒钛灰铸铁产生热裂倾向；P会使高碳钒钛灰铸铁有冷裂倾向。按照重量百分比计算，本发明高碳钒钛灰铸铁的S含量≤0.1％、P含量≤0.1％。

上述的C和Si都是强烈促进石墨化的元素，即是：高碳钒钛灰铸铁中C和Si的含量高，其石墨数量就多。石墨能提高高碳钒钛灰铸铁的耐磨性和耐热性，因此为了保证高碳钒钛灰铸铁中的石墨数量，高碳钒钛灰铸铁中就需要一定的碳当量CE，其中CE＝C+1/3(Si+P))，C表示高碳钒钛灰铸铁中碳的含量，Si表示高碳钒钛灰铸铁中硫的含量，P表示高碳钒钛灰铸铁中磷的含量。但CE过高会造成高碳钒钛灰铸铁组织中的珠光体数量不足，CE过低又会造成高碳钒钛灰铸铁组织中的石墨量不足；因此，优选的，本发明高碳钒钛灰铸铁的碳当量CE为4.00～4.6。

本发明高碳钒钛灰铸铁中只有成本较低的V、Ti及普通金属元素，降低了成本；且V和Ti可以使高碳钒钛灰铸铁组织中的石墨和基体得到显著细化，并同时分别与碳极易形成显微硬度极高的硬化相VC和TiC，提高了硬度。此外，高碳钒钛灰铸铁组织中的珠光体含量为95％以上，提高了抗拉强度和硬度等力学性能，且A型石墨含量为80％以上，提高了耐磨性和耐热性。

结合下面的试验来验证本发明高碳钒钛灰铸铁的性能：

将3份重量百分比含量不同的上述高碳钒钛灰铸铁分别置于中频感应炉内升温熔炼，且熔炼温度控制为1530℃，以保证熔体的纯净度。熔炼完成后得到的铁水分别经过孕育完成之后浇铸成Φ30×300的试样棒(按照GB9439-88标准)。

为了方便对比，表1列出了上述3个试样棒及普通不加钒钛的灰铸铁HT300制成的试棒的化学成分；其中样号1-3为本发明的高碳钒钛灰铸铁；样号4为普通不加钒钛的灰铸铁HT300制成的试棒。

表1 试样棒的化学成分

将上述样号1-4的试样棒分别按照GB977-84标准、GB/T12444. 2-2006标准及GB231-84标准各加工2根抗拉试棒、2根耐磨试棒、2块硬度试样，并分别按照下述条件进行抗拉强度、硬度及耐磨性试验。

抗拉强度试验：

抗拉伸试验在济南科汇试验设备有限公司生产的WEW-300B型(300KN)微机液压万能材料试验机上，室温条件下进行。其拉伸试验的数据如下表2所示：

表2 抗拉强度测试数据

由表2可以看出，本发明高碳钒钛灰铸铁制成的试样棒抗拉强度明显高于灰铸铁HT300制成的试样棒，且高出12％～15％。

硬度试验：

硬度试验在莱州市华兴测试仪器生产的HB-3000C型布氏硬度计进行，且压头直径为5mm。其拉伸试验的数据如下表3所示：

表3 硬度测试数据

由表3可以看出，本发明高碳钒钛灰铸铁制成的试样棒硬度明显高于灰铸铁HT300制成的试样棒。综合表2和表3可以看出本发明高碳钒钛灰铸铁制成的试样棒可达到和超过灰铸铁HT300制成的试样棒的力学性能要求。

耐磨性试验：

耐磨试验在济南试验机厂生产的MRH-3型高速环块磨损试验机上进行。且试验条件为：干摩擦，载荷49N，对磨材料GCr15钢，对磨环转速300r/min，外环直径49.22mm，摩擦时间30min。其试验数据如下表4所示：

表4 耐磨性试验数据

由表4可知，本发明高碳钒钛灰铸铁制成的试样与高于灰铸铁HT300制成的试样棒相比，磨损率降低15％～20％。因此，通过上面的试样棒的抗拉强度、硬度及耐磨性试验，及其对应的数据可以看出本发明的高碳钒钛灰铸铁的抗拉强度、硬度及耐磨性能好，并均优于普通灰铸铁HT300；并且本发明高碳钒钛灰铸铁是在普通的灰铸铁中加入成本较低的V、Ti，而攀枝花地区具有丰富的钒钛磁铁矿资源，因为利用该矿产资源可有效降低成本。

本发明还提供了一种高碳钒钛灰铸铁的制造方法，其包括如下步骤：

步骤S1，将40-45重量份的钒钛生铁、28-35重量份的废钢及25-32重量份的回炉料组成的原始物料投入中频感应炉中熔炼得到铁水。

具体地，第一步，S11，将25-32重量份的回炉料投入中频感应炉中，再从中频感应炉的炉底加入1.7-2.0％的增碳剂。

第二步S12，再将40-45重量份的钒钛生铁及28-35重量份的废钢投入中频感应炉中，并开始熔炼。在熔炼的过程中，中频感应炉中熔炼的温度保持为1520～1530℃。优选地，原始物料为重量份为40的钒钛生铁、重量份为30的废钢及重量份为30的回炉料。

第三步S13，熔炼至中原始物料融化30-40分钟后，再过热8-13分钟，然后再依次加入0.5-0.7％的锰铁、0.07-0.15％的铬铁、0.08-0.15％的钛铁进行成分调质，使得调质后的铁水的碳当量为4.00～4.6；且该铁水中各化学成分的重量配比为3.8～4.2％的C(碳)，0.4～0.8％的Si(硅)，0.4～0.8％的Mn(锰)，0.15～0.25％的V(钒)，0.10～0.25％的Ti(钛)，≤0.25％的Cr(铬)，余量为Fe(铁)和其它杂质，此时，铁水熔炼完成。需要说明的是，上述增碳剂、铬铁、锰铁及钛铁的百分含量均为占原始物料重量的百分比。

步骤S2，将步骤S1中的铁水在浇包中孕育8～12分钟。具体地，首先在浇包中加入75SiFe，再将频感应炉中的铁水稍微冷却至温度为1480～1500℃时迅速倒入浇包中。且75SiFe的重量为加入铁水重量的0.1～0.15％。

步骤S3，孕育完成后的铁水浇铸后形成高碳钒钛灰铸铁。

本实施例中，为提高造渣作用，在步骤S1中，需加入原始物料的总重量的1.0～1.5％，且粒度为30～50mm的石灰石。

本实施例中，在步骤S2中，75SiFe的粒度为0.5～2.0mm。

下面结合具体的实施方式来说明本发明中生产高碳钒钛灰铸铁的方法：

实施例一：

将重量份为27的回炉料投入中频感应炉中，再从中频感应炉的炉底加入2.0％的增碳剂。之后，将重量份为45的钒钛生铁及重量份为28的废钢投入温度为1520℃的中频感应炉中熔炼。熔炼至物料融化35分钟后过热13分钟，然后依次加入0.15％的钛铁、0.7％的锰铁、0.15％的铬铁进行成分调质使得铁水的碳当量为4.500。且该铁水中各化学成分的重量配比为：4.2％的C，0.8％的Si，0.8％的Mn，0.25％的V，0.25％的Ti，0.25％的Cr，余量为Fe和其它杂质。

将上述铁水倒入浇包中进行孕育，孕育时间为12min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1480℃，且浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.2％的75SiFe，粒度为1mm。

孕育完成后的铁水浇铸后形成高碳钒钛灰铸铁。

实施例二：

将重量份为25的回炉料投入中频感应炉中，再从中频感应炉的炉底加入1.8％的增碳剂。之后，将重量份为43的钒钛生铁及重量份为32的废钢投入温度为1520℃的中频感应炉中熔炼。熔炼至物料融化30分钟后过热10分钟，然后依次加入0.12％的钛铁、0.6％的锰铁、0.12％的铬铁进行成分调质使得铁水的碳当量为4.30。且该铁水中各化学成分的重量配比为：4.0％的C，0.6％的Si，0.6％的Mn，0.25％的V，0.18％的Ti，0.15％的Cr，余量为Fe和其它杂质。

将所得铁水倒入浇包中进行孕育，孕育时间为10min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1500℃，且浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.5％的75SiFe，粒度为1.5mm。

孕育完成后的铁水浇铸后形成高碳钒钛灰铸铁。。

实施例三：

将重量份为32的回炉料投入中频感应炉中，再从中频感应炉的炉底加入1.7％的增碳剂。之后，将重量份为40的钒钛生铁及重量份为28的废钢投入温度为1525℃的中频感应炉中熔炼。熔炼至物料融化40分钟后过热8分钟，然后依次加入0.08％的钛铁、0.5％的锰铁、0.07％的铬铁进行成分调质使得铁水的碳当量为4.60。且该铁水中各化学成分的重量配比为：3.8％的C，0.4％的Si，0.4％的Mn，0.15％的V，0.10％的Ti，0.1％的Cr，余量为Fe和其它杂质。

将所得铁水倒入浇包中进行孕育，孕育时间为8min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1490℃，且浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.4％的75SiFe，粒度为0.8mm。

孕育完成后的铁水浇铸后形成高碳钒钛灰铸铁。

本发明还提供了一种车辆制动盘，其用上述高碳钒钛灰铸铁浇铸而成。具体地，该车辆制动盘的制造方法包括如下步骤：

步骤a，将上述高碳钒钛灰铸铁熔炼成铁水；优选地，在熔炼的过程中，加入粒度为30～50mm的石灰石作为造渣剂，加入量为铁水重量的1.0～1.5％

步骤b，将步骤a中的铁水倒入浇包中进行孕育，孕育时间为8～12min；其中，铁水倒入浇包时的出炉温度为1480～1500℃，浇包在倒入铁水前先加入铁水重量0.1～0.2％的75SiFe；

步骤c，在步骤b孕育完成后的5-8分钟内倒入制动盘的砂型腔内开始浇铸，浇铸温度为1370～1400℃。浇铸完成且冷却后得到制动盘粗胚。制动盘粗胚经抛丸和去毛刺加工后即可得到合格的汽车制动盘。优选地，铁水在孕育完成后的6分钟内开始浇铸。

需要说明的是，当本发明高碳钒钛灰铸铁提高了抗拉强度和硬度等力学性能、耐磨性和耐热性，由该高碳钒钛灰铸铁制成的车辆制动盘显然也具有高抗拉强度和硬度及很好的耐磨性和耐热性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。