第16卷 第2期Vol.16 No.2重庆工学院学报
JournalofChongqingInstituteofTechnology2002年4月Apr.2002
文章编号:1671—0924(2002)02—0046—03
优良的制动盘材质及其获得方法的探讨
高 慧
(山西临汾汽车制造厂技术科,山西临汾 041000)
Ξ
摘要::较高的强度和耐磨损能力;高的蓄热性、。从技术,性能的技术措施,,。关
键
;;:4文献标识码:A
制动盘首先见于国外汽车上,就其使用的方法看,属于磨擦式制动器的范畴,即是通过摩擦使车辆的动能转换成热,再散发到大气中去的一种装置。与传统的鼓式散热器相比较,其散热性能好,适于高速行驶,对脚踏力有线性效果。因此,近年来在我国已得到部分采用,代表一种趋势,今后包括载重货车在内,将有一半以上的车辆使用盘式制动器即制动盘。
制动盘作为一种易损件、保安件,其结构及材质对汽车的使用性能、安全性能是至关重要的。结构的设计是汽车设计师的任务,在本文中不予谈及。材质的问题,是笔者探讨的内容,那么问题1:应该选用哪种材质?问题2:生产中如何获得呢?这里从其使用要求,罗列出其该有的品质,归纳出其应有的性能,然后,以此为目标,对照一般材料的性能,先做出初选,再应用冶金学的原理,通过成熟的理论分析,结合有关的实践经验,得出材料的成分组成,并进一步给出实际生产中如何很好获得的办法。
急,则动能的变化就越大,
制动盘上转移成的热量就越多,使其骤然的升温也就越高。高温对零件本身以及相邻零件的寿命、尺寸稳定、行车安全都是极为不利的因素,因此希望升温尽可能低,这就需要提高制动盘的热容性以及散热性。其途径无外乎有两方面,一是加大制动盘的尺寸;二是开发蓄热性大、导热性好的材料。前者会导致零件重量增加,安装尺寸加大,车轮本身也变大,这无疑对车辆的运动性能大为不利,燃油消耗加大,是不可取的。而后者正是要求材料所具有的品质之一:高的蓄热性、好的导热性。
另外,制动盘在使用时,一般由液压驱动的卡钳将衬片从两面夹紧制动盘的制动面,实现干摩擦而制动,使用中会磨消掉一些材料,使得制动处尺寸变薄,从安全的角度出发,一般规定其报废的最大磨损量单面不大于1毫米,从这一点不难看出,制动盘的材料应具有耐磨损的性能。
其次,有时我们会听说刹车失灵的情况,除机械故障原因之外,往往是出现了制动盘破裂所至。这可能是由于制动盘材料的强度不高,在骤然的制动摩擦力的作用下,发生了破坏。还有一种可能是由于急剧的制动升温,使得制动盘出现了高温热裂纹,这使得其基体组织受到割裂,还会在此处形成应力集中区,使小的裂纹逐渐变大,从而出现断裂损坏。这说明在制动盘的品质方面还应要求:高的强度、好的抗热裂性。
再就是,目前人们经常提到以人为本,满足乘座舒适
1 材质的选用
1.1 制动盘满足使用要求应具有的品质
从制动盘的使用上看,它同轮毂装配在一起,其功能就是通过与制动衬片进行干摩擦,将高速行驶的车辆的动能,转换成热能。这部分热能全部蓄积在制动盘上,并同时很快由其散发到大气中去。热能的蓄积使得制动盘的温度升高,车辆的载重量越大,行驶的速度越快,刹车越
Ξ收稿日期:2002-01-09
作者简介:高慧(1963-),女(汉族),山西省临汾人,工程师,主要从事铸造工艺及新产品开发工作.
高 慧:优良的制动盘材质及其获得方法的探讨
性。作为与人的生活息息相关的汽车,人们在感受它的方便之时,也重在享受它的舒适,特别对于客车而言更是如此。由于汽车在制动时,强烈的干摩擦会产生振动,并伴随着强烈的振鸣声,长期以来,会使人极为不适,也加速了汽车的损坏,因此,自然要求制动构件的振动衰减能力大,有抑制产生振鸣的效果。
综上所述,从使用的要求出发,需要制动盘具有的品质是:高的蓄热性、好的导热性、耐磨损能力强、高的强度、好的抗热裂性、抗振动衰减和抑制振鸣效果好等。其材质应是以上几种品质的综合、平衡,只考虑一项或几项,而对其余有所忽视,都不是好的选择,也就是说那不会是好的制动盘材质。
1.2 材料的初选
Cr,Ni,Mo,Cu,V,Si,Ti,B,
47
选用的原则是:来源方便,价格便宜,使用简单。首先,选用Cr,它可以强烈地提高强度,每加入1%,可以提高20%的强度,且提高抗热性最有效,加入量定为
[1]
0.4%,可提高强度8%,即扩大1.08倍。
其次选用Cu,因为加入Cr后,铸铁形成碳化物的倾向增大,加入铜可抵消其倾向,且同时可提高强度,每加入
[2]
1%的铜提高强度为10%。加入量定为0.6%,可提高强
度4.8%即扩大1.048倍。
按以上比例加入铬和铜后,1.0804815。它们的加,,阻止铁素体及碳化物。
,选取的材料成分定为:C:3.4%～
3.7% Si:1.8%～2.1% Mn:0.5%～0.7% S:
?较中认为应选灰铸铁。:一是灰铸铁是最经济的材料之一,无论从原材料的冶炼,还是从产品的生产,都体现出价格低廉的经济性。二是制作较容易,生产环节少,质量便于控制,成品率高,易于实现机械化。三是本身的性能特征,接近于制动盘的使用要求,通过合金化、热处理等较易操作的方法,可实现对性能较大的改善,从而满足一些特殊的性能要求,达到理想的制动盘材质。具体地说,可以充分利用铸铁中高碳元素的有利作用:1)碳在结晶时,大部分以自由状态(石墨)存在,它的比热容高,几乎是铁的两倍,因此,可较大地提高材料的蓄热性。2)石墨的基体很软,本身能吸收震动能,特别是灰铸铁中的细长片状石墨,分割了基体而不利于能量的传递,更使得机件具有了良好的振动衰减能力。3)石墨的存在,本身就相当于很多裂纹和缺陷,故铸铁的缺口敏感性比钢大为降低,特别是片状石墨的灰铁,尤为如此。这就是说,灰铁具有较符合制动盘所要求的品质,特别是其中的碳元素是有利因素之一。基于上述分析,结合生产经验,可初选灰铁成分的五大元素组成为:C:3.4%～3.7%Si:1.8%～
2.1%Mn:0.5%～0.7%S:
P:
0.5%。
2 制动盘生产的获得方法
材料的成分已经确定,那么有关熔炉操作的配料就不成问题,本文不作论述,这里所说的获得方法是指确定熔化温度、孕育方法、浇注温度等生产工艺参数,使它们向更有利于实现制动盘产品品质的方向发展。
2.1 熔化温度的选择
现代研究认为,过热度是铁水质量的重要标志,高质量的铁水要有高的过热度(过热度是指炉内铁水的温度减去铁水的熔化温度),也就是说,熔化时要尽量提高铁水的温度。据日本《铸物便览》介绍,铸件的抗拉强度与铁水过热度的平方和铁水静放时间的乘积成正比,这里详细的推论不再叙及,仅从原理上来分析。铁水在熔化中所进行的主要反应有:
Si+O2=SiO2 2Mn+O2=2MnO 2Fe+O2=2FeO
且Si、Mn与O2的亲合力大于Fe,因此还存在着:
Si+2FeO=S
iO+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe
中,突出了材料结晶时有利于石墨析出的元素。
1.3 用有关的成熟理论,完善材质的性能
这就是说在铸铁的熔炼中,Si、Mn及Fe的烧损是不可避免的。但是随着温度的升高,SiO2、MnO2的稳定性下降而C燃烧生成CO的稳定性提高。当铁水处在1400～1
500℃以上时,金属氧化物会出现以下还原反应:
SiO2+2[C]=Si+2CO↑ MnO+[C]=Mn+C0↑
按照以上的比例,在普通砂型潮模铸造的条件下,所获得的材料机械性能介于HT150及HT200之间,其抗拉强度在190Mpa、硬度在HB180左右,这样的强度和硬度有些偏低,可考虑通过合金化来实现强度和硬度的提高。在美国,制动盘的材质标准是按照ANSI/ASTM、A159-77中的
G3000,重要的执行G3000b,其抗拉强度为205.8MPa,硬
这样,先被氧化掉的Si、Mn还可在高温铁水保温状态下重新得到还原,而且生成的稳定气相CO的逸出,不仅可以减少铁水的氧化,还有利于杂质及其他气体随之上浮,使铁水得到净化,从这里我们可以理解,过热度及保温时间,使铸铁机械性能增加的道理。这就是说制动盘生产时,要求熔化温度尽量高,最好在1500℃以上,最低不低
度为HB200,其中也强调含碳量不低于3.4%。参照这一标准,以上的材料强度及硬度应扩大1.15倍,这应从添加能促进珠光体生成,同时得保证其塑性、热稳定性的元素考虑,这些元素一般是:
48
于1460℃。
2.2 浇注温度的选择
重庆工学院学报
体和细片状石墨的组织,这也是制动盘材质所需要的。为了使孕育效果明显,应采用复合孕育处理,即在出铁槽、铁水包两次孕育,浇注时再瞬时孕育,孕育量分别为0.3%、
0.2%、0.1%。
从上面的论述中,我们知道,高强度的铸铁要求铁水有长的静放时间,也就是说从出铁水到开始浇铸的时间应尽量长,这也就意味着浇注温度尽量低。从金属学有关铸铁凝固结晶方面看,低温浇注时,铁水充型后温度的下降速度快,这就增加了铁水结晶的过冷度,加大了成核的内动力,使得晶粒细化,从而提高铸件的机械强度。当然采用低温浇注,应注意与充型相平衡,应考虑低温浇注易产生浇注不足、卷入气孔等缺陷,确定一合理的平衡点,这与制动盘的大小、铸型的复杂程度、环境的温度、排气道是否通畅、产品的壁厚等因素有关。一般对于制动盘来说,选取的适宜浇注温度为1330℃～1360℃。
2.3 孕育方法
以上是从制动盘的使用要求出发,归纳了其品质要求,对比材料的性能特点、价格高低、制造难易程度、性能可塑性等做出初选,再运用金属学的理论作指导,合理采用改善性能的方法,对材料进行合金化,生产中进一步应用有利措施,增强材料性能的符合度,可以产出优良的制动盘产品。事实上,,也证明这。
[1] 陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,1981:81
,加晶核数量,,使获得细晶粒的珠光
DiscussiononExcellentMaterialforBrakeDiskandHowtoObtainIt
GAO Hui
(TechnologyOffice,ShanxiLinfenAutomobileMakingFactory,Shanxi041000,China)
Abstract:Onthebasisofthoroughanalysisontheserviceconditionofbrakediskofautomobile,thispaperputsforwardthemechanicpropertiesthatbrakediskshould
have:higherintensityandabrasionresistantability,highheatretainingperfor2mance,goodheatdurability,andgoodvibrationdampingresistance.Furthermore,thispaperproposesgraycastironasthematerialforbrakediskfromtechnicalandeconomicperspective,anddiscussesthetechnicalmeasurestoimprovetheperfor2manceofgraycastironusingmetallographicaltheory.Thereafter,thispaperputsforwardthecomponentdesignofthematerialforbrakedisk,whichsolvestechnologicalproblemsintheproductionoffoundrypractice.Keywords:brakedisk;graycastiron;castingtemperature;inoculationmethod
(责任编辑 黄忠国)
第16卷 第2期Vol.16 No.2重庆工学院学报
JournalofChongqingInstituteofTechnology2002年4月Apr.2002
文章编号:1671—0924(2002)02—0046—03
优良的制动盘材质及其获得方法的探讨
高 慧
(山西临汾汽车制造厂技术科,山西临汾 041000)
Ξ
摘要::较高的强度和耐磨损能力;高的蓄热性、。从技术,性能的技术措施,,。关
键
;;:4文献标识码:A
制动盘首先见于国外汽车上,就其使用的方法看,属于磨擦式制动器的范畴,即是通过摩擦使车辆的动能转换成热,再散发到大气中去的一种装置。与传统的鼓式散热器相比较,其散热性能好,适于高速行驶,对脚踏力有线性效果。因此,近年来在我国已得到部分采用,代表一种趋势,今后包括载重货车在内,将有一半以上的车辆使用盘式制动器即制动盘。
制动盘作为一种易损件、保安件,其结构及材质对汽车的使用性能、安全性能是至关重要的。结构的设计是汽车设计师的任务,在本文中不予谈及。材质的问题,是笔者探讨的内容,那么问题1:应该选用哪种材质?问题2:生产中如何获得呢?这里从其使用要求,罗列出其该有的品质,归纳出其应有的性能,然后,以此为目标,对照一般材料的性能,先做出初选,再应用冶金学的原理,通过成熟的理论分析,结合有关的实践经验,得出材料的成分组成,并进一步给出实际生产中如何很好获得的办法。
急,则动能的变化就越大,
制动盘上转移成的热量就越多,使其骤然的升温也就越高。高温对零件本身以及相邻零件的寿命、尺寸稳定、行车安全都是极为不利的因素,因此希望升温尽可能低,这就需要提高制动盘的热容性以及散热性。其途径无外乎有两方面,一是加大制动盘的尺寸;二是开发蓄热性大、导热性好的材料。前者会导致零件重量增加,安装尺寸加大,车轮本身也变大,这无疑对车辆的运动性能大为不利,燃油消耗加大,是不可取的。而后者正是要求材料所具有的品质之一:高的蓄热性、好的导热性。
另外,制动盘在使用时,一般由液压驱动的卡钳将衬片从两面夹紧制动盘的制动面,实现干摩擦而制动,使用中会磨消掉一些材料,使得制动处尺寸变薄,从安全的角度出发,一般规定其报废的最大磨损量单面不大于1毫米,从这一点不难看出,制动盘的材料应具有耐磨损的性能。
其次,有时我们会听说刹车失灵的情况,除机械故障原因之外,往往是出现了制动盘破裂所至。这可能是由于制动盘材料的强度不高,在骤然的制动摩擦力的作用下,发生了破坏。还有一种可能是由于急剧的制动升温,使得制动盘出现了高温热裂纹,这使得其基体组织受到割裂,还会在此处形成应力集中区,使小的裂纹逐渐变大,从而出现断裂损坏。这说明在制动盘的品质方面还应要求:高的强度、好的抗热裂性。
再就是,目前人们经常提到以人为本,满足乘座舒适
1 材质的选用
1.1 制动盘满足使用要求应具有的品质
从制动盘的使用上看,它同轮毂装配在一起,其功能就是通过与制动衬片进行干摩擦,将高速行驶的车辆的动能,转换成热能。这部分热能全部蓄积在制动盘上,并同时很快由其散发到大气中去。热能的蓄积使得制动盘的温度升高,车辆的载重量越大,行驶的速度越快,刹车越
Ξ收稿日期:2002-01-09
作者简介:高慧(1963-),女(汉族),山西省临汾人,工程师,主要从事铸造工艺及新产品开发工作.
高 慧:优良的制动盘材质及其获得方法的探讨
性。作为与人的生活息息相关的汽车,人们在感受它的方便之时,也重在享受它的舒适,特别对于客车而言更是如此。由于汽车在制动时,强烈的干摩擦会产生振动,并伴随着强烈的振鸣声,长期以来,会使人极为不适,也加速了汽车的损坏,因此,自然要求制动构件的振动衰减能力大,有抑制产生振鸣的效果。
综上所述,从使用的要求出发,需要制动盘具有的品质是:高的蓄热性、好的导热性、耐磨损能力强、高的强度、好的抗热裂性、抗振动衰减和抑制振鸣效果好等。其材质应是以上几种品质的综合、平衡,只考虑一项或几项,而对其余有所忽视,都不是好的选择,也就是说那不会是好的制动盘材质。
1.2 材料的初选
Cr,Ni,Mo,Cu,V,Si,Ti,B,
47
选用的原则是:来源方便,价格便宜,使用简单。首先,选用Cr,它可以强烈地提高强度,每加入1%,可以提高20%的强度,且提高抗热性最有效,加入量定为
[1]
0.4%,可提高强度8%,即扩大1.08倍。
其次选用Cu,因为加入Cr后,铸铁形成碳化物的倾向增大,加入铜可抵消其倾向,且同时可提高强度,每加入
[2]
1%的铜提高强度为10%。加入量定为0.6%,可提高强
度4.8%即扩大1.048倍。
按以上比例加入铬和铜后,1.0804815。它们的加,,阻止铁素体及碳化物。
,选取的材料成分定为:C:3.4%～
3.7% Si:1.8%～2.1% Mn:0.5%～0.7% S:
?较中认为应选灰铸铁。:一是灰铸铁是最经济的材料之一,无论从原材料的冶炼,还是从产品的生产,都体现出价格低廉的经济性。二是制作较容易,生产环节少,质量便于控制,成品率高,易于实现机械化。三是本身的性能特征,接近于制动盘的使用要求,通过合金化、热处理等较易操作的方法,可实现对性能较大的改善,从而满足一些特殊的性能要求,达到理想的制动盘材质。具体地说,可以充分利用铸铁中高碳元素的有利作用:1)碳在结晶时,大部分以自由状态(石墨)存在,它的比热容高,几乎是铁的两倍,因此,可较大地提高材料的蓄热性。2)石墨的基体很软,本身能吸收震动能,特别是灰铸铁中的细长片状石墨,分割了基体而不利于能量的传递,更使得机件具有了良好的振动衰减能力。3)石墨的存在,本身就相当于很多裂纹和缺陷,故铸铁的缺口敏感性比钢大为降低,特别是片状石墨的灰铁,尤为如此。这就是说,灰铁具有较符合制动盘所要求的品质,特别是其中的碳元素是有利因素之一。基于上述分析,结合生产经验,可初选灰铁成分的五大元素组成为:C:3.4%～3.7%Si:1.8%～
2.1%Mn:0.5%～0.7%S:
P:
0.5%。
2 制动盘生产的获得方法
材料的成分已经确定,那么有关熔炉操作的配料就不成问题,本文不作论述,这里所说的获得方法是指确定熔化温度、孕育方法、浇注温度等生产工艺参数,使它们向更有利于实现制动盘产品品质的方向发展。
2.1 熔化温度的选择
现代研究认为,过热度是铁水质量的重要标志,高质量的铁水要有高的过热度(过热度是指炉内铁水的温度减去铁水的熔化温度),也就是说,熔化时要尽量提高铁水的温度。据日本《铸物便览》介绍,铸件的抗拉强度与铁水过热度的平方和铁水静放时间的乘积成正比,这里详细的推论不再叙及,仅从原理上来分析。铁水在熔化中所进行的主要反应有:
Si+O2=SiO2 2Mn+O2=2MnO 2Fe+O2=2FeO
且Si、Mn与O2的亲合力大于Fe,因此还存在着:
Si+2FeO=S
iO+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe
中,突出了材料结晶时有利于石墨析出的元素。
1.3 用有关的成熟理论,完善材质的性能
这就是说在铸铁的熔炼中,Si、Mn及Fe的烧损是不可避免的。但是随着温度的升高,SiO2、MnO2的稳定性下降而C燃烧生成CO的稳定性提高。当铁水处在1400～1
500℃以上时,金属氧化物会出现以下还原反应:
SiO2+2[C]=Si+2CO↑ MnO+[C]=Mn+C0↑
按照以上的比例,在普通砂型潮模铸造的条件下,所获得的材料机械性能介于HT150及HT200之间,其抗拉强度在190Mpa、硬度在HB180左右,这样的强度和硬度有些偏低,可考虑通过合金化来实现强度和硬度的提高。在美国,制动盘的材质标准是按照ANSI/ASTM、A159-77中的
G3000,重要的执行G3000b,其抗拉强度为205.8MPa,硬
这样,先被氧化掉的Si、Mn还可在高温铁水保温状态下重新得到还原,而且生成的稳定气相CO的逸出,不仅可以减少铁水的氧化,还有利于杂质及其他气体随之上浮,使铁水得到净化,从这里我们可以理解,过热度及保温时间,使铸铁机械性能增加的道理。这就是说制动盘生产时,要求熔化温度尽量高,最好在1500℃以上,最低不低
度为HB200,其中也强调含碳量不低于3.4%。参照这一标准,以上的材料强度及硬度应扩大1.15倍,这应从添加能促进珠光体生成,同时得保证其塑性、热稳定性的元素考虑,这些元素一般是:
48
于1460℃。
2.2 浇注温度的选择
重庆工学院学报
体和细片状石墨的组织,这也是制动盘材质所需要的。为了使孕育效果明显,应采用复合孕育处理,即在出铁槽、铁水包两次孕育,浇注时再瞬时孕育,孕育量分别为0.3%、
0.2%、0.1%。
从上面的论述中,我们知道,高强度的铸铁要求铁水有长的静放时间,也就是说从出铁水到开始浇铸的时间应尽量长,这也就意味着浇注温度尽量低。从金属学有关铸铁凝固结晶方面看,低温浇注时,铁水充型后温度的下降速度快,这就增加了铁水结晶的过冷度,加大了成核的内动力,使得晶粒细化,从而提高铸件的机械强度。当然采用低温浇注,应注意与充型相平衡,应考虑低温浇注易产生浇注不足、卷入气孔等缺陷,确定一合理的平衡点,这与制动盘的大小、铸型的复杂程度、环境的温度、排气道是否通畅、产品的壁厚等因素有关。一般对于制动盘来说,选取的适宜浇注温度为1330℃～1360℃。
2.3 孕育方法
以上是从制动盘的使用要求出发,归纳了其品质要求,对比材料的性能特点、价格高低、制造难易程度、性能可塑性等做出初选,再运用金属学的理论作指导,合理采用改善性能的方法,对材料进行合金化,生产中进一步应用有利措施,增强材料性能的符合度,可以产出优良的制动盘产品。事实上,,也证明这。
[1] 陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,1981:81
,加晶核数量,,使获得细晶粒的珠光
DiscussiononExcellentMaterialforBrakeDiskandHowtoObtainIt
GAO Hui
(TechnologyOffice,ShanxiLinfenAutomobileMakingFactory,Shanxi041000,China)
Abstract:Onthebasisofthoroughanalysisontheserviceconditionofbrakediskofautomobile,thispaperputsforwardthemechanicpropertiesthatbrakediskshould
have:higherintensityandabrasionresistantability,highheatretainingperfor2mance,goodheatdurability,andgoodvibrationdampingresistance.Furthermore,thispaperproposesgraycastironasthematerialforbrakediskfromtechnicalandeconomicperspective,anddiscussesthetechnicalmeasurestoimprovetheperfor2manceofgraycastironusingmetallographicaltheory.Thereafter,thispaperputsforwardthecomponentdesignofthematerialforbrakedisk,whichsolvestechnologicalproblemsintheproductionoffoundrypractice.Keywords:brakedisk;graycastiron;castingtemperature;inoculationmethod
(责任编辑 黄忠国)