制动鼓用含锡蠕墨铸铁的冲击韧性.pdf

2 0 1 5 年3 月第3 9 卷第3 期V 0 1 3 9N o 3 M a r 2 0 1 5 制动鼓用含锡蠕墨铸铁的冲击韧性 赵靖字1 ，吕烨哲L 2 ，孙玉福1 ，司光东1 ，吴越1 ( 1 郑州大学材料科学与工程学院，郑州4 5 0 0 0 2 ；2 瑞典皇家R _ r - 学院机械设计系，斯德哥尔摩S E - 1 0 0 4 4 ) 摘要：研究了不同锡含量蠕墨铸铁的冲击韧性及冲击断1 2 形貌。结果表明：锡主要以固溶的 形式均匀分布在基体组织中，在石墨中的分布相对较少；随着锡含量增多，蠕墨铸铁的冲击韧性先 增大后减小，锡质量分数为0 0 5 7 时，冲击功最高，为9 1 1J ；锡质量分数为0 0 0 3 和0 1 2 1 蠕 墨铸铁的冲击断1 2 为典型的解理断裂，断口上存在扇形河流花样，游离渗碳体和粗大的蠕虫状石墨 易成为裂纹源；锡质量分数为0 0 2 8 和0 0 5 7 蠕墨铸铁的冲击断口上无解理面，为准解理断裂； 适量的锡可提高蠕墨铸铁的冲击韧性，但过量后会使冲击韧性迅速恶化。 关键词：蠕墨铸铁；锡；元素分布；冲击韧性 中图分类号：T G l 4 3 4 9文献标志码：A文章编号：1 0 0 0 3 7 3 8 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 8 0 0 4 I m p a c tT o u g h n e s so fC o m p a c t e dG r a p h i t eI r o n C o n t a i n i n gS nU s e df o rB r a k eD r u m s Z H A OJ i n g - y u l ，L UY e - z h e l ”，S U NY u - f u l ，S IG u a n g - d o n 9 1 ，、) UY u e l ( 1 S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ； 2 D e p a r t m e n to fM a c h i n eD e s i g n ，R o y a lI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，S t o c k h o l mS E - l 0 0 4 4 ，S w e d e n ) A b s t r a c t ：T h ei m p a c t t o u g h n e s sa n di m p a c tf r a c t u r em o r p h o l o g yo fc o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n ( C G I ) c o n t a i n i n gS nw e r ei n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tS nm a i n l ys o l i d l yd i s s o l v e du n i f o r m l yi nt h em a t r i xb u t d i s t r i b u t e dl e s si nt h eg r a p h i t e W i t ht h ei n c r e a s eo fS nc o n t e n t ，t h ei m p a c tt o u g h n e s so fC G If i r s t l yi n c r e a s e da n d t h e nd e c r e a s e d ，a n dw h e nt h em a s sf r a c t i o no fS nW 3 S0 0 5 7 ，t h ei m p a c te n e r g yw a st h eh i g h e s t ，u pt o9 11J T h ei m p a c tf r a c t u r eo ft h eC G I sc o n t a i n i n g0 0 0 3 S na n d0 1 2 1 S ns h o w e dt y p i c a lc l e a v a g ef r a c t u r e sa n dr i v e r p a t t e r n s F r e ec e m e n t i t ea n db u l kv e r m i c u l a rg r a p h i t ew e r es u p p o s e dt ob et h ei n i t i a lo r i g i n so fc r a c k s F r a c t u r eo f t h eC G I sc o n t a i n i n g0 0 2 8 S na n d0 0 5 7 S ne x h i b i t e dq u a s i c l e a v a g ep a t t e r n sa n dn oc l e a v a g ef a c e t sw e r e f o u n d A p p r o p r i a t eS nc o n t e n th e l p st oi n c r e a s et h ei m p a c tt o u g h n e s so fC G Ib u te x c e s s i v eS ns p e e d i l yd a m a g e st h e i m p a c tt o u g h n e s s K e yw o r d s ：c o m p a c t e dg r a p h i t ei r o n ；S n ；e l e m e n td i s t r i b u t i o n ；i m p a c tt o u g h n e s s 0 引言 当今汽车行业发展的主题是节能、环保和安 全E 1 。汽车行驶速度和承载质量的不断提高，对其 零部件的各项性能提出了更高的要求。其中制动鼓 作为关键的制动部件，其性能的优劣直接影响到汽 车的安全性 2 。由于制动鼓在使用过程中会反复承 受机械载荷、磨损和热冲击等，为易损耗件，一直以 来均以价格相对低廉的灰铸铁制造 3 _ 4 。 收稿日期：2 0 1 3 1 0 2 7 ；修订日期：2 0 1 4 1 1 2 1 作者简介：赵靖宇( 1 9 7 7 一) ，男，河南鹤壁人，工程师，硕士。 通讯作者：孙玉福教授 8 0 蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的新兴工程材 料，其力学性能、耐磨性能及耐热疲劳性能均优于灰 铸铁的，因此已逐步代替灰铸铁，成为汽车制动鼓的 理想材料 2 5 。近年来，国内外学者对蠕墨铸铁在 制动鼓上的应用进行了较多研究，通过在其中加入 钒、钛、铬等碳化物形成元素有效提高了蠕墨铸铁制 动鼓的强度和耐磨性能 6 8 。 然而，汽车制动鼓的工况条件十分复杂，除了上 述静载荷外，紧急制动时还会遭受强烈的瞬时冲击 载荷，而这一点却没有引起材料研究人员的广泛重 视。为了提高蠕墨铸铁的冲击韧性，仅通过加入碳 化物形成元素往往是不能实现的。而在非碳化物形 万方数据 重医盈四 成元素中，铜、锡等能够促进珠光体的形成和细化， 是铸铁生产中稳定、高效的合金元素 9 - 1 2 ，其中加 入较少量的锡就能产生良好的效果，且生产成本更 低。作者已研究并报道了锡对铸态蠕墨铸铁显微组 织及抗拉强度的影响 13 | ，在此基础之上，继续研究 了锡对蠕墨铸铁冲击韧性的影响，并对不同锡含量 蠕墨铸铁的冲击断口进行观察，分析了其断裂形式 及断裂机理。 1 试样制备与试验方法 试样的制备在驻马店中集华骏铸造有限公司二 铸铁车间完成，原材料为该厂蠕墨铸铁回炉料4 5 ( 质量分数，下同) + 生铁2 0 + 废钢3 5 ，采用 5 0 0k g 中频感应电炉熔炼，砂型浇注，喂丝法蠕化 孕育，蠕化剂为F e S i M 9 3 R E 8 C a 2 ，加入量为0 4 5 ， 孕育剂为F e S i 7 5 C a B a ，加入量0 5 ，在出铁液前加 入。设计锡的加入量分别为0 ，0 0 3 ，0 0 6 ， 0 0 9 和0 1 2 ，由于锡的熔点低( 2 3 1 8 9 ) 、沸 点高( 约22 6 0 ) ，易于添加，故在出铁液前2r a i n 加入炉中，出铁液温度控制在15 0 0 15 2 0 之 间。 依据G B T2 6 6 5 5 2 0 1 1 蠕墨铸铁件浇注Y 型试样，试样尺寸如图1 所示，阴影部分为有效部 分；同时制备白口试样进行化学成分分析，测得各试 样的化学成分如表1 所示。 图1Y 型单铸试样的尺寸 F i g 1 D i m e n s i o n so fs e p a r a t e dY - b l o c kt e s tb a r 表1 不同试样的化学成分( 质量分数) T a b 1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no f d i f f e r e n ts a m p l e s ( 1 1 1 髑) 试样编号 CS iM nPSC rS n 13 5 02 3 20 6 90 0 2 90 0 1 80 0 3 20 0 0 3 23 4 82 3 60 7 10 0 2 80 0 1 7 0 0 3 00 0 2 8 33 5 42 3 10 6 80 0 3 10 0 1 8 0 0 2 70 0 5 7 43 5 22 3 4O 6 60 0 2 70 0 1 50 0 3 10 0 9 2 53 5 22 3 30 6 80 0 2 90 0 1 60 0 2 90 1 2 1 冲击韧性试验依据G B T2 2 9 2 0 0 7 金属材 料夏比摆锤冲击试验方法，在Z B C 3 0 0 0 型摆锤式 冲击试验机上进行，试样尺寸为1 0m m 1 0m m X 5 5m m ，试样无缺口，冲击性能取三个试样的平均 值；采用P h i l i p s q u a n t a - 2 0 0 0 型扫描电子显微镜观 察冲击断口形貌并对试样进行成分面扫描，分析碳、 铁、硅、硫、锡元素的分布情况；采用D 8 一F O C U S 型 X 射线衍射仪进行物相分析，铜靶K 。射线，工作电 压为4 0k V ，电流为4 0m A ，扫描速度为1 2 ( 。) m i n ，扫描角度范围为2 0 。9 0 。 2 试验结果与讨论 2 1 锡在蠕墨铸铁中的分布 文献指出，蠕墨铸铁中加入o O 1 5 的锡，不 会影响石墨的蠕化，但却会使石墨数量有所减少，平 均尺寸有所减小，这与作者之前的研究结果相 同 14 | 。此外作者发现，随锡含量增多，蠕墨铸铁中 的珠光体数量逐渐增加，当锡含量约为0 0 6 时， 蠕墨铸铁中的珠光体可达9 5 级别；当锡含量超过 0 1 之后，由于硅大量负偏析于初析奥氏体中，使 得共晶溶液内的石墨异质形核核心不足，极易生成 游离的渗碳体组织。 由图2 可知，大部分碳富集形成石墨，极少部分 分布于基体组织中；铁主要形成基体组织，基本不固 溶于石墨；硅和硫在基体和石墨中基本上呈均匀分 布；锡主要以固溶的形式均匀分布在基体中，未生成 明显的高锡相( X R D 分析未发现富锡的第二相出 现) ，在石墨中的含量相对较少。 2 2 锡对冲击韧性的影响 从图3 中可以直观地看出，随锡含量增多，蠕墨 铸铁的冲击功先增大后减小；锡含量为0 0 5 7 时， 蠕墨铸铁的冲击功最高，为9 1 1J ，锡含量为 0 1 2 1 时冲击功最低，为5 0 8J 。 韧性是材料在塑性变形直至断裂过程中吸收能 量的能力，因此是塑性