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铸铁中______的过程称为石墨化，影响铸铁石墨化的主要因素有______和______等。
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刹车盘用高碳当量灰铸铁组织和性能的研究
摘要：灰铸铁一直是刹车盘常用的材料。作为刹车盘材料的灰铸铁应具有高的强度、良好的导热性和耐磨性。高碳当量灰铸铁具有优良的导热性和铸造性能，是刹车盘材料的发展方向。但是，高碳当量灰铸铁因组织中有较多粗大的石墨强度通常很低。本文分析了改善高碳当量灰铸铁性能的途径，其中包括调整铁液化学成分、微合金化、优化熔炼工艺和孕育处理等。在此基础上，通过改变Mn、S含量研究了碳当量介于4.10～4.20三组灰铸铁的组织和性能。研究结果表明：为了改善高碳当量灰铸铁的性能，应在微量合金化的同时采用较高的Mn、S含量，避免在组织中出现粗大的片状石墨，降低其强度；同时Mn的加入量不宜太高，否则会抑制石墨的析出，使石墨片相对细小，不利于其导热性。
关键词：高碳当量灰铸铁；合金化；显微组织；性能
1.1 制动器的介绍及研究意义
1.1.1 制动器的介绍从汽车诞生时起，车辆制动系统就在车辆的安全方面扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。在汽车的制动系统中，它的关键部件之一就是制动器。目前我们比较常见的制动器主要有鼓式制动器和盘式制动器两种，即鼓刹和盘刹，如图1.1、1.2所示。
鼓式制动器
盘式制动器
鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，迄今有接近一个世纪的历史，当盘式制动器还没有出现之前，它已经广泛应用于各类汽车上。鼓刹的最大优点就是具有良好的自刹作用，能够提供强大的制动力，在相同直径下，鼓刹的力度要大于盘刹。另外，刹车鼓的结构简单，制造成本较低。但由于结构相对封闭，刹车蹄片和刹车鼓的摩擦表面很难散热，刹车鼓在受热后直径会增大，造成踩下刹车踏板的行程加大，出现制动效果衰退现象，长时间刹车将导致刹车失灵。这种结构的另一个弊端就是进入刹车鼓里的杂质或摩擦过程中脱落的磨粒很难自动清理，加速刹车鼓的磨损。
盘式制动器的刹车盘裸露在空气中，这种设计恰好解决了散热难和杂质难自动清理的问题。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘刹比鼓刹更容易在较短的时间内令汽车停下来。盘式制动器刹车灵敏，可做高频率刹车动作或高速行驶时的紧急刹车。但是盘刹的制动力比鼓刹小，而且必须要有助力装置的车辆才能使用，成本也比较高，所以只能适用于轻型车上。
1.1.2 研究意义随着技术的进步，鼓刹在轿车领域已逐步让位给盘刹。不过由于鼓刹成本较低，目前它仍然在一些经济型轿车中使用，主要用于制动负荷较小的后轮和驻车制动。而相对低速，且需要大制动力的卡车、客车，仍然采用鼓刹。但鼓刹有刹车不够灵敏、刹车鼓容易过热等缺陷，而这些缺陷有时能产生致命的伤害，如城市里的公交车，如果刹车不灵敏，容易产生车祸；卡车、客车在山区道路连续下长坡过程中容易造成刹车鼓过热，轻则降低刹车效果，重则导致车辆制动失灵，最终车毁人亡，特别是重卡出现这种事故的概率更高。因此有必要对刹车盘的材料做进一步研究，以满足更大制动力的需求。
1.2 刹车盘的失效分析刹车盘是汽车的重要安保件，对汽车的安全行驶起着至关重要的作用，也是汽车日常检修中重要检查部件。经查阅相关资料，刹车盘的失效形式主要有两种：一是热疲劳失效，二是逐步磨损失效。
热疲劳失效是指刹车盘使用一段时间以后，在摩擦力和不均匀的冷热循环下，刹车盘的内部产生循环应变，并由此导致裂纹和断裂的失效。通常，在一次紧急制动过程中，刹车盘和摩擦块的摩擦表面温度可升到500℃以上，此时刹车盘的强度和热导率明显降低。接触面因受摩擦热而使该处组织发生相变（在400～600℃时，珠光体分解），产生相变应力；同时，由于刹车盘在厚度方向的温度梯度变大，形成温度应力。在冷热交替和外力的作用下，材料发生了疲劳，产生了微小裂纹。在摩擦力的作用下，裂纹扩展。许多小裂纹，结合在一起，形成长的裂纹，裂纹多呈断续或连续状，如图1.3所示。长裂纹可能使刹车盘突然断裂，威胁着汽车的制动性能，因此刹车盘的热疲劳性能至关重要。对于卡车和大巴，其制动力更大，产生的摩擦热也更多。如果把刹车盘应用到这类车上，则材料的抗热疲劳能力应当要更好。否则，刹车盘很容易在大的摩擦热和切向力的作用下发生变形或开裂。
逐步磨损失效是指刹车盘在使用过程中，其厚度不断减小，减小到一定厚度时，刹车盘的强度不能满足正常的制动需求而造成的失效。刹车盘的主要磨损形式为磨粒磨损。磨粒磨损的机理是刹车盘表面的硬质相首先与配对副材料接触，构成第一摩擦面，起着承受磨损骨架的作用；基体与石墨构成第二摩擦面，当软基体被磨损后储存润滑油起润滑作用。所以刹车片和刹车盘之间的摩擦实际多为凸点状接触摩擦，提高了材料的耐磨性。由此可见，硬质相的性质决定着刹车盘的磨损性能[1]。
1.3 刹车盘的组织要求作为刹车盘材料，首先就要克服上一节所说的热疲劳失效和磨损失效问题。另外，随着生活水平的提高，还要求刹车盘具有噪音小、抗抖动性好的特点。与其他传统材料相比，灰铸铁具有更好的导热性、耐磨性和抗抖动性，另外，灰铸铁的价格也比较便宜。因此，长期以来灰铸铁一直是刹车盘的首选材料。以前，刹车盘材料以普通灰铸铁 HT150 和 HT200 为主。这类刹车盘的优点是没有刹车抖动，也不会产生刺耳的制动异响。但是，由于这类刹车盘的材质软，强度低，在使用过程中容易产生疲劳裂纹和磨损，使用寿命较短，已满足不了新形势下的市场需求。
材料的性能与成分、组织之间有密切的联系。为了解决刹车盘热疲劳失效的问题，刹车盘材料首先应具有高的热导率，因为采用高导热率材料可以显著降低制动初期刹车盘表面与内部的温差。石墨具有优良的导热性，所以可以采用高碳当量灰铸铁来生产刹车盘。因为高的碳当量可在灰铸铁的显微组织中形成大量的石墨，使其具备较好的热传导性和减震性。但高碳当量灰铸铁难以获得高的强度，其力学性能指标较低（σb＜200MPa），容易使微小裂纹扩展，抗热疲劳能力差。因此，有必要在提高碳当量的同时，改善灰铸铁的性能，提高其强度，从而充分发挥灰铸铁的特长。
每年都有大量的刹车盘、刹车片因磨损过量而报废。对于刹车盘来说，提高耐磨性是必须的。在上一节刹车盘失效分析中，我们分析出硬质相的性质决定着刹车盘的磨损性能，因此在高碳当量灰铸铁中加入一定量的强碳化物形成元素，可以提高刹车盘的耐磨性。这主要是因为强碳化物元素可以通过沉淀强化的方式析出硬质颗粒相。强碳化物形成元素的含量也不是越多越好，如果强碳化物形成元素加入量过多，容易富集形成大的块状，在摩擦过程中，容易脱落，且对基体有犁削作用，使刹车盘产生沟槽，加速磨损。
1.4 国内外研究现状1.4.1 国外研究现状随着市场的发展，对刹车盘性能的要求也越来越高。为了提高刹车盘的强度和耐热性，避免使用过程中的“热裂”，需要在灰铸铁中加入一些合金元素如: Ni、Cu、Mo、Cr 等。世界各国所采用灰铸铁刹车盘材料各不相同，英、美等国主要用高 C 低合金(V、Mo)铸铁，前苏联采用 Cr、Ni、Mo 合金铸铁，德国则采用 Cu、Cr、Sn 合金铸铁[2]。蠕墨铸铁具有良好的抗热疲劳能力，因此国内外在80年代中后期对其在制动器上的应用展开了研究。为了提高铸铁的热传导特性，也有关于高导热铸铁的研究。
随着陶瓷材料和碳纤维材料的发展，目前已有商用的陶瓷刹车盘。由于其价格较高，陶瓷刹车盘主要应用在超级跑车上。陶瓷刹车盘并非就是普通陶瓷，而是在1700℃高温下碳纤维与碳化硅合成的增强型复合陶瓷。陶瓷盘的重量只有普通铸铁盘的一半不到。更轻的刹车盘就意味着悬挂下重量的减轻，这令悬挂系统的反应更快，因而能够提升车辆整体的操控水平。另外，普通的刹车盘容易在全力制动下因高热产生热衰退，而陶瓷刹车盘能有效而稳定的抵抗热衰退，其耐热效果比普通刹车盘高出许多倍。还有，陶瓷刹车盘在制动最初阶段就立刻能产生最大的刹车力，因此甚至无需增加刹车辅助系统，而整体制动比传统刹车系统更快、制动距离更短。为了抵抗高热，在制动活塞与刹车衬块之间有陶瓷来隔热，陶瓷刹车盘有非凡的耐用性，如果正常使用是终生免更换的，而普通的铸铁刹车盘一般用上几年就要更换。
1.4.2 国内研究现状由于我国汽车工业起步晚，整体实力不强，所以在过去很长的一段时间里没有重视作为汽车零部件的刹车盘，刹车盘材料停留在HT150和HT200上。近十年来，随我国汽车工业的迅速发展，改善汽车制动性能，提高汽车的市场竞争力，成了迫在眉睫的问题。许多汽车制造公司在原来灰铸铁刹车盘材料的基础上，通过提高碳当量、添加合金元素和强化孕育等措施来开发高碳当量高强度灰铸铁刹车盘材料，以改善汽车刹车盘的性能。如江淮卡车原先存在制动鼓亮斑、黑斑、网状裂纹以及制动异响等现象。后来调整材料化学成分，在普通灰铸铁HT200的基础上，调整C、Si量，并加入适量的Cr、Cu、Sn，采用强化孕育的措施，有效地提高了制动鼓的强度和抗热疲劳性能，使制动鼓的使用寿命由原来的不足 3万公里提高到6万公里以上,而其成本增加不足5%,经济效益十分明显[3]。
2 改善高碳当量灰铸铁性能的途径灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成。主要的金属基体形式有珠光体、铁素体和珠光体加铁素体三种。石墨片以不同的数量、大小、形状分布于基体中。此外，还有少量非金属夹杂物，如硫化物、磷化物等[4]。石墨片的形态、尺寸和基体中珠光体、铁素体比例等因素决定了灰铸铁的性能。高强度灰铸铁组织应为：有一定数量的奥氏体枝晶为骨架，有足够的共晶团数目，石墨呈A 型，中等尺寸的片状石墨，片间距较小的百分之百珠光体[5]。经过国内外铸造工作者多年来的研究，对于如何改善灰铸铁性能总结出以下几个方面的措施：(1)调整铁液化学成分，主要是调整Si/C 和M n、S的含量，促进石墨化和细化石墨；（2）加入合金元素，强化灰铸铁；(2)优化熔炼工艺，提高铁水的冶金质量；(3)孕育处理，细化晶粒。近年来，由于铁水质量的提高，孕育剂的广泛应用，使灰铸铁的性能有了明显的改善。
2.1 调整铁液化学成分合适的化学成分是保证高碳当灰铸铁材料具有优异的性能跟理想组织的前提条件。在本次研究中，为了满足刹车盘高导热率和优良的抗热疲劳性能，在普通灰铸铁HT200的基础上，对其成分做一个调整。在保持高C含量的前提下，相应地调整Si、Mn、S含量，使其既利于A型石墨的产生又利于珠光体基体组织的形成。
2.1.1 碳和碳当量CE的选择C在灰铸铁中常以片状石墨的形式存在，石墨片的强度和硬度极低，相对于铁来说可以视为零，且片状石墨对灰铸铁的基体有严重的割裂作用，因此，灰铸铁中的C含量越高，其强度和硬度越低。
在高强度灰铸铁的发展历程中，传统做法是降低碳当量, 提高Mn的含量, 从而提高灰铸铁中珠光体的比例，最终提高灰铸铁强度[6]。这是因为碳当量越低，在凝固过程中，共晶反应前析出的初生奥氏体枝晶的量越多，奥氏体骨架得到强化。但是, 降低碳当量来提高灰铸铁强度的方法不仅不利于加工制造，也不利于提高材料的导热性。当前，随着发动机缸体和刹车盘对灰铸铁材料要求的不断提高，高强度灰铸铁向着高碳当量的方向发展。根据刹车盘的特点和性能要求，经查相关资料，以C=3.3％～3.5％、CE=3.9％～4.2％为宜。
2.1.2 硅和Si∕C值的选择Si在灰铸铁中是强烈的促进石墨化元素。因为随着含Si量的增加，共晶点和共析点左移，导致初生奥氏体、共晶产物和共析产物中含碳量减少。另外，Si促进共晶温度和共析温度的提高，有利于石墨的析出，所以Si促进所有阶段的石墨化过程。虽然Si促进石墨化过程对灰铸铁的强度不利，但Si能促进初生奥氏体枝晶的生长，且最终固溶到铁素体中，提高了基体的强度，所以Si的作用是双重的。
图2.1[4]为不同Si/C对灰铸铁强度的影响。从图中可以看出，当Si/C不断提高时，强度先上升后下降。这是因为，Si是一个促进石墨化元素，其石墨化作用所析出的游离石墨片破坏了灰铸铁的连续性，严重损害了抗拉强度。另一方面，Si又可以对灰铸铁基体组织中的铁素铁起到固溶强化作用，相应的提高铸铁的抗拉强度。这说明，Si提高强度有一个临界值，在稍低于这个临界值之下时，会增加珠光体数量，进而提高铸铁强度。当 Si/C提高到一定程度，Si 含量增加到这个临界值以上时，由于高Si/C值和高CE的双重影响使石墨粗大和珠光体量下降，强度降低。Si/C不断提高，共析转变温度也在提高，使珠光体在较高温度下形成，片层间距增大；又因为高Si使C在奥氏体中的溶解度急剧下降，使奥氏体向铁素体的转变量增多。因此，Si/C提高可以产生两种相反的影响[7]。在高碳当量(3.9%～4.2%)下，Si/C值控制在0.65～<sp
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&#12288;&#12288;钛在高碳当量灰铸铁中具有石墨化和反石墨化的双重作用。其含量较低时表现为石墨化作用,含量较高时则为反石墨化作用。在冷却快的水冷金属型中表现为反石墨化作用。……
[关键词]：;;;;;;;;;
[文献类型]：期刊
[文献出处]：《》
1994年03期
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万千书刊，个性订阅促进铸铁材料中石墨化的元素有哪些_百度知道
促进铸铁材料中石墨化的元素有哪些
铸铁中常见的元素C，Si、Mn、P、S中，C，Si是强烈促进石墨化的元素，S是强烈阻碍石墨化的元素。
一，铸铁的石墨化过程
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。铸铁组织形成的基本过程就是铸铁中石墨的形成过程。因此，了解石墨化过程的条件与影响因素对掌握铸铁材料的组织与性能是十分重要的。 根据Fe－C合金双重状态图，铸铁的石墨化过程可分为三个阶段：
第一阶段，即液相亚共晶结晶阶段。包括，从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨，从共晶成分的液相中结晶出奥氏体石墨，由一次渗碳体和共晶渗碳体在高温退火时分解形成的石墨。
中间阶段，即共晶转变亚共析转变之间阶段。包括从奥氏体中直接析出二次石墨和二次渗碳体在此温度区间分解形成的石墨。
第三阶段，即共析转变阶段。包括共折转变时，形成的共析石墨和共析渗碳体退火时分解形成的石墨。
二、影响铸铁石墨化的因素
铸铁的组织取决于石墨化进行的程度，为了获得所需要的组织，关键在于控制石墨化进行的程度。实践证明，铸铁化学成分、铸铁结晶的冷却速度及铁水的过热和静置等诸多因素都影响石墨化和铸铁的显微组织。
1.化学成分的影响；
铸铁中常见的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是强烈促进石墨化的元素，S是强烈阻碍石墨化的元素。实际上各元素对铸铁的石墨化能力的影响极为复杂。其影响与各元素本身的含量以及是否与其它元素发生作用有关 ，如Ti、Zr、B、Ce、Mg等都阻碍石墨化，但若其含量极低（如B、Ce＜0.01％，T＜0.08％）时，它们又表现出有促进石墨化的作用。
2.冷却速度的影响 一般来说，铸件冷却速度趋缓慢，就越有利于按照Fe-G稳定系状态图进行结晶与转变，充分进行石墨化；反之则有利于按照 Fe-Fe3C亚稳定系状态图进行结晶与转变，最终获得 白口铁。尤其是在共析阶段的石墨化，由于温度较低，冷却速度增大，原子扩散困难，所以通常情况下，共析阶段的石墨化难以充分进行。
铸铁的冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、传型材料的导热能力以及铸件的壁厚等因素有关。而且通常这些因素对两个阶段的影响基本相同。 提高浇注温度能够延缓铸件的冷却速度，这样既促进了第一阶段的石墨化，也促进了第二阶段的石墨化。因此，提高浇注温度在一定程度上能使石墨粉化 ，也可增加共析转变。
3.铸铁的过热和高温静置的影响 在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁中的石墨基体组织的细化，使铸铁强度提高。进一步提高过热度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗联体，使强度反而下降，因而存在一个‘临界温度’。临界温度的高低，主要取决于铁水的化学成分及铸件的冷却速度．一般认为普通灰铸铁的临界温度约在℃左右，所以总希望出铁温度高些。
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