合金元素Sn對(duì)剎車盤鑄件組織性能的影響*

(江蘇恒立液壓股份有限公司常州鑄造分公司，江蘇 常州 213164)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)高速鐵路得到了跨越式的發(fā)展。高速鐵路最突出的優(yōu)勢(shì)就是安全性，所以對(duì)關(guān)鍵鑄鐵件的質(zhì)量提出了更高的要求。其中，剎車盤鑄件作為高鐵的制動(dòng)系統(tǒng)，關(guān)鍵的安全零部件，質(zhì)量要求高，不允許存在任何縮松缺陷，且須有良好的組織、抗拉強(qiáng)度和硬度等性能。由于鑄件的組織和力學(xué)性能很大程度上取決于鐵水的化學(xué)成分，因此，通過(guò)鐵水成分的調(diào)整可以為改善鑄件產(chǎn)品組織和性能提供基礎(chǔ)保障[1-3]。

合金元素Sn是影響剎車盤鑄件組織和力學(xué)性能的重要元素[4-5]，需要采用恰當(dāng)?shù)奶砑恿縼?lái)獲得剎車盤鑄件產(chǎn)品所需要的最優(yōu)組織和性能。為此，本研究通過(guò)鑄造獲得了不同添加量的合金元素Sn的剎車盤鑄件，研究了合金元素Sn對(duì)鑄件組織和性能的影響，并確定Sn的最佳添加量。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品化學(xué)成分及性能

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

剎車盤鑄件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由剎車盤本體a和50個(gè)散熱筋b兩部分組成。剎車盤本體外直徑600 mm，剎車盤本體壁厚25 mm，鑄件重量約60 kg。

圖1 剎車盤鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 化學(xué)成分

剎車盤材料為HT250，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 剎車盤鑄件化學(xué)成分要求w(%)

表2 剎車盤鑄件力學(xué)性能要求

2 試驗(yàn)方法

通過(guò)一定爐料配比，然后通過(guò)改變合金元素Sn的添加量，制備不同含量Sn的高鐵剎車盤試樣，試驗(yàn)條件和方法如下：試驗(yàn)用原料為生鐵、廢鋼和舊鐵，將一定比例的爐料烘干處理后，放入容量為1 t的 FS60/6T型ABP中頻無(wú)芯感應(yīng)試驗(yàn)電爐中進(jìn)行熔煉，熔煉完成后采用FOX 15型KW SLS 全自動(dòng)澆注機(jī)進(jìn)行澆注，包內(nèi)孕育采用加入量0.43%的硅鋇孕育劑，隨流采用加入量0.15%的硅鍶鋯孕育劑，分別澆注6種不同Sn含量的高鐵剎車盤鑄件，澆注溫度(1440±10) ℃，冷卻到300 ℃后開箱，待鑄件冷至室溫后進(jìn)行表面清理。其中采用斯派克直讀光譜儀檢測(cè)鑄件化學(xué)成分。

在剎車盤摩擦面截取試塊，制成金相、硬度和拉伸試棒。采用HXD-1000TMC光學(xué)顯微鏡觀察石墨形狀和大小；用DDL300型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗拉強(qiáng)度。采用HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬度測(cè)試，壓頭為φ10的鋼球，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用同一爐鐵水進(jìn)行澆注，通過(guò)在澆注包中添加不同比例的小Sn塊來(lái)獲得所需的Sn量，具體試驗(yàn)方案見表3。

表3 剎車盤熔煉工藝參數(shù)

3.1 合金元素Sn對(duì)剎車盤鑄件組織的影響

圖2為不同Sn含量的剎車盤鑄件的石墨形態(tài)。由圖2(a)為Sn的添加量為0的石墨形態(tài)，石墨形態(tài)為呈片狀石墨(A型)；圖2(b)為Sn的添加量為0.08%的石墨形態(tài)，石墨形態(tài)沒有明顯的變化；圖2(c)為Sn的添加量為0.11%的石墨形態(tài)，石墨形態(tài)未發(fā)生變化，但是石墨形態(tài)細(xì)?。划?dāng)Sn繼續(xù)增加時(shí)，石墨形態(tài)除了A型石墨外，且出現(xiàn)了少量的D型石墨，如圖2(d)所示。主要原因是由于Sn含量的不斷增加，對(duì)碳的擴(kuò)散起阻礙作用[6]。表4為不同Sn含量的剎車盤鑄件金相組織。

圖2 不同Sn含量剎車盤鑄件的石墨形態(tài)

3.2 合金元素Sn對(duì)剎車盤鑄件硬度的影響

圖3為合金元素Sn對(duì)剎車盤鑄件硬度的影響。由圖3可見，隨著Sn含量的升高，剎車盤鑄件的硬度總體呈逐漸升高趨勢(shì)；當(dāng)Sn加入量從0.05%到0.11%時(shí)，鑄件的硬度從202 HB上升到224 HB，相對(duì)值提高9.8%；當(dāng)Sn加入量從0.11%到0.17%時(shí)，

表4 剎車盤的金相組織

鑄件的硬度從224 HB上升到243 HB，相對(duì)值提高7.8%。此外，從圖中可以看出，當(dāng)Sn含量小于0.02%時(shí)，剎車盤鑄件的硬度不滿足鑄件性能的要求。

圖3 Sn含量對(duì)剎車盤鑄件硬度的影響

3.3 合金元素Sn對(duì)剎車盤鑄件抗拉強(qiáng)度的影響

圖4為Sn對(duì)剎車盤鑄件抗拉強(qiáng)度的影響。從圖4可見，Sn含量在0%～0.11%時(shí)，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度逐漸增加，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度從180 MPa提高到282 MPa；當(dāng)Sn含量在0.11%～0.17%時(shí)，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度逐漸減小，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度從282 MPa降低到264 MPa；Sn為0.11%時(shí)鑄件抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為282 MPa。此外，從圖中可以看出，當(dāng)Sn含量小于0.03%時(shí)，抗拉強(qiáng)度不符合剎車盤鑄件性能要求。剎車盤抗拉強(qiáng)度之所以可以在一定范圍內(nèi)隨著Sn含量的增加而增加，是由于Sn可以在一定程度上促進(jìn)和細(xì)化珠光體的作用，此外還可以細(xì)化和強(qiáng)化共晶團(tuán)。

4 結(jié)論

1)Sn在0%～0.17%范圍時(shí)，隨著Sn含量的升高，對(duì)鑄件的石墨形態(tài)無(wú)明顯影響。

圖4 Sn含量對(duì)剎車盤鑄件抗拉強(qiáng)度的影響

2)Sn在0%～0.17%范圍時(shí)，隨Sn含量的增加，硬度逐漸升高，硬度從184 HB上升至243 HB。Sn含量小于0.02%時(shí)，剎車盤鑄件的硬度不滿足鑄件性能要求。

3)Sn在0%～0.17%范圍時(shí)，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度隨著Sn含量的增加呈先升高后下降趨勢(shì)，當(dāng)Sn含量為0.11%時(shí)，剎車盤鑄件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為282 MPa。

4)Sn含量的最佳添加量為0.11%。