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原创 方元 常立忠 铸造工程 2024-05-16 17:17 北京 听全文 图片 图片 图片 摘要：了解汽车制动钳球墨铸铁件不同壁厚处的组织与性能规律，有利于改善产品质量及提高稳定性。以QT500-7和 QT550-6 的制动钳为对象 , 通过分析其不同部位的组织与性能，研究铸件壁厚对球墨铸铁石墨、基体组织、硬度的影响。结果表明：制动钳由部位 A至 C，壁厚依次增大，其石墨球化率变化不大，石墨颗粒数先增多后减少，石墨平均直径先减小后增大，珠光体含量和布氏硬度先下降后上升，珠光体片间距变化趋势则与Si 元素微区含量的变化趋势接近一致。A 部位壁厚小于B部位，但由于凝固过程温度场分布不同，A 部位温度要高于B 部位，故A 部位石墨颗粒数反而较少、石墨平均直径反而较大。较厚部位C 和冷却较慢的部位A 比 B 部位的珠光体含量反而多 , 是受稳定珠光体的元素如 Mn 偏析影响的结果，并且冷却速度越慢偏析越严重。铸件不同壁厚处的组织与性能的差异本质上是冷却速度和微区成分综合影响的结果。 汽车制动性能影响汽车安全行驶行为，而制动钳是盘式制动器的主要零部件之一，在制动过程中起到至关重要的作用，因而其性能尤为重要。球墨铸铁是制动钳常用材料，是主要析出球状石墨的高强度铸铁，既有普通灰铸铁优良的工艺性能，又具有良好的力学性能，在工业领域应用广泛。但随着铸铁技术的稳步发展，铸件结构越来越复杂，各部位壁厚差别较大。由于各部位的壁厚差异，球墨铸铁件在铸造过程中冷却速度不同，因此导致所形成的组织与性能的不均匀性增加。近年来，学者们针对铸件壁厚问题做了大量研究，如Bjerre M等对不同壁厚球墨铸铁件的凝固过程进行仿真模拟，研究发现在铸件的中心形成了长期热均匀区，凝固从边缘向中心缓慢进行。Bhat M N等研究表明，厚度较小的球墨铸铁有较短的共晶反应热阻滞时间，石墨形核数量相对较多，促进了珠光体的形成。王灼等研究表明，随着冷却速度的增大，高硅球墨铸铁组织中石墨尺寸减小，铁素体晶粒尺寸较小。郑爱权等研究发现随着铸件厚度增大，石墨尺寸增加，石墨数量减小，珠光体含量逐渐减少，力学性能下降。 然而，有关球墨铸铁壁厚对组织性能影响的研究整体相对较少，在制动钳的研究上缺乏足够的数据，并且不同产品结构、不同成分及不同壁厚范围的影响规律也有所不同。笔者以QT500-7和QT550-6制动钳体为对象，研究制动钳不同壁厚部位组织与性能的规律，为进一步改善制动钳的组织与性能提供理论基础，从而提升实践铸件的产品质量和稳定性。 1 实验 1.1 实验材料 实验样品来源于铸造厂实际生产的产品，研究对象为球墨铸铁汽车制动钳。材料分别为铸态QT500-7、 QT550-6，化学成分如表1所示。与 QT500-7 相比较， QT550-6 的C、Si 含量较低，Mn 较高，S、P限制更严。生产原料选用废钢、生铁、边角料等，其生产过程为：熔炼 → 球化处理 → 孕育处理 → 浇注与冷却 → 振动落砂 → 割冒口 → 抛丸打磨 → 检验。 表 1 化学成分（质量分数，%） 图片 1.2 实验方案 选用两种不同球墨铸铁材料（QT500-7 和 QT550-6）的汽车制动钳两件，分别编号为 1#、2#，对各制动钳在三个关键部位 A、B、C 分别取样，如图 1 所示。共取得 6 块试样，各试样的尺寸大小如表 2 所示，可知 A部位、B部位、C部位壁厚呈现梯度依次增大。对各试样的中心位置进行检验分析，研究汽车制动钳不同壁厚部位的组织与性能规律。 图片 图 1 制动钳三维模型图 1.3 检验仪器 化学成分采用 SPECTRO-MAXx 光谱仪进行检测分析，使用 Axio vert.A1 金相显微镜分析试样的石墨与基体组织，使用 JSM-6510LV 的扫描电镜分析珠光体的形貌与片间距，使用 X-Max 能谱仪分析珠光体的微区成分，使用 TH609 布氏硬度计测试试样的布氏硬度。 表 2 试样尺寸（单位：mm） 图片 2 实验结果 2.1 数值模拟结果 图 2 为制动钳在铸造凝固过程中 0~500 s不同时刻温度场的分布情况模拟。由图可知，在凝固 50 s 和 100 s时，C 部位温度高于A、B部位，但 A、B部位温度差别并不明显；在凝固200 s、300 s、400 s、500 s 时，制动钳A、B、C部位温度有明显差别，温度由高至低依次为 C 部位、A 部位、B部位。温度的高低可以反应冷却的快慢，凝固同一时刻的温度越高说明冷却越慢。 图片 图 2 制动钳凝固过程中温度场的分布 2.2 金相检验结果 图 3 为各试样的石墨形态，图中暗色颗粒为石墨，亮色为基体。图 4 为各试样的基体组织，图中除石墨颗粒外，亮色区域为铁素体组织，暗色区域为珠光体组织。可知，各试样的石墨形状均以球状石墨和团状石墨为主，只有少量的异态石墨存在，基体组织均以铁素体和珠光体为主，铁素体分布在石墨周围呈牛眼状，珠光体在 100 倍下无法观察具体形貌。 图片 图 3 石墨形态 图片 图 4 基体组织 分析各试样的石墨与基体组织，结果如表 3 所示，可知，石墨球化率、石墨颗粒数、石墨平均直径、石墨大小级别和珠光体含量存在一定的差别。试样各参数变化趋势如图 5 所示，结合表 3 可知，1#和 2#试样的石墨球化率、石墨颗粒数、石墨平均直径、珠光体含量整体变化趋势基本保持一致。由 A 部位至 C 部位，随着壁厚的增大，1#石墨球化率均先不变后减小，2#石墨球化率均先增大后减小，整体上变化不大；石墨颗粒数均先增多后减少，但石墨含量接近；石墨平均直径均先减小后增大；石墨大小级别A 部位和 B 部位相同，均为 7 级，而 C 部位级别较低，为 6 级；珠光体含量均先下降后上升，且 1#的 A 部位与 C 部位珠光体含量较接近。 表 3 石墨与基体组织分析 图片 图片 图5 石墨与基体组织变化 通过比较各试样最厚的C 部位与较薄的A、B 部位，发现C部位球化率最低，石墨颗粒数最少，石墨平均直径最大，石墨大小级别最低，珠光体含量明显高于B 部位，但与 A 部位接近。比较较厚的 B 部位与较薄的A 部位，发现B部位石墨球化率较高，石墨颗粒数较多，石墨平均直径较小，石墨大小级别相同，珠光体含量较低。 2.3 扫描电镜及能谱检验结果 珠光体片间距是影响其力学性能的重要因素，在珠光体含量一定的前提下，细化珠光体对于进一步提升铸铁性能有着重要的意义。图 6为 SEM 观察的试样不同部位的珠光体形貌 , 由图6 可知，各试样珠光体为层片状结构，片间距大小不均匀。随机测量珠光体的片间距，并求得平均值，结果如表 4 所示。可知，珠光体平均片间距与铸件壁厚关联不大。主要原因在于，珠光体片间距不仅与其冷却速度相关，还与合金中的元素偏析有关。其中，Mn减小珠光体片间距，Si 增大珠光体片间距。 图片 图6 珠光体的SEM形貌 表 4 珠光体平均片间距（单位：μm） 图片 为了明晰各试样元素偏析的情况，对各试样的珠光体区域进行微区成分分析。如图 7 所示，各试样主要微区成分均为 C、Si、Mn、Fe。可知，1# 和 2#各部位珠光体区域的 Si、Mn元素存在不同程度的偏析：随着铸件壁厚的增大，Si 元素的变化趋势为先增大后减小，而 Mn元素则先减小后增大。 图片 图 7 珠光体区能谱图 通过比较各试样珠光体片间距变化趋势与各偏析元素的变化趋势，可以发现珠光体片间距变化趋势与 Si元素的变化趋势基本上接近一致，与Mn 元素的趋势变化接近相反。 2.4 硬度检测结果 考虑各部位形状不规则且尺寸较小，很难制成试棒进行拉伸试验。而硬度与抗拉强度呈现相关性，通过硬度可在较高的置信水平上推断出抗拉强度。这一点，孙远东通过数据对比，研究发现抗拉强度和布氏硬度间存在强相关性。许可对球墨铸铁布氏硬度和抗拉强度之间呈现的线性相关性进行了进一步阐述。用硬度评价本体性能是一种可选择的方式，1#和 2# 各部位布氏硬度的检测结果如图 8 所示。 图片 图 8 各部位的布氏硬度 由图 8 可知，2#试样的整体硬度明显高于1#试样；随着铸件壁厚的增加，1#和 2#试样的硬度值先减小后增大，且 A部位与 C 部位硬度值较接近 , 这与珠光体含量的变化规律相似。 3 综合分析 球墨铸铁在凝固过程中，成分与冷却速度是影响组织转变的主要因素，而铸件壁厚不同将造成冷却速度的差异。通常情况下，成分相似的铸件，铸件壁厚越小，铸件整体散热快，冷却速度大，石墨化不充分，所形成的石墨球化率较高、石墨颗粒数多、石墨尺寸较小。 在本研究中，C 部位比 A、B 部位的壁厚要大，石墨颗粒数较少，石墨平均直径较大，这与上述规律一致。然而，B 部位壁厚大于 A 部位，但 B 部位石墨颗粒数却多于 A 部位，而石墨平均直径却小于 A 部位，这与上述规律相反。主要原因是铸件在铸造过程中实际温度场分布不同，A 部位铸件壁厚虽较小，但是却与铸件主体部分相连接，在凝固过程中主体部分不断向其传热，导致 A 部位温度比 B 部位高，通过本研究凝固过程的数值模拟可知，铸件各部位温度由高至低依次为 C部位、A 部位、B 部位。即 A 部位实际冷却速度小于 B部位，石墨球化率、石墨颗粒数随着熔体温度的降低而增加，故而出现上述现象。另外，任现伟在制动卡钳铸造仿真模拟分析的温度场分布以及严德君在汽车制动钳铸造工艺研究，模拟制动钳充型过程的温度场分布，也表明 A 部位的温度明显高于 B 部位。 壁厚越大通常凝固温度越高，铸造时凝固速度较慢，有利碳原子的充分扩散，所形成的珠光体含量通常较少。然而在本研究中 C 部位壁厚较 B 部位大，A 部位比 B 部位冷却速度慢，但珠光体含量反而多，这与上述规律相反。主要原因是珠光体含量不仅受到冷却速度的影响，而且受元素偏析的影响。在球墨铸铁中，由于各元素在凝固过程中的各相中的溶解度不同，微观偏析不可避免。球墨铸铁缓慢凝固时元素易发生正偏析，导致最后凝固部位富集大量的促进珠光体形成元素，如 Mn 等，冷却速度越慢偏析越严重。Mn等元素溶解在珠光体中的渗碳体中，降低了渗碳体分解的驱动力，从而稳定了珠光体，增加了珠光体含量。笔者通过对微区成分的分析证实了 Si、Mn 元素偏析的存在，并且珠光体含量较多的区域 Mn 元素含量相对较高、Si含量相对较低。 铸件壁厚对硬度的影响，与珠光体含量变化趋势基本一致，珠光体含量越多，硬度相对越高。这与球墨铸铁自身的强韧化机制有关，石墨球化率、石墨颗粒数、石墨大小、珠光体均是影响球墨铸铁性能的因素，在本研究球化率相差不大、石墨颗粒数虽然不同但石墨面积接近、石墨大小差别不明显的情况下，球墨铸铁性能影响因素中珠光体含量占主导作用。 4 结论 （1）制动钳由部位 A 至 C，壁厚依次增大，其石墨球化率变化不大，石墨颗粒数先增多后减少，石墨平均直径和珠光体含量先减小后增加，珠光体片间距变化趋势与微区 Si 元素变化趋势基本一致，布氏硬度与珠光体含量变化规律基本一致，珠光体含量较多的硬度较高。 （2）A 部位壁厚小于 B 部位，但石墨颗粒数较少且石墨平均直径较大，主要原因是铸件在铸造过程中温度场分布不同，A 部位实际温度高于 B 部位，即 A 部位实际冷却速度要低于 B 部位。 （3）较厚的部位或冷却速度较慢的部位所形成的珠光体含量反而高，主要原因是珠光体含量不仅受到冷却速度的影响，还受元素偏析的影响，是试样中心发生稳定珠光体元素Mn 的正偏析所导致的结果，且冷却速度越慢偏析越严重。 （4）铸件不同壁厚处的组织与性能存在差异，壁厚并不是组织与性能的直接影响因素，本质上是改变实际冷却速度和导致微区元素偏析，即所呈现的结果为冷却速度和微区元素偏析综合影响的结果。 图片 作者单位：1. 安徽工业大学 冶金工程学院；2. 芜湖伯特利汽车安全系统股份有限公司 检测中心 编辑审核：柳建国 微信编辑：蔡文娟 图片 图片 图片 图片 图片 阅读 295 人划线 |
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