高碳刹车盘的加工流程浅析

王永旭 孙浩

摘 要:刹车盘是汽车制动器的关键零件，本项目研究的目的就是提供一种新的高碳灰铸铁汽车刹车盘及其生产方法，采用高碳含量的灰铸铁，在普通灰铸铁刹车盘碳含量不超过3.4%的基础上将碳含量提高到3.7%～3.8%，赋予了灰铸铁较强的减振能力，使刹车盘保持较低的温度，稳定其性能。

关键词:高碳；灰铸铁；刹车盘；铸造

0 引言

刹车盘是汽车制动器的关键零件，对汽车的安全行驶有着至关重要的作用。目前，国产的汽车制动系统，刹车盘多采用灰铸铁材料，即常规的灰铸铁成分，由于碳含量低，组织中石墨析出量偏少，石墨化组织分散，基体组织也达不到合金化指标要求，导热性能和耐磨性能都欠佳，使用中存在易磨损及制动性能不稳定等缺点，致使制动盘与整车寿命不同步，使用中需多次更换刹车盘，为用户带来一定的安全隐患和经济负担。

1 项目概况

本项目由于碳含量高，石墨析出数量多且长，伴随着铁素体的量也增大，必须添加合金元素，抑制石墨的长度，增加珠光体含量；并保证珠光体含量在90%～95%，铁素体在：5%～10%，保证布氏硬度在L245±25HB，抗拉强度在200～240MPa范围内，灰铸铁中可添加的合金元素很多，从稳定和细化珠光体的目的出发，有铜、镍、铬、钼、钒、钛、氮、锑、铌、锡等。但是合金元素的加入会影响石墨的形态和数量，损害刹车盘的机加工性能，有些合金元素形成的块状硬质相在摩擦时脱落，会加剧磨损。且Cu、Mo、Cr 等合金元素价钱较贵，Mo和Cr还增大凝固冷却中的收缩倾向，所以只能微量加入，本项目考虑到成本因素和对添加量的控制，选择铜、铬、钼、氮四种合金元素，并根据制动盘需要，适当控制加入量。所以本项目难点在于合金元素加入量的范围和加入时间、方式^[1]。

2项目设计思路

本项目在设计时以生产工艺的经济性和产品工艺的适用性为总体思路，充分考虑到成本、生产条件等影响因素，并兼顾后期高精度、大批量的生产，优选粘土砂工艺，垂直无箱造型线、多触头高压造型线为主要生产线，采用垂直分型无箱射压造型工艺。

3 项目工艺技术路线

铸造的生产工艺为:原材料采购→机械造型→投料熔炼→炉前铁水检测→型腔浇注→材质跟踪检验→清砂处理→半成品检查→车床加工→成品检验→表面处理(以喷塑论述)→产品组装→最终检验→包装入库→装车出运。

本项目采用高碳含量的灰铸铁，在普通灰铸铁刹车盘碳含量不超过3.4%的基础上将碳含量提高到3.7%～3.8%，赋予了灰铸铁较强的减振能力，使制动盘保持较低的温度，稳定其性能。通过合理选用合金化元素，保证了基体中珠光体的含量，强化了珠光体，优化了石墨长度，在高碳含量（石墨体积分数较高）的条件下，获得了较高的力学性能和切削性能，同时使材料的导热性、耐磨性和抗热疲劳性能有了较大幅度的提升。采用以下四种配比

实施例1：高碳灰铸铁汽车制动盘化学成分按重量百分比配比如下：Ｃ：3.7%～3.71%，Ｍn：0.5%～0.51%，Ｃu：0.3%～0.31%，Ｃr：0.1%～0.11%，Ｍo：0.2%～0.22%，Ｓi：1.6%～1.62%，Ｎ：0.1%～0.12%，Ｐ：0.01%～0.03%，Ｓ：0.05%～0.06%,余量为Fe。

实施例2:高碳灰铸铁汽车制动盘化学成分按重量百分比配比如下：Ｃ：4.0%～4.0%，Ｍn：0.78%～0.8%，Ｃu：0.49%～0.5%，Ｃr：0.19%～-0.2%，Ｍo：0.38%～0.4%，Ｓi：1.98%～2.0%，Ｎ：0.19%～0.2%，Ｐ：0.11%～0.12%，Ｓ：0.11%～0.12%,余量为Fe。

实施例3：高碳灰铸铁汽车制动盘化学成分按重量百分比配比如下：Ｃ：3.75%，Ｍn：0.65%，Ｃu：0.4%，Ｃr：0.15%，Ｍo：0.3%，Ｓi：1.8%，Ｎ：0.15%，Ｐ：0.05%，Ｓ：0.08%,余量为Fe。

实施例4：高碳灰铸铁汽车制动盘化学成分按重量百分比配比如下：Ｃ：3.74%，Ｍn：0.60%，Ｃu：0.43%，Ｃr：0.14%，Ｍo：0.33%，Ｓi：1.65%，Ｎ：0.17%，Ｐ：0.09%，Ｓ：0.11%,余量为Fe。

生产工艺包括以下步骤：

（1）准备原材料：生铁，低碳废钢，复合孕育剂及细粒度孕育剂，铬铁，钼铁，锰铁，电解铜，Cr；

（2）溶化：将生铁、低碳废钢加入中频电炉中，额定功率为2200KW，熔化率3.4t/h,冶炼状态为565w.h/t,熔炼3小时，待炉料完全熔化，温度达到1550℃时，对其取样，用光谱分析仪快速检测其化学成分；根据检测结果，加入高猛废钢，调整并满足C含量占总组分的4.0%。调整并加入铬铁调整合金元素Cr，使Cr保持在总组分的0.13%；调整并加入钼铁调整合金元素Mo，使Mo保持在总组分的0.35%；调整并加入Cr，调整合金元素N，使N保持在总组分的0.14%；继续升温至1530℃，出炉，将铁液放入吊包内，为改变铁液的结晶条件，消除白口，人为增加石墨晶核数，获得细片状石墨组织，同时减少基体中铁素体的含量，细化珠光体层片间距，改善灰铸铁的性能，提高铸件断面的组织和性能的均一性，降低断面敏感性，在出铁时随流冲入占原料总组分0.5%的复合孕育剂，所述复合孕育剂成分以75SiFe合金为主，组合添加钡、钙、稀土元素。在吊包内调整并加入电解铜，使Ｃu的含量为占总组分的0.45%;调整元素Ｍn，Ｓi，Ｐ、Ｓ，使其按重量百分比占总组分的量满足Ｍn：0.75%，Ｓi：1.78%，Ｐ：0.08%，Ｓ：0.08%,余量为Fe；

（3）采用传统的机械加工模式，按图纸装配要求尺寸对其进行加工，然后进行动平衡检测，需要时对加工产品进行去重处理，再后进行磁粉探伤，检测铸件裂纹等缺陷，所述磁粉探伤方法为将钢铁等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布显示被探测物件表面缺陷和近表面缺陷的一种方法。通过检测有裂纹的铸件直接废弃，无裂纹缺陷的形成成品。

4结论

本项目采用高碳含量的灰铸铁，在普通灰铸铁刹车盘碳含量不超过3.4%的基础上将碳含量提高到3.7%～4.0%，碳在灰铸铁中主要以石墨的形式存在，石墨几乎没有强度，赋予了灰铸铁较强的减振能力，同时其导热系数大，蓄热能力强，能够很快传出制动摩擦所产生的热量，使制动盘保持较低的温度，稳定其性能；但是由于石墨本身的割裂作用，为保证其硬度和耐磨性，本项目通过合理选用合金化元素，保证了基体中珠光体的含量，强化了珠光体，优化了石墨长度，在高碳含量（石墨体积分数较高）的条件下，获得了较高的力学性能和切削性能，同时使材料的导热性、耐磨性和抗热疲劳性能有了较大幅度的提升。

采用本项目方法制造的汽车制动盘，具有制动温升小、耐磨损、抗热疲劳效果好等突出特点，使汽车制动系统的性能明显改善，使用寿命明显提高，同时也有效排除了因高温刹车不灵而带来的安全隐患，经济价值高。

参考文献：

[1] 李涛涛. 灰铁刹车盘裂纹的失效分析.材料保护[J]. 北京：材料保护，2020.5：152-155

作者简介：王永旭，男，现任教于商丘工学院机械工程学院。