钒钛蠕墨铸铁汽车制动鼓材质研究及铸造工艺设计

摘要

汽车制动鼓是最常见的制动装置,也是汽车安全行驶的重要保证。随着汽车不断向高速、重载等方向发展,原有的材料已不能满足日益增长的要求，开发综合性能优异的新型制动鼓材料是当务之急。钒钛蠕墨铸铁是以钒钛生铁为原材料获得一种新型蠕墨铸铁，具有优良的综合性能，是制动鼓的理想材料。
　　本文研究了以富含钒钛合金元素的钒钛生铁为原材料，经特殊的蠕化处理、孕育处理工艺获得钒钛蠕墨铸铁的方法，测试分析了钒钛蠕墨铸铁的力学性能、金相组织、显微组织、耐磨性能、导热性能、壁厚敏感性以及蠕化衰退性，设计了钒钛蠕墨铸铁汽车制动鼓的浇注系统。比较了钒钛蠕墨铸铁与钒钛灰铸铁在力学性能、金相组织、耐磨性能和导热性能方面的差异，分析了产生原因。
　　力学性能测试结果表明，钒钛蠕墨铸铁的抗拉强度在350MPa以上，布氏硬度为230～280HBW，延伸率在1.42％以上，达到了RuT340标准，力学性能明显优于钒钛灰铸铁。金相组织观察发现，试验各炉次试样的石墨形态均为蠕虫状和球状混合，其中蠕虫状石墨均在60%以上；各炉次试样的基体组织为珠光体、铁素体、少量渗碳体和合金化合物，其中珠光体量在50%以上。
　　通过扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析了钒钛等合金元素在蠕墨铸铁中的作用和断裂机制。结果表明：钒钛元素在蠕墨铸铁中主要以方块状、多边形状、三角形状等钒钛碳化物形态以及固溶于渗碳体的方式存在。由于钒钛化合物的弥散强化、钒钛渗碳体的固溶强化以及钒钛元素细化晶粒和细化石墨的作用，使得钒钛蠕墨铸铁的强度和硬度得到了提高。但当钒钛元素以及As等元素以沉淀相存在于晶界或者富集于晶界时会降低钒钛蠕墨铸铁的强度及塑性。钒钛蠕墨铸铁的断口裂纹源自石墨聚集区，断口微观形貌为少量浅韧窝和河流花样共存，表现为韧-脆混合断裂。
　　采用激光热常数仪和往复摩擦磨损试验机测试了钒钛蠕墨铸铁、钒钛灰铸铁的导热性能和磨损性能。结果表明：钒钛蠕墨铸铁具有较高的导热系数，尤其是在高温时仍能保持较高的导热性能，高温时的导热系数甚至高于钒钛灰铸铁。钒钛蠕墨铸铁的耐磨性能明显优于普通合金灰铸铁，钒钛蠕墨铸铁的磨损率与钒钛灰铸铁相比低27％~35％左右，钒钛蠕墨铸铁的摩擦系数比钒钛灰铸铁高40％~55％左右。
　　对钒钛蠕墨铸铁壁厚敏感性研究发现，当壁厚在50mm～15mm变化时，阶梯试样硬度值增加并不明显，组织变化不明显；当壁厚在15mm～8mm变化时，阶梯试样硬度增加较大，组织也存在明显变化，但总体说来壁厚敏感性较小。蠕化衰退性研究表明：蠕化处理后不同时间浇注蠕铁的力学性能存在一定的差别，但浇注时间在15min以内时衰退表现得不是十分明显，不同浇注时间蠕铁的力学性能和金相组织可以用残留稀土量、残留镁量和残留硫含量对蠕化率综合作用的系数?值来衡量。?值越大，球化率增大，蠕化率减小。

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1 绪 论

1.1 制动鼓的工作原理

1.2 制动鼓在应用中的问题

1.3 制动鼓的工作环境及制动鼓材料要求

1.4 国内外汽车制动鼓材料的研制与发展现状

1.5 本课题的来源

1.6 本课题研究的主要目标和研究内容

2 实验方法

2.1 钒钛蠕墨铸铁化学成分的设计

2.2 钒钛蠕墨铸铁蠕化剂种类和加入量

2.3 钒钛蠕墨铸铁孕育处理

2.4 试验过程

2.5 各种试样加工

2.6 对比材料——钒钛灰铸铁试样制备

3 钒钛蠕墨铸铁力学性能测试及结果分析

3.1 钒钛蠕墨铸铁力学性能测试

3.2 钒钛蠕墨铸铁各炉次试验成分

3.3 钒钛蠕墨铸铁金相分析

3.4 钒钛蠕墨铸铁力学性能宏观分析

3.5 钒钛蠕墨铸铁显微分析

3.6 钒钛蠕墨铸铁断口分析

3.7 V、Ti等合金元素对钒钛蠕墨铸铁的力学性能的影响

3.8 对比材料——钒钛灰铸铁的力学性能测试及分析

3.9 钒钛蠕墨铸铁和钒钛灰铸铁的力学性能对比分析

4 钒钛蠕墨铸铁导热性能和耐磨性能分析

4.1 钒钛蠕墨铸铁和钒钛灰铸铁导热性能

4.2 钒钛蠕墨铸铁和钒钛灰铸铁的耐磨性能

5 钒钛蠕墨铸铁蠕化衰退性和壁厚敏感性研究

5.1 钒钛蠕墨铸铁蠕化衰退性研究

5.2 钒钛蠕墨铸铁壁厚敏感性研究

6 钒钛蠕墨铸铁制动鼓铸造工艺设计

6.1 铸造工艺方案分析

6.2φ476×250重型汽车钒钛蠕墨铸铁制动鼓铸造工艺方案设计

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附 录