汽車制動鉗與支架是盤式制動器的重要組成部分,在汽車制動過程中起著至關重要的作用[1],因此,需要保證制動鉗與支架的產(chǎn)品性能。隨著技術的發(fā)展,球墨鑄鐵的應用范圍更廣泛,不僅能夠滿足汽車制動器使用性能的要求,而且相對于鋼及鋁合金來說成本更低[2-4]。QT500-7球墨鑄鐵是汽車制動鉗與支架的常用材料,具有良好的力學性能。在特殊條件下,球墨鑄鐵凝固過程中,其局部發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變,形成白口組織,當白口出現(xiàn)在鑄件的心部,稱為反白口[5]。反白口的產(chǎn)生增加了鑄件的切削加工難度,降低了鑄件的沖擊性能[6]。另外,反白口處材料較脆且易開裂,產(chǎn)生應力集中后,由于反白口區(qū)的塑性變形能力差、緩沖應力集中不明顯,因此鑄件失效的概率大大提升[7]。 

筆者采用一系列理化檢驗方法對QT500-7球墨鑄鐵汽車制動鉗與支架日常檢驗中出現(xiàn)的兩種不同特征反白口缺陷的產(chǎn)生原因進行分析,并提出改善建議,這對于指導解決實踐問題以及提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

反白口出現(xiàn)位置為制動鉗支耳和支架橫梁處（見圖1）,在反白口處截取試樣。用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后的試樣反白口區(qū)較明顯,反白口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：制動鉗試樣反白口區(qū)宏觀形貌特征為大暗斑、橢圓形、面積較大、顏色較周圍深；而支架試樣反白口區(qū)宏觀形貌特征為小斑點、點狀、面積較小、顏色較周圍深。 

圖  1  制動鉗與支架試樣位置示意

圖  2  反白口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

試驗材料為鑄態(tài)QT500-7,來源于鑄造廠生產(chǎn)的鑄件,其主要生產(chǎn)工藝流程為：熔煉→球化處理和孕育處理→澆注和冷卻。對各試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由于鑄鐵本體試樣未經(jīng)白口化,該結果僅供參考。 

1.3   金相檢驗

用光學顯微鏡觀察拋光后各試樣的反白口區(qū)和正常區(qū)的石墨形貌,結果如圖3所示。由圖3可知：制動鉗試樣正常區(qū)和反白口區(qū)的石墨均勻分布,而支架試樣反白口區(qū)中心處石墨缺乏。 

圖  3  制動鉗和支架試樣的反白口區(qū)和正常區(qū)石墨微觀形貌

依據(jù)GB/T 9441—2021《球墨鑄鐵金相檢驗》對石墨進行分析,結果如表2所示。由表2可知：制動鉗試樣反白口區(qū)的球化率比正常區(qū)略低,但差別不大,反白口區(qū)石墨顆粒數(shù)略少,石墨大小級別均以7級為主；支架試樣反白口區(qū)與正常區(qū)的球化率較低,石墨顆粒數(shù)較少,石墨大小級別均以7級為主。 

對試樣進行腐蝕,用光學顯微鏡觀察反白口區(qū)的基體組織,結果如圖4所示。由圖4可知：反白口區(qū)有較多的珠光體,而鐵素體相對較少；制動鉗反白口區(qū)組織為萊氏體型,形態(tài)為蜂窩狀和條塊狀結合,尺寸較小,分散分布在反白口區(qū)；支架反白口區(qū)組織為滲碳體型,形態(tài)為粗大條狀和針狀,聚集分布在反白口區(qū),尺寸較大。 

圖  4  制動鉗和支架試樣的基體組織微觀形貌

1.4   顯微硬度測試

對制動鉗和支架試樣反白口區(qū)和正常區(qū)進行顯微硬度測試,結果如表3所示。由表3可知：反白口區(qū)的顯微硬度平均值較正常區(qū)明顯偏高,這是因為反白口區(qū)組織較硬且珠光體含量較高。 

1.5   掃描電鏡（SEM）與能譜分析

制動鉗和支架試樣反白口區(qū)SEM形貌與各元素面分布如圖5~6所示。由圖5~6可知：制動鉗與支架試樣反白口區(qū)存在Si元素富集,Mn元素無明顯波動。 

圖  5  制動鉗試樣反白口區(qū)SEM形貌與各元素面分布

圖  6  支架試樣反白口區(qū)SEM形貌與各元素面分布

制動鉗與支架試樣反白口區(qū)能譜分析結果如圖7所示。由圖7可知：反白口區(qū)主要以C、Si、Mn、Fe等元素為主。另外,通過制動鉗試樣和支架試樣反白口區(qū)和正常區(qū)的微區(qū)成分比較,發(fā)現(xiàn)反白口區(qū)的Mn元素質(zhì)量分數(shù)均比正常區(qū)高,而Si元素質(zhì)量分數(shù)均比正常區(qū)低。 

圖  7  制動鉗和支架試樣反白口區(qū)能譜分析結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,制動鉗試樣反白口區(qū)宏觀形貌特征為試樣中心大暗斑,微觀形貌特征為分散的萊氏體型,反白口區(qū)與正常區(qū)相比,其球化率、石墨顆粒數(shù)、石墨大小級別均相差不大,但反白口區(qū)顯微硬度高,無明顯石墨衰退特征。反白口區(qū)的Mn元素含量較高,而Si元素含量較低,存在元素偏析。支架試樣反白口區(qū)宏觀形貌特征為試樣中心小斑點,微觀形貌特征為集中的滲碳體型。反白口區(qū)與正常區(qū)比較,其球化率和石墨顆粒數(shù)較少,基體中有較多滲碳體以及基體顯微硬度高,反白口區(qū)存在孕育衰退特征。反白口區(qū)比正常區(qū)的Mn元素含量高,Si元素含量低,也存在元素偏析。 

偏析在鋼中比較常見[8],QT500-7球墨鑄鐵為過共晶成分,固液共存區(qū)的溫度范圍較大,元素易產(chǎn)生偏析[9]。鐵水中反石墨化元素溶質(zhì)原子,如Mn元素等發(fā)生正偏析,富集在最后凝固區(qū)域,促使碳發(fā)生非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變,形成反白口。孕育衰退通常發(fā)生在最后凝固部位以及較厚的鑄件中,心部凝固時間長,石墨核心重新溶解,石墨顆粒數(shù)量減少,白口化趨勢增大。 

制動鉗試樣反白口區(qū)組織為分散的萊氏體型,由于反石墨化元素的正偏析,試樣中心區(qū)域鐵水過冷傾向增大,元素富集到一定程度,產(chǎn)生反白口。支架反白口區(qū)組織為集中的滲碳體型,支架試樣中心局部存在孕育衰退,使得石墨核心作用消退,加上中心區(qū)域反石墨化元素正偏析,形成了反白口。喬增國[10]研究了球鐵軋輥中的反白口,發(fā)現(xiàn)元素偏析是其形成的主要原因,并使用鈦元素干擾偏析方式獲得良好的鑄件。 

3.   結論與建議

（1）成分偏析是制動鉗試樣反白口形成的主要原因,而成分偏析和孕育衰退是支架試樣反白口形成的主要原因。 

（2）制動鉗試樣反石墨化元素偏析增大了鐵水的過冷傾向,產(chǎn)生反白口；而由于支架試樣中心區(qū)域存在孕育衰退,加上中心區(qū)域反石墨化元素偏析,因此形成了反白口缺陷。 

（3）建議采用鐵水成分控制、加強孕育處理、改善澆注條件等措施預防反白口的產(chǎn)生,設置正火溫度950 ℃,保溫2 h,可消除反白口。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)