合金元素Sn對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，隨著我國經濟和科學技術的快速發展，我國高速鐵路得到了跨越式的發展。高速鐵路最突出的優勢就是安全性，所以對關鍵鑄鐵件的質量提出了更高的要求。其中，剎車盤鑄件作為高鐵的制動系統，關鍵的安全零部件，質量要求高，不允許存在任何縮松缺陷，且須有良好的組織、抗拉強度和硬度等性能。由于鑄件的組織和力學性能很大程度上取決于鐵水的化學成分，因此，通過鐵水成分的調整可以為改善鑄件產品組織和性能提供基礎保障[1-3]。

合金元素Sn是影響剎車盤鑄件組織和力學性能的重要元素[4-5]，需要采用恰當的添加量來獲得剎車盤鑄件產品所需要的最優組織和性能。為此，本研究通過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對鑄件組織和性能的影響，并確定Sn的最佳添加量。

1 產品結構、產品化學成分及性能

1.1 產品結構

剎車盤鑄件結構示意圖如圖1所示，主要由剎車盤本體a和50個散熱筋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 剎車盤鑄件結構示意圖

1.2 化學成分

剎車盤材料為HT250，化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 剎車盤鑄件化學成分要求w(%)

表2 剎車盤鑄件力學性能要求

2 試驗方法

通過一定爐料配比，然后通過改變合金元素Sn的添加量，制備不同含量Sn的高鐵剎車盤試樣，試驗條件和方法如下：試驗用原料為生鐵、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中頻無芯感應試驗電爐中進行熔煉，熔煉完成后采用FOX 15型KW SLS 全自動澆注機進行澆注，包內孕育采用加入量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行表面清理。其中采用斯派克直讀光譜儀檢測鑄件化學成分。

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光學顯微鏡觀察石墨形狀和大??；用DDL300型電子萬能試驗機測試抗拉強度。采用HB-3000型布氏硬度試驗機進行硬度測試，壓頭為φ10的鋼球，每個試樣測試5個點，取平均值。

3 試驗結果

試驗采用同一爐鐵水進行澆注，通過在澆注包中添加不同比例的小Sn塊來獲得所需的Sn量，具體試驗方案見表3。

表3 剎車盤熔煉工藝參數

3.1 合金元素Sn對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。由圖2(a)為Sn的添加量為0的石墨形態，石墨形態為呈片狀石墨(A型)；圖2(b)為Sn的添加量為0.08%的石墨形態，石墨形態沒有明顯的變化；圖2(c)為Sn的添加量為0.11%的石墨形態，石墨形態未發生變化，但是石墨形態細??；當Sn繼續增加時，石墨形態除了A型石墨外，且出現了少量的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，對碳的擴散起阻礙作用[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

3.2 合金元素Sn對剎車盤鑄件硬度的影響

圖3為合金元素Sn對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；當Sn加入量從0.05%到0.11%時，鑄件的硬度從202 HB上升到224 HB，相對值提高9.8%；當Sn加入量從0.11%到0.17%時，

表4 剎車盤的金相組織

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

圖3 Sn含量對剎車盤鑄件硬度的影響

3.3 合金元素Sn對剎車盤鑄件抗拉強度的影響

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

4 結論

1)Sn在0%～0.17%范圍時，隨著Sn含量的升高，對鑄件的石墨形態無明顯影響。

圖4 Sn含量對剎車盤鑄件抗拉強度的影響

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

4)Sn含量的最佳添加量為0.11%。