CN106048399A - 一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料及其制备方法，所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.5～3.9％，Si 2.2～2.7％，Mn 0.4～1.5％，P≤0.1％，S 0.06～0.10％，Cr 0.2～0.4％，Cu 0.4～0.7％，V 0.1～0.4％，余量为Fe。制备方法为硅钡、硅铁复合孕育处理。本发明具有相对高的强韧性、好的耐热特性和优良的铸造性能，使用本发明的灰铸铁取代现在普遍采用的灰铸铁生产的离合器压盘符合离合器乃至发动机向高效、节能、减排的方向发展，具有良好的应用前景。

Description

一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料及其制备方法

技术领域

本发明属于离合器压盘领域，特别涉及一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料及其制备方法。

背景技术

离合器压盘是离合器的关键零部件之一，离合器压盘工作时在弹簧的作用下使压盘与摩擦片结合，使发动机动力传递给变速箱。当需要离合器分离时，分离杠杆拉动离合器压盘，克服弹簧在压板上的作用力，使压盘与摩擦片分离。离合器压盘通过液压或机械传动操作离合器压盘是否和飞轮结合，把发动机的动力传到变速器。踩下离合器踏板，离合器压盘离开飞轮，切断动力的传递。抬起离合器踏板离合器压盘和飞轮压紧传递动力。

离合器接合过程的滑磨是其最重要的特性，它引起压盘和摩擦片温度升高，致使压盘和摩擦片接触面的摩擦点产生出许多微小热源，并不断对压盘和摩擦面输入热流。输入的热流导致使接合区域温度升高，使压盘内部由于各部分温度不均匀产生内应力，当内应力增大至材料屈服点将产生永久变形，甚至使零件失效。

压盘结构大多数是环形盘状的铸件，离合器通过压盘元件来与发动机紧密相连。试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升高而增大的，当压盘工作表面超过180-200℃时，摩擦片磨损急剧增加。正常条件使用的离合器压盘，工作表面的瞬时温度不能超过180℃。在特别频繁的使用条件下，压盘表面的瞬时温度有可能达到1000℃。过高的温度会使压盘在受压过程中产生裂纹甚至碎裂。为使摩擦表面温度不致过高，要求压盘有足够大的质量以保证拥有足够的热容量。

离合器压盘在使用一段时间后，压盘工作环境条件会引起工作平面磨损、擦伤、烧蚀、破裂和翘曲变形。同时由于使用地区道路情况恶劣，驾驶员可能需要频繁操作离合器，使离合器频繁接合分离产生滑磨引起高温。摩擦表面积累的温度来不及散去导致局部温度更高，甚至使零件失效。或者造成离合器反复接合分离，上一轮接合产生的热量还未散去下一轮接合己再次开始，使得离合器热负载极大，在极限重载工况下，其抗拉强度不足以承受负载也同样导致其提前失效。若离合器出现打滑或分离不彻底故障时，又使压盘受热变形或不均匀磨损。当压盘翘曲变形后摩擦片只能与压盘部分接触，这样接触面减小，传递转矩困难，更易打滑。

离合器中受热最严重的零件是压盘，离合器压盘在实际使用情况中出现的热变形问题主要是由于温度不均匀而使压盘产生轴向变形，变形后的压盘摩擦面呈锥形，从而使其摩擦面积和作用半径减小，从而影响其传递转矩的能力。

因此，离合器压盘应具有传热性好、较高的摩擦系数，较大刚度、与飞轮应保持良好的对中性，并要进行静平衡，压盘单件的平衡精度应不低于15～20g·cm等性能满足离合器和现代汽车不断发展的需求。

现行的压盘材料一般采用灰铸铁，如HT200、HT250、HT300。另外可添加少量合金元素如镍、铁、锰等以增强其机械强度。灰铸铁中的石墨片有切割金属基体、破坏其连续性、降低其强度的作用，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片。优质压盘铸件的石墨片应为A型且均匀分布于金属基体中，基体组织应全部为珠光体，珠光体也应该细小而均匀。压盘生产方法为铸造，它是将金属熔炼成符合一定要求的熔体并经过熔体处理后浇进铸型里，经冷却凝固、精整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。其质量一般取决于浇注方法、型砂工艺参数、熔体处理等工艺环节，若压盘摩擦面的表面粗糙度较大、摩擦面硬度不均匀，可能使部分摩擦区域强度不够而出现热变形。

离合器工作时经常处于热疲劳和热冲击中，中等载荷工况下的应力峰值己经超过了HT25O的疲劳极限应力(HT25O的疲劳极限≤127MPa)。因此随着离合器接合分离次数的增多，热应力循环容易积累塑性变形损伤并导致压盘热弹性失稳，最终使得压盘出现热裂纹。这说明即使在汽车载重不大的情况下，此时离合器接合分离一次产生的热流不会很大。但是如果反复操作离合器，随着接合分离次数的增加，压盘反复升温降温，相应的应力循环次数增多，塑性变形损伤积累将导致压盘产生疲劳热裂纹，这种交变热应力很容易导致压盘的热弹性失稳，最终使得压盘提前损坏。

总的来说，离合器滑磨时，摩擦产生的热量流入飞轮、摩擦片和压盘。热量的不断流入，使得压盘的温度升高，产生热变形。压盘结构的改进方向是使结构简化、紧凑、便于通用，增大热容量，提高使用性能和使用寿命，便于拆装与调整等等。

灰铸铁材料由于具有很好的强韧性、耐热性、铸造性能和阻尼减震性能，一直是离合器压盘的理想材料。但随着现代离合器的发展，离合器所承受的热负荷和机械负荷不断提高。不但要求压盘材料具有很好的强韧性、耐热性和抗疲劳性，还要求具有较优良的导热性能，以缓解由于局部过热引起的热应力，满足频繁热冲击所带来的热疲劳需求。可见，目前所使用的灰铸铁材料在很大程度上已无法满足设计者的要求、特别是大马力的重型汽车离合器的发展需求以及客户的需求。

离合器选择材料的主要出发点在于高强度、高韧性、高导热、抗热裂性、耐磨性、优良的疲劳性能及轻量化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料及其制备方法，该材料具有相对高的强韧性、好的耐热特性和优良的铸造性能，使用本发明的灰铸铁取代现在普遍采用的灰铸铁生产的离合器压盘符合离合器乃至发动机向高效、节能、减排的方向发展，具有良好的应用前景。

本发明的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料，所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.5～3.9％，Si 2.2～2.7％，Mn 0.4～1.5％，P≤0.1％，S 0.06～0.10％，Cr0.2～0.4％，Cu 0.4～0.7％，V 0.1～0.4％，Sb 0.03％～0.05％,余量为Fe。

优选的，所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Cr 0.3％，Cu 0.5％，V 0.2％，Sb 0.04％,余量为Fe。

优选的，所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.6％，Si 2.3％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Cr 0.3％，Cu 0.5％，V 0.2％，Sb 0.04％,余量为Fe。

优选的，所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.8％，Si 2.4％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Cr 0.25％，Cu 0.6％，V 0.3％，Sb 0.04％,余量为Fe。

本发明的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料的制备方法，包括：

采用硅钡、硅铁复合孕育处理方法，先用75SiFe孕育剂进行包内孕育，再随流加入SiBa孕育剂进行处理，即得微合金化灰铸铁离合器压盘材料；其中，熔体熔炼与处理的条件为：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1450～1480℃，浇注温度1360～1400℃。

所述SiBa孕育剂的加入量为材料总质量的0.2～0.6％；75SiFe孕育剂的加入量为材料总质量的0.3～0.8％。

本发明的灰铸铁：

金相组织：片状石墨，A型，基体组织，珠光体≥80％。

机械性能：抗拉强度≥240MPa，硬度≥215，延伸率≥1.5％。

物理性能：导热系数≥50W/m·K，摩擦系数≥0.72。

本发明的灰铸铁是在原来灰铁基础上经过微合金化改性的一种以Fe、C、Si为基础的多元合金，基本组织主要为A型石墨、加上基体组织80％以上的珠光体。

碳与硅都是强烈促进石墨化的元素。因此，碳与硅的含量是控制铸铁组织与性能的基本参数之一。

铬：在高强度灰铸铁中，它能细化石墨、细化珠光体，提高强度和硬度，铬应小于0.3％，最好在0.15～0.25％。

锰：锰能有效地降低奥氏体共晶转变温度，非常有利于获得细密珠光体。锰形成合金渗碳体的能力低于铬，而且锰有脱硫作用，少量锰并无白口的危险，反而有利于细化石墨。

锑：锑稳定珠光体的作用两倍于锡。锑具有使片状石墨细化和变短的倾向。灰铁中加入锑0.03％～0.05％时即可提高强度和耐磨性。锑可减少或消除铁素体形成，稳定细化珠光体，提高强度和硬度。

钒：能细化石墨、细化珠光体，阻碍石墨化，促进渗碳体形成，它能提高强度和硬度、提高冲击韧性。

铜：弱石墨化元素，能细化石墨、细化珠光体，提高强度和硬度。

离合器压盘，不仅要求有良好的力学性能，还应具有较高的导热系数，这样可以使得服役过程中的产生的热量很快被导走，确保工件的正常运行。本发明的灰铸铁的导热性能与金属基体、材料的化学成分、石墨的形状、大小和分布有很大关系。在铸铁材料的各组织中由于石墨的导热性能比基体高的多，石墨的形态、大小、数量对铸铁导热性能影响最大。

有益效果

(1)本发明的灰铸铁的强度比一般灰铸铁提高20％以上，屈服强度提高15％以上；减少变形，降低振动，其结果便于轻量化；由于A型石墨形态使其减少了裂纹的产生和扩展，因而其疲劳强度较一般灰铸铁的提高10％以上。

(2)本发明的灰铸铁具有良好的耐磨性，表现出比灰铁更优的综合耐热疲劳性能，因此特别适用制造离合器压盘。其耐磨性比一般灰铸铁高20％～40％。

(3)本发明的灰铸铁具有相对高的强韧性、好的耐热特性和优良的铸造性能，使用本发明的灰铸铁取代现在普遍采用的灰铸铁生产的离合器压盘符合离合器乃至发动机向高效、节能、减排的方向发展，具有良好的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

化学成分：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Cr 0.3％，Cu0.5％，V0.2％，Sb 0.04％，余量为Fe。

熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用硅钡、硅铁复合孕育处理技术，SiBa孕育剂：加入量0.3％；75SiFe孕育剂：加入量0.5％。

金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率80％，基体组织，珠光体86％。

机械性能：抗拉强度262MPa，硬度231，延伸率1.7％，室温疲劳性能200MPa(1×107次)。

物理性能：导热系数52W/m·K，摩擦系数0.72。

实施例2

化学成分：C 3.6％，Si 2.3％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Cr 0.3％，Cu0.5％，V0.2％，Sb 0.04％，余量为Fe。

熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用硅钡、硅铁复合孕育处理技术，SiBa孕育剂：加入量0.4％；75SiFe孕育剂：加入量0.5％。

金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率87％，基体组织，珠光体85％。

机械性能：抗拉强度271MPa，硬度235，延伸率1.6％，室温疲劳性能208MPa(1×107次)。

物理性能：导热系数52W/m·K，摩擦系数0.76。

实施例3

化学成分：C 3.8％，Si 2.4％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Cr 0.25％，Cu0.6％，V0.3％，Sb 0.04％，余量为Fe。

熔体熔炼与处理：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1460℃，浇注温度1390℃，采用硅钡、硅铁复合孕育处理技术，SiBa孕育剂：加入量0.5％；75SiFe孕育剂：加入量0.5％。

金相组织：蠕虫状石墨，蠕化率89％，基体组织，珠光体88％。

机械性能：抗拉强度280MPa，硬度245，延伸率1.5％，室温疲劳性能210MPa(1×107次)。

物理性能：导热系数55W/m·K，摩擦系数0.78。

Claims (6)

1.一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料，其特征在于：所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.5～3.9％，Si 2.2～2.7％，Mn 0.4～1.5％，P≤0.1％，S 0.06～0.10％，Cr0.2～0.4％，Cu 0.4～0.7％，V 0.1～0.4％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料，其特征在于：所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.5％，Si 2.3％，Mn 0.4％，P 0.08％，S 0.06％，Cr0.3％，Cu 0.5％，V 0.2％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料，其特征在于：所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.6％，Si 2.5％，Mn 0.5％，P 0.1％，S 0.07％，Cr0.3％，Cu 0.5％，V 0.2％，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料，其特征在于：所述材料按质量百分比，由以下组分组成：C 3.8％，Si 2.6％，Mn 0.6％，P 0.1％，S 0.06％，Cr0.25％，Cu 0.6％，V 0.3％，余量为Fe。

5.一种如权利要求1所述的微合金化灰铸铁离合器压盘材料的制备方法，包括：

采用硅钡、硅铁复合孕育处理方法，按比例混合原料后加入SiBa孕育剂和75SiFe孕育剂进行熔体熔炼与处理，即得微合金化灰铸铁离合器压盘材料；其中，熔体熔炼与处理的条件为：熔炼温度1500℃，熔体处理温度1450～1480℃，浇注温度1360～1400℃。

6.根据权利要求5所述的一种微合金化灰铸铁离合器压盘材料的制备方法，其特征在于：所述SiBa孕育剂的加入量为材料总质量的0.2～0.6％；75SiFe孕育剂的加入量为材料总质量的0.3～0.8％。