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品性能。隨著技術的發展,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,其局部發生亞穩態轉變,形成白口組織,當白口出現在鑄件的心部,稱為反白口[5]。反白口的產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,產生應力集中后,由于反白口區的塑性變形能力差、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的兩種不同特征反白口缺陷的產生原因進行分析,并提出改善建議,這對于指導解決實踐問題以及提升產品質量具有重要意義。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

反白口出現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。用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后的試樣反白口區較明顯,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QT500-7,來源于鑄造廠生產的鑄件,其主要生產工藝流程為：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和正常區的石墨形貌,結果如圖3所示。由圖3可知：制動鉗試樣正常區和反白口區的石墨均勻分布,而支架試樣反白口區中心處石墨缺乏。 

圖  3  制動鉗和支架試樣的反白口區和正常區石墨微觀形貌

依據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的球化率比正常區略低,但差別不大,反白口區石墨顆粒數略少,石墨大小級別均以7級為主；支架試樣反白口區與正常區的球化率較低,石墨顆粒數較少,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的基體組織,結果如圖4所示。由圖4可知：反白口區有較多的珠光體,而鐵素體相對較少；制動鉗反白口區組織為萊氏體型,形態為蜂窩狀和條塊狀結合,尺寸較小,分散分布在反白口區；支架反白口區組織為滲碳體型,形態為粗大條狀和針狀,聚集分布在反白口區,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和正常區進行顯微硬度測試,結果如表3所示。由表3可知：反白口區的顯微硬度平均值較正常區明顯偏高,這是因為反白口區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SEM形貌與各元素面分布

圖  6  支架試樣反白口區SEM形貌與各元素面分布

制動鉗與支架試樣反白口區能譜分析結果如圖7所示。由圖7可知：反白口區主要以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和正常區的微區成分比較,發現反白口區的Mn元素質量分數均比正常區高,而Si元素質量分數均比正常區低。 

圖  7  制動鉗和支架試樣反白口區能譜分析結果

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,反白口區與正常區相比,其球化率、石墨顆粒數、石墨大小級別均相差不大,但反白口區顯微硬度高,無明顯石墨衰退特征。反白口區的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。反白口區與正常區比較,其球化率和石墨顆粒數較少,基體中有較多滲碳體以及基體顯微硬度高,反白口區存在孕育衰退特征。反白口區比正常區的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,固液共存區的溫度范圍較大,元素易產生偏析[9]。鐵水中反石墨化元素溶質原子,如Mn元素等發生正偏析,富集在最后凝固區域,促使碳發生非穩態轉變,形成反白口。孕育衰退通常發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,石墨顆粒數量減少,白口化趨勢增大。 

制動鉗試樣反白口區組織為分散的萊氏體型,由于反石墨化元素的正偏析,試樣中心區域鐵水過冷傾向增大,元素富集到一定程度,產生反白口。支架反白口區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,發現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,產生反白口；而由于支架試樣中心區域存在孕育衰退,加上中心區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