Nb在高导热铸铁制动盘中的应用_周文彬
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Study and Application of Niobium-containing Cast Irons 含
铌
铸
铁
的
研
究
和
Nb 在高导热铸铁制动盘中的应用
应 用
周文彬 1，朱洪波 2
（1.上海汇众汽车制造有限公司，上海 200072；2.上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072）
摘要：在 CE 为 4.4%~4.5%的高导热铸铁制动盘中加入不同量的铌合金, 研究了 Nb 对其组织和力学性能的影响。结果
汽车在行驶过程中，由于频繁制动，使得制 动盘表面温度急剧升高，导致制动盘性能下降， 有产生制动失效的危险[1~2]。因此，高导热铸铁制 动盘的研究应运而生。
裂纹形成机制的分析表明，制动盘要获得良 好的抗热裂性，制动盘材料首先应具有高的导热 率，采用高导热率材料可以显著降低制动初期制 动盘表面与内部的温差[3]。现有的研究表明：一方 面，微观组织中含有足够数量的石墨是灰铸铁具 备较好的吸震性、热传导性、抗抖动性等性能的
表明，CE 为 4.4%、w（Nb）量为 0.09%时，高导热铸铁制动盘石墨组织细化，力学性能得到一定的提高，磨损量降低，制动
盘的抗热裂性提高。
关键词：铸铁制动盘；Nb；CE
中图分类号：TG251
文献标识码：A
文章编号：1003－8345（2011）02－0057－03
DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2011.02.010
表 1 制动盘的化学成分 Tab.1 Chemical composition of brake disc
w（B %） w（B %）
编号 Nb C Si CE Mn Cr Cu S R1 0 3.70 1.99 4.36 0.76 0.18 0.15 0.070 R2 0 3.71 2.10 4.41 0.79 0.18 0.15 0.070 R3 0.09 3.70 1.97 4.37 0.73 0.18 0.12 0.070
国大众PV29954 标准。
3 结语
试验结果表明，CE 为 4.4%、w（Nb）量为 0.09% 的高导热铸铁制动盘石墨组织细化，力学性能得 到一定的提高，磨损量降低，确保制动盘具有较 好的抗热裂性，满足中高档轿车高速制动的需 要。
参考文献
[1]F Talati，S Jalalifar. Analysis of Heat Conduction in a Disk Brake System[J]. Heat Mass Transfer，2009，45：1 047-1 059.
5/187.5），安装面硬度 160~200 HB（2.5/187.5）； 抗拉强度 150 ~250 MPa （安 装 面 楔 压 强 度 RK 115～169 MPa）。
表 2 高导热铸铁的硬度与楔压强度 Tab.2 Hardness and wedge-pressing strength of the high
nitride nano -precipitates in ferrite [J]. Micron，2006，37：492 502. [8]S G Hong. Strain-induced Precipitation of NbC in Nb and NbTi Microalloyed HSLA Steels [J]. Scripta Materialia，2002，46：
试验（制动惯量 J=38 kgm2），循环制动 500 次无 热疲劳裂纹产生，制动盘的磨损量极低，符合德
压强度）RK 的检测方法采用德国大众 TL 011 标 准，在 INSTRON 4482 拉伸试验机上进行；制动 盘的热裂纹试验按照德国大众 PV29954 标准进 行。
试样的组织和力学性能要求按照德国大众 TL048 认定的高导热珠光体灰铸铁较高强度标
通过试验发现，随着 w（Nb）量的增加，试样
轿车高速制动的需要，确保制动盘的高导热性， 的石墨组织得到细化，强度有所提高。制动盘的
所以该制动盘的 CE 通常控制在 4.4%~4.5%，属 石墨在 3~5 级，硬度、强度和耐磨性能够得到保
于高 CE 过共晶灰铸铁。为确保该制动盘材料的 证。
强度，添加 Nb 进行微合金化。
163-168.
（编辑：王 峰，E-mail：xdzt_wf@； 编审：周 亘，E－mail：zhougen_embx@）
2011 / 2 现代铸铁 57
含 Study and Application of Niobium-containing Cast Irons
然而过多的石墨虽然提高了热传导性，但同 样也会极大地恶化材料的力学性能。文献[3]指 出，增加 w（C）量可以改进导热性，但将降低抗拉 强度。所以，在这种情况下，微合金化成为进一步 提高材料性能必然的选择。当然，加入的合金元 素既需要有利于提高材料强度，同时又需要改进
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
从表 2 和图 1 可以看到，w（Nb）量 0.09%的
1 试验过程与方法
R3 试样组织和力学性能最佳，硬度、强度两方面 力学性能均满足了德国大众 TL048 材料标准的
试验采用熔炼设备为 1 t 中频感应电炉，原 材料选用优质生铁、汽车用优质低碳废钢、回炉 铁、硫化亚铁、锰合金、铌合金等，配以高纯增碳 剂、碳化硅等非金属材料，熔炼出 w（Nb）量不同 的过共晶高 CE 成分的铁液，采用粘土砂湿型， 浇注获得不同条件下的 Rover 制动盘试样。
thermal diffusivity of gray cast irons used for automotive brake discs[J]. Journal of Materials Science，1999，（34）：4 775-4 781. [5]姜华，张佳秋． 石墨形状不同的低合金铸铁热物理参数测试 [J]．铸造，1990，（9）：32－35． [6]翟启杰，张立波，符莉． 铌在铸铁生产中应用研究与展望[J]． 铸 造，1998，（10）：41-46． [7]C Loper，H Bands，H Cornell．Role of Niobium as an Alloying Element in Cast Irons [J]. International Symposium on Tantalum and Niobium，1988，11． [8]M Fiset，K Peev，M Radulovic. The influence of niobium on fracture toughness and abrasion resistance in high -chromium white cast irons [J]. Journal of Materials Science Letters，1993， （9）：615-617． [9]A Bedolla -Jacuinde. Microstructure of V - ，Nb - ，and Ti alloyed high chromium white cast irons [J]. International Journal of Cast Metals Research，2001，（6）：343-361. [10] 李少南. 铌对灰铸铁机械性能的影响 [J]. 铸造技术，1999， （04）：43-45. [11]翟启杰，华勤，周文彬，等. 灰铸铁中铌铁的溶解及其对组织 的影响[N]. 世界金属导报，2008，（1）． [12]周文彬，征灯科，华勤，等． 制动盘用高碳当量灰铸铁的铌合 金化[J]. 铸造，2010，59（3）：320-323. [13]GB/T 9439－2009，灰铸铁件[S]． 北京：国家质量监ent amount of niobium alloy was added into the high thermal conductivity cast iron with CE of 4.4%~4.5% used for brake disc，and the effect of the niobium on the microstructure and mechanical properties of the casting were investigated. The result showed that，when CE was of 4.4%，Nb was of 0.09%，the graphite of the high thermal conductivity cast iron brake disc became finer，its mechanical properties were increased in some degree，its wear loss was reduced，its hot cracking resistance was improved. Key words: cast iron brake disc；Nb；CE
号 A 材料标准规定：石墨 3~5 级，少量 B 型，允 许有少量 A2 和个别 C 型，加工后外圆 5 mm 内 允许极少量 D、E 型；摩擦面硬度 150~200 HB（2.
R4 0.15 3.71 1.99 4.39 0.73 0.18 0.12 0.070 R5 0.09 3.79 2.10 4.50 0.73 0.19 0.27 0.070 R6 0.14 3.80 2.07 4.52 0.74 0.18 0.13 0.076
thermal conductivity cast iron
2 试验结果与讨论
试验得到的 Rover 制动盘试样的化学成分
编号
R1
R2
R3
R4
R5 R6
硬度（HB） 155 149 182 185 165 144
RK/MPa 129 116 141 160 114 125
铌
铸
铁
的
研
究
和
Nb 在高导热铸铁制动盘中的应用
应 用
周文彬 1，朱洪波 2
（1.上海汇众汽车制造有限公司，上海 200072；2.上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072）
摘要：在 CE 为 4.4%~4.5%的高导热铸铁制动盘中加入不同量的铌合金, 研究了 Nb 对其组织和力学性能的影响。结果
汽车在行驶过程中，由于频繁制动，使得制 动盘表面温度急剧升高，导致制动盘性能下降， 有产生制动失效的危险[1~2]。因此，高导热铸铁制 动盘的研究应运而生。
裂纹形成机制的分析表明，制动盘要获得良 好的抗热裂性，制动盘材料首先应具有高的导热 率，采用高导热率材料可以显著降低制动初期制 动盘表面与内部的温差[3]。现有的研究表明：一方 面，微观组织中含有足够数量的石墨是灰铸铁具 备较好的吸震性、热传导性、抗抖动性等性能的
表明，CE 为 4.4%、w（Nb）量为 0.09%时，高导热铸铁制动盘石墨组织细化，力学性能得到一定的提高，磨损量降低，制动
盘的抗热裂性提高。
关键词：铸铁制动盘；Nb；CE
中图分类号：TG251
文献标识码：A
文章编号：1003－8345（2011）02－0057－03
DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2011.02.010
表 1 制动盘的化学成分 Tab.1 Chemical composition of brake disc
w（B %） w（B %）
编号 Nb C Si CE Mn Cr Cu S R1 0 3.70 1.99 4.36 0.76 0.18 0.15 0.070 R2 0 3.71 2.10 4.41 0.79 0.18 0.15 0.070 R3 0.09 3.70 1.97 4.37 0.73 0.18 0.12 0.070
国大众PV29954 标准。
3 结语
试验结果表明，CE 为 4.4%、w（Nb）量为 0.09% 的高导热铸铁制动盘石墨组织细化，力学性能得 到一定的提高，磨损量降低，确保制动盘具有较 好的抗热裂性，满足中高档轿车高速制动的需 要。
参考文献
[1]F Talati，S Jalalifar. Analysis of Heat Conduction in a Disk Brake System[J]. Heat Mass Transfer，2009，45：1 047-1 059.
5/187.5），安装面硬度 160~200 HB（2.5/187.5）； 抗拉强度 150 ~250 MPa （安 装 面 楔 压 强 度 RK 115～169 MPa）。
表 2 高导热铸铁的硬度与楔压强度 Tab.2 Hardness and wedge-pressing strength of the high
nitride nano -precipitates in ferrite [J]. Micron，2006，37：492 502. [8]S G Hong. Strain-induced Precipitation of NbC in Nb and NbTi Microalloyed HSLA Steels [J]. Scripta Materialia，2002，46：
试验（制动惯量 J=38 kgm2），循环制动 500 次无 热疲劳裂纹产生，制动盘的磨损量极低，符合德
压强度）RK 的检测方法采用德国大众 TL 011 标 准，在 INSTRON 4482 拉伸试验机上进行；制动 盘的热裂纹试验按照德国大众 PV29954 标准进 行。
试样的组织和力学性能要求按照德国大众 TL048 认定的高导热珠光体灰铸铁较高强度标
通过试验发现，随着 w（Nb）量的增加，试样
轿车高速制动的需要，确保制动盘的高导热性， 的石墨组织得到细化，强度有所提高。制动盘的
所以该制动盘的 CE 通常控制在 4.4%~4.5%，属 石墨在 3~5 级，硬度、强度和耐磨性能够得到保
于高 CE 过共晶灰铸铁。为确保该制动盘材料的 证。
强度，添加 Nb 进行微合金化。
163-168.
（编辑：王 峰，E-mail：xdzt_wf@； 编审：周 亘，E－mail：zhougen_embx@）
2011 / 2 现代铸铁 57
含 Study and Application of Niobium-containing Cast Irons
然而过多的石墨虽然提高了热传导性，但同 样也会极大地恶化材料的力学性能。文献[3]指 出，增加 w（C）量可以改进导热性，但将降低抗拉 强度。所以，在这种情况下，微合金化成为进一步 提高材料性能必然的选择。当然，加入的合金元 素既需要有利于提高材料强度，同时又需要改进
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
从表 2 和图 1 可以看到，w（Nb）量 0.09%的
1 试验过程与方法
R3 试样组织和力学性能最佳，硬度、强度两方面 力学性能均满足了德国大众 TL048 材料标准的
试验采用熔炼设备为 1 t 中频感应电炉，原 材料选用优质生铁、汽车用优质低碳废钢、回炉 铁、硫化亚铁、锰合金、铌合金等，配以高纯增碳 剂、碳化硅等非金属材料，熔炼出 w（Nb）量不同 的过共晶高 CE 成分的铁液，采用粘土砂湿型， 浇注获得不同条件下的 Rover 制动盘试样。
thermal diffusivity of gray cast irons used for automotive brake discs[J]. Journal of Materials Science，1999，（34）：4 775-4 781. [5]姜华，张佳秋． 石墨形状不同的低合金铸铁热物理参数测试 [J]．铸造，1990，（9）：32－35． [6]翟启杰，张立波，符莉． 铌在铸铁生产中应用研究与展望[J]． 铸 造，1998，（10）：41-46． [7]C Loper，H Bands，H Cornell．Role of Niobium as an Alloying Element in Cast Irons [J]. International Symposium on Tantalum and Niobium，1988，11． [8]M Fiset，K Peev，M Radulovic. The influence of niobium on fracture toughness and abrasion resistance in high -chromium white cast irons [J]. Journal of Materials Science Letters，1993， （9）：615-617． [9]A Bedolla -Jacuinde. Microstructure of V - ，Nb - ，and Ti alloyed high chromium white cast irons [J]. International Journal of Cast Metals Research，2001，（6）：343-361. [10] 李少南. 铌对灰铸铁机械性能的影响 [J]. 铸造技术，1999， （04）：43-45. [11]翟启杰，华勤，周文彬，等. 灰铸铁中铌铁的溶解及其对组织 的影响[N]. 世界金属导报，2008，（1）． [12]周文彬，征灯科，华勤，等． 制动盘用高碳当量灰铸铁的铌合 金化[J]. 铸造，2010，59（3）：320-323. [13]GB/T 9439－2009，灰铸铁件[S]． 北京：国家质量监ent amount of niobium alloy was added into the high thermal conductivity cast iron with CE of 4.4%~4.5% used for brake disc，and the effect of the niobium on the microstructure and mechanical properties of the casting were investigated. The result showed that，when CE was of 4.4%，Nb was of 0.09%，the graphite of the high thermal conductivity cast iron brake disc became finer，its mechanical properties were increased in some degree，its wear loss was reduced，its hot cracking resistance was improved. Key words: cast iron brake disc；Nb；CE
号 A 材料标准规定：石墨 3~5 级，少量 B 型，允 许有少量 A2 和个别 C 型，加工后外圆 5 mm 内 允许极少量 D、E 型；摩擦面硬度 150~200 HB（2.
R4 0.15 3.71 1.99 4.39 0.73 0.18 0.12 0.070 R5 0.09 3.79 2.10 4.50 0.73 0.19 0.27 0.070 R6 0.14 3.80 2.07 4.52 0.74 0.18 0.13 0.076
thermal conductivity cast iron
2 试验结果与讨论
试验得到的 Rover 制动盘试样的化学成分
编号
R1
R2
R3
R4
R5 R6
硬度（HB） 155 149 182 185 165 144
RK/MPa 129 116 141 160 114 125
