高溫下灰鑄鐵微觀組織的演變及其對抗拉強度的影響

杜 瑞 薛正良 嚴 浩 周小勇

(1.武漢科技大學湖北省冶金二次資源工程技術研究中心，湖北 武漢 430081； 2.湖北業茂科技有限公司，湖北 襄陽 441800)

剎車轂是汽車最重要的部件之一，其質量不但影響汽車的安全性和操控性，同時對汽車的節能、環保也有重要的影響[1]。目前國內大多數載貨汽車剎車轂的材料為灰鑄鐵，是一種在鐵水緩慢冷卻過程中形成的在珠光體(或鐵素體)基體中分散析出大量片狀石墨的鑄鐵，斷口呈灰色?；诣T鐵碳含量相對較高，熔點較低，凝固過程中體積收縮量小，鑄造性、減震性好，導熱系數大(100 ℃的導熱系數為43～47 W/(m·K))，常用于制造機床床身、汽缸、箱體等結構件[2]。

某公司生產的重型汽車剎車轂材料為HT250灰鑄鐵，當汽車在崎嶇的山路上行駛，或長距離下坡連續剎車時，剎車轂表面溫度短時可升高到700～800 ℃，在剎車轂兩側間產生較大的溫差應力。同時，剎車轂表面在室溫與高溫的熱震環境下會產生一系列變化[3]：(1)鑄鐵表層氧化和磨損加速，直至失效；(2)熱疲勞損壞，即剎車轂表面溫度升高到400～600 ℃以上時珠光體發生分解，鑄鐵的機械強度和導熱系數顯著降低，在輪轂厚度方向的溫差應力和剎車產生的摩擦力的復合作用下產生疲勞裂紋，行車過程中裂紋擴展，直至失效。

汽車輪轂的報廢不僅給行車造成嚴重的安全隱患，也給車主及輪轂制造商造成經濟損失。汽車輪轂的服役壽命取決于輪轂的材料和鑄造工藝。為了提高輪轂的使用安全性，需提高鑄鐵的高溫強度，而鑄鐵的力學性能主要取決于其微觀組織。本文研究了剎車轂在高溫下的抗拉強度與微觀組織之間的關系，旨在為灰鑄鐵輪轂的材質升級提供一定的理論指導。

1 試驗材料與方法

從剎車轂上取樣，用電感耦合原子發射光譜儀檢測輪轂的化學成分，結果如表1所示。

表1 灰鑄鐵剎車轂的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the gray cast iron brake hub (mass fraction) %

從同一個剎車轂上取拉伸試樣，用線切割機在輪轂壁上沿軸向切取20根(高溫拉伸17根和室溫拉伸3根)尺寸為φ20 mm×150 mm的圓棒，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 高溫(a)和室溫(b)拉伸試樣Fig.1 High- temperature (a) and room- temperature (b) tensile specimens

依據GB/T 228.2—2015和GB/T 228.1—2010分別在高溫和室溫拉伸試驗機上進行拉伸試驗。高溫拉伸試驗溫度為200、300、500、600、700、800 ℃，將試樣升溫至設定溫度后保持20 min，應變速率為0.1 min- 1。每個試驗溫度拉伸3個平行試樣，抗拉強度取其平均值。

從剎車轂上切取4個試樣，其中1個試樣用于室溫組織檢驗，其余3個試樣分別在200、500、700 ℃下保溫30 min后在流水中淬冷，以保留高溫組織。將試樣磨平、拋光后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，隨后在ZEISS Axio Scope A1型光學顯微鏡和ASIN EBU10型掃描電鏡下觀察顯微組織。

2 結果與討論

2.1 抗拉強度

灰鑄鐵輪轂試樣的抗拉強度隨拉伸試驗溫度的變化如圖2所示。從圖2可見，試樣的抗拉強度隨溫度的提高而降低。室溫抗拉強度為192 MPa；200 ℃時抗拉強度開始下降， 超過300 ℃時抗拉強度急劇下降，800 ℃的抗拉強度僅33 MPa，為室溫抗拉強度的17.2%。高溫下灰鑄鐵抗拉強度大幅度下降與其內部微觀組織變化密切相關[4]。

圖2 試樣的抗拉強度隨試驗溫度的變化Fig.2 Variation of tensile strength of the specimen with test temperature

2.2 石墨形態和基體組織

圖3為不同溫度拉伸后試樣的石墨形態。從圖3可見，試樣中石墨均以片狀的A型石墨和細小卷曲的B型石墨為主，并有少量團聚石墨。對于汽車剎車轂，高的導熱性有利于將剎車產生的熱量迅速散發出去，從而降低剎車產生的高溫?；诣T鐵中的石墨呈A型時導熱系數最大[5]。部分A型石墨長度過長或出現石墨團聚會導致材料力學性能下降，B型石墨也會使灰鑄鐵的強度下降。從圖3可見，溫度從室溫升高到200 ℃時石墨形態變化不大；當溫度提高到500和700 ℃時，片狀石墨有增厚的傾向，團聚石墨的數量也增加。

圖3 不同溫度拉伸后試樣的石墨形態Fig.3 Graphite morphologies of the samples tension tested at different temperatures

灰鑄鐵的基體組織分為珠光體、鐵素體、珠光體加鐵素體3種。與鐵素體相比，珠光體的強度和硬度更高。圖4為不同溫度拉伸后試樣的基體組織，均為珠光體。

圖4 不同溫度拉伸后試樣的顯微組織Fig.4 Microstructures of the samples tension tested at different temperatures

2.3 高溫下珠光體分解

圖5為不同溫度拉伸后試樣的珠光體形貌?？梢姡S著溫度的提高，片狀珠光體發生轉變。從室溫到200 ℃，片狀珠光體間距增大；當溫度繼續升高至500和700 ℃時，原子的擴散能力增強，片狀珠光體因具有較高的表面能而不穩定，片層間距增大的同時在相鄰兩個珠光體晶界上的滲碳體片發生斷裂、溶解，局部轉變成粒狀珠光體(5(d)和圖6)以降低表面能，表明灰鑄鐵中片狀珠光體在高溫下發生了分解[6]。

圖5 不同溫度拉伸后試樣中珠光體的微觀形貌Fig.5 Micrographs of pearlite in samples tension tested at different temperatures

圖6 圖5(d)所示顆粒狀滲碳體的微觀形貌及能譜分析Fig.6 Micrographs and EDS analysis of granular cementites showed in Fig.5(d)

片狀珠光體分解后抗拉強度降低的主要原因是片層狀碳化物對位錯運動的阻力要遠大于顆粒狀碳化物[7- 9]。珠光體分解之前，位錯在運動過程中遇到片層狀碳化物時，由于其硬而脆，難以塑性變形，導致位錯在層片狀碳化物處積塞，除非在外力足夠大的條件下，位錯才有可能克服阻力而開始運動，所以片層狀珠光體具有較高的強度。當碳化物轉變成顆粒狀后，由于其相界面減小，減弱了界面強化作用，并且位錯在運動過程中遇到顆粒狀碳化物時，能繞過顆粒狀粒子而繼續運動，因而顆粒狀組織強度低。溫度越高或保溫時間越長，片狀珠光體分解程度越大，顆粒狀粒子對位錯運動的阻力越小，材料的強度也越低。

圖7為不同溫度拉伸后試樣的片層珠光體結構?？梢婋S著溫度的提高，珠光體的片間距增大。由表2可見，珠光體的平均片間距由室溫時的139 nm增加到700 ℃時的235 nm。片層組織的界面對位錯的滑移起阻礙作用，珠光體越細，片層間距越小，位錯滑移的阻力越大，珠光體的強度越高。隨著溫度的提高，碳原子的擴散能力增強，擴散速度加快，擴散距離長，進而珠光體片間距增大[10]，珠光體強度下降，這是導致灰鑄鐵抗拉強度下降的另一個原因。

圖7 不同溫度拉伸后試樣的珠光體片層形貌Fig.7 Morphologies of pearlite lamellae in samples tension tested at different temperatures

表2 不同溫度拉伸后試樣的珠光體平均片間距Table 2 Average interlamellar spacing of pearlite in samples tension tested at different temperatures

3 結論

(1)隨著拉伸試驗溫度從室溫升高到200 ℃，灰鑄鐵的石墨形態變化不大，當溫度升高到500和700 ℃時，石墨片有粗化的傾向，團聚石墨數量增加。隨著溫度的升高，片狀珠光體發生分解，從室溫到200 ℃，片狀珠光體間距增大；當溫度繼續升高到500和700 ℃時，原子擴散能力增強，片狀珠光體因具有較高的表面能而不穩定；片層間距增大的同時，珠光體晶界上的滲碳體片斷裂、溶解，轉變成細粒狀滲碳體以降低表面能。

(2)高溫下灰鑄鐵微觀組織的演變導致其在200 ℃以上溫度拉伸時抗拉強度明顯下降，800 ℃時的抗拉強度僅為室溫下的17.2%。