刹车盘依靠摩擦将制动能转化为热能并使之散失至空气中，是汽车制动系统的关键结构件[1]。优异的刹车盘材料应具有高的导热性能以降低温度梯度引起的热应力，以及良好的抗拉强度和硬度以提高耐热疲劳强度和耐磨损性能。对重载车辆而言，随着高负载化发展和盘式制动替代鼓式制动的安全要求，制动盘材料需要在更小的摩擦面积上承受更大的热应力循环载荷，这已趋近传统灰铸铁材料的性能极限。
蠕墨铸铁一直被认为是灰铸铁在耐热/机械疲劳领域的升级材料[2]，因为粗钝的蠕虫状石墨使蠕墨铸铁具有较灰铸铁更高的强度和韧性[3]。然而蠕虫状石墨也一定程度上降低了材料的导热性能，同时蠕虫状石墨周围的铁素体也对材料的耐磨损性能起到负面影响[4-5]。因此蠕墨铸铁在制动盘中的应用仍存在限制，在获得较高抗拉强度的同时提高蠕墨铸铁的导热性和耐磨损性能是开发高性能蠕墨铸铁制动盘的关键。
蠕墨铸铁的性能主要受蠕化率、铁素体比例以及合金元素的影响[6]。提高蠕化率有利于获得高的导热系数，但会降低材料的抗拉强度[7-9]。相较于层片状珠光体，铁素体具有高的导热性能以及低的强度和显微硬度[10-11]。因此提高铁素体/珠光体比例在提高材料导热系数的同时亦会降低其力学性能[12-13]。通过添加Cr、Mo 和V 等固溶强化元素可提高蠕墨铸铁的强度和硬度[14-16]，然而合金元素会导致基体声子和电子散射的增强从而降低基体的导热性能[17]。可见，蠕墨铸铁的力学性能与导热系数具有一定的竞争关系，开发制动盘用蠕墨铸铁材料需定量地分析组织特征对上述性能的影响，并在此基础上进行调控。研究者对蠕墨铸铁中蠕化率和化学成分的影响进行了大量研究[18-20]。根据前人的研究Sn 是强烈改变蠕墨铸铁中铁素体/珠光体比例的元素[12,19]，而Mo是常用的大原子半径元素，可能具有强烈的固溶强化效果。这两种元素配合在一起添加可以获得具有不同含量和显微硬度的铁素体，实现调控蠕墨铸铁力学性能和导热性能的目的。
本文所用合金成分是通过查阅蠕墨铸铁相关文献并在前期进行摸索性实验确定的成分范围。即Sn 和Mo 元素含量分别在0.025%～0.045%、0.25%～0.45%之间，并在此范围内通过改变大原子半径Sn和Mo 元素的含量，制备了具有不同铁素体含量以及不同固溶强化程度的蠕墨铸铁。在保持一定范围蠕化率的前提下，研究了铁素体含量及其固溶强化程度对蠕墨铸铁导热系数、抗拉强度和布氏硬度的影响及其机理，为科学调控蠕墨铸铁导热和力学性能提供了理论基础。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
通过200 kg 中频炉制备了5 组具有不同化学成分的蠕墨铸铁试样。熔炼原材料包括生铁和废钢，其中生铁与废钢的比例为7∶3。铁液熔清10 min 后降温至(1 520±10)℃出铁。采用“三明治”式蠕化方式。蠕化剂为FeSiMg6RE6，粒度为4～25 mm，加入量为0.43%(质量分数，下同)；孕育剂选用BrFeSi 孕育剂，粒度为0.7～3.0 mm，加入量为0.4%。蠕化结束后于(1 410±10)℃浇注至标准铸型中(GB/T 26655-2022附注试块II 型)，每组成分浇注3 个试块。5 组试棒的化学成分见表1，碳当量CE=C%+(Si%+P%)/3。在保证5 组试棒碳当量及其他化学成分相似的情况下，S1～S3 主要改变了Mo 元素的含量，而S3～S5 主要改变了Sn 元素的含量。
表1 蠕墨铸铁的成分
Tab.1 Composition of vermicular graphite cast iron(mass fraction/%)
编号 C Si Mn P S Cu Sn Mo CE S1 3.57 2.S2 3.60 2.41 0.45 0.033 0.023 0.58 0.035 0.24 4.38 38 0.45 0.039 0.027 0.59 0.036 0.35 4.41 S3 3.54 2.39 0.45 0.043 0.022 0.60 0.037 0.43 4.35 S4 3.49 2.46 0.46 0.043 0.020 0.60 0.025 0.45 4.32 S5 3.57 2.40 0.45 0.044 0.022 0.59 0.044 0.44 4.38
1.2 实验方法
蠕墨铸铁试块按照GB/T 26655-2022《蠕墨铸铁件》要求，加工成拉伸试样，试样的标距为70 mm，拉伸段直径为14 mm。依据GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验》，使用电子式万能材料试验机对试样进行拉伸试验，以3 次实验的平均值为最终抗拉强度。拉伸实验结束后取断裂余样，利用钨灯丝扫描电子显微镜(TESCAN VEGA)观察断口形貌，并用HB-3000 型硬度计测试布氏硬度。然后制备直径12.5 mm，厚度2.1 mm，圆盘形试样，并采用耐驰激光导热仪LFA 467 测试室温下的导热系数。圆盘试样被重新研磨抛光后采用光学显微镜观察其金相组织，基体组织通过浓度为4%硝酸酒精溶液腐蚀后获得。材料的蠕化率依据GB/T 26656-2023《蠕墨铸铁金相检验》，并借助Image pro plus 软件测定。铁素体含量为铁素体占基体(珠光体+铁素体)的面积比。各组织特征的定量分析皆取10 个视野的平均值。
2 实验结果与分析
2.1 蠕墨铸铁的组织特征
图1 为S1～S5 试样腐蚀前的典型金相组织。各试样石墨含量及蠕化率的平均值见表2。可见，通过控制碳当量和蠕化工艺，S1～S5 试样获得了相似石墨含量和蠕化率，其性能差别主要由基体的特征决定。
图1 蠕墨铸铁腐蚀前的典型金相组织：(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
Fig.1 Typical metallographic structure of vermicular graphite cast iron before corrosion:(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
表2 蠕墨铸铁的性能
Tab.2 Properties of vermicular graphite cast iron
编号S1石墨含量/% 蠕化率/% 铁素体含量/% 抗拉强度/MPa 布氏硬度(HBW) 导热系数/(W·m-1·K-1) 铁素体显微硬度(HV)9.6±0.5 86.8±2.4 54.8±1.4 400.0±2.4 181.0±2.2 36.6±0.2 177.7±11.8 S2 9.4±0.3 87.9±1.3 52.9±3.4 405.0±4.1 184.0±1.8 36.0±0.1 188.2±10.0 S3 9.3±0.4 S4 9.7±0.3 87.7±1.9 51.9±2.1 415.0±2.4 188.0±2.4 34.9±0.1 206.7±16.2 88.0±1.1 59.1±2.8 390.0±4.1 173.8±1.7 37.8±0.9 178.0±13.0 S5 9.1±0.2 81.4±3.7 31.8±2.3 470.0±5.8 216.0±1.8 33.2±0.5 227.2±11.9
图2 为S1～S5 试样腐蚀后的典型金相组织。基体主要由珠光体和铁素体组成，未见明显磷共晶和碳化物存在。因此，将铁素体的含量定义为铁素体与基体(铁素体+珠光体)的面积比，各试样的铁素体含量及其显微硬度平均值见表2。可见S1～S3 中铁素体含量的差别不大，但其显微硬度随Mo 含量增加而提高，这说明Mo 元素对基体组成的影响较小，主要起到固溶强化的作用。而S3～S5 中铁素体含量及其显微硬度的差异显著，Sn 元素增加强烈地降低了铁素体/珠光体比例，且具有固溶强化基体的作用。
图2 蠕墨铸铁腐蚀后的典型金相组织：(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
Fig.2 Typical metallographic structure of vermicular graphite cast iron after corrosion:(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
2.2 铁素体含量对蠕墨铸铁力学性能和导热系数的影响
5 组试样的抗拉强度、布氏硬度及其室温导热系数列于表2。如图3 所示，S3～S5 数据表明了铁素体含量对蠕墨铸铁性能的影响，随着铁素体含量的增加，蠕墨铸铁的布氏硬度和抗拉强度降低。当铁素体含量从31.8%增加到59.1%时，布氏硬度从216 HBW 降低到174 HBW，抗拉强度从470 MPa降低到390 MPa。另外，铁素体含量增多使得蠕墨铸铁的导热系数显著增加，铁素体含量从31.8%增加到59.1%时，导热系数从33.2 W/(m·K) 增加到37.8 W/(m·K)。蠕墨铸铁中铁素体含量对力学性能和导热系数呈互为矛盾的影响，且Sn 元素对基体的固溶强化并不改变整体趋势。
图3 铁素体含量对蠕墨铸铁性能的影响：(a)布氏硬度与抗拉强度，(b)导热系数
Fig.3 Effect of ferrite content on the properties of vermicular graphite cast iron:(a)Brinell hardness and tensile strength,(b)thermal conductivity
2.3 固溶强化对蠕墨铸铁力学性能和导热系数的影响
根据表2 可知，随着Sn 和Mo 含量的增加，铁素体的显微硬度呈上升趋势，二者都起到固溶强化基体的作用。图4 为S1～S5 拉伸试样的断口形貌。由图可知，5 组试样的断口皆具有撕裂棱、韧窝、河流花样等特征。对比S1～S3 与S3～S5 可知，Sn 和Mo 元素均使河流花样的数量增加，韧窝的数量减少，但与Mo 元素相比，Sn 元素影响较大。从表1～2及图5 中S1～S3 数据可知，当Sn 含量为0.035%左右且Mo 含量在0.24%～0.43%范围内，铁素体含量相似时，每增加0.1%Mo 含量，铁素体显微硬度约提高15.3 HV，布氏硬度和抗拉强度相应提高3.7 HBW和7.9 MPa，导热系数降低0.9 W/(m·K)。表1～2 及图5 中S3～S5 数据表明，当Mo 含量相同且Sn 含量在0.025%～0.044%时，每增加0.01%Sn 含量铁素体显微硬度约提高25.9 HV，布氏硬度和抗拉强度相应提高22.2 HBW 和42.1 MPa，导热系数降低2.4 W/(m·K)。可见，基体固溶强化程度对蠕墨铸铁的力学性能和导热系数亦呈互为矛盾的影响。且从图5 中虚线和实线的趋势可知，尽管Sn 和Mo 元素的原子半径相差不大，Sn 元素变化对蠕墨铸铁力学性能和导热系数的影响程度要比Mo 元素对影响更加强烈。这可能是由于Sn 元素不仅起到了固溶强化作用，还会偏聚在石墨颗粒周围从而影响基体中铁素体与珠光体的比例[21]。
图4 蠕墨铸铁拉伸试样的断口形貌：(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
Fig.4 Fracture morphology of the tensile specimen in vermicular graphite cast iron:(a)S1,(b)S2,(c)S3,(d)S4,(e)S5
图5 固溶强化对蠕墨铸铁性能的影响：(a)布氏硬度与抗拉强度，(b)导热系数
Fig.5 Effect of solution strengthening on the properties of vermicular graphite cast iron:(a)Brinell hardness and tensile strength,(b)thermal conductivity
综上所述，蠕墨铸铁铁素体含量及其固溶强化程度对力学性能和导热系数的影响皆互为矛盾。提高铁素体含量会提高材料的导热系数，但会导致抗拉强度和布氏硬度的降低。通过固溶强化基体会降低材料的导热系数，而同时会提高其抗拉强度和布氏硬度。通过调控Sn 和Mo 元素的含量，可在提高铁素体含量的同时固溶强化基体，并获得兼具较高导热系数和良好力学性能的蠕墨铸铁材料，其导热系数趋近传统灰铸铁制动盘材料，并且抗拉强度是其1.5 倍以上，对于两者之间的热疲劳及摩擦磨损的对比会在后续研究中通过制动盘台架试验来进行检验。
3 结论
(1)铁素体含量及其固溶强化程度对蠕墨铸铁抗拉强度、布氏硬度和导热系数的影响呈互为矛盾关系，且铁素体含量的影响程度更加显著。
(2)Mo 元素对蠕墨铸铁基体中铁素体含量的影响较小，其主要起到固溶强化基体的作用。当Sn 含量为0.035%左右且Mo 含量在0.24%～0.43%范围内，每提高0.1%Mo 含量，蠕墨铸铁的抗拉强度提高7.9 MPa，布氏硬度提高3.7 HBW，而导热系数降低约0.9 W/(m·K)。
(3)Sn 元素既可以改变蠕墨铸铁中铁素体含量，也可以起到固溶强化基体的作用。当Mo 含量为0.35%左右且Sn 含量在0.025%～0.044%范围内，每提高0.01%Sn 含量，蠕墨铸铁的抗拉强度提高42.1 MPa，布氏硬度提高22.2 HBW，而导热系数降低约2.4 W/(m·K)。
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