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知识篇:灰铸铁制动盘生产实践及应用

制动盘的功能是在车辆制动中传递制动扭矩和散发制动过程中产生的热量,这意味着制动盘将在中温或高温下工作。因此,从宏观上制动盘需要有较高的强度、导热性、热疲劳性、耐磨性、减振性;从微观上要有好的石墨形态(石墨种类、大小及分布)和基体组织(铁素体、珠光体、渗碳体等)。这些性能需从化学成分、工艺设计以及铁水冶炼过程上严格控制。

关键点在那里?

笔者经过多年生产实践,灰铸铁刹车盘铸件一般碳当量CE取3.9%~4.3%,其中碳含量3.3%~3.8%、硅含量1.5%~2.1%、锰含量0.3%~0.5%,其他成分根据产品特点或客户需求添加。根据上述化学成分生产的刹车盘铸件抗拉强度一般≥170 MPa,硬度在160~220 HB,珠光体含量≥96%,A型石墨≥90%,刹车盘的综合性能最优。

以下4个基本工艺控制点,

1、炉料选择

优先采用废钢+增碳剂工艺。

废钢的来源要清楚,最好使用单一来源的废钢。

1. 尽量选择碳素钢,少用合金钢,如果想利用其中的合金,要单独分开并控制其比例;

2. 生铁中含有粗大的石墨片,在电炉熔化时不能完全熔化而被带到铸件中,易形成粗大的块状石墨,因此降低铸件的强度;

3.生铁中含有较多的磷、钛、铅等元素,也影响制动盘的性能; 

4. 增碳剂可以提供碳,尤其是完全石墨化的增碳剂,不仅吸收率好,而且可以作为石墨形核核心,是优先选择的增碳剂。但这种增碳剂价格高,而且其中氮含量都很低,需要额外增加提高强度的元素。

在灰铸铁刹车盘铸件成分设计时,以回炉料完全使用为前提,其余不足部分再添加废钢。

 对于刹车盘铸件,因加工后铁屑量较大,该部分经处理后也可应用,但加入量不超过25%。一般情况下炉料配比,废钢:回炉料:铁屑=45%~55%:25%~30%:15%~25%,铁液化学成分按表1控制。

表1 铁液化学成分(质量分数,%)

 

炉料配比中,尽可能少用或不用生铁,以减少生铁遗传性的影响。如果要用生铁,也要进行验证,并不能随意更换生铁矿源地。回炉料要分类存放,最好要抛丸处理,建议在同牌号中按比例使用回炉料。

2、熔炼工艺

铁液有个平衡温度,铁液高于平衡温度时,铁液中的含氧量显著降低,元素烧损明显减少,铁液的纯净度提高。铁液的平衡温度和化学成分有关,3.2%C、1.6%Si时的理论平衡温度为1 415 ℃,实际过热温度要在平衡温度50 ℃以上。但在生产实践中实际过热温度经常达到1 500~1 550 ℃,在此温度时,石墨和基体均得到细化,强度提高,硬度下降,品质系数提高。5~10分钟的高温静置对消除炉料的遗传性和提高铁水的纯净度非常有帮助。使用石墨化程度较差的增碳剂增碳时,要注意补碳以后的熔化时间充足,以保证充分吸收。

 准确检测碳、硅及各种合金元素的含量。碳量的检测推荐使用热分析仪或者碳硫分析仪,合金元素的检测使用光谱。成分温度均合格的铁水要尽快出炉,保温超过30min,要进行补碳及重新加回炉料熔化。

3、孕育处理

常用孕育剂有,75硅铁是最常用的孕育剂,其中的钙、铝起较大的作用,来料要检测两者的含量;硅锶孕育剂消除白口能力较强,但不增加共晶团,比较适合易产生缩松的产品;硅钡孕育剂持续时间长,消除白口能力强,但共晶团数增加较多,比较适合厚大件;稀土孕育剂有脱氧除气的作用,还可以抵消铅,铋等元素的不良影响。

孕育剂的量以不出现白口为限,过多反而会造成强度下降,缩松倾向增大。随流孕育是最好的孕育方式,但量不要太多,粒度要细;型内孕育有块状,块状孕育剂不能保证第一股铁水时即能熔化,往往是3秒以后才开始熔化起孕育作用,所以不适用于浇注时间很短的小件,即使是大件也只能作为辅助,不能仅做型内孕育。没有一种孕育剂效果是最优的,每一种孕育剂皆有1-2个突出的效果,对不同孕育剂组合使用,往往能达到最优的结果,生产中可根据自己的需要选择组合方式及量。

一般的刹车盘铸件,添加0.2%~0.5%的75硅铁倒包孕育即可满足要求。对于薄壁铸件,需要使用硅钡孕育剂比较合适,加入0.15%~0.4%即可满足要求;对于容易产生缩松的铸件,除了正常加入75硅铁孕育剂,再随流加入0.05%~0.1%硅锶孕育剂能有效减少缩松缺陷发生。

4、其他影响材质的因素

浇注系统设计要保证温度场的均匀,温度场的均匀才能保证材质均匀;产品结构设计时尽可能保持壁厚均匀,如在局部壁厚无法均匀,可以通过增加工艺补贴来减少壁厚差;对易出现过冷石墨的边角部位,增加工艺补贴来消除;型砂水分在保证紧实率的情况下,尽可能地低,减少型砂对铸件表面的激冷作用。