一種高強(qiáng)度蠕墨鑄鐵制動(dòng)鼓的開發(fā)

商崇元，晏祥志，楊 佳，楊雙柱，李超進(jìn)，覃丹楓

（廣西玉柴機(jī)器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

隨著近年來國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車零部件需求出現(xiàn)高速增長(zhǎng)，為國(guó)內(nèi)汽車零部件鑄造行業(yè)帶來巨大的發(fā)展空間。同時(shí)，經(jīng)過多年的淬煉和積淀，汽車零部件鑄造行業(yè)百花齊放，鑄造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量正逐步走向世界。其中汽車制動(dòng)鼓作為汽車易損件，市場(chǎng)的需求越來越大，客戶的要求越來越高。

汽車制動(dòng)鼓是汽車非常重要的安保件，因其工況環(huán)境惡劣，工作時(shí)與剎車片相互摩擦，最高工作溫度可達(dá)850～900℃。制動(dòng)鼓在工作時(shí)冷熱溫度變換頻繁，高溫可能造成材質(zhì)組織的變化，因此制動(dòng)鼓對(duì)內(nèi)在質(zhì)量和性能有著重要的技術(shù)要求[1]，需具有較高的熱疲勞強(qiáng)度，較高的耐磨性（石墨形態(tài)、硬度），低缺口敏感性，較高的使用壽命和安全性。

目前，市場(chǎng)上制動(dòng)鼓的生產(chǎn)材質(zhì)主要以HT200/HT250 為主，由于它們的熱疲勞強(qiáng)度低，使用壽命不高，可靠性差，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前汽車輕量化和國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排新形勢(shì)的需求，尤其是重型卡車市場(chǎng)的需求[2]。為此，一種輕量化、長(zhǎng)壽命、高可靠性的制動(dòng)鼓制造技術(shù)開始納入研究生產(chǎn)，那就是高牌號(hào)蠕墨鑄鐵。

蠕蟲狀石墨的形態(tài)介于片狀與球狀之間，所以蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，其鑄造性能、減振性和導(dǎo)熱性都優(yōu)于球墨鑄鐵，與灰鑄鐵相近；在抗拉強(qiáng)度方面，一般的珠光體蠕墨鑄鐵強(qiáng)度都比珠光體灰鐵高；硬度相近，但珠光體蠕墨鑄鐵更容易通過合金化或蠕化率控制獲得更高的硬度；疲勞強(qiáng)度方面，蠕墨鑄鐵的蠕蟲狀石墨比灰鐵片狀石墨更容易阻止裂紋的產(chǎn)生。蠕蟲狀石墨表面形狀不規(guī)則，不易脫落，可以起到潤(rùn)滑作用，其耐磨性比灰鐵提高40%～70%；沖擊韌性接近球鐵，加工性能接近灰鐵。

1 工藝設(shè)計(jì)

產(chǎn)品外形尺寸：?500mm×270mm，毛坯設(shè)計(jì)壁厚17mm～30mm，加工余量統(tǒng)一按照3mm 進(jìn)行設(shè)計(jì)，收縮按照0.8%，大平面朝進(jìn)水方向；用新引進(jìn)的KW64*4-K 造型機(jī)造型，一箱一件布局；頂注式半封閉澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在直澆道放置過濾網(wǎng)，分四個(gè)內(nèi)澆口進(jìn)水，每個(gè)內(nèi)澆口設(shè)置集渣、補(bǔ)縮冒口一個(gè)。上下型凹凸配合，凸模吊芯的方式；為加強(qiáng)凹模排氣，減少因憋氣出現(xiàn)的射不滿、空殼等缺陷，在凹模澆注系統(tǒng)周邊開設(shè)排氣槽，布置排氣塞（圖1）。為減少凸模中間射孔深度，降低后續(xù)射孔清砂難度，同時(shí)避免設(shè)備相互之間的干涉，采用了階梯射孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2）；在鐵型凸模周邊及頂部邊緣設(shè)計(jì)固砂槽（圖3），加強(qiáng)覆砂層強(qiáng)度，減少覆砂收縮變形、分層和裂紋。

圖1 凹模澆注系統(tǒng)

圖2 階梯射孔

圖3 固砂槽

圖4 模具組裝圖

產(chǎn)品本體性能：強(qiáng)度≥500MPa，屈服強(qiáng)度≥350MPa，延伸率≥0.5%，硬度220～260HBW；金相：蠕化率≥50%[3]。

2 制造過程控制

2.1 造型工藝控制

采用新引進(jìn)的杭州金烏鑄造科技有限公司生產(chǎn)的半自動(dòng)鐵型覆砂生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線配置兩臺(tái)雙工位KW64*4-K 造型機(jī)，鐵型翻轉(zhuǎn)機(jī)、合箱機(jī)、開箱機(jī)、頂孔機(jī)各一臺(tái)，采用滾輪傳輸。因?yàn)閱渭煨?，產(chǎn)品不大，主機(jī)射砂壓力控制在0.2～0.4MPa,模具溫度控制在170～240℃，鐵型溫度控制在150～210℃，固化時(shí)間100～150s，平均造型速度3～4min/箱。生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制模具和鐵型溫度、射砂固化時(shí)間，減少鐵型和模具的溫度差，同時(shí)還要根據(jù)鐵型覆砂顏色（圖5）和固化時(shí)間綜合控制，避免出現(xiàn)鐵型和模具抱死無法正常脫模的情況。

圖5 合格的黃褐色覆砂

因?yàn)樵摦a(chǎn)品比較特殊，設(shè)計(jì)采用凹凸模結(jié)構(gòu)，沒有砂芯，所以造型后通過簡(jiǎn)單的修型檢查即可進(jìn)入合箱；為預(yù)防產(chǎn)品出現(xiàn)渣眼，在直澆道底部放置了?80mm 直孔陶瓷過濾網(wǎng)。

2.2 熔化工藝控制

熔煉結(jié)合生產(chǎn)選用1t 或3t 電爐單爐熔煉，生鐵、廢鋼、回爐鐵采用442 廢鋼增碳工藝，生鐵用本溪Q10 生鐵、廢鋼使用柳州五菱壓包廢鋼、回爐鐵使用自產(chǎn)蠕鐵回爐鐵。

成分控制C%：3.85～4.1（原鐵水）；Si%：2.3～2.7；S%≤0.02；Cu%：0.3～0.5；Mn%：0.3～0.5；Cr%≤0.1;P%≤0.05；Sn%:0.02～0.035。蠕化處理采用常用的沖入法，鐵水包高徑比約1：（1.5～1.7），蠕化室堤壩高150～200mm；裝包順序?yàn)椋喝浠瘎杏齽~—錫粒，采用進(jìn)口蠕化劑和國(guó)產(chǎn)稀土蠕化劑混合裝包蠕化，蠕化劑加入量根據(jù)鐵水含硫量在0.25%～0.4%之間進(jìn)行調(diào)整，一般S 含量控制在0.015%以下。一次孕育使用稀土鈣鋇或者BS-1A 孕育劑，裝包時(shí)平鋪置于蠕化劑上方，銅和錫粒隨裝包加入放于最上。蠕化處理溫度在1490～1530℃之間，蠕化出鐵不能直接沖到合金，處理完畢后進(jìn)行簡(jiǎn)單的扒渣。為減少澆注時(shí)隨流孕育對(duì)薄壁件造成鑄造缺陷，隨即用普通75#硅鐵進(jìn)行轉(zhuǎn)包孕育，孕育完畢再次反復(fù)扒渣，吊運(yùn)直接澆注。從蠕化開始到澆注結(jié)束控制在8min 之內(nèi)完成，每包鐵水澆注6 箱，澆注結(jié)束后15～25min開箱。

2.3 檢驗(yàn)

檢驗(yàn)試樣中的試塊為單鑄試塊（如圖6），每包鐵水澆注最后一箱后澆注試塊。本體取樣為隨機(jī)，取樣位置如圖7 所示。

圖6 單鑄試塊模

產(chǎn)品拋丸清理后，外觀質(zhì)量良好，除澆口局部有殘余需要打磨外，基本沒有披鋒（圖8）。

通過對(duì)產(chǎn)品本體樣件解剖和加工驗(yàn)證，內(nèi)部超聲波及磁粉探傷檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)明顯鑄造缺陷。

圖7 本體取樣位置

圖8 毛坯

表1 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

經(jīng)過批量生產(chǎn)經(jīng)加工驗(yàn)證，鐵型覆砂生產(chǎn)高強(qiáng)度蠕墨鑄鐵制動(dòng)鼓，比普通的砂型鑄造更容易獲得可靠性高，質(zhì)量好的產(chǎn)品，在高牌號(hào)蠕墨鑄鐵制動(dòng)鼓生產(chǎn)技術(shù)上具有前瞻性。為一種高強(qiáng)度汽車制動(dòng)鼓的制造研究提供了一種綠色、環(huán)保、低成本高牌號(hào)蠕墨鑄鐵件制動(dòng)鼓的生產(chǎn)方法，此產(chǎn)品在某些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷〈诣T鐵和球墨鐵，廣泛應(yīng)用于汽車、高鐵、工程機(jī)械、航航空航天等領(lǐng)域，進(jìn)一步拓展了蠕墨鑄鐵的應(yīng)用領(lǐng)域。