用鐵模覆砂工藝生產(chǎn)HT250制動(dòng)鼓（超值分享）

用鐵模覆砂工藝生產(chǎn)HT250制動(dòng)鼓

    中國(guó)鑄造學(xué)會(huì)質(zhì)量控制及檢測(cè)技術(shù)委員會(huì)   楊群收

鐵模型覆砂鑄造，就是在金屬模型與粗成型金屬鑄型（常稱作：砂箱）內(nèi)壁之間，覆上一層4~8㎜厚的覆膜砂，通常金屬模型的加熱溫度為240~250℃，外面的金屬砂箱的加熱溫度約為200℃，覆膜砂在這樣一個(gè)溫度場(chǎng)下固化，覆蓋在金屬砂箱內(nèi)表面的覆膜砂成為硬殼的鑄型，鐵液注入覆有覆膜砂的金屬砂箱之中，凝固后成為鑄件的鑄造工藝方法。此工藝是基于金屬型鑄造和砂型鑄造相結(jié)合基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)：鐵砂箱加快了鐵液的凝固冷卻，使鑄件石墨細(xì)小、結(jié)晶組織致密、基體中珠光體體積分?jǐn)?shù)增加；鑄件尺寸精度高、加工余量??；鑄件表面光潔度好；造型材料需要量少；廢品率相對(duì)較低以及鑄件清理工作量小。由于鑄型強(qiáng)度高，幾乎不存在鑄型壁（向外）移動(dòng)現(xiàn)象，所以石墨膨脹作用于鑄型的推力，幾乎不產(chǎn)生效應(yīng)。因此使鑄件得到良好的自補(bǔ)縮，有利于減少或消除鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。與砂型鑄造相比，采用鐵模（型）覆砂鑄造工藝生產(chǎn)出的鑄件，組織更致密、綜合物理性能得到改善，實(shí)現(xiàn)鑄件小冒口或無(wú)冒口鑄造。該工藝的缺點(diǎn)是：前期資金投入較多；適用于少品種、大批量鑄件的生產(chǎn)。

作者簡(jiǎn)介：楊群收（ 1950—），長(zhǎng)期從事灰鐵、球鐵等多種汽車配件；油田鉆井用高鉻雙金屬缸套及高鉻錘頭等耐磨材料的技術(shù)工作?，F(xiàn)為中國(guó)鑄造學(xué)會(huì)質(zhì)量控制及檢測(cè)技術(shù)委員會(huì)委員、河南鑄鍛協(xié)會(huì)專家組成員

制動(dòng)鼓鐵模覆砂造型工藝示意圖:

  一．鐵模覆砂工藝設(shè)計(jì)中及操作中的注意事項(xiàng)

覆砂的厚度：覆砂的厚度對(duì)鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)成本都很重要。覆砂的厚度過厚，不但影響其激冷效果，也加大了生產(chǎn)成本，另外由于發(fā)氣量大，鑄件易出現(xiàn)氣孔缺陷，且不易均勻熱固化。覆砂的厚度過薄，激烈過重，鑄件的硬度高，不便精加工。一般情況下，精加工面覆砂較厚，非加工面覆砂較??；珠光體基體材質(zhì)的鑄件覆砂較薄，鐵素體基體的鑄件覆砂較厚；熱節(jié)點(diǎn)覆砂較?。缮僦?~4㎜），非熱節(jié)點(diǎn)覆砂較厚;距射砂口近處覆砂要厚，遠(yuǎn)離射砂孔處覆砂適當(dāng)??；鑄件大而且形狀復(fù)雜時(shí)，覆砂要厚，否則影響砂的流速，途中固化，致使鑄型下部充砂不實(shí)。覆砂厚度一般控制在5~8㎜。

如果鑄件的高（深）度大，在下部要設(shè)“氣塞”，防止起模時(shí)下部產(chǎn)生真空區(qū)不能進(jìn)氣，吸傷鑄型。

在加熱鐵模及砂型時(shí)，要控制其加熱溫度及整體溫度的均勻性。

在設(shè)計(jì)分型面時(shí)，盡可能的使上下型（砂箱）高度均勻，減少充砂路程，便于使覆膜砂充實(shí)鑄型。

射砂和排氣：即在往砂箱和鐵模型之間，形成的型腔中射充砂的同時(shí)，要使型腔中的氣體順利排出，否則將會(huì)產(chǎn)生覆砂不實(shí)或覆砂層不完整的現(xiàn)象。如：砂箱與鐵模底版的接觸面，砂箱上要開設(shè)排氣道，排氣道開設(shè)的大小，以只能充分排氣而不能跑砂為準(zhǔn)則(一般是用手鋸開槽即可)。

砂箱設(shè)計(jì)：砂箱壁厚激冷效果好，但鑄件易硬度高，砂箱壁薄急冷效果差。鐵模型及砂箱的壁厚一般在12~25㎜。鐵/砂=1:6~7（即鑄件重量與其所消耗覆膜砂重量之比）。

二．制動(dòng)鼓化學(xué)成分及物理性能的要求：

制動(dòng)鼓屬于HT250孕育鑄鐵，是汽車上的制動(dòng)部件，質(zhì)量要求嚴(yán)格。有的企業(yè)對(duì)其物理性能要求嚴(yán)格，對(duì)其化學(xué)成分含量要求不嚴(yán)；有的用戶不但對(duì)其物理性能要求嚴(yán)格，而且對(duì)其化學(xué)成分的含量要求也很嚴(yán)格。下表為兩個(gè)廠對(duì)HT250制動(dòng)鼓化學(xué)成分、物理性能等的要求(表一、表二、表三為Z廠；表四、表五、表六為G廠)：

化學(xué)成分要求：

表一

機(jī)械性能要求：

單鑄試棒機(jī)械性能要求按表二

表二

鑄件本體取樣，機(jī)械性能要求按表三

表三

注：本體試樣在制動(dòng)鼓柱面中部提取

金相組織按GB7216

基體：片狀珠光體，鐵素體或碳化物（若有）≤5%

石墨：A型細(xì)片狀石墨均勻分布占80%以上，B型、D型、E型等分布≤20%，石墨片狀長(zhǎng)度不低于5級(jí)

化學(xué)成分要求按表四

表四

機(jī)械性能：

單鑄試棒機(jī)械性能要求按表五

表五

鑄件本體取樣，機(jī)械性能要求按表六

表六

注：本體試樣在制動(dòng)鼓柱面中部提取

金相組織按GB/T7216

基體：片狀珠光體，鐵素體或碳化物≤5%

石墨：A型石墨，石墨長(zhǎng)度3-5級(jí)

三．化學(xué)成分的控制

1.碳（C） 碳是鑄鐵的基本元素，碳在鑄鐵中的存在形式主要有兩種：一種是以游離狀結(jié)晶碳石墨的形式存在，另一種是以化合狀滲碳體的形式存在，也正是碳在鑄鐵中的這種存在形式，把鑄鐵分成許多類型。在灰鑄鐵中碳主要以片狀石墨形式存在。含碳量高，有利于促進(jìn)石墨化，分析出的石墨量大，其金相組織往往為鐵素體基體和粗大的片狀石墨，材料強(qiáng)度和硬度較低；如果含碳量控制適當(dāng)，又得到合理化孕育 ，其金相組織為珠光體和細(xì)小的片狀石墨，有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度；如果含碳量低，又得不到合理化孕育 ，其金相組織為珠光體和細(xì)片狀石墨，甚至是白口組織，其強(qiáng)度高、硬度高、不便于機(jī)械加工。

對(duì)于生產(chǎn)HT250制動(dòng)鼓來(lái)說(shuō)，前者廠要求含碳（C）3.0~3.6％，比較好控制，通過孕育措施就可以到達(dá)其物理性能要求。后者廠要求含碳（C）3.4~3.6％，那就需要進(jìn)行低合金化處理才能達(dá)到其物理性能要求。我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中，前者廠碳控制在3.1~3.4%；后者廠碳控制在3.4~3.55%。

2.硅（Si）  硅能減少碳在液態(tài)和固態(tài)鐵中的溶解度，促進(jìn)石墨的析出，因此是促進(jìn)石墨化的元素。如果以孕育的方法加入，其促進(jìn)石墨化的效果更加強(qiáng)烈，其石墨化作用為碳的1/3 左右，故增加硅量會(huì)增加石墨的數(shù)量，但也會(huì)使石墨粗大；反之，減少硅量，會(huì)使石墨細(xì)小。一般碳、硅含量低可獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，但流動(dòng)性稍差；反之，碳硅含量高，流動(dòng)性好，機(jī)械強(qiáng)度和硬度較低。

灰鑄鐵中 C、Si 都是促進(jìn)石墨化的元素。提高碳當(dāng)量促使石墨片變粗、數(shù)量增多，強(qiáng)度和硬度下降。降低碳當(dāng)量可以減少石墨數(shù)量、細(xì)化石墨、增加初析奧氏體枝晶數(shù)量，從而是提高灰鑄鐵力學(xué)性能常采取的措施。但是降低碳當(dāng)量會(huì)導(dǎo)致鑄造性能降低、鑄件斷面敏感性增加，硬度上升加工困難等問題?？刂坪瑁⊿i）量如表七所示：

                                   表七

3.錳（Mn）  錳是阻礙石墨化元素，故提高含錳量會(huì)增加基體組織中的珠光體數(shù)量。隨錳含量的增加，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和韌性降低?？刂圃?.7—0.9 %
4.硫（S） 硫在鑄鐵中通常被認(rèn)為是有害元素。硫穩(wěn)定滲碳體，阻止石墨化。硫化鐵的熔點(diǎn)低、且質(zhì)軟而脆，能降低鑄鐵的強(qiáng)度，促進(jìn)鑄鐵的收縮，并引起鑄鐵的過硬和裂紋形成。

用電爐熔煉鐵液的過程，與用沖天爐熔煉鐵液的過程是不相同的:沖天爐從開始融化到鐵液自爐中流出所經(jīng)歷的時(shí)間很短，大約10min左右。即使沖天爐的出鐵水溫度不太高，但在爐內(nèi)熔化過熱帶的溫度也在1700℃以上，而且鐵水的氧化并不嚴(yán)重，只會(huì)有利于粗大片狀石墨的分解，使其溶于鐵液，而且也不會(huì)減少自發(fā)晶核的量。這是因?yàn)榧?xì)小的鐵液滴，滴落在妁熱的（白亮色）焦炭上，從焦炭上吸收了碳和硫，反而增加了自發(fā)晶核的量。另外，當(dāng)爐中鐵液經(jīng)過沖天爐的“過橋”流出后，要在前爐缸中停留一段時(shí)間，這段時(shí)間對(duì)鐵液的增核是有利的。用電爐熔化就不同了，從開始熔化到出鐵，需要約一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，不存在著增碳、增硫的現(xiàn)象，而且鐵液過熱溫度高、過熱時(shí)間長(zhǎng)、又有感應(yīng)電流的攪拌摩擦作用，鐵液中微細(xì)的晶態(tài)石墨即自發(fā)晶核和外來(lái)結(jié)晶核心，都會(huì)逐漸溶于鐵液而消失；或浮經(jīng)液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣，使鐵液在共晶結(jié)晶時(shí)，可作為外來(lái)晶核的物質(zhì)大幅度減少。例如，可作為外來(lái)晶核的SiO2，在溫度很高，又有攪拌作用的條件下，就易于與鑄鐵中的碳，發(fā)生如下反應(yīng)而消失：

SiO2+C2→Si+2CO↑

這種缺少晶核的鐵液，在共晶結(jié)晶凝固過程中過冷傾向大,對(duì)孕育的回應(yīng)能力很差，生產(chǎn)出的鑄件硬度高，不易精加工。

硫在灰鑄鐵中還具有低合金化的特殊作用。當(dāng)含硫量小于0.06﹪時(shí)，硫的一些有益作用就無(wú)法得到發(fā)揮。在鑄鐵中存在有細(xì)小而分散的硫化夾雜物，能在石墨的生核和成長(zhǎng)中起積極而有益的作用。用感應(yīng)電爐熔煉廢鋼加增碳劑的合成鑄鐵，其最終含硫量一般不會(huì)超過0.03％的。我們?yōu)榱颂岣哞F液的含硫量，爐前化驗(yàn)后適量加入硫化亞鐵，含硫量控制在0.07—0.09%。

5.磷（P）  磷在鑄鐵中通常也被認(rèn)為是有害元素。P使鑄鐵的共晶點(diǎn)左移，其作用程度和硅相似，能溶于液態(tài)鑄鐵中，并降低碳在液態(tài)鑄鐵中的溶解度, 有略微促進(jìn)石墨化作用，故計(jì)算碳當(dāng)量時(shí)應(yīng)計(jì)入磷的含量。當(dāng)金屬材料中磷的含量達(dá)到一定量時(shí)，在鑄鐵中就易形成磷共晶，含磷量越高磷共晶數(shù)量越多。磷共晶的熔點(diǎn)低，在鑄鐵凝固過程中，較長(zhǎng)時(shí)間的保持液態(tài)，不斷被共晶團(tuán)排擠，最后被“驅(qū)逐”到共晶團(tuán)邊界，在那里凝固，因此磷共晶呈多角狀（像做衣服剪下代尖的布頭）分布在共晶團(tuán)邊界上，由于磷共晶尖銳角對(duì)金屬基體具有一定的切割作用，所以降低了材質(zhì)的強(qiáng)度，使鑄件易發(fā)生脆裂缺陷。

就制動(dòng)鼓的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，我們從使用的原材料源頭注意，就是不要進(jìn)高磷生鐵、不要大量使用炮彈皮、柴油機(jī)缸套等高磷鑄鐵件作回爐料。含磷量應(yīng)控制在≤0.07％。

6.鉻（Cr） 鉻是反石墨化元素，共析轉(zhuǎn)變時(shí)穩(wěn)定珠光體。在灰鑄鐵中含量有0.15%，即可明顯起到提高材質(zhì)硬度和強(qiáng)度的作用。我們?cè)趯?duì)鉻的含量和控制方法上，作了大量的工作，在含碳量要求＞3.4%的鑄鐵里，其含量稍低，鑄件的硬度和強(qiáng)度就低；其含量稍高出要求范圍，鑄件的硬度就高，精加工困難。我們?cè)谧詈笳{(diào)料過程中采取措施，把鉻含量控制在0.3-0.45%范圍之內(nèi)。

配料單（簡(jiǎn)單）

配料單（工藝文件）

材質(zhì)：HT250                          2012 年  05  月 25   日   編號(hào)：20120525

配料：   審核：               批準(zhǔn)：

試驗(yàn)及生產(chǎn)過程中，化學(xué)成分對(duì)材質(zhì)物理性的影響如表八、表九所示：

化學(xué)成分與物理性能 表八

該表是根據(jù)前者廠的制動(dòng)鼓要求，在生產(chǎn)中為達(dá)到其物理性能的要求，我們除用硅鐵孕育外，還選用了含稀土的孕育劑進(jìn)行了復(fù)合孕育。

制動(dòng)鼓試驗(yàn)過程成分與性能統(tǒng)計(jì)     表九

注：化驗(yàn)分析：小數(shù)點(diǎn)后保留兩位的是用上海產(chǎn)的賀利氏熱分析儀（硅、碳）分析的結(jié)果或常規(guī)化驗(yàn)結(jié)果；保留位多的是用北京產(chǎn)的納克牌光譜分析儀，規(guī)格／型號(hào)LAB－750;材料試驗(yàn)機(jī)用的是上海百諾試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的，型號(hào)：WAW－300KN?；?yàn)分析及物理試驗(yàn)操作:鐘雪磊 趙東利

該表是根據(jù)后者廠的制動(dòng)鼓要求，含碳量≥3.4％，含鉻0.2-0.6％而進(jìn)行生產(chǎn)的。

結(jié)束語(yǔ)：在制動(dòng)鼓的試制生產(chǎn)和批量生產(chǎn)過程中，我們根據(jù)爐前化驗(yàn)結(jié)果，再調(diào)整最終各元素含量，嚴(yán)格控制各元素的含量及其平衡關(guān)系，并進(jìn)行孕育處理。河北工業(yè)大學(xué)的錢立教授說(shuō)：“有些廠的設(shè)備并不先進(jìn)，但是現(xiàn)場(chǎng)管理搞得好，科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，照樣也能夠出好的產(chǎn)品”。我們廠不但理化檢驗(yàn)設(shè)備先進(jìn)、齊全，而且管理措施科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。所以我們生產(chǎn)出的制動(dòng)鼓，物理性能等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，完全符合客戶的要求，產(chǎn)品質(zhì)量好，產(chǎn)品供不應(yīng)求。

下圖為鐵型覆砂制動(dòng)鼓（輪轂）生產(chǎn)線