用鐵模覆砂工藝生產HT250制動鼓（超值分享）

用鐵模覆砂工藝生產HT250制動鼓

    中國鑄造學會質量控制及檢測技術委員會   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℃，覆膜砂在這樣一個溫度場下固化，覆蓋在金屬砂箱內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合基礎上發展起來的，兼有二者的優點：鐵砂箱加快了鐵液的凝固冷卻，使鑄件石墨細小、結晶組織致密、基體中珠光體體積分數增加；鑄件尺寸精度高、加工余量小；鑄件表面光潔度好；造型材料需要量少；廢品率相對較低以及鑄件清理工作量小。由于鑄型強度高，幾乎不存在鑄型壁（向外）移動現象，所以石墨膨脹作用于鑄型的推力，幾乎不產生效應。因此使鑄件得到良好的自補縮，有利于減少或消除鑄件產生縮孔、縮松等缺陷。與砂型鑄造相比，采用鐵模（型）覆砂鑄造工藝生產出的鑄件，組織更致密、綜合物理性能得到改善，實現鑄件小冒口或無冒口鑄造。該工藝的缺點是：前期資金投入較多；適用于少品種、大批量鑄件的生產。

作者簡介：楊群收（ 1950—），長期從事灰鐵、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工作。現為中國鑄造學會質量控制及檢測技術委員會委員、河南鑄鍛協會專家組成員

制動鼓鐵模覆砂造型工藝示意圖:

  一．鐵模覆砂工藝設計中及操作中的注意事項

覆砂的厚度：覆砂的厚度對鑄件質量和生產成本都很重要。覆砂的厚度過厚，不但影響其激冷效果，也加大了生產成本，另外由于發氣量大，鑄件易出現氣孔缺陷，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，非加工面覆砂較薄；珠光體基體材質的鑄件覆砂較薄，鐵素體基體的鑄件覆砂較厚；熱節點覆砂較薄（可少至3~4㎜），非熱節點覆砂較厚;距射砂口近處覆砂要厚，遠離射砂孔處覆砂適當薄；鑄件大而且形狀復雜時，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。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“氣塞”，防止起模時下部產生真空區不能進氣，吸傷鑄型。

在加熱鐵模及砂型時，要控制其加熱溫度及整體溫度的均勻性。

在設計分型面時，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，要使型腔中的氣體順利排出，否則將會產生覆砂不實或覆砂層不完整的現象。如：砂箱與鐵模底版的接觸面，砂箱上要開設排氣道，排氣道開設的大小，以只能充分排氣而不能跑砂為準則(一般是用手鋸開槽即可)。

砂箱設計：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．制動鼓化學成分及物理性能的要求：

制動鼓屬于HT250孕育鑄鐵，是汽車上的制動部件，質量要求嚴格。有的企業對其物理性能要求嚴格，對其化學成分含量要求不嚴；有的用戶不但對其物理性能要求嚴格，而且對其化學成分的含量要求也很嚴格。下表為兩個廠對HT250制動鼓化學成分、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)：

化學成分要求：

表一

機械性能要求：

單鑄試棒機械性能要求按表二

表二

鑄件本體取樣，機械性能要求按表三

表三

注：本體試樣在制動鼓柱面中部提取

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%，石墨片狀長度不低于5級

化學成分要求按表四

表四

機械性能：

單鑄試棒機械性能要求按表五

表五

鑄件本體取樣，機械性能要求按表六

表六

注：本體試樣在制動鼓柱面中部提取

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，石墨長度3-5級

三．化學成分的控制

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，材料強度和硬度較低；如果含碳量控制適當，又得到合理化孕育 ，其金相組織為珠光體和細小的片狀石墨，有較高的機械強度和硬度；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片狀石墨，甚至是白口組織，其強度高、硬度高、不便于機械加工。

對于生產HT250制動鼓來說，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其物理性能要求。后者廠要求含碳（C）3.4~3.6％，那就需要進行低合金化處理才能達到其物理性能要求。我們在實際生產中，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）  硅能減少碳在液態和固態鐵中的溶解度，促進石墨的析出，因此是促進石墨化的元素。如果以孕育的方法加入，其促進石墨化的效果更加強烈，其石墨化作用為碳的1/3 左右，故增加硅量會增加石墨的數量，但也會使石墨粗大；反之，減少硅量，會使石墨細小。一般碳、硅含量低可獲得較高的機械強度和硬度，但流動性稍差；反之，碳硅含量高，流動性好，機械強度和硬度較低。

灰鑄鐵中 C、Si 都是促進石墨化的元素。提高碳當量促使石墨片變粗、數量增多，強度和硬度下降。降低碳當量可以減少石墨數量、細化石墨、增加初析奧氏體枝晶數量，從而是提高灰鑄鐵力學性能常采取的措施。但是降低碳當量會導致鑄造性能降低、鑄件斷面敏感性增加，硬度上升加工困難等問題。控制含硅（Si）量如表七所示：

                                   表七

3.錳（Mn）  錳是阻礙石墨化元素，故提高含錳量會增加基體組織中的珠光體數量。隨錳含量的增加，鑄鐵的強度、硬度增加，而塑性和韌性降低。控制在0.7—0.9 %
4.硫（S） 硫在鑄鐵中通常被認為是有害元素。硫穩定滲碳體，阻止石墨化。硫化鐵的熔點低、且質軟而脆，能降低鑄鐵的強度，促進鑄鐵的收縮，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歷的時間很短，大約10min左右。即使沖天爐的出鐵水溫度不太高，但在爐內熔化過熱帶的溫度也在1700℃以上，而且鐵水的氧化并不嚴重，只會有利于粗大片狀石墨的分解，使其溶于鐵液，而且也不會減少自發晶核的量。這是因為細小的鐵液滴，滴落在妁熱的（白亮色）焦炭上，從焦炭上吸收了碳和硫，反而增加了自發晶核的量。另外，當爐中鐵液經過沖天爐的“過橋”流出后，要在前爐缸中停留一段時間，這段時間對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，需要約一個小時的時間，不存在著增碳、增硫的現象，而且鐵液過熱溫度高、過熱時間長、又有感應電流的攪拌摩擦作用，鐵液中微細的晶態石墨即自發晶核和外來結晶核心，都會逐漸溶于鐵液而消失；或浮經液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣，使鐵液在共晶結晶時，可作為外來晶核的物質大幅度減少。例如，可作為外來晶核的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，發生如下反應而消失：

SiO2+C2→Si+2CO↑

這種缺少晶核的鐵液，在共晶結晶凝固過程中過冷傾向大,對孕育的回應能力很差，生產出的鑄件硬度高，不易精加工。

硫在灰鑄鐵中還具有低合金化的特殊作用。當含硫量小于0.06﹪時，硫的一些有益作用就無法得到發揮。在鑄鐵中存在有細小而分散的硫化夾雜物，能在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。用感應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超過0.03％的。我們為了提高鐵液的含硫量，爐前化驗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為是有害元素。P使鑄鐵的共晶點左移，其作用程度和硅相似，能溶于液態鑄鐵中，并降低碳在液態鑄鐵中的溶解度, 有略微促進石墨化作用，故計算碳當量時應計入磷的含量。當金屬材料中磷的含量達到一定量時，在鑄鐵中就易形成磷共晶，含磷量越高磷共晶數量越多。磷共晶的熔點低，在鑄鐵凝固過程中，較長時間的保持液態，不斷被共晶團排擠，最后被“驅逐”到共晶團邊界，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）分布在共晶團邊界上，由于磷共晶尖銳角對金屬基體具有一定的切割作用，所以降低了材質的強度，使鑄件易發生脆裂缺陷。

就制動鼓的生產來說，我們從使用的原材料源頭注意，就是不要進高磷生鐵、不要大量使用炮彈皮、柴油機缸套等高磷鑄鐵件作回爐料。含磷量應控制在≤0.07％。

6.鉻（Cr） 鉻是反石墨化元素，共析轉變時穩定珠光體。在灰鑄鐵中含量有0.15%，即可明顯起到提高材質硬度和強度的作用。我們在對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。我們在最后調料過程中采取措施，把鉻含量控制在0.3-0.45%范圍之內。

配料單（簡單）

配料單（工藝文件）

材質：HT250                          2012 年  05  月 25   日   編號：20120525

配料：   審核：               批準：

試驗及生產過程中，化學成分對材質物理性的影響如表八、表九所示：

化學成分與物理性能 表八

該表是根據前者廠的制動鼓要求，在生產中為達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行了復合孕育。

制動鼓試驗過程成分與性能統計     表九

注：化驗分析：小數點后保留兩位的是用上海產的賀利氏熱分析儀（硅、碳）分析的結果或常規化驗結果；保留位多的是用北京產的納克牌光譜分析儀，規格／型號LAB－750;材料試驗機用的是上海百諾試驗儀器有限公司生產的，型號：WAW－300KN。化驗分析及物理試驗操作:鐘雪磊 趙東利

該表是根據后者廠的制動鼓要求，含碳量≥3.4％，含鉻0.2-0.6％而進行生產的。

結束語：在制動鼓的試制生產和批量生產過程中，我們根據爐前化驗結果，再調整最終各元素含量，嚴格控制各元素的含量及其平衡關系，并進行孕育處理。河北工業大學的錢立教授說：“有些廠的設備并不先進，但是現場管理搞得好，科學、嚴謹，照樣也能夠出好的產品”。我們廠不但理化檢驗設備先進、齊全，而且管理措施科學、嚴謹。所以我們生產出的制動鼓，物理性能等各項技術指標，完全符合客戶的要求，產品質量好，產品供不應求。

下圖為鐵型覆砂制動鼓（輪轂）生產線