用铁模覆砂工艺生产HT250制动鼓

    中国铸造学会质量控制及检测技术委员会   杨群收

铁模型覆砂铸造，就是在金属模型与粗成型金属铸型（常称作：砂箱）内壁之间，覆上一层4~8㎜厚的覆膜砂，通常金属模型的加热温度为240~250℃，外面的金属砂箱的加热温度约为200℃，覆膜砂在这样一个温度场下固化，覆盖在金属砂箱内表面的覆膜砂成为硬壳的铸型，铁液注入覆有覆膜砂的金属砂箱之中，凝固后成为铸件的铸造工艺方法。此工艺是基于金属型铸造和砂型铸造相结合基础上发展起来的，兼有二者的优点：铁砂箱加快了铁液的凝固冷却，使铸件石墨细小、结晶组织致密、基体中珠光体体积分数增加；铸件尺寸精度高、加工余量小；铸件表面光洁度好；造型材料需要量少；废品率相对较低以及铸件清理工作量小。由于铸型强度高，几乎不存在铸型壁（向外）移动现象，所以石墨膨胀作用于铸型的推力，几乎不产生效应。因此使铸件得到良好的自补缩，有利于减少或消除铸件产生缩孔、缩松等缺陷。与砂型铸造相比，采用铁模（型）覆砂铸造工艺生产出的铸件，组织更致密、综合物理性能得到改善，实现铸件小冒口或无冒口铸造。该工艺的缺点是：前期资金投入较多；适用于少品种、大批量铸件的生产。

作者简介：杨群收（ 1950—），长期从事灰铁、球铁等多种汽车配件；油田钻井用高铬双金属缸套及高铬锤头等耐磨材料的技术工作。现为中国铸造学会质量控制及检测技术委员会委员、河南铸锻协会专家组成员

制动鼓铁模覆砂造型工艺示意图:

  一．铁模覆砂工艺设计中及操作中的注意事项

覆砂的厚度：覆砂的厚度对铸件质量和生产成本都很重要。覆砂的厚度过厚，不但影响其激冷效果，也加大了生产成本，另外由于发气量大，铸件易出现气孔缺陷，且不易均匀热固化。覆砂的厚度过薄，激烈过重，铸件的硬度高，不便精加工。一般情况下，精加工面覆砂较厚，非加工面覆砂较薄；珠光体基体材质的铸件覆砂较薄，铁素体基体的铸件覆砂较厚；热节点覆砂较薄（可少至3~4㎜），非热节点覆砂较厚;距射砂口近处覆砂要厚，远离射砂孔处覆砂适当薄；铸件大而且形状复杂时，覆砂要厚，否则影响砂的流速，途中固化，致使铸型下部充砂不实。覆砂厚度一般控制在5~8㎜。

如果铸件的高（深）度大，在下部要设“气塞”，防止起模时下部产生真空区不能进气，吸伤铸型。

在加热铁模及砂型时，要控制其加热温度及整体温度的均匀性。

在设计分型面时，尽可能的使上下型（砂箱）高度均匀，减少充砂路程，便于使覆膜砂充实铸型。

射砂和排气：即在往砂箱和铁模型之间，形成的型腔中射充砂的同时，要使型腔中的气体顺利排出，否则将会产生覆砂不实或覆砂层不完整的现象。如：砂箱与铁模底版的接触面，砂箱上要开设排气道，排气道开设的大小，以只能充分排气而不能跑砂为准则(一般是用手锯开槽即可)。

砂箱设计：砂箱壁厚激冷效果好，但铸件易硬度高，砂箱壁薄急冷效果差。铁模型及砂箱的壁厚一般在12~25㎜。铁/砂=1:6~7（即铸件重量与其所消耗覆膜砂重量之比）。

二．制动鼓化学成分及物理性能的要求：

制动鼓属于HT250孕育铸铁，是汽车上的制动部件，质量要求严格。有的企业对其物理性能要求严格，对其化学成分含量要求不严；有的用户不但对其物理性能要求严格，而且对其化学成分的含量要求也很严格。下表为两个厂对HT250制动鼓化学成分、物理性能等的要求(表一、表二、表三为Z厂；表四、表五、表六为G厂)：

化学成分要求：

表一

机械性能要求：

单铸试棒机械性能要求按表二

表二

铸件本体取样，机械性能要求按表三

表三

注：本体试样在制动鼓柱面中部提取

金相组织按GB7216

基体：片状珠光体，铁素体或碳化物（若有）≤5%

石墨：A型细片状石墨均匀分布占80%以上，B型、D型、E型等分布≤20%，石墨片状长度不低于5级

化学成分要求按表四

表四

机械性能：

单铸试棒机械性能要求按表五

表五

铸件本体取样，机械性能要求按表六

表六

注：本体试样在制动鼓柱面中部提取

金相组织按GB/T7216

基体：片状珠光体，铁素体或碳化物≤5%

石墨：A型石墨，石墨长度3-5级

三．化学成分的控制

1.碳（C） 碳是铸铁的基本元素，碳在铸铁中的存在形式主要有两种：一种是以游离状结晶碳石墨的形式存在，另一种是以化合状渗碳体的形式存在，也正是碳在铸铁中的这种存在形式，把铸铁分成许多类型。在灰铸铁中碳主要以片状石墨形式存在。含碳量高，有利于促进石墨化，分析出的石墨量大，其金相组织往往为铁素体基体和粗大的片状石墨，材料强度和硬度较低；如果含碳量控制适当，又得到合理化孕育 ，其金相组织为珠光体和细小的片状石墨，有较高的机械强度和硬度；如果含碳量低，又得不到合理化孕育 ，其金相组织为珠光体和细片状石墨，甚至是白口组织，其强度高、硬度高、不便于机械加工。

对于生产HT250制动鼓来说，前者厂要求含碳（C）3.0~3.6％，比较好控制，通过孕育措施就可以到达其物理性能要求。后者厂要求含碳（C）3.4~3.6％，那就需要进行低合金化处理才能达到其物理性能要求。凯发登录在实际生产中，前者厂碳控制在3.1~3.4%；后者厂碳控制在3.4~3.55%。

2.硅（Si）  硅能减少碳在液态和固态铁中的溶解度，促进石墨的析出，因此是促进石墨化的元素。如果以孕育的方法加入，其促进石墨化的效果更加强烈，其石墨化作用为碳的1/3 左右，故增加硅量会增加石墨的数量，但也会使石墨粗大；反之，减少硅量，会使石墨细小。一般碳、硅含量低可获得较高的机械强度和硬度，但流动性稍差；反之，碳硅含量高，流动性好，机械强度和硬度较低。

灰铸铁中 C、Si 都是促进石墨化的元素。提高碳当量促使石墨片变粗、数量增多，强度和硬度下降。降低碳当量可以减少石墨数量、细化石墨、增加初析奥氏体枝晶数量，从而是提高灰铸铁力学性能常采取的措施。但是降低碳当量会导致铸造性能降低、铸件断面敏感性增加，硬度上升加工困难等问题。控制含硅（Si）量如表七所示：

                 ;                  表七

3.锰（Mn）  锰是阻碍石墨化元素，故提高含锰量会增加基体组织中的珠光体数量。随锰含量的增加，铸铁的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低。控制在0.7—0.9 %
4.硫（S） 硫在铸铁中通常被认为是有害元素。硫稳定渗碳体，阻止石墨化。硫化铁的熔点低、且质软而脆，能降低铸铁的强度，促进铸铁的收缩，并引起铸铁的过硬和裂纹形成。

用电炉熔炼铁液的过程，与用冲天炉熔炼铁液的过程是不相同的:冲天炉从开始融化到铁液自炉中流出所经历的时间很短，大约10min左右。即使冲天炉的出铁水温度不太高，但在炉内熔化过热带的温度也在1700℃以上，而且铁水的氧化并不严重，只会有利于粗大片状石墨的分解，使其溶于铁液，而且也不会减少自发晶核的量。这是因为细小的铁液滴，滴落在妁热的（白亮色）焦炭上，从焦炭上吸收了碳和硫，反而增加了自发晶核的量。另外，当炉中铁液经过冲天炉的“过桥”流出后，要在前炉缸中停留一段时间，这段时间对铁液的增核是有利的。用电炉熔化就不同了，从开始熔化到出铁，需要约一个小时的时间，不存在着增碳、增硫的现象，而且铁液过热温度高、过热时间长、又有感应电流的搅拌摩擦作用，铁液中微细的晶态石墨即自发晶核和外来结晶核心，都会逐渐溶于铁液而消失；或浮经液面与集渣剂粘裹在一起被挑出炉外。这样，使铁液在共晶结晶时，可作为外来晶核的物质大幅度减少。例如，可作为外来晶核的SiO2，在温度很高，又有搅拌作用的条件下，就易于与铸铁中的碳，发生如下反应而消失：

SiO2+C2→Si+2CO↑

这种缺少晶核的铁液，在共晶结晶凝固过程中过冷倾向大,对孕育的回应能力很差，生产出的铸件硬度高，不易精加工。

硫在灰铸铁中还具有低合金化的特殊作用。当含硫量小于0.06﹪时，硫的一些有益作用就无法得到发挥。在铸铁中存在有细小而分散的硫化夹杂物，能在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用。用感应电炉熔炼废钢加增碳剂的合成铸铁，其最终含硫量一般不会超过0.03％的。凯发登录为了提高铁液的含硫量，炉前化验后适量加入硫化亚铁，含硫量控制在0.07—0.09%。

5.磷（P）  磷在铸铁中通常也被认为是有害元素。P使铸铁的共晶点左移，其作用程度和硅相似，能溶于液态铸铁中，并降低碳在液态铸铁中的溶解度, 有略微促进石墨化作用，故计算碳当量时应计入磷的含量。当金属材料中磷的含量达到一定量时，在铸铁中就易形成磷共晶，含磷量越高磷共晶数量越多。磷共晶的熔点低，在铸铁凝固过程中，较长时间的保持液态，不断被共晶团排挤，最后被“驱逐”到共晶团边界，在那里凝固，因此磷共晶呈多角状（像做衣服剪下代尖的布头）分布在共晶团边界上，由于磷共晶尖锐角对金属基体具有一定的切割作用，所以降低了材质的强度，使铸件易发生脆裂缺陷。

就制动鼓的生产来说，凯发登录从使用的原材料源头注意，就是不要进高磷生铁、不要大量使用炮弹皮、柴油机缸套等高磷铸铁件作回炉料。含磷量应控制在≤0.07％。

6.铬（Cr） 铬是反石墨化元素，共析转变时稳定珠光体。在灰铸铁中含量有0.15%，即可明显起到提高材质硬度和强度的作用。凯发登录在对铬的含量和控制方法上，作了大量的工作，在含碳量要求＞3.4%的铸铁里，其含量稍低，铸件的硬度和强度就低；其含量稍高出要求范围，铸件的硬度就高，精加工困难。凯发登录在最后调料过程中采取措施，把铬含量控制在0.3-0.45%范围之内。

                     

配料单（简单）

配料单（工艺文件）

材质：HT250                          2012 年  05  月 25   日   编号：20120525

配料：  ; 审核：               批准：

试验及生产过程中，化学成分对材质物理性的影响如表八、表九所示：

化学成分与物理性能 表八

该表是根据前者厂的制动鼓要求，在生产中为达到其物理性能的要求，凯发登录除用硅铁孕育外，还选用了含稀土的孕育剂进行了复合孕育。

制动鼓试验过程成分与性能统计     表九

注：化验分析：小数点后保留两位的是用上海产的贺利氏热分析仪（硅、碳）分析的结果或常规化验结果；保留位多的是用北京产的纳克牌光谱分析仪，规格／型号LAB－750;材料试验机用的是上海百诺试验仪器有限公司生产的，型号：WAW－300KN。化验分析及物理试验操作:钟雪磊 赵东利

该表是根据后者厂的制动鼓要求，含碳量≥3.4％，含铬0.2-0.6％而进行生产的。

结束语：在制动鼓的试制生产和批量生产过程中，凯发登录根据炉前化验结果，再调整最终各元素含量，严格控制各元素的含量及其平衡关系，并进行孕育处理。河北工业大学的钱立教授说：“有些厂的设备并不先进，但是现场管理搞得好，科学、严谨，照样也能够出好的产品”。凯发登录厂不但理化检验设备先进、齐全，而且管理措施科学、严谨。所以凯发登录生产出的制动鼓，物理性能等各项技术指标，完全符合客户的要求，产品质量好，产品供不应求。

下图为铁型覆砂制动鼓（轮毂）生产线