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用鐵模覆砂工藝生產HT250制動鼓(超值分享)

59
Issuing time:2016-06-29 09:55

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??;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?,F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??;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?。缮僦?~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??;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

牌號

化學成分%

HT250

C

Si

Mn

P

S

3.0-3.6

1.3-2.0

0.5-1.1

≤0.06

≤0.12

機械性能要求:

單鑄試棒機械性能要求按表二

表二

牌號

抗拉強度(Mpa)

硬度(HB)

HT250

≥250

190-240

鑄件本體取樣,機械性能要求按表三

表三

牌號

抗拉強度(Mpa)

硬度(HB)

HT250

≥230

180-230

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

牌號

化學成分

HT250

C

Si

Mn

P

S

Cr

3.4-3.6

1.3-1.8

0.6-0.9

≤0.08

≤0.12

0.2-0.6

機械性能:

單鑄試棒機械性能要求按表五

表五

牌號

抗拉強度(Mpa)

硬度(HB)

HT250

≥250

187/255

鑄件本體取樣,機械性能要求按表六

表六

牌號

抗拉強度(Mpa)

硬度(HB)

HT250

≥230

185/255

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??刂坪瑁⊿i)量如表七所示:

                                   表七


前者(Z)廠

爐前含量

1.3—1.5 %

終硅含量

1.6—1.8 %

后者(G)廠

爐前含量

0.8—1.0 %

終硅含量

1.6—1.8 %


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??刂圃?.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)

元素名稱

C

Si

Mn

S

P

Cr

目標元素含量(%)

3.4/3.5

1.65/

1.8

0.7/

0.85

0.07/

0.1

<0.06

0.3/

0.45

配入元素含量(%)

3.45

1.75

0.8

0.8


0.35

材料名稱

新生鐵

廢鋼

回爐料

增碳劑

硅鐵

高碳錳鐵

高碳鉻鐵

硫化鐵

配入了(%)

20

60

20

2.25

1.4

0.4

0.5

0.16

配料單(工藝文件)

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


名稱



材料


元素名稱

C

Si

Mn

S

P

Cr

成目標分


3.4     3.5

1.65     1.8

0.70     0.85

0.07    0.1

<0.06

0.3   0.45

配入成分


3.45

 1.75

   0.8

0.8


0.35









新生鐵

20

0.84      4.2

0.28         1.4

0.06    0.27

.006  .031

0.0086  0.043


廢鋼

60

0.18   0.3

0.12    0.2

0.36    0.6

.018   .03

.018    .03

0.07      

回爐料

20

0.68   3.4

0.34    1.7

0.14    0.7

0.016   0.08

0.01  0.05


增碳劑

2.25

1.68     75

(0.74)





浮硅孕育

0.2


0.144   72





高碳錳鐵

0.42

0.03   8


0.25       60




硅粒(5~15㎜孕育劑)

1.2


0.864   72





硫化鐵

0.16




.064     40



高碳鉻鐵

0.5

0.048     8





0.27      55











(3.45)

(1.75)

(0.78)

(0.1)

(0.037)


說明:1.爐前化驗分析后調整成分含量。

      2.爐前硅含量控制在0.8~0.95%.

      3.硅粒孕育劑(結合爐前含硅量,可控制在1.0~1.25%),加在包底。

      4.浮硅孕育的大塊硅鐵(2㎏),清凈渣后放置在澆包嘴后側。

      5.隨流孕育約80~100克,隨流均勻,流速控制在澆注單件的全過程。

      6.先燙包,出爐溫度1510℃-10℃。  


 

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

時間

及爐次

化學成分(%)

抗拉

硬度

(HB)

C

Si

Mn

P

S



3.27-1

3.18

1.64

0.78

0.05

0.028

248

218

232

4.27-1

3.37

1.79

0.72

0.04

0.026

246

204

212

-2

3.22

1.69

0.73

0.07

.0225

278

214

218

-3

3.27

1.94

0.67

0.06

0.024

228

222

223

4.26-1

3.278

1.766

0.738

0.07

0.036

262

226

218

4.11

3.09

1.69

1.01

0.07

0.033

312

306

229

234

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

爐次

  化      學      成     分  (%)

物理性能

C

Si

Mn

P

S

Cr

抗拉

(Mpa)

硬度

(HB

目標

3.4/3.5

1.7/1.9

0.7/0.95

0.06

0.12

0.3/0.4

≥230

180~

  250

一爐后

常規化驗

3.4525

3.47

1.8235

1.87

0.6645

0.72

0.0475

0.04

0.082

0.09

0.2955

240~247

239~252

二爐前

二爐后

3.415

3.44

0.956

1.7

0.557

0.734

0.085

0.089

0.0825

0.0855

0.18

0.3525

246~252


236~250

三爐前

三爐后

3.46

3.44

0.81

1.655


0.726


0.041


0.0775


0.281

292


237~250

四爐前

四爐后

3.48

3.4375

0.75

1.6885


0.7015


0.0595


0.072


0.3275

271~279

212~229

五爐前

五爐后

3.47

3.415

0.75

1.618


0.698


0.058


0.0965


0.3265


230~240

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?;灧治黾拔锢碓囼灢僮?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



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