一種高強度蠕墨鑄鐵制動鼓的開發

商崇元，晏祥志，楊 佳，楊雙柱，李超進，覃丹楓

（廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

隨著近年來國內外汽車工業的迅猛發展，汽車零部件需求出現高速增長，為國內汽車零部件鑄造行業帶來巨大的發展空間。同時，經過多年的淬煉和積淀，汽車零部件鑄造行業百花齊放，鑄造技術和產品質量正逐步走向世界。其中汽車制動鼓作為汽車易損件，市場的需求越來越大，客戶的要求越來越高。

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

目前，市場上制動鼓的生產材質主要以HT200/HT250 為主，由于它們的熱疲勞強度低，使用壽命不高，可靠性差，已經不能滿足當前汽車輕量化和國家倡導的節能減排新形勢的需求，尤其是重型卡車市場的需求[2]。為此，一種輕量化、長壽命、高可靠性的制動鼓制造技術開始納入研究生產，那就是高牌號蠕墨鑄鐵。

蠕蟲狀石墨的形態介于片狀與球狀之間，所以蠕墨鑄鐵的力學性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，其鑄造性能、減振性和導熱性都優于球墨鑄鐵，與灰鑄鐵相近；在抗拉強度方面，一般的珠光體蠕墨鑄鐵強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生。蠕蟲狀石墨表面形狀不規則，不易脫落，可以起到潤滑作用，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 工藝設計

產品外形尺寸：?500mm×270mm，毛坯設計壁厚17mm～30mm，加工余量統一按照3mm 進行設計，收縮按照0.8%，大平面朝進水方向；用新引進的KW64*4-K 造型機造型，一箱一件布局；頂注式半封閉澆注系統設計，在直澆道放置過濾網，分四個內澆口進水，每個內澆口設置集渣、補縮冒口一個。上下型凹凸配合，凸模吊芯的方式；為加強凹模排氣，減少因憋氣出現的射不滿、空殼等缺陷，在凹模澆注系統周邊開設排氣槽，布置排氣塞（圖1）。為減少凸模中間射孔深度，降低后續射孔清砂難度，同時避免設備相互之間的干涉，采用了階梯射孔結構設計（圖2）；在鐵型凸模周邊及頂部邊緣設計固砂槽（圖3），加強覆砂層強度，減少覆砂收縮變形、分層和裂紋。

圖1 凹模澆注系統

圖2 階梯射孔

圖3 固砂槽

圖4 模具組裝圖

產品本體性能：強度≥500MPa，屈服強度≥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

采用新引進的杭州金烏鑄造科技有限公司生產的半自動鐵型覆砂生產線，該生產線配置兩臺雙工位KW64*4-K 造型機，鐵型翻轉機、合箱機、開箱機、頂孔機各一臺，采用滾輪傳輸。因為單件造型，產品不大，主機射砂壓力控制在0.2～0.4MPa,模具溫度控制在170～240℃，鐵型溫度控制在150～210℃，固化時間100～150s，平均造型速度3～4min/箱。生產過程嚴格控制模具和鐵型溫度、射砂固化時間，減少鐵型和模具的溫度差，同時還要根據鐵型覆砂顏色（圖5）和固化時間綜合控制，避免出現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

因為該產品比較特殊，設計采用凹凸模結構，沒有砂芯，所以造型后通過簡單的修型檢查即可進入合箱；為預防產品出現渣眼，在直澆道底部放置了?80mm 直孔陶瓷過濾網。

2.2 熔化工藝控制

熔煉結合生產選用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；裝包順序為：蠕化劑—孕育劑—銅—錫粒，采用進口蠕化劑和國產稀土蠕化劑混合裝包蠕化，蠕化劑加入量根據鐵水含硫量在0.25%～0.4%之間進行調整，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，處理完畢后進行簡單的扒渣。為減少澆注時隨流孕育對薄壁件造成鑄造缺陷，隨即用普通75#硅鐵進行轉包孕育，孕育完畢再次反復扒渣，吊運直接澆注。從蠕化開始到澆注結束控制在8min 之內完成，每包鐵水澆注6 箱，澆注結束后15～25min開箱。

2.3 檢驗

檢驗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，取樣位置如圖7 所示。

圖6 單鑄試塊模

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

通過對產品本體樣件解剖和加工驗證，內部超聲波及磁粉探傷檢驗，均未發現明顯鑄造缺陷。

圖7 本體取樣位置

圖8 毛坯

表1 檢驗數據

3 總結

經過批量生產經加工驗證，鐵型覆砂生產高強度蠕墨鑄鐵制動鼓，比普通的砂型鑄造更容易獲得可靠性高，質量好的產品，在高牌號蠕墨鑄鐵制動鼓生產技術上具有前瞻性。為一種高強度汽車制動鼓的制造研究提供了一種綠色、環保、低成本高牌號蠕墨鑄鐵件制動鼓的生產方法，此產品在某些應用領域將取代灰鑄鐵和球墨鐵，廣泛應用于汽車、高鐵、工程機械、航航空航天等領域，進一步拓展了蠕墨鑄鐵的應用領域。