高碳低合金灰铁制动盘毂生产技术_李永红.pdf

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1、52 2 0 1 1 年安徽省科协年 会一机械工程分年 会论。 高碳低合金灰铁制动 盘毅生产 技术 李永红 王 文信张杰董恒 ( 安徽神剑科技股份有限公司安徽合 肥 230 022 ) 摘要本文简要介绍了国外优质高碳低 合金灰铁制 动盘毅成分选择 与性能情况 , 探讨了在生产过 程中采用废钢 增 碳 熔炼工 艺改善石 墨 形态 、 多元低合金配合增 强基体组织 强度 、 正确的 孕育工 艺消 除 白口抑制形 成 B 型石墨提高强度 . 满足了 高碳低合金灰铁制动 盘毅性能要求 . 同时可以避免缩孔 、 裂纹 、 加工硬化等相关缺陷 。 关键词高碳低合金灰铁制动盘毅 ; 高强度 ; 电 炉增碳

2、灰铸铁以其良好 的减震性 、 抗磨损性 、 传热性 , 易于制造以及成 本低廉等优 点 , 在 汽车制动 盘 的制 造 中 , 一 直作为首 选材 料 。 目前国内普通 汽 车制 动盘 , 碳 当量 通常 在 3 . 8%一3 . 9% 左右(亚共晶铸铁) 。 随 着对 汽 车刹车 性 能要求的不断提高 , 传统的灰铸铁材 料已经越来越 难以满足其需求 , 国外优 质 制动盘因高碳 当量 使其具备更好的减 震性 、 热传导性 、 抗抖 动性等性 能 : 灰铸铁的导 热 性和碳当量存 在 着一个 近 似 的线性 关 系 。 在同等碳当量情况下 , 石墨片越 长 制动 盘的导热 性 越好 , 某

3、种 程 度上 , 石墨片 长 度 也可以用来表 征 制动 盘毅 的导热能表力 。 目前 国内外 中高档 轿 车制动盘 , 其前后制 动 盘 的碳 当 量在 4 . 4%一4 . 5% 左 右(过 共 晶 铸铁) 。 表 1和表2 是国外 制动盘 的成 分与 性能闭 。 表 1 国 外部分制动 盘成分 表2国外部分制动盘成分和性能 A A A lloy y yUtlm ate tensile e e H ardne s s , H V V VSpe eifiew e arr ate , , St e a dy state e e CE E E s s s s str ength , M P a

4、a a a a 火1 0韶9N l m 一 l l leoef fieiento f f r ietio n n n n n 1 1 1 1 119 5 5 543 2 2 22O O O0 . 7 7 74 . 37 7 7 2 2 2 2 222 5 5 532 7 7 72 7 7 705 5 5 54 . 8 5 5 5 3 3 3 3 3222 2 2310 0 029 9 90 . 6 5 5 54 . 83 52 2 0 1 1年安徽省科协年 会一机械工程分年 会论 。 高碳低合金灰铁制动 盘毅生产 技术 李永红 王 文信张杰董恒 (安徽神剑科技股份有限公司 安徽合 肥 230

5、022 ) 摘要本文简要介绍了国外优质高碳低 合金灰铁制 动盘毅成分选择 与性能情况 , 探讨了在生产过 程中采用废钢 增 碳 熔炼工 艺改善石 墨 形态 、 多元低合金配合增 强基体组织 强度 、 正确的 孕育工 艺消 除 白口抑制形 成 B 型石墨提高强度 . 满足了 高碳低合金灰铁制动 盘毅性能要求 . 同时可以避免缩孔 、 裂纹 、 加工硬化等相关缺陷 。 关键词高碳低合金灰铁制动盘毅 ; 高强度 ; 电 炉增碳 灰铸铁以其良好 的减震性 、 抗磨损性 、 传热性 , 易于制造以及成 本低廉等优 点 , 在 汽车制动 盘 的制 造 中 , 一 直作为首 选材 料 。 目前国内普通 汽

6、车制 动盘 , 碳 当量 通常 在 3 . 8%一3 . 9% 左右(亚共晶铸铁) 。 随 着对 汽 车刹车 性 能要求的不断提高 , 传统的灰铸铁材 料已经越来越 难以满足其需求 , 国外优 质 制动盘因高碳 当量 使其具备更好的减 震性 、 热传导性 、 抗抖 动性等性 能 : 灰铸铁的导 热 性和碳当量存 在 着一个 近 似 的线性 关 系 。 在同等碳当量情况下 , 石墨片越 长 制动 盘的导热 性 越好 , 某 种 程 度上 , 石墨片 长 度 也可以用来表 征 制动 盘毅 的导热能表力 。 目前 国内外 中高档 轿 车制动盘 , 其前后制 动 盘 的碳 当 量在 4 . 4%一4

7、. 5% 左 右(过 共 晶 铸铁) 。 表 1和表2 是国外 制动盘 的成 分与 性能闭 。 表 1 国 外部分制动 盘成分 表2国外部分制动盘成分和性能 A A A lloy y yUtlm ate tensile e e H ardne s s , H V V VSpe eifiew e arr ate , , St e a dy state e e CE E E s s s s str ength , M P a a a a a 火1 0韶9N l m 一 l l leoef fieiento f f r ietio n n n n n 1 1 1 1 119 5 5 543 2 2

8、22O O O0 . 7 7 74 . 37 7 7 2 2 2 2 222 5 5 532 7 7 72 7 7 705 5 5 54 . 8 5 5 5 3 3 3 3 3222 2 2310 0 029 9 90 . 6 5 5 54 . 83 5 4 20 1 1年 安 徽省科协 年会 一 机械工程 分年 会论 。 疏 松 。 我公 司曾 经在 处理 前 硅 含量 为 1 . 2%时 , 制 动毅 出现 大 批 量的缩 孔 缺 陷(如 图 3) , 孕 育前铁 水做三角 试片发现断 口全部为 白口(如 图l) , 冒口顶 部 形成管状 缩 孔 , 制动 毅 冒口下 部形 成 缩 孔 ,

9、 后来 在工艺 上 进 行 改进 , 将 处理前 的铁 水含硅量 严 格 控制在 1 . 6%以上 , 试 片 白口变小 (如图2 ) , 冒 口不出现 收缩(如下 图对 比) , 铸件缩孔 问题也 得 到解 决 。 图 1 图 2 图 3 图 4 2 . 1 获 得良好 石墨 化 的方法 ? 一 (1 )在熔 炼 过程 中增 加石 墨晶 核 。 如 前所 述 的铁 液增 碳 技 术 , 尤 其 是 电炉铁 液的增 碳 技术可以增 加石 墨 晶核 。 (2 )增S防 止石墨长成粗大 片 状 。 虽然S是阻碍石墨化 的元素 , 但是灰铸 铁 中以) S 量 过低是 非 常有 害 的 。 因为 。

10、( ) S 量低 的铁液 中 的 C 原子 更 容易 往粗大 的片 状石 墨 上富 集 , 使大 量的石 墨晶核无法 长 成片状石 墨 , 使凝固后期 的铁 液得 不 到有 效 的石墨化而产生严 重 收缩 。 S本身在 铁液 中的溶解 度 很低 , 以C ) 、 。(i S )量 越高 , 溶解 能 力越 差 。 在铁液 成 核能力很强的情况下 , 适 量增S , 利用S阻碍石 墨长成粗大 片状 的作用 , 可以 给其他石墨 核心长成片状石墨 的机会 , 达 到使石墨细化 , 数 量 增多 , 分 布 均 匀的目的 。 而随 着以) S量 的提 高 , 石 墨 长度变短 , 端部 变钝 , 形

11、 态弯曲田 , 因而提高了灰铸铁 的强度(图 5 、 图 6是 含 5 0 . 0 3 % 与 。 . 09% 时对 高碳低合金 制动 盘石墨形态 的影 响 效果 对比 ) 。 但 S 毕 竟是阻碍 石墨化 的元 素 , 以) S量过高 , 会 增 加 白口 。 灰铸铁 最佳的 。()S 量 范围应 控制 在。 . 0 8%一 0 . 1 2% 。 图 5 (C% : 3 . 4% , S : 0 . 0 3% . H B185) 图 6( C% : 3 . 65% , S : 。 . 0 9%H BZoo ) 从上述分析可知 , 电炉熔炼灰 铸铁时 , 只要做好 增 C 和增 S , 控 制

12、好 铁 水 含硅 量 , 铁 液 冶金 质量大 大 提 高 , 强度 会增加收缩倾向变 小 , 要进 一 步提高高炭灰铁制动盘的各项性 能指 标 还需要合金 化处理 。 3 合金 化对铁液质量的影 响 3 . 1M n 合金 与 S 的关系 M n 一 直被作为合金化元素之 一 , 通常认为加M n 可以提高灰铸铁的强 度和硬 度 , 由于M n 与 S结 合形 成M n S , 以Mn )量 增加 , 与M n 结合的 S就 多 , 使铁 液 中 的 自由以) S 量降低 。 S 被 大 量 消耗 后 , 石墨将 变 得 二 、 铸 造篇 5 5 平顺 , 长度 变长 , 端部的钝 化效果

13、变差 , 石 墨 形 态 的这 些 变 化 必然使材 料 性 能下降 。 另一 方 面 , 大量 的M n S 夹 杂物 , 一部分会 成 为石 墨 的 晶核 , 使石 墨析出量 进 一 步 增 加 。 另 一 部 分 则 会 发 生 聚集 , 形 成 局 部 密集的 M n S排列 , 其综合 影 响的结 果 是M n 强化 基体合金化 作用被M n S 所 带 来的 不利 影 响 压 制了 , 而且 在高 CE 的铁 液 中增加S的作用也 被M n 破 坏了 , 因而灰铸铁 性 能降低了 。 所以 M n 和S的关系按 : M n %一 1 . 7 只 S%+ 。 . 5%进 行控 制 。

14、 铁液经过 增C 、 增 S处 理 , 确定了最 重要 的 C 、 i S 、 M n 、 S成分后 , 铁液 的冶金质量 和材 料 的性 能已经 从 根 本上提高了一 个档 次 , 此 时 , 收缩已经 不 是主要 的问题了 。 因而 , 合金 化只 要考 虑 提高性 能 的作用 , 处 理就 比较 简单了 , 而且合金的加人 量也 不需 要 很 大 。 常用 的合金元素是C r 、 C u 、 S n 、 Nb 。 3 . 2 C r+ Cu 低 合金化 两种合金都是强烈 稳定 珠光 体的元素 , 配合使用 , 利 用铜 来 中和铬 的 白口倾 向 防止 形 成碳 化 物 : C r 是高

15、 熔点合金 (16。 们 C以上) , 不会 在铁 水熔炼过 程 中被熔 化 , 只会 被溶 解 , 最后在铁水凝固过 程 中在 晶 间形 成 含 C : 碳化物 , 。 ( C r )量上限 不要超 过。 . 3 5 % , (0 . 1%一。 . 3%) u 十(0 . 2%一0 . 3 0 % ) C: 的组 成比例 刚好和它 们 的石墨化能 力相 适应 。 当制动盘 选择 较低 的 C: 和(汕合金 化 , Sn 对强度性 能的提 高作用 显得 很 关 键 , 而只要 加入 少量 的 S n 就可以大大增 加基 体组织 中的 珠光体 含量 , 显著提高材 料 的强度 、 硬度 。 一

16、般以 Sn ) 量 的 加人 量 在 。 . 0 2 % 一。 . 07肠 , 过 高 , 有可能使材 料 变脆 。 在 CE4 . 4%时 , 加 人 。 . o f )%的妮 , 有效 改 变石 墨的形 态以及分 布 , 能使制 动盘 石墨石墨明显变 细 变 短 , 数量也明显减 少 , 珠 光体数 量增 多 , 使强度和硬 度提高 , 磨损 量 降低 , 使制 动 盘具备良好的抗 热 裂 性和更 好的抗抖 动性医 。 配合 C r 、 C 。 、 S n 使用也大大 减少其加人量 。 4 孕育 处 理 孕育处 理是提 高制动 盘毅 铸件 强 度 , 特别 是 提高其硬度和组 织 均 匀

17、性 的有 效 途径 , 针 对 制 动盘毅 本身 应具有 的使用特性和改善 加工 效果 需 要 , 选 用孕育应 兼 顾 : 提 高强度 、 减少 白口倾向 、 改 善 石 墨 形态 、 硬 度 、 组织均 匀性以及提高抗 衰退能力原则 。 处理不当则 会 出现 , 消除白口不利 或 孕育 衰退 情况 , 在 高碳制动 盘 冷却最 快部 位 (外 边缘)产生如图7所示的3一4m m 白口带 , 严重 影 响 机 械 加 工效 率 , 并导 致 制动 盘 平 行 跳 动超差 。 采用包 内加R E 一 C a一 Ba 一 i S 、 随 流适 量 B。 一 i S 可有效 避 免 类 似 情 况

18、 。 而孕 育 效果受CE影 响 很 大 , 在CE 4 . 。% 时 , 抗 拉强度很难 达 到25 0M P a 以上 , 采用包 内加 。 . 3% 稀土孕育剂 提 高 强 度 , 随 流 加 。 . 1写Ba 一 i S孕育剂使石墨 细小 , 均 匀性好 , 但 是 随 流加人量不能 太大 , 否则 会促使生 成 B 型石墨 , 在 B型石 墨周围存 在大量 铁 素体 , 材料 韧性 增加 , 对高速切削的 断屑 性不利 , 降低加工 性 能 石6 。 同 时局部强度降低在 制动毅臂 厚最小 的基准面出现 裂纹 , 如 图 8 . 裂 纹部 位金相 如 图 9 出现 B 型石墨 。 如

19、前所述 , 在碳 、 硅 量很高的情况下 , 铁液不经孕育处理 就为 灰 口组织(如图2) , 孕育不当反 而引起石墨 粗化 , 并促使 B型石墨 形成 , 在 石墨大量 聚集 的区域 , 形 成较多的铁素体 , 因此 在高碳制动 盘生产过 程中 , 选 用合适的孕育 剂种类 , 采用合理的 孕育 方式 , 适 量加入孕育剂 量 , 才可以有 效 提 高 强 度 、 消除 白口 , 并 抑 制 B 型石墨 生成 , 从而避免因孕育处理不合理 而 产生的上述缺 陷 。 厂一 图 7 图 8 5 6 201 1 年安徽 省科协 年会 机 械工程分年会 论文集 图 9(IO OX) 图 10(IO

20、OX 腐蚀) 5 实 际效果 采 用 全废 钢 + 增碳 剂熔炼 , 增 碳剂 加 到炉 底 , 铁水熔炼 到 15。 。 J C以上 加F eS 增 硫 , 成分达 到要求值后 152 ( ) , C一153。 。 C出铁水 , 表 3 为 8 组C E 4 . 1%高碳制动盘 成分和性 能情况 。 表3 C 4 . 1% 高碳制 动 盘成分和性能 成成分分 C C CS i i i M 们们 Nb b bS S SC u u u C r r r Sn n n n n 目目标标 3 . 63 . 8 8 81 . 8 、 2 . 2 2 26一0 . 7 7 70 . 09 9 9060 .

21、 12 2 210 . 3 3 320 . 3 3 3020 . 07 7 7ab/H B B B 1 1 1# # #3 . 4 5 5 52 . 12 2 20 . 6 5 5 50 . 0 9 9 90 . 0 7 7 70 . 15 5 5 () . 2() ) )0 . 029 9 926 5/2 13 3 3 2 2 2# # #3 . 56 6 61 . 92 2 20 . 6 2 2 20 . 0 9 9 90 . 07 7 70 . 18 8 8() . 21 1 10 . 040 0 0255/20 4 4 4 3 3 3# # #3 . 62 2 21 . 95 5 50

22、 . 60 0 00 . 09 9 90 . 08 8 80 . 16 6 60 . 23 3 30 . 045 5 5250/200 0 0 4 4 4# # #3 . 66 6 61 . 85 5 50 . 63 3 30 . 10 0 00 . 085 5 50 . 25 5 50 . 2 1 1 10 . 050 0 0252/20 0 0 0 5 5 5# # #3 . 70 0 01 . 86 6 6065 5 50 . 24 4 4010 0 0O , 20 0 00 . 2 2 2 20 . 05 5 5 5250/2()4 4 4 6 6 6# # #3 . 74 4 41

23、. 88 8 80 . 64 4 40 . 22 2 20 . 09 9 90 . 2 1 1 1() . 2 5 5 50 . 050 0 024 5/1 9 6 6 6 7 7 7# # #3 . 75 5 51 . 86 6 60 . 68 8 80 . 20 0 00 . ()85 5 50 . 2 5 5 5() . 28 8 80 . 058 8 8240/1 92 2 2 8 8 8# # #3 . 80 0 01 . 82 2 20 . 7Q Q Q0 . 25 5 50 . 10 0 00 . 3() ) )0 . 28 8 80 . 065 5 5230/184 4 4 按

24、设计方案生产 , 由实 际性能情况 看 , C E在4 . 1 5%一哇 . 4 0% 范围内逐渐提高 , 只要 适 当增加 含金量 , 性 能 满足制动 盘要求 , 我公司 20 0 9 年开 始生 产该类制 动 盘毅 , 至今超过 5 0万件 , 市场 反 映 良好 。 随着铁液冶金 质量 的提高 , 石 墨形 核 能力 强 , 收缩 小 , 如 图 4 对比效 果可以看 出 , 因此 在合理 的控制 C 、 i S前 提 下 , 利用电炉增碳增硫熔炼技 术 , 配合合理 的合金工 艺和孕育处理工艺 , 可以有效利用高碳 铁液石 墨 化 膨胀 能 力 , 实现无冒 口补 缩 , 提 高工

25、艺 出品率 。 6 结束语 (1 )要 实 现高碳低合金高强 度灰铁制动 盘毅生产 , 需 要从熔炼 技术 、 合理设计 合金比例 、 选 用 适 当的孕 育处 理三 个方 面 进行努力 。 围绕 提 高铁液石 墨形 核 能 力 , 改 善 石墨形态 , 并 在各 环节 抑 制 B 型石 墨生成 , 以获 得 理想 的石墨 。 科 学 利用合金工 艺增加并强化珠 光体 , 提高强度 , 适 量控制孕育效 果 , 避 免 生 成过 多 的 铁素体 。 在高碳 低合金灰 铁制 动 盘毅 生产中可以获得理想 的效果 (2 ) 电炉+增碳剂 , 增硫 , 利用 多元合金合理搭配 工 艺 , 灰铁生 产

26、可以在 较 大 程 度 上 提 高 CE , 并 能 同时 满足提高强度 、 控制收缩 , 获得良好的加工性能 (3 ) 该灰铁生产 工 艺 , 能得 到纯净月形 核能 力很 强 、 收缩 小 的铁水 , 依靠共 晶膨 胀 就 实现 自补缩 , 可减 小 冒口或取消冒口 , 大大 提高工 艺 出品率 。 二 、 铸造 篇 75 参考文献 1 逢伟 . 高强度灰铸铁熔炼技术发展趋势及最 新研究成果 . 现代铸铁增刊 , 汽车铸造业 , 201 1 . v0L . 3 1巧一2 0 . 巨 2口昊德海 , 钱力 , 胡家嗯 . 灰铸铁 、 球墨铸铁及其熔炼 . 北 京 : 中国水利 水电出版社 ,

27、 200 6 . 3周文彬 , 朱洪波 . Nb在高导热铸铁制动盘中的应用 . 现代铸铁 , 2011(2) : 5 7一59 . 4刘力 . 制动盘用高导热铸铁 . 国外汽 车 , 1 99 2 , ( 5 )6 2一6 7 . 5刁周文彬 , 征灯科 , 华勤 , 等 . 制动盘用高碳 当量灰铁的妮合金化铸造 , Zolov0I _ 59(3) : 32 0一32 3 . 6陈礼年 ,周楚清, 俞平 ,等 . 改善会铸铁缸体切削加工性能的生产试验 . 现代铸铁增刊 , 汽车铸造业 , 2olo . v ( - ) I . 3 04 8一5 2 . 7逢伟 . H T3 0。高强度缸体缸盖 材料熔炼技术研究 . 现代 铸铁增刊 ,汽 车铸造业 , Zolo . V OI _ . 3 02 6一3 2 .