汽车制动用双金属钢,灰铸铁铸造汽车台车轮毂的生产

汽车制动用双金属钢,灰铸铁铸造汽车台车轮毂的生产

车辆动态系统的重要组成部分之一是驱动片。最常用的驾驶设备是“鼓式驾驶”和“cd-rom”。鼓式刹车有一形状类似铃鼓的铸铁件,称为刹车鼓,它与车轮固定并同速转动。刹车鼓内面就是刹车装置产生刹车力矩的位置,见图1。鼓式刹车由刹车分泵、摩擦衬片、间隙调节杆、回位弹簧等部分组成,见图2。为提高汽车行使过程的安全性,延长刹车毂的使用寿命及国外客户的要求,我们成功开发了将车轮与刹车鼓连接的部分采用钢件,其他部分采用铸铁件的新型刹车毂。经过半年多的开发与研制,该产品目前已进入小批量生产阶段,并全部销往美国,产品性能已满足美国用户的要求。1增加了对于有效发展的材料,提高了铸根据刹车毂工作时的受力特点,将刹车毂的结构分为两个部分:钢件与铸铁件,见图3。与车轮连接部分采用钢板件,该部分的失效形式是在车轮高速旋转与刹车力之间产生的扭转力作用下的损坏,采用钢板件连接,既有高的抗拉强度,又有很好的韧性。同时钢件的厚度仅为3mm,减轻了刹车毂的重量,节省了原材料。刹车毂内壁采用铸态HT225(介于HT200与HT250)灰口铸铁。在生产中,经常是通过控制与调整碳和硅的含量来控制和改善铸铁的组织与性能。碳是促进石墨化元素,碳量增加可使铸铁的石墨化程度增加;碳量过高,石墨易粗大,又会出现大量的过共晶碳化物,基体中的铁素体量增多,球光体量减少,影响耐磨性,也使抗拉强度下降。为了保证铸铁的强度,使组织中的石墨细化,得到适量的珠光体基体,就需要选择适当的碳含量。硅是强烈促进石墨化的元素,能使铸铁的共晶点和共析点向左上方移动,可提高共晶和共析的转变温度,促进渗碳体的分解。硅量过高,易使石墨粗大,力学性能降低;含硅量过低,易出现麻口或白口组织。因此将w(Si)/w(C)控制在0.6~0.7,其化学成分见表1。2双金属汽车零部件的制造2.1消气涂料复合生产工艺流程与车轮连接部分采用的钢板件,是经冲压加工成形的。复合前应进行喷砂处理、加热烘干、涂刷消气涂料等处理工序。抛丸处理的作用是除去钢件表面的氧化物与污物;加热烘干的目的是为了除去钢件表面的的水分;涂刷消气涂料是使钢件表面形成一保护层,防止钢件埋入砂型后吸附砂型中的水分和表面发生氧化。其复合生产工艺流程:钢件冲压成形→喷砂处理→加热烘干→涂刷涂料→造型合箱→浇注→打磨清理。在浇注时严格按照慢浇→快浇→慢浇方式进行,浇注后铸件在砂型中保温,使其缓慢冷却,以免产生裂纹。双金属汽车刹车毂的浇注工艺见图4。2.2制造工艺参数采用湿型砂铸造,原砂粒度为70-140目,机械模造型;采用冲入法孕育,孕育剂为FeSi75;铁液出炉温度为1480~1500℃。3结果与分析3.1微组织与钢件的分析对于双金属汽车刹车毂,其钢件与铸铁部分的接合情况对性能与使用寿命有着十分重大的影响。如果钢板件与铸铁结合不良,则刹车制动时,与车轮连接部分采用的钢板件将与刹车毂内壁铸铁分离,刹车失灵,后果将不堪设想。双金属汽车刹车毂结合界面的金相显微组织,如图5-图8所示。从图5、图6可以看出,双金属结合面的铸铁的石墨形态主要是D型,而非结合面以A、D型为主。在结合面处,观察铸态界面结合情况发现,界面为冶金结合,两种金属结合处互相渗透,结合处无裂纹、气孔、夹杂及疏松等缺陷。在结合处,其金相显微组织有一约300~400μm的过渡层,过渡层为富碳层,存在网状渗碳体,由于高温铁液的过热,晶粒较为粗大,并出现少量的魏氏体组织。铸铁与钢件的交接处,存在一高硅珠光体带(70~90μm),其碳元素几乎全部渗透入钢件中;灰口铸铁的基体组织为珠光体和少量铁素体,球光体量在95%以上;而钢件仍然保持原有的组织结构(图7、8)。关于双金属汽车刹车毂的性能与使用寿命,美国客户已通过印证性试验,对于双金属界面结合的冶金力学行为,作者将在后续论文中作进一步探讨。3.2硬度值的测定双金属铸造汽车刹车毂在结合面与非结合面的硬度值见表2。测试结果表明,结合面的硬度值高于非结合面的硬度值,这是因为在结合面处铁液的冷却速度大,珠光体含量高的缘故。4生产工艺要点和质量控制4.1喷砂处理的方法钢板件在冲压整形后,应进行锈蚀处理,表面不允许存在任何锈斑、油污和水分。表面处理的方法有化学处理和机械处理两种,在生产中多用机械处理——喷砂处理,处理时间控制在30s以内,视工件的表面状况而定。处理后的钢板件应妥善存放,防止再次发生锈蚀和吸潮。使用前应进行充分烘烤,造型合箱时,钢件与铸铁的接合处必须涂刷消气涂料。4.2关闭打开的框架和注入的间隔造型材料采用粘土型砂,合箱后最好能立即浇注,合箱与浇注的时间间隔,最多不能超过4h。4.3主要缺陷和预防措施双金属刹车毂铸造的主要缺陷有气孔、裂纹和浇不足等。4.3.1双金属汽车车载板的铸造工艺气孔是双金属汽车刹车毂铸造生产中的主要缺陷,分布于刹车毂内壁与外壁。外壁气孔落砂后清晰可见,常拌有铁豆存在;而内壁气孔与缩松存在于铸件内部,加工后才会显现。双金属汽车刹车毂铸造时的气体主要来源于铁液和钢板件两部分。生产中发现,钢件的表面状况(锈蚀、污物及水气等)对双金属汽车刹车毂铸造气孔缺陷的产生影响最大。如果钢件表面存在锈蚀、污物及水气,浇入的金属液体遇水气产生飞溅,凝固后形成铁豆,最终产生不规则的孔洞(图9)。为了消除双金属刹车毂铸造生产中出现的气孔缺陷,笔者从钢板件的烘干、排气(溢流)冒口、涂刷消气涂料等几方面入手,做了大量试验,其结果见图10、图11。从试验结果可以看出,采用单一的烘干工艺或开设排气冒口无法从根本上使气孔缺陷得到控制。随着对钢板件的烘烤温度的升高,气孔废品率有所下降,但当烘烤温度达到300℃度时,其废品率下降幅度已经很小;开设排气冒口可使气孔废品率大幅度下降,但废品率仍然居高不下,而且使工艺出品率降低,生产成本升高。为了有效地消除气孔带来的铸造缺陷,只有将钢板件的烘干、开设排气冒口和涂刷消气涂料三方面工艺有机结合起来。通过反复试验,目前工艺已经稳定,铸件合格率已达97%以上。综上所述,为了得到完整的铸件,避免双金属汽车刹车毂气孔缺陷的产生,可采取以下预防措施:①降低合金熔化时的过热温度,减少熔炼时合金液与气体的接触时间;②对钢板件进行喷砂处理,除去钢件表面的氧化物与污物;③对钢件进行烘干;④在钢件与铸铁的接合处涂刷消气涂料;⑤在工艺上开设排气(溢流)冒口,使型腔内气体得以及时排出;⑥缩短造型合箱与浇注的时间间隔,避免钢件从铸型中吸收水分。4.3.2车神剑的开裂分析裂纹是双金属汽车刹车毂铸造生产中常见的缺陷之一,一般出现在钢件与铸铁的接合处。灰口铸铁由于石墨化的作用,其收缩小,产生应力、发生变形和开裂的倾向都比较小。双金属汽车刹车毂铸造时,与钢件接触的那部分金属的冷却速度过快,在铸型及其他方面的机械阻碍作用下,应力加大,将产生开裂(图12)。对裂纹处作金相切片分析,发现在裂纹处往往拌有夹杂物存在。防止和减少裂纹产生的措施:①防止夹杂物的产生。熔炼时尽量减少炉料中的杂质;采用S、P低的炉料;一次夹杂物在浇注前应尽量排除;采用合理浇注系统,尽量避免合金液表面氧化膜破裂而污染合金。②采取低温快浇的方法,降低浇注温度。③设置合理的浇冒口,降低与钢件接触部分金属的冷却速度。④控制铸件冷却后的开箱时间,开箱过早产生裂纹的倾向性大。4.3.3确保双金属铸造的质量浇不足是双金属刹车毂铸造生产中的另一类缺陷,主要产生于钢件与铸铁的接合处(图13)。浇不足与合金液的流动性大小有关。影响流动性的主要因素有:化学成分、浇注温度、液体金属的过热状况、以及气体和非金属夹杂物等。为了避免双金属铸造的浇不足,可从以下几方面着手:①选择合适的碳当量。HT225为亚共晶成分,随着碳、硅量的增加,碳当量提高,愈接近共晶点,液相线温度愈低,其流动性愈好。②控制铁液中的硫含量。铁液中的硫含量高时,与锰结合形成硫化锰,会提高铁液的粘度,降低流动性。③在允许的情况下,适当提高合金液的过热度与浇注温度,以提高流动性。5碳化硅系铸件的性质,铁件的金相组织有气溶胶组织(1)双金属铸造刹车毂,其结合界面为冶金结合,两种金属结合处互相渗透,无裂纹、气孔、夹杂及疏松等缺陷;与车轮固定部分采用的钢质材料厚度仅3mm,这减轻了刹车毂的质量,节省了原材料。(2)