汽車制動(dòng)用雙金屬鋼,灰鑄鐵鑄造汽車臺(tái)車輪轂的生產(chǎn)

汽車制動(dòng)用雙金屬鋼,灰鑄鐵鑄造汽車臺(tái)車輪轂的生產(chǎn)

車輛動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一是驅(qū)動(dòng)片。最常用的駕駛設(shè)備是“鼓式駕駛”和“cd-rom”。鼓式剎車有一形狀類似鈴鼓的鑄鐵件,稱為剎車鼓,它與車輪固定并同速轉(zhuǎn)動(dòng)。剎車鼓內(nèi)面就是剎車裝置產(chǎn)生剎車力矩的位置,見圖1。鼓式剎車由剎車分泵、摩擦襯片、間隙調(diào)節(jié)桿、回位彈簧等部分組成,見圖2。為提高汽車行使過程的安全性,延長(zhǎng)剎車轂的使用壽命及國(guó)外客戶的要求,我們成功開發(fā)了將車輪與剎車鼓連接的部分采用鋼件,其他部分采用鑄鐵件的新型剎車轂。經(jīng)過半年多的開發(fā)與研制,該產(chǎn)品目前已進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段,并全部銷往美國(guó),產(chǎn)品性能已滿足美國(guó)用戶的要求。1增加了對(duì)于有效發(fā)展的材料,提高了鑄根據(jù)剎車轂工作時(shí)的受力特點(diǎn),將剎車轂的結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分:鋼件與鑄鐵件,見圖3。與車輪連接部分采用鋼板件,該部分的失效形式是在車輪高速旋轉(zhuǎn)與剎車力之間產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力作用下的損壞,采用鋼板件連接,既有高的抗拉強(qiáng)度,又有很好的韌性。同時(shí)鋼件的厚度僅為3mm,減輕了剎車轂的重量,節(jié)省了原材料。剎車轂內(nèi)壁采用鑄態(tài)HT225(介于HT200與HT250)灰口鑄鐵。在生產(chǎn)中,經(jīng)常是通過控制與調(diào)整碳和硅的含量來控制和改善鑄鐵的組織與性能。碳是促進(jìn)石墨化元素,碳量增加可使鑄鐵的石墨化程度增加;碳量過高,石墨易粗大,又會(huì)出現(xiàn)大量的過共晶碳化物,基體中的鐵素體量增多,球光體量減少,影響耐磨性,也使抗拉強(qiáng)度下降。為了保證鑄鐵的強(qiáng)度,使組織中的石墨細(xì)化,得到適量的珠光體基體,就需要選擇適當(dāng)?shù)奶己俊９枋菑?qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素,能使鑄鐵的共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)向左上方移動(dòng),可提高共晶和共析的轉(zhuǎn)變溫度,促進(jìn)滲碳體的分解。硅量過高,易使石墨粗大,力學(xué)性能降低;含硅量過低,易出現(xiàn)麻口或白口組織。因此將w(Si)/w(C)控制在0.6~0.7,其化學(xué)成分見表1。2雙金屬汽車零部件的制造2.1消氣涂料復(fù)合生產(chǎn)工藝流程與車輪連接部分采用的鋼板件,是經(jīng)沖壓加工成形的。復(fù)合前應(yīng)進(jìn)行噴砂處理、加熱烘干、涂刷消氣涂料等處理工序。拋丸處理的作用是除去鋼件表面的氧化物與污物;加熱烘干的目的是為了除去鋼件表面的的水分;涂刷消氣涂料是使鋼件表面形成一保護(hù)層,防止鋼件埋入砂型后吸附砂型中的水分和表面發(fā)生氧化。其復(fù)合生產(chǎn)工藝流程:鋼件沖壓成形→噴砂處理→加熱烘干→涂刷涂料→造型合箱→澆注→打磨清理。在澆注時(shí)嚴(yán)格按照慢澆→快澆→慢澆方式進(jìn)行,澆注后鑄件在砂型中保溫,使其緩慢冷卻,以免產(chǎn)生裂紋。雙金屬汽車剎車轂的澆注工藝見圖4。2.2制造工藝參數(shù)采用濕型砂鑄造,原砂粒度為70-140目,機(jī)械模造型;采用沖入法孕育,孕育劑為FeSi75;鐵液出爐溫度為1480~1500℃。3結(jié)果與分析3.1微組織與鋼件的分析對(duì)于雙金屬汽車剎車轂,其鋼件與鑄鐵部分的接合情況對(duì)性能與使用壽命有著十分重大的影響。如果鋼板件與鑄鐵結(jié)合不良,則剎車制動(dòng)時(shí),與車輪連接部分采用的鋼板件將與剎車轂內(nèi)壁鑄鐵分離,剎車失靈,后果將不堪設(shè)想。雙金屬汽車剎車轂結(jié)合界面的金相顯微組織,如圖5-圖8所示。從圖5、圖6可以看出,雙金屬結(jié)合面的鑄鐵的石墨形態(tài)主要是D型,而非結(jié)合面以A、D型為主。在結(jié)合面處,觀察鑄態(tài)界面結(jié)合情況發(fā)現(xiàn),界面為冶金結(jié)合,兩種金屬結(jié)合處互相滲透,結(jié)合處無裂紋、氣孔、夾雜及疏松等缺陷。在結(jié)合處,其金相顯微組織有一約300~400μm的過渡層,過渡層為富碳層,存在網(wǎng)狀滲碳體,由于高溫鐵液的過熱,晶粒較為粗大,并出現(xiàn)少量的魏氏體組織。鑄鐵與鋼件的交接處,存在一高硅珠光體帶(70~90μm),其碳元素幾乎全部滲透入鋼件中;灰口鑄鐵的基體組織為珠光體和少量鐵素體,球光體量在95%以上;而鋼件仍然保持原有的組織結(jié)構(gòu)(圖7、8)。關(guān)于雙金屬汽車剎車轂的性能與使用壽命,美國(guó)客戶已通過印證性試驗(yàn),對(duì)于雙金屬界面結(jié)合的冶金力學(xué)行為,作者將在后續(xù)論文中作進(jìn)一步探討。3.2硬度值的測(cè)定雙金屬鑄造汽車剎車轂在結(jié)合面與非結(jié)合面的硬度值見表2。測(cè)試結(jié)果表明,結(jié)合面的硬度值高于非結(jié)合面的硬度值,這是因?yàn)樵诮Y(jié)合面處鐵液的冷卻速度大,珠光體含量高的緣故。4生產(chǎn)工藝要點(diǎn)和質(zhì)量控制4.1噴砂處理的方法鋼板件在沖壓整形后,應(yīng)進(jìn)行銹蝕處理,表面不允許存在任何銹斑、油污和水分。表面處理的方法有化學(xué)處理和機(jī)械處理兩種,在生產(chǎn)中多用機(jī)械處理——噴砂處理,處理時(shí)間控制在30s以內(nèi),視工件的表面狀況而定。處理后的鋼板件應(yīng)妥善存放,防止再次發(fā)生銹蝕和吸潮。使用前應(yīng)進(jìn)行充分烘烤,造型合箱時(shí),鋼件與鑄鐵的接合處必須涂刷消氣涂料。4.2關(guān)閉打開的框架和注入的間隔造型材料采用粘土型砂,合箱后最好能立即澆注,合箱與澆注的時(shí)間間隔,最多不能超過4h。4.3主要缺陷和預(yù)防措施雙金屬剎車轂鑄造的主要缺陷有氣孔、裂紋和澆不足等。4.3.1雙金屬汽車車載板的鑄造工藝氣孔是雙金屬汽車剎車轂鑄造生產(chǎn)中的主要缺陷,分布于剎車轂內(nèi)壁與外壁。外壁氣孔落砂后清晰可見,常拌有鐵豆存在;而內(nèi)壁氣孔與縮松存在于鑄件內(nèi)部,加工后才會(huì)顯現(xiàn)。雙金屬汽車剎車轂鑄造時(shí)的氣體主要來源于鐵液和鋼板件兩部分。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),鋼件的表面狀況(銹蝕、污物及水氣等)對(duì)雙金屬汽車剎車轂鑄造氣孔缺陷的產(chǎn)生影響最大。如果鋼件表面存在銹蝕、污物及水氣,澆入的金屬液體遇水氣產(chǎn)生飛濺,凝固后形成鐵豆,最終產(chǎn)生不規(guī)則的孔洞(圖9)。為了消除雙金屬剎車轂鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的氣孔缺陷,筆者從鋼板件的烘干、排氣(溢流)冒口、涂刷消氣涂料等幾方面入手,做了大量試驗(yàn),其結(jié)果見圖10、圖11。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用單一的烘干工藝或開設(shè)排氣冒口無法從根本上使氣孔缺陷得到控制。隨著對(duì)鋼板件的烘烤溫度的升高,氣孔廢品率有所下降,但當(dāng)烘烤溫度達(dá)到300℃度時(shí),其廢品率下降幅度已經(jīng)很小;開設(shè)排氣冒口可使氣孔廢品率大幅度下降,但廢品率仍然居高不下,而且使工藝出品率降低,生產(chǎn)成本升高。為了有效地消除氣孔帶來的鑄造缺陷,只有將鋼板件的烘干、開設(shè)排氣冒口和涂刷消氣涂料三方面工藝有機(jī)結(jié)合起來。通過反復(fù)試驗(yàn),目前工藝已經(jīng)穩(wěn)定,鑄件合格率已達(dá)97%以上。綜上所述,為了得到完整的鑄件,避免雙金屬汽車剎車轂氣孔缺陷的產(chǎn)生,可采取以下預(yù)防措施:①降低合金熔化時(shí)的過熱溫度,減少熔煉時(shí)合金液與氣體的接觸時(shí)間;②對(duì)鋼板件進(jìn)行噴砂處理,除去鋼件表面的氧化物與污物;③對(duì)鋼件進(jìn)行烘干;④在鋼件與鑄鐵的接合處涂刷消氣涂料;⑤在工藝上開設(shè)排氣(溢流)冒口,使型腔內(nèi)氣體得以及時(shí)排出;⑥縮短造型合箱與澆注的時(shí)間間隔,避免鋼件從鑄型中吸收水分。4.3.2車神劍的開裂分析裂紋是雙金屬汽車剎車轂鑄造生產(chǎn)中常見的缺陷之一,一般出現(xiàn)在鋼件與鑄鐵的接合處。灰口鑄鐵由于石墨化的作用,其收縮小,產(chǎn)生應(yīng)力、發(fā)生變形和開裂的傾向都比較小。雙金屬汽車剎車轂鑄造時(shí),與鋼件接觸的那部分金屬的冷卻速度過快,在鑄型及其他方面的機(jī)械阻礙作用下,應(yīng)力加大,將產(chǎn)生開裂(圖12)。對(duì)裂紋處作金相切片分析,發(fā)現(xiàn)在裂紋處往往拌有夾雜物存在。防止和減少裂紋產(chǎn)生的措施:①防止夾雜物的產(chǎn)生。熔煉時(shí)盡量減少爐料中的雜質(zhì);采用S、P低的爐料;一次夾雜物在澆注前應(yīng)盡量排除;采用合理澆注系統(tǒng),盡量避免合金液表面氧化膜破裂而污染合金。②采取低溫快澆的方法,降低澆注溫度。③設(shè)置合理的澆冒口,降低與鋼件接觸部分金屬的冷卻速度。④控制鑄件冷卻后的開箱時(shí)間,開箱過早產(chǎn)生裂紋的傾向性大。4.3.3確保雙金屬鑄造的質(zhì)量澆不足是雙金屬剎車轂鑄造生產(chǎn)中的另一類缺陷,主要產(chǎn)生于鋼件與鑄鐵的接合處(圖13)。澆不足與合金液的流動(dòng)性大小有關(guān)。影響流動(dòng)性的主要因素有:化學(xué)成分、澆注溫度、液體金屬的過熱狀況、以及氣體和非金屬夾雜物等。為了避免雙金屬鑄造的澆不足,可從以下幾方面著手:①選擇合適的碳當(dāng)量。HT225為亞共晶成分,隨著碳、硅量的增加,碳當(dāng)量提高,愈接近共晶點(diǎn),液相線溫度愈低,其流動(dòng)性愈好。②控制鐵液中的硫含量。鐵液中的硫含量高時(shí),與錳結(jié)合形成硫化錳,會(huì)提高鐵液的粘度,降低流動(dòng)性。③在允許的情況下,適當(dāng)提高合金液的過熱度與澆注溫度,以提高流動(dòng)性。5碳化硅系鑄件的性質(zhì),鐵件的金相組織有氣溶膠組織(1)雙金屬鑄造剎車轂,其結(jié)合界面為冶金結(jié)合,兩種金屬結(jié)合處互相滲透,無裂紋、氣孔、夾雜及疏松等缺陷;與車輪固定部分采用的鋼質(zhì)材料厚度僅3mm,這減輕了剎車轂的質(zhì)量,節(jié)省了原材料。(2)