CN114054683B - 高强度耐磨灰铸铁制动鼓制备方法 - Google Patents

高强度耐磨灰铸铁制动鼓制备方法 Download PDF

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Abstract

高强度耐磨灰铸铁制动鼓制备方法，属于汽车制造技术领域。以生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.72‑3.84％C,1.23‑1.47％Si,1.66‑1.85％Mn,0.42‑0.57％Cu,<0.06％P,<0.05％S,其余为Fe。铁水经随流孕育、炉外微合金化后浇入铸型，并进行型内孕育和控冷铸造成型，获得的灰铸铁制动鼓强韧性高，耐磨性好，使用寿命长，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Description

高强度耐磨灰铸铁制动鼓制备方法
技术领域
本发明公开了一种灰铸铁制动鼓及其制备方法，特别涉及一种高强度耐磨灰铸铁制动鼓制备方法，属于汽车制造技术领域。
背景技术
重型汽车是我国主要的交通运输工具，为了确保车辆的行驶安全，避免交通事故的发生，车辆必须具备有效的制动措施。载重汽车行驶的路况对制动鼓的使用寿命有很大的影响，特别是工程自卸汽车在矿区使用，主要运输砂石及矿粉，自重加上载重近100吨，再加上矿区道路不平，对制动鼓的破坏特别大。频繁制动或长时间刹车，致使制动鼓受到正压力较大，摩擦生热多，使制动鼓内表面温度急剧上升，随即由于导热而迅速冷却，从而产生热疲劳应力。由于普通HT200、HT250、HT300等材质的强度较低，当这些应力相叠加时很容易在局部区域产生超过材料的强度，由此便产生了裂纹，在随后的应力进一步作用下裂纹沿制动鼓的轴向和径向继续扩展，产生了大量的轴向裂纹，最终导致制动鼓开裂乃至断裂。
为了提高制动鼓性能，延长其使用寿命，确保汽车的安全使用，中国发明专利CN112981224A公开了一种商用车制动鼓用灰铸铁材料及其制备方法，该灰铸铁材料包括：C3.7～3.9％、Si1.6～2.0％、Mn0.5～0.7％、S0.05～0.1％、Cu0.5～0.7％、Cr0.1～0.3％、V0.07～0.1％、Sn0.05～0.1％、Zr0.01～0.04％、La0.007～0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法为对原材料熔炼得液体原料，升温至1500-1530℃，加预处理剂，降温至1480～1500℃得原铁水，倒入浇包，出铁水时加孕育剂得铁水，铁水在1370～1430℃下浇注，同时进行随流孕育，得商用车制动鼓用灰铸铁材料。该发明采取铁水预处理和二次孕育等措施，获得石墨形态为大小适中的A型石墨+少量C型石墨，获得细片状珠光体≥95％的基体组织，制动鼓本体的抗拉强度210-260MPa，工作面硬度值180-220HBW，可有效提高制动鼓热疲劳性能和使用寿命。中国发明专利CN113322370A还公开了一种高寿命灰铸铁、提高灰铸铁寿命的方法及其在制备汽车关键零部件中的应用。该发明在气氛保护下或真空炉中，将灰铸铁铸造的毛坯升温至850℃～950℃，保温1～2.5小时；然后将毛坯快速放入盐浴炉中进行等温淬火，等温淬火温度为270～380℃，等温淬火时间为0.5～2.5小时；最后将毛坯(i)空冷至室温或(ii)退火，得到高寿命灰铸铁；退火步骤为：将毛坯放入退火炉中升温至500～550℃，保温1～2.5小时，再使毛坯随炉冷却至不高于200℃，然后出炉冷却至室温。普通灰铸铁经该发明的等温淬火强化处理后，硬度、抗拉强度以及疲劳寿命均大大提升，克服了普通灰铸铁铸造的发动机缸盖、制动鼓以及飞轮易开裂的问题。但是，采用盐浴等温淬火，环境污染严重，且增加热处理工艺，导致能耗高，生产周期长，制造成本显著增加。
中国实用新型专利CN208935224U公告了一种高强度灰铸铁汽车制动鼓，包括制动鼓本体，所述制动鼓本体内设有两个对称设置的第一制动蹄和第二制动蹄，所述第一制动蹄和第二制动蹄两端分别通过有可调顶杆体和支撑销连接，所述第一制动蹄和第二制动蹄的内侧壁通过制动机构连接，所述第一制动蹄和第二制动蹄的外侧壁均固定连接有第一复合层。该实用新型通过制动机构、第一复合层、第一制动蹄、第二制动蹄、空腔和第二复合层的配合作用，这样利用第一耐磨层和第二耐磨层降低摩擦对第一制动蹄和第二制动蹄的损耗，利用散热孔和冷却水来对摩擦产生的热量进行散热，再利用第一吸音层、第一真空层、第二真空层和第二吸音层对摩擦产生的噪音进行吸收和隔离。中国实用新型专利CN210686782U还公告了一种高强度灰铸铁汽车制动鼓。该实用新型在传统制动鼓本体的过渡连接部开设有若干散热孔，在散热孔的对应位置上焊接有集风腔，集风腔的两端采用流线型迎风面的设计，极大的避免了集风腔会与空气阻力摩擦而再次产生热量，同时集风腔的结构设计不仅可以通过位于其两侧的散热格栅，将制动鼓本体因突然刹车而产生的摩擦热量带走，还可以利用空气不断的吹集风腔的内腔表面，使得其温度降低，达到散热降温的功能，从而延长制动鼓的使用寿命，提高制动鼓的使用安全系数。中国发明专利CN104745916A还公开一种汽车制动鼓及制造方法，其特征在于：所述制动鼓由以下重量配比的原料制成：C3.00～3.24％、Si1.6～1.74％、Mn0.45～0.49％、V0.05～0.1％、W0.1～0.25％、Cr0.38～0.45％、Co0.4～0.7％，余量为Fe和不可避免的杂质。其有益效果在于：采用两次孕育工艺制造，能够提高抗拉强度、屈服强度；且其力学性能超过了普通灰铸铁制动鼓材料HT250，抗拉强度达到250MPa以上，硬度HBS值达到200以上，耐磨性能好，摩擦系数高，生产成本低，能够用于制备汽车用制动鼓，具有广阔的应用前景。但是，钴是价格昂贵的战略物质，加入铸铁制动鼓中，造成了资源的巨大浪费，且显著增加制动鼓制造成本。
为此，中国发明专利CN105063471A公开了一种货车制动鼓用低合金灰铸铁材料及其制备方法；其材料主要包括下述质量百分比的化学成份：C:3.00～3.70％，Si:1.5～2.8％，Mn:0.38～1.5％，S≤0.04％，P≤0.08％，Mg:0.02～0.04％，Cr:0.20～0.50％，V:0.2～0.5％，Mo:0.2～0.45％，Sn:0.04～0.10％，余量为铁；其方法包括下述步骤：(1)铁液熔炼；(2)孕育处理；(3)浇注工艺。中国发明专利CN103993221A还公开了一种钒钛灰铸铁制动鼓，其特征在于：在该制动鼓中采用了灰铸铁，其中灰铸铁含有的组分按质量百分比计为：C：3.2～3.6％，Si：1.6～1.9％，Mn:0.6～0.9％，P≤0.10％，S：0.07～0.12％，V：0.15～0.20％，Ti：0.07～0.12％，Cr：0.25～0.35％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：1)熔制原铁水：以钒钛生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、锰铁、铬铁为炉料，将增碳剂加入炉底，用中频感应炉对炉料进行熔炼制得原铁水，待铁水熔清后升温过热净化铁水，然后在1520～1530℃保温；然后进行扒渣，扒渣后在其表面加聚渣剂进行保温，然后再加入少量回炉料，调整铁水成分；使铁水中各化学成分的重量百分比为：C：3.2～3.6％，Si：1.3～1.6％，Mn:0.6～0.9％，P≤0.10％，S：0.07～0.12％，V：0.15～0.20％，Ti：0.07～0.12％，Cr：0.25～0.35％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；2)铁水孕育及浇注：将步骤1)中熔制的铁水倒入浇包，同时将称量好的孕育剂均匀加入铁水流中冲入包内，进行第一次孕育；出铁后扒渣，铁水包运至浇注车浇注制动鼓，在浇注的过程中，随流再次加入孕育剂，进行第二次孕育；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1450～1480℃，铁水浇入铸型的浇注温度为1350～1380℃；3)打箱清理：将浇注出的制动鼓冷却至200℃以下打箱，经悬链在空气中自然冷却至室温后，经抛丸机抛丸清理；4)加工检验：清理后的制动鼓毛坯送机加车间加工，待加工检验合格后包装即可。中国发明专利CN101818296A还公开了一种制动鼓铸造工艺，其特征在于，该铸造工艺为：先将10％的废钢投入中频电炉中熔化成钢水，再加入添碳剂，待中频电炉内的温度升至1100～1200℃时，再投入0.15％的钼、30％的废钢、40％的生铁和20％的回炉料，然后排渣，排渣后加入锰铁0.7％、硅铁合金1.8％，此时，从中频电炉内的铁水中取样分析，补加材料，待中频电炉内的温度升至1450℃时出铁，这时，将0.5％的铜随铁水一起加入铁水包，然后进行浇注，10分钟后取出铸件，退火去应力，待其冷却至室温喷丸清理、机械加工，检验后入库，得到制动鼓。中国发明专利CN 102747267A还公开了一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁，包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素，其重量百分比化学成分为：C：3.10～3.30；Si：1.90～2.50；Mn：0.20～0.40；P：0.02～0.04；S：0.08～0.11；Cr：0.20～0.30；Cu：0.50～0.60；Sn：0.02～0.05；其特征在于：还包括了微量的Zr、Ti、V和N元素，其重量百分比化学成分为：V：0.20～0.40；N：0.11～0.15；Zr：0.01～0.10；Ti：0.01～0.10；所述灰铸铁抗拉强度达到440MPa；所述添加微合金化元素Ti、Zr、V、N，在温度大于1600℃的高温铁液中形成TiN、TiC、ZrN、ZrC、VN和VC，它们的熔点分别为3290℃、3067℃、2960℃、3540℃、2340℃和2800℃，它们的001晶面与奥氏体Fe-γ的110晶面的晶格错配度均小于15％。该发明通过微合金化，获得了网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；细小层片厚度与片间距的交错排布的珠光体团簇；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团细化的组织，使高碳当量灰铸铁标准试棒的抗拉强度达到440兆帕。中国发明专利CN 103074538A还公开了一种微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法，其特征在于，所述微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的重量百分比化学成分为：C：3.10～3.30，Si：1.90～2.50，Mn：0.20～0.40，P：0.02～0.04，S：0.08～0.11，Cr：0.20～0.30，Cu：0.50～0.60，Sn：0.02～0.05，RE：0.02～0.08，Ca：0.02～0.008，V：0.20～0.40，Ti：0.01～0.10，N：0.11～0.15，Zr：0.01～0.10，其制备方法按以下步骤进行：1)选择的熔炼设备：150公斤～10000公斤中频感应电炉；2)熔炼工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的重量百分比化学成分要求：C：3.10～3.30，Si：1.90～2.50，Mn：0.20～0.40，P：0.02～0.04，S：0.08～0.11，按照比例将废钢、回炉高强度灰铸铁、石墨增碳剂、Si～Fe、高C锰铁和FeS增硫剂加入中频感应电炉中；所述废钢重量百分比为：含C量0.4～0.5，其余为Fe；所述回炉高强度灰铸铁重量百分比为：含C：3.10～3.30，Si：1.90～2.50，Mn：0.20～0.40，P：0.02～0.04，S：0.08～0.11；所述石墨增碳剂重量百分比为：含C量大于98，其余为杂质；所述Si～Fe重量百分比为：含Si量75，其余为Fe，Si～Fe的加入量要留出孕育剂带来的Si含量，终Si量满足1.90～2.50；所述高C锰铁重量百分比为：含Mn量大于55，C量7.0～7.5，Si量1.0～2.0，其余为Fe；3)合金加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Cr：0.20～0.30，Cu：0.50～0.60，Sn：0.02～0.05，炉料全部熔化后，加入适量的高C铬铁和纯Cu，铁水温度≥1500℃时，炉内加入含Sn量大于99重量百分比适量的纯Sn；4)强化剂一次加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：RE：0.02～0.08，Ca：0.02～0.008，V：0.20～0.40，Ti：0.01～0.10，N：0.11～0.15，当铁水温度≥1520℃时，放出铁水，在中频电炉出铁槽的铁水流上加入适量的RE-Ca-Si-V-Ti-N强化剂；5)强化剂二次加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Zr：0.01～0.10，当铁水放出1/4时，将适量的Zr-Mn-Si强化剂投入到浇注铁水包中；6)孕育剂加入工艺：根据微合金化超高强度高碳当量灰铸铁重量百分比化学成分要求：Si：1.90～2.50，当浇注铁水包预热温度≥800℃时，将适量的Si-Fe孕育剂放在包底，出炉铁水将Si-Fe孕育剂熔化；7)当浇注铁水包内铁水达到1200～1480℃，浇注铸件。该发明新的微合金化超高强度高碳当量灰铸铁的制备方法与目前传统的或普遍采用的高强度高碳当量灰铸铁制备方法相比，在改善高强度高碳当量灰铸铁组织的和提高其强度方面均获得意想不到的效果。该发明新的制备方法使初生奥氏体枝晶、珠光体片间距更加细小、石墨个数增多、细小、弯曲；标准试棒的抗拉强度得到大幅度提高，最高达到了440兆帕。上述方法制备灰铸铁的抗拉强度最高只达到440MPa，仍无法满足大型铁制动严酷的使用要求。中国发明专利CN102191424A还公开了一种铸态低合金高热疲劳强度灰铸铁制动材料，其化学成分重量百分比为：C：3.5－3.7％，Si：1.6－2.0％，Mn：0.7－1.0％，Cu：0.15－0.3％，Cr：0.2－0.3％，Sb：0.015－0.02％，Sn：0.018－0.02％，P≤0.08％，S≤0.07％，余量为Fe。其生产方法是：按所需比例将生铁Q10或Q12、废钢、回炉料、60#锰铁投入冲天炉中熔炼，在出铁水槽中添加一定比例合金Cr和Sb，在铁水包中加入75#硅铁和合金Sn、Cu进行将熔炼好的铁水第一孕育和合金化，在浇包中加入复合孕育剂进行第二次倒包孕育，浇入事先制好的砂型中成型冷却，得到所需。中国发明专利CN101618452还公开了一种汽车用制动鼓的制作方法涉及一种汽车零部制动鼓的制作方法。该制动鼓是用灰铸铁HT250制作的空心圆形鼓状作为内衬的刹车套，其外部紧包有用球墨铸铁QT450－15制作的外套；其制作方法是首先加工好刹车套，将其放入外套铸模的铸件成型腔内后用热镶铸技术再浇注外套。刹车套外侧面上部有一道环形槽，下部有数条凸出的纵向加强筋。由于该制动鼓用HT250和QT450－15两种材料制作，制造工艺复杂，且两种材料结合层强度低，复合制动鼓使用中易分层，严重影响汽车的安全运行。
发明内容
本发明为了克服复合制动鼓制造工艺复杂，以及复合制动鼓外层与内层结合不牢靠，使用中存在易分层和脱落等不足。提出选用铸造成型性、减磨性、减震性和导热性好及成本低廉的灰铸铁制造制动鼓。但是，普通铸铁制动鼓存在强度低、耐磨性差等不足，导致普通铸铁制动鼓使用寿命短，更换频繁。为了提高铸铁强度和耐磨性，加入微量元素固溶于基体，提高基体耐磨性，在此基础上，改变铸铁结晶凝固过程，使片状石墨的尖角变圆钝，有利于提高铸铁强度。此外，加入微量元素细化凝固组织，提高铸铁强韧性。在此基础上，增加锰、硼含量，并改变铸铁凝固冷却过程，使灰铸铁基体变成贝氏体基体为主的组织，可以显著提高铸铁强韧性和耐磨性。
高强度耐磨灰铸铁制动鼓的具体制备工艺步骤如下：
①先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.72-3.84％C,1.23-1.47％Si,1.66-1.85％Mn,0.42-0.57％Cu,<0.06％P,<0.05％S,其余为Fe；当铁水温度达到1513-1537℃时，将其出炉到浇包；并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.7-0.9％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：62.17-63.51％Si,7.64-7.90％Sr,7.55-7.98％Ba,<0.2％C,<0.05％P,<0.03％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
②铁水全部进入浇包3-5分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure BDA0003385125640000061
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的1.8-2.0％；多元合金线的化学组成及质量分数为：31.73-33.44％Al,3.37-3.65％B,5.20-5.63％N,6.77-7.18％K,3.83-4.27％Ti,9.04-9.58％Ca,2.41-2.87％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质；/>
③灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型；浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1385-1418℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度4-6mm覆膜砂的金属铸型中；铁水浇注时铸型温度为135-162℃；铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂；型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.32-0.38％；型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.45-1.81％Mg,2.24-2.70％Sn,5.27-5.60％Ca,1.15-1.33％N,53.81-56.38％Si,5.57-6.22％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质；铁水完全凝固后，当温度降至850-920℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至280-320℃，然后将铸件立即放入加热温度达到350-380℃的加热炉内保温2.0-2.5h，随后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度，即可获得抗拉强度超过520MPa的高强度耐磨灰铸铁制动鼓。
如上所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.2-3.4％的酚醛树脂，0.07-0.12％的硬脂酸钙，0.08-0.15％的羧甲基纤维素，1.2-1.3％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2。
本发明为了提高铸铁强度和耐磨性，加入微量元素固溶于基体，提高基体耐磨性，在此基础上，改变铸铁结晶凝固过程，使片状石墨的尖角变圆钝，有利于提高铸铁强度。此外，加入微量元素细化凝固组织，提高铸铁强韧性。在此基础上，增加锰、硼含量，并改变铸铁凝固冷却过程，使灰铸铁基体变成贝氏体基体为主的组织，可以显著提高铸铁强韧性和耐磨性。本发明制动鼓先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.72-3.84％C,1.23-1.47％Si,1.66-1.85％Mn,0.42-0.57％Cu,<0.06％P,<0.05％S,其余为Fe。本发明制动鼓铸铁材料中的硅、碳含量高，仅铁水中的硅和碳当量，接近共晶度，可以提高铸铁中石墨数量，提高铸铁的导热性能。但是，石墨数量的增加会显著降低铸铁强度，为此，本发明提高锰含量至1.66-1.85％Mn，并加入0.42-0.57％Cu，可以显著提高铸铁淬透性，与随后的硼合金化及控制凝固冷却相结合，使铸铁组织以强韧性优异的针状贝氏体为主，有利于显著提高铸铁强韧性。
本发明当铁水温度达到1513-1537℃时，将其出炉到浇包。并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.7-0.9％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：62.17-63.51％Si,7.64-7.90％Sr,7.55-7.98％Ba,<0.2％C,<0.05％P,<0.03％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质。本发明所用的孕育剂中，含有7.64-7.90％Sr和7.55-7.98％Ba。相比于75SiFe，含Sr孕育剂具有较强的石墨化作用，可有效避免出现白口，且不会增加共晶团数量，有效避免出现缩松缺陷，提高制动鼓致密度。在使用相同剂量孕育剂的情形下，加入含7.64-7.90％Sr的孕育剂，铸件的断面敏感性较低，硬度也有所下降，加工性能得以有效改善。但是，为了防止制动鼓硬度过低而降低制动鼓耐磨性，本发明通过提高锰含量，并在随后的铁水微合金化过程中，加入少量硼，并结合控制冷却，获得耐磨性优异的针状贝氏体基体组织。本发明孕育剂中，含有7.55-7.98％Ba，含Ba孕育剂的显著功效在于长效，并不是高效。孕育剂中加入7.55-7.98％Ba，可有效避免出现E型石墨，降低铸件壁厚敏感性，增强铁水抗衰退能力。
铁水全部进入浇包3-5分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure BDA0003385125640000081
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的1.8-2.0％。多元合金线的化学组成及质量分数为：31.73-33.44％Al,3.37-3.65％B,5.20-5.63％N,6.77-7.18％K,3.83-4.27％Ti,9.04-9.58％Ca,2.41-2.87％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质。多元合金线中含有3.37-3.65B和5.20-5.63％N，硼和氮部分固溶于基体，与锰和铜一起，促进铸铁连续冷却过程中贝氏体和珠光体转变曲线分离，且使贝氏体连续冷却曲线明显右移，促使随后的控冷过程中，确保铸铁基体获得强韧性好的针状贝氏体基体组织。
另外，部分硼与铁化合生成Fe23(C,B)6，Fe23(C,B)6硬度高，对改善铸铁耐磨性有积极的效果。但是Fe23(C,B)6易呈网状分布于晶界，会显著降低铸铁的强韧性。为了消除Fe23(C,B)6带来的上述不利影响，本发明在微合金线中，含有31.73-33.44％Al，可以破坏Fe23(C,B)6的网状分布，使Fe23(C,B)6断网和孤立分布，确保灰铸铁制动鼓硬度和耐磨性增加的同时，强度和韧性不会降低。本发明在微合金线中还加入5.20-5.63％N和3.83-4.27％Ti，在凝固过程中，优于铸铁凝固，生成细小的高熔点TiN颗粒，可以作为铸铁的凝固核心，促进铸铁凝固组织的显著细化。在微合金线中加入6.77-7.18％K进行微合金化处理，可以改善石墨形态，使石墨以A型石墨分布，且使石墨的尖角变得圆钝，有利于提高铸铁强度和热疲劳性能。此外，加入9.04-9.58％Ca和2.41-2.87％Y，可以改善夹杂物的形态和分布，减少夹杂物数量，并细化夹杂物尺寸，从而提高铸铁强韧性。
灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型。由于铁模覆砂生产精度高，所以生产制动鼓铸件的形状、尺寸精度也相应提高。用铁模覆砂工艺生产的制动鼓铸件可减重3-5％，并且因铁模激冷作用使得工艺出品率提高，可减少冒口重量25-28％。浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1385-1418℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度4-6mm覆膜砂的金属铸型中，铁水浇注时铸型温度为135-162℃。所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.2-3.4％的酚醛树脂，0.07-0.12％的硬脂酸钙，0.08-0.15％的羧甲基纤维素，1.2-1.3％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2。这种质量组成的覆膜砂，可以确保制动鼓铸件尺寸精度高，表面质量好，加工余量小，造型材料需要量少。此外，铸件废品率较低，以及铸件清理工作量小。
铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂，型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.32-0.38％。型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.45-1.81％Mg,2.24-2.70％Sn,5.27-5.60％Ca,1.15-1.33％N,53.81-56.38％Si,5.57-6.22％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质。加入上述型内孕育剂，可以使制动鼓内的石墨尺寸细小，分布均匀，可以显著提高制动鼓的热疲劳性能和导热性，也可以使灰铸铁制动鼓强韧性的继续提高。特别是型内孕育剂中因含有1.45-1.81％Mg，而镁熔点和气化温度低，与浇入铸型的铁水接触后会迅速气化，使进入铸型内的铁水发生翻腾，促进型内孕育剂在铁水中分布均匀，有利于石墨的均匀分布，确保铸铁制动鼓性能的均匀。
本发明当铁水完全凝固后，当温度降至850-920℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至280-320℃。采用温度降至850-920℃时开箱取出铸件，可以防止铸铁基体组织中出现较多粗大珠光体。铸件从铸型取出来后，用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至280-320℃，可以避开珠光体转变区，确保获得强韧性好的贝氏体基体。在此基础上，将铸件立即放入加热温度350-380℃的加热炉内保温2.0-2.5小时，然后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温。可以防止出现高硬度的马氏体。有利于加工性能的改善，还可以防止制动鼓使用中发生打滑现象。最后加工至规定尺寸和精度，即可获得抗拉强度超过520MPa的高强度耐磨灰铸铁制动鼓。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1)本发明制动鼓不含钼、钒、铌等昂贵合金元素，具有较低的制造成本；
2)采用本发明制造灰铸铁制动鼓，表面光洁度和尺寸精度高，变形量小，与砂型铸造制动鼓相比，制动鼓铸件可减重3-5％，并且因铁模激冷作用使得工艺出品率提高，可减少冒口重量25-28％；
3)本发明铸铁制动鼓抗拉强度超过520MPa，延伸率大于5％，具有优异的强韧性，硬度230-245HBS，具有优异的耐磨性和良好的加工性能；
4)本发明制动鼓共晶度高，石墨数量多，且石墨尺寸细化，分布均匀，尖角圆钝，制动鼓导热性能和疲劳性能及耐磨性能优异，相同工况下使用寿命比普通HT 250制动鼓提高1倍以上。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
本发明选用铸造成型性、减磨性、减震性和导热性好及成本低廉的高强度耐磨灰铸铁制造制动鼓，具体制备工艺步骤如下：
①先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.72％C,1.47％Si,1.66％Mn,0.57％Cu,0.044％P,0.038％S,其余为Fe；当铁水温度达到1513℃时，将其出炉到浇包；并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.7％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：62.17％Si,7.90％Sr,7.55％Ba,0.13％C,0.041％P,0.020％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
②铁水全部进入浇包3分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure BDA0003385125640000101
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的1.8％；多元合金线的化学组成及质量分数为：31.73％Al,3.65％B,5.20％N,7.18％K,3.83％Ti,9.58％Ca,2.41％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
③灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型；浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1385℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度4mm覆膜砂(所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.2％的酚醛树脂，0.12％的硬脂酸钙，0.08％的羧甲基纤维素，1.3％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2)的金属铸型中；铁水浇注时铸型温度为135-142℃；铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂；型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.32％；型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.45％Mg,2.70％Sn,5.27％Ca,1.33％N,53.81％Si,6.22％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质；铁水完全凝固后，当温度降至850-880℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至280-310℃，并将铸件立即放入加热温度达到350℃的加热炉内保温2.5小时，然后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度，即可获得抗拉强度535MPa的高强度耐磨灰铸铁制动鼓。制动鼓力学性能见表1。
表1制动鼓力学性能
抗拉强度/MPa 延伸率/％ 硬度/HBS
535 5.2 236
实施例2：
本发明选用铸造成型性、减磨性、减震性和导热性好及成本低廉的高强度耐磨灰铸铁制造制动鼓，具体制备工艺步骤如下：
①先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.84％C,1.23％Si,1.85％Mn,0.42％Cu,0.058％P,0.039％S,其余为Fe；当铁水温度达到1537℃时，将其出炉到浇包；并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.9％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：63.51％Si,7.64％Sr,7.98％Ba,0.15％C,0.043％P,0.026％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
②铁水全部进入浇包5分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure BDA0003385125640000111
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的2.0％；多元合金线的化学组成及质量分数为：33.44％Al,3.37％B,5.63％N,6.77％K,4.27％Ti,9.04％Ca,2.87％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
③灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型；浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1418℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度6mm覆膜砂(所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.4％的酚醛树脂，0.07％的硬脂酸钙，0.15％的羧甲基纤维素，1.2％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2)的金属铸型中；铁水浇注时铸型温度为155-162℃；铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂；型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.38％；型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.81％Mg,2.24％Sn,5.60％Ca,1.15％N,56.38％Si,5.57％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质；铁水完全凝固后，当温度降至890-920℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至295-320℃，并将铸件立即放入加热温度达到380℃的加热炉内保温2.0小时，然后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度，即可获得抗拉强度540MPa的高强度耐磨灰铸铁制动鼓。制动鼓力学性能见表2。
表2制动鼓力学性能
抗拉强度/MPa 延伸率/％ 硬度/HBS
540 5.5 238
实施例3：
本发明选用铸造成型性、减磨性、减震性和导热性好及成本低廉的高强度耐磨灰铸铁制造制动鼓，具体制备工艺步骤如下：
①先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.77％C,1.29％Si,1.73％Mn,0.48％Cu,0.051％P,0.042％S,其余为Fe；当铁水温度达到1528℃时，将其出炉到浇包；并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.8％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：62.90％Si,7.83％Sr,7.64％Ba,0.18％C,0.045％P,0.028％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
②铁水全部进入浇包4分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure BDA0003385125640000131
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的1.9％；多元合金线的化学组成及质量分数为：32.91％Al,3.57％B,5.46％N,6.95％K,3.88％Ti,9.42％Ca,2.67％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
③灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型；浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1398℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度5mm覆膜砂(所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.3％的酚醛树脂，0.10％的硬脂酸钙，0.09％的羧甲基纤维素，1.3％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2)的金属铸型中；铁水浇注时铸型温度为148-153℃；铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂；型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.35％；型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.69Mg,2.55％Sn,5.48％Ca,1.19％N,55.32％Si,5.94％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质；铁水完全凝固后，当温度降至870-895℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至290-310℃，并将铸件立即放入加热温度达到360℃的加热炉内保温2.4小时，然后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度，即可获得抗拉强度525MPa的高强度耐磨灰铸铁制动鼓。制动鼓力学性能见表3。
表3制动鼓力学性能
抗拉强度/MPa 延伸率/％ 硬度/HBS
525 5.9 233
本发明制动鼓不含钼、钒、铌等昂贵合金元素，具有较低的制造成本。本发明制造灰铸铁制动鼓，表面光洁度和尺寸精度高，变形量小，与砂型铸造制动鼓相比，制动鼓铸件可减重3-5％，并且因铁模激冷作用使得工艺出品率提高，可减少冒口重量25-28％。本发明铸铁制动鼓基体组织以强韧性优异的贝氏体为主，铸铁制动鼓抗拉强度超过520MPa，延伸率大于5％，具有优异的强韧性，硬度维持在230-245HBS，具有优异的耐磨性和良好的加工性能。本发明制动鼓共晶度高，石墨数量多，且石墨尺寸细化，分布均匀，尖角圆钝，制动鼓导热性能和疲劳性能及耐磨性能优异，相同工况下使用寿命比普通HT 250制动鼓提高1倍以上。本发明制动鼓使用安全、可靠，使用中无断鼓和开裂现象发生，且废旧制动鼓回收利用方便，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (3)

1.一种高强度耐磨灰铸铁制动鼓的制备方法，其特征在于，具体制备工艺步骤如下：
①先用生铁、废钢、回炉料、增碳剂、硅铁、铜块和锰铁为原料，在中频感应电炉内熔炼灰铸铁，炉内铁水的化学组成及其质量分数为3.72-3.84％C,1.23-1.47％Si,1.66-1.85％Mn,0.42-0.57％Cu,<0.06％P,<0.05％S,其余为Fe；当铁水温度达到1513-1537℃时，将其出炉到浇包；并在出炉过程中，随铁水流加入孕育剂，孕育剂颗粒尺寸5-8mm；孕育剂加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.7-0.9％；孕育剂的化学组成及其质量分数为：62.17-63.51％Si,7.64-7.90％Sr,7.55-7.98％Ba,<0.2％C,<0.05％P,<0.03％S,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
②铁水全部进入浇包3-5分钟后，用喂丝机往浇包内加入多元合金线，多元合金线的直径为
Figure FDA0003385125630000011
多元合金线加入量占进入浇包内铁水质量分数的1.8-2.0％；多元合金线的化学组成及质量分数为：31.73-33.44％Al,3.37-3.65％B,5.20-5.63％N,6.77-7.18％K,3.83-4.27％Ti,9.04-9.58％Ca,2.41-2.87％Y,余量为Fe及其它不可避免的杂质；
③灰铸铁制动鼓使用铁模覆砂铸造工艺进行浇注成型；浇包内的铁水经扒渣、静置后，当铁水温度降至1385-1418℃时，将其浇入铸型内腔覆有厚度4-6mm覆膜砂的金属铸型中；铁水浇注时铸型温度为135-162℃；铸型内靠近浇口位置预先放置了型内孕育剂；型内孕育剂的颗粒尺寸1-3mm，加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.32-0.38％；型内孕育剂的化学组成及其质量分数是1.45-1.81％Mg,2.24-2.70％Sn,5.27-5.60％Ca,1.15-1.33％N,53.81-56.38％Si,5.57-6.22％Ce,余量为Fe及其它不可避免的杂质；铁水完全凝固后，当温度降至850-920℃，开箱取出铸件，并用吹风机强力吹风冷却，使铸件快速冷却至280-320℃，然后将铸件立即放入加热温度达到350-380℃的加热炉内保温2.0-2.5h，随后炉冷至温度低于160℃，出炉空冷至室温，最后加工至规定尺寸和精度。
2.按照权利要求1所述的一种高强度耐磨灰铸铁制动鼓的制备方法，其特征在于，所述覆膜砂的化学组成及其质量分数为：3.2-3.4％的酚醛树脂，0.07-0.12％的硬脂酸钙，0.08-0.15％的羧甲基纤维素，1.2-1.3％的乌洛托品，余量是80-120目的SiO2。
3.按照权利要求1或2所述方法制备得到的一种高强度耐磨灰铸铁制动鼓。
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