CN101093003A - 蠕墨铸铁刹车鼓及制作工艺 - Google Patents

Abstract

蠕墨铸铁刹车鼓及制作工艺，属于汽车制造业用部件。包括珠光体和铁素体，其特征在于：化学成份为(重量％)：C3.2～3.75、Si2.3～2.8、Mn0.5～1.0、P≤0.08，S≤0.025。该刹车鼓制作工艺为：首先对原铁水熔炼，对铁水进行蠕化处理，浇铸铸件，对浇铸铸件进行冷却，进行热处理1－2次，对热处理后铸件机械加工。与现有技术相比，具有抗热疲劳性能、抗磨损和擦伤能力、抗变形能力、抗相变能力好，强度高、抗氧化、耐腐蚀能力强，制作工艺简单等优点。

Description

蠕墨铸铁刹车鼓及制作工艺

技术领域

蠕墨铸铁刹车鼓，属于汽车制造业用部件。

背景技术

刹车鼓是汽车制动系统中的重要零件之一，刹车鼓在汽车制动过程中，承受着刹车片强大的干摩擦的同时，总体还承受拉力。由磨擦产生的热量体刹车鼓的工作面瞬时温度达400～500℃。在山区和交通拥挤的地区，制动器要频繁工作，使刹车鼓局部瞬时温度甚至可达铸铁的相变温度，从而工作表面可能被淬火成马氏体硬化层。另一方面，由于反复制动，而使刹车鼓不断处于加热，冷却过程，致使刹车鼓处于严重的热疲劳状态。因此，刹车鼓常见的失效形式有如下几种：

1、磨损失效

刹车鼓磨损失效主要有两种情况：(1)干滑动磨损，摩擦片和刹车鼓之间在干滑动磨损条件下，使工作表面的温度升高并产生氧化而促使磨损。在这种磨损条件下，刹车鼓工作表面呈光滑状态，没有明显痕迹。(2)磨料磨损。当刹车鼓和摩擦片接触时，由磨损产生的淬屑和在形式过程中进入刹车鼓内的泥沙、碎石等作为磨料，使刹车鼓工作表面磨损呈现出明显的沟槽痕迹。

2、龟裂

刹车鼓经长期使用，工作表面出现肉眼可见的网状裂纹，它主要是反复刹车导致刹车鼓工作表面温度反复变化而造成的热疲劳裂纹。

3、局部表面硬化层

刹车鼓工作表面在使用一段时间后出现间断的硬化层。这种硬化层降低刹车鼓工作时的摩擦系数，从而影响刹车鼓的效果，严重时而报废。硬化层的产生可能是当刹车鼓反复工作时，磨擦产生的热量使工作表面温度达到了铸铁相变点以上，在随后冷却中淬成马氏体层，然后在交变温度作用下，被回火成回火马氏体。

4、永久变形造成失圆

刹车鼓长期工作在交变应力作用下，当其应力值超过材料的屈服强度时，就要发生一定的永久性变形，使其有圆形便成椭圆形。变形不大时可通过维修校正，当变形严重时，将严重影响刹车效果而报废。产生变形的主要原因是由于灰口铸铁的弹性模量小。所以，在弹性区灰口铸铁的变形量大，当受力作用时，在石磨边缘有应力集中现象，引起少量的残余变形，在应力作用下，这种残余变形的积累就是灰口铸铁刹车鼓变形的直接原因。另外，摩擦表面温度升高所产的热应力也将促使变形的产生。

5、断裂

由于灰口铸铁刹车鼓的材质强度低，在和车轮相联的螺孔部位及刹车鼓边缘还会发生断裂现象。

通过上述几种刹车鼓的失效形式可知，要提高刹车鼓的使用寿命，其材质应满足下列要求：即良好的抗热疲劳性能，较好的抗磨损和擦伤能力，足够的强度，较好的抗变形能力，较好的抗相变能力和较好的抗氧化、耐腐蚀能力。

过去大多使用灰口铸铁HT200制造的。由于灰口铸铁强度低、韧性差、耐磨性不好，经常出现裂纹，磨损失效等现象，不能满足各种重型汽车的要求，我国进口的“奔驰”重型汽车所用的刹车鼓，多年来一直依赖西德进口，不但价格昂贵，而且进口途径困难，供不应求，全国年需求量几百万件。因此，研究试制出一种先进合理的适合重型载重汽车使用的刹车鼓是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题：设计一种抗热疲劳、抗磨损、擦伤、抗变形、抗相变能力好，强度高、抗氧化、耐腐蚀能力强的蠕墨铸铁刹车鼓及制作工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该蠕墨铸铁刹车鼓，采用了基体组织包括珠光体与铁素体混合基体的蠕墨铸铁材料，珠光体含量占85％～95％，铁素体占5％～15％。

化学成份为(重量％)：C3.2～3.75、Si2.3～2.8-、Mn0.5～1.0、P≤0.08，S≤0.025。提高碳C、锰Mn量，降低硅Si量，是为了提高珠光体的比例。

该蠕墨铸铁刹车鼓的制作工艺，其特征在于：首先对原铁水熔炼，对铁水进行蠕化处理，浇铸铸件，对浇铸铸件进行冷却，进行热处理1-2次，对热处理后铸件机械加工。

蠕化处理采用的蠕化剂为稀土锌镁铝合金。该蠕化剂在蠕化处理时易于被铁水熔化吸收，铁水表面“浮渣”少，不需搅拌，使用这种蠕化剂时蠕铁的白口倾向小，一般可不进行孕育处理。

熔炼过程平均铁水温度在1500-1520℃以上。目的是消除遗传因素。

蠕墨铸铁刹车鼓的主要技术关键是控制铁水质量和蠕化率。

与现有技术相比，本发明的蠕墨铸铁刹车鼓及制作工艺所具有的有益效果是：

1、抗热疲劳性能好

热疲劳是材质在热交变温作用下，受循环应力作用破坏的现象。影响材质耐热疲劳的因素可用下式表示：

$\mathrm{RST}=f\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_b\·\mathrm{\δ}\·\mathrm{\λ}\·\mathrm{\ρ}}{E\·d\·\mathrm{\ΔT}\·K}\right)$

式中：RST---耐热疲劳性能；

      σ_b----------抗拉强度；

      δ-----延伸率；

      λ-----导热率；

      P-----密度；

      E------弹性模量；

      a------热膨胀系数；

      ΔT-----热循环时温度差；

      K------应力集中系数。

由以上可知，材料若具有高的耐热疲劳能力，必须具有以下性能：

(1)有较高的强度(室温和高温)，同时有一定的延伸率；

(2)有较高的导热性和较大的密度；

(3)有较低的弹性模量和热膨胀系数；

(4)较小的应力集中系数(主要取决于石墨的形态)。

影响灰口铸铁和蠕墨铸铁热疲劳性能的参数如表1所示：

表1

材质	抗拉强度σb	延伸率δ(％)	弹性模量E×10(MPa)	热膨胀系数a×10	导热系数w/(cm.K)	密度P(g/cm)
							灰铁	100～400	＜0.5	7.5～15.0	11～12	50～67	7.0～7.5
蠕铁	260～420	0.75-3	14～15.5	12～14	36～48	7.0～7.2

由表1可知，灰口铸铁的导热性能好、密度大、弹性模量低和热膨胀系数小。但因其强度低、延伸率低、加之应力集中系数大、组织稳定性差，在受交变热循环应力时，易产生裂纹而失效。而蠕墨铸铁虽然导热性和密度比灰口铸铁稍低些，弹性模量、热膨胀系数稍大些，但由于强度高、延伸率大、应力集中系数小、抗氧化性强。因此，蠕墨铸铁具有比灰口铸铁好的热疲劳性能。

2、耐磨性好

通过在M-200型试验机上进行磨损试验，Re～Mg蠕墨铸铁的耐磨性是灰口铸铁的1.1～1.5倍，Re～Mg～B蠕墨铸铁耐磨性是灰口铸铁的1.61倍，正火蠕墨铸铁(基体90％珠光体)的耐磨铬钼铜灰口铸铁性能是灰口铸铁的2.26倍。

(1)永久变形性明显高于铬钼铜灰口铸铁

蠕墨铸铁和灰口铸铁的抗永久变形性如表2所示：

表2

材    质	永久变形(％)	硬度(HR)
			Re-CU蠕铁(用I号合金处理)	1.64～3.34	91～103.5
Re-CU蠕铁(用II号合金处理)	0.795～2.9	93～104
			铬钼铜合金铸铁	4.90～7.03	99～106

由表2所知，蠕墨铸铁的抗永久变形性能明显地高于铬钼铜灰口铸铁，若蠕墨铸铁与普通灰口铸铁相比抗永久变形性能更加明显。

(2)相变能力高，不易产生硬化层

表3是蠕墨铸铁和灰口铸铁的共析转变临界温度范围。

表3

材质	化学成分							临界温度
												C	Si	Mn	P	S			AC	AC1	AY	AY1
	灰  口铸  铁	2.83	2.17	0.50	0.13	0.09			775	830	765												723
合金灰口铸铁												2.86	2.27	0.50	0.14	0.09	cv0.7	Ni1.7	770	825	750	700
	蠕  墨铸  铁	3.58	3.02	0.65	0.095	0.01	Re0.068		805	860	805												720

由表3可知，蠕墨铸铁加热相变温度高于灰口铸铁的相变温度，也就是说蠕墨铸铁比灰口铸铁奥氏体化困难。因此，蠕墨铸铁刹车鼓的工作表面比灰口铸铁刹车鼓工作表面不易产生硬化层。

3、铸造性能好：

蠕墨铸铁优于高强度灰铸铁。

(1)流动性：采用螺旋线流动试样测定，其结果如表4所示(表中数据取自湿砂造型)。

表4

材  质	平均螺旋线长(mm)	浇铸温度(℃)
			HT 20～40	910	1380
HT 35～61	700	1420
			蠕铁(＞90％虫)	1188	1418
蠕铁(70～80虫)	1408	1420

因为蠕铁的碳硅当量接近于共晶成分，而且经蠕化处理后，使铁水中的氧硫量大量地减少而得到净化，虽然经过蠕化处理，铁水温度有所降低，但蠕墨铸铁的流动性仍高于灰口铸铁。

(2)体收缩和线收缩：蠕墨铸铁的体收缩和线收缩介于灰口铸铁和球墨铸铁之间，但因刹车鼓属于小件，几何形状较简单，所以，收缩性对铸造工艺影响不大。

采用蠕墨铸铁稳定生产控制系统生产蠕墨铸铁刹车鼓，工艺先进，质量稳定、可靠，并能降低生产成本。该蠕墨铸铁刹车鼓填补了本领域一项空白。

具体实施方式

实施例：

部分刹车鼓的的化学成分见表5。

表5  部分刹车鼓的的化学成分

编号	化  学  成  分  (重量％)
								C	Si	Mn	P	S	Re	Mg
	1	3.70	2.46	0.68	0.061	0.024	0.045								0.018
2								3.75	2.41	0.63		0.028	0.035	0.019
	3	3.68	2.75	0.80		0.021	0.042								0.015
4								3.66	2.51	0.76	0.066	0.022	0.038	0.020
	5	3.75	2.47	0.75		0.029	0.027								0.015
6								3.73	2.42	0.68	0.065	0.027	0.031	0.013
	7	3.54	2.69	0.65		0.030	0.030								0.018

采用的制作工艺是：熔炼后处理-蠕化处理-浇注铸件-冷却-清理-热处理-二次清理-机械加工-装配-涂漆。

该刹车鼓原铁水的熔化在CWX-A型微机优化控制系统控制的2吨/时局部碱性炉衬冷风冲天炉内进行。其过程平均铁水温度在1500-1520℃以上。然后停留10分钟左右，目的是消除遗传因素，温度降到1450℃～1480℃；

直读光谱分析，调整化学成分；

对铁水进行蠕化处理，温度1450℃～1480℃；

扒渣，蠕化处理结束后扒渣、取样、炉前三角试片检验，目的是是否符合要求；

浇铸，热分析合格后进行浇铸；

冷却，温度降到一定要求后，为清理做准备；

清理，外形规整，各部符合图纸要求，且无损伤之处。没有加工的铸造表面必须光滑平直，不得有蜂窝、灰渣、飞边、凸凹等缺陷；

热处理，按照要求进行处理其温度为：正火温度920℃，保温时间1.5～2.0小时，风冷或雾冷回火温度600℃，；

二次清理，同第一次清理的要求一样；

机械加工，达到图纸的要求；装配、涂漆、包装。

该刹车鼓蠕墨铸铁材料的蠕化处理采用稀土锌镁铝合金作蠕化剂。该蠕化剂在蠕化处理时易于被铁水熔化吸收，铁水表面“浮渣”少，不需搅拌，使用这种蠕化剂时蠕铁的白口倾向小，一般可不进行孕育处理。因此蠕化处理工艺简单，劳动强度小。它的适宜加入量范围较宽(仅略小于稀土硅铁)，对于刹车鼓可较稳定地获得所需要的石墨形态。

生产的蠕墨铸铁刹车鼓的机械性能见表6。

表6  蠕墨铸铁刹车鼓的机械性能

通过表8可以看出：其机械性能完全符合技术要求，使用寿命比国产灰口铸铁刹车鼓提高一倍，并高于西德进口刹车鼓的使用寿命。而其制造成本仅比灰铁刹车鼓提高10％，价格仅为进口件的30％。

采用稀土锌镁铝蠕化剂和蠕墨铸铁稳定生产控制系统，生产蠕墨铸铁刹车鼓，不但在技术和质量上具有可靠保证，而且还能降低生产成本，改善劳动环境。蠕墨铸铁汽车刹车鼓，质量可靠，使用寿命长，市场广阔，技术、经济效益明显，极有生产开发价值和推广应用前途。

Claims (5)

1、蠕墨铸铁刹车鼓，其特征在于：采用了基体组织包括珠光体与铁素体混合基体的蠕墨铸铁材料，珠光体含量占85％～95％，铁素体占5％～15％。

2、根据权利要求1所述的蠕墨铸铁刹车鼓用蠕墨铸铁材料，其特征在于：化学成份为(重量％)：C3.2～3.75、Si2.3～2.8-、Mn0.5～1.0、P≤0.08，S≤0.025。

3、根据权利要求1所述的蠕墨铸铁刹车鼓的制作工艺，其特征在于：首先对原铁水熔炼，对铁水进行蠕化处理，浇铸铸件，对浇铸铸件进行冷却，进行热处理1-2二次，对热处理后铸件机械加工。

4、根据权利要求2所述的蠕墨铸铁刹车鼓的制作工艺，其特征在于：蠕化处理采用的蠕化剂为稀土锌镁铝合金。

5、根据权利要求3所述的蠕墨铸铁刹车鼓的制作工艺，其特征在于：熔炼过程平均铁水温度在1500-1520℃以上。