CN106756448B - 废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓，所述制动鼓为采用废钢料、铁屑、机杂铁和回炉料为原料，辅以硅铁、锰铁、铬铁、增碳剂、金属添加剂熔炼制得原铁水，再经过孕育处理制得的高强度低合金制动鼓；其中，所述原铁水中含有的化学成分按质量百分比计为：C 3.3～3.6％、Si 1.6～1.9％、Mn 0.6～0.9％、P≤0.1％、S≤0.04％、Cr 0.2～0.4％、Cu 0.25～0.5％、Ti 0.05％～0.15％、Ni≤0.1％、Mo≤0.1％、Sn 0.04％～0.08％，余量为Fe及其它不可避免的杂质。本发明采用废旧汽车零部件、铁屑等为原料回收再利用生产高强度、高性能的制动鼓，生产成本低、经济效益高。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车制动鼓制造技术领域，更具体地，涉及一种废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓。
背景技术
制动鼓是一种灰铸铁件，是汽车制动器重要组件，其结构紧凑，制动功率大，是汽车主要安保件之一，对行车安全起着举足轻重的作用。在制动鼓早期生产，主要利用生铁、回炉料、焦炭等为主要原材料，在工艺上主要采用降低碳含量，提高硅碳比，孕育剂进行孕育处理，改变石墨形态，提高产品的力学性能。但随着市场的发展，汽车的重载、提速、载荷不平衡及频繁的制动等等，所带来的汽车制动鼓使用寿命和安全性大幅下降，对制动鼓的生产提出了更高的要求。具我们对制动鼓市场调查与了解，汽车制动鼓的使用功能及对材质提出如下的基本要求：
1、承载重物，刹车时承受强烈的机械冲击，且载重越多，速度越快，这种冲击越大，因此要求制动鼓有足够高的机械性能。
2、刹车时通过干滑摩擦把动能迅速转化为热能并尽快散发出去，因此要求制动鼓有良好的导热性；
3、山区行驶频繁刹车，或下山时长时间刹车，使制动鼓温度不断升高，有时需用水激冷以降温，或在雨天行驶时，雨水会溅上发热的制动鼓，因此要求制动鼓有良好的热疲劳性能；
4、刹车时依靠制动鼓内圆面(摩擦面)与刹车蹄摩擦片间的摩擦制动，因此要求制动鼓有良好的耐磨性和抗咬合能力；
5、现代汽车追求乘坐舒适性，要求刹车时减少震动、降低响声，因此要去制动的尺寸稳定，内部组织均匀并有良好的吸震性；
为了满足这五大要求，利用废旧汽车零部件、铁屑等(取代传统的生铁)作为主要原材料，添加增碳剂和少量合金元素及孕育处理相结合的方法，对制动鼓的成分进行合理设计，从而改良制动鼓的性能，目前未见相关文献记载。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高强度、高性能、生产成本低、采用废旧金属为原料的废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓，所述制动鼓为采用废钢料、铁屑、机杂铁和回炉料为原料，辅以硅铁、锰铁、铬铁、增碳剂、金属添加剂熔炼制得原铁水，再经过孕育处理制得的高强度低合金化孕育制动鼓；其中，所述原铁水中含有的化学成分按质量百分比计为：C 3.3～3.6％、Si 1.6～1.9％、Mn 0.6～0.9％、P≤0.1％、S≤0.04％、Cr 0.2～0.4％、Cu 0.25～0.5％、Ti 0.05％～0.15％、Ni≤0.1％、Mo≤0.1％、Sn 0.04％～0.08％，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
碳：是铸铁中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化作用以提高铸铁的强度，为使铸铁的微观组织中有较多的石墨片，以保证其具有较高的热导率，乘用车制动鼓的碳含量应该在3.3％以上，但过高的碳量会造成较高的易脆性，故为保证较高强度和较高的热导率，将碳含量控制在3.3～3.6％之间。
硅：在铸铁中起固溶强化作用，并能提高钢质纯净度和脱氧，但含量太高会降低铸铁的韧性，而且容易使铸铁表面产生红铁皮等表面缺陷，在孕育处理和浇铸处理时，较高的碳量和较低的硅量能保证铁水良好的流动性，因此本发明Si含量控制在1.6～1.9％。
锰：可以溶入铁素体，提高铸铁的强度，还能与S形成MnS，以消除S的有害作用，同时也是重要的强韧性元素，Mn含量太高对铸件中心偏析有不利影响，有损于铸件的韧性。本发明Mn的含量控制在0.6～0.9％。
磷：为铸铁中的有害元素，形成磷共晶体，增加脆性，本发明中严格控制P≤0.1％
硫：为铸铁中的有害元素，在铸铁中形成MnS、TiS等多种化合物，适量的硫具有改善孕育效果，促进A型石墨，本发明中严格控制S≤0.04％。
钛：是强碳化物的形成元素，可形成细微的TiC颗粒，细化晶粒；TiC能有效钉扎奥氏体晶界，有效控制奥氏体晶粒长大，而且TiC在晶粒内的析出能显著增强铸铁的强度；钛是成分过冷元素，若钛过高则促进过冷石墨形成，不利于提高A型石墨比例，降低导热性能，若钛量过低，则提高强度效果不明显，达不到强度要求。本发明的Ti含量控制在0.05～0.15％。
铬：可以提高铸铁的强度和硬度，含量过高易增加铸型难度和形成白口化，本发明的Cr含量控制在0.2～0.4％。
铜：能增加和稳定珠光体并促进石墨化，可抵消Cr元素的增大白口的不利影响，有利于保证铁水的铸造工艺性能，同时Cu是一种导热性能较好价格低廉的金属元素，能显著提高铸铁的热疲劳性和热导性能，在Cr含量为0.2～0.4％，本发明的Cu的较适合的范围为0.25～0.5％。
镍：共晶期间促进石墨化，降低奥氏体转变温度，扩大奥氏体区，能细化并增加珠光体，同时还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂，含量过高易造成铸铁氧化铁皮难以脱落且增加成本，因此本发明控制Ni≤0.1％。
钼：能使铁素体从奥氏体中析出并增加奥氏体的稳定性，但钼属于贵金属，过量的钼会提高铸铁的成本，因此本发明控制Ni≤0.1％。
锡：能促进并稳定珠光体，加入微量的Sn就可增加铸铁的激冷白口倾向；增加锡的含量可以提高铸铁的硬度，但是过高的Sn会使碳化物增多，造成脆性增大，强度下降；当Sn≤0.08％时，随着锡含量的增加，凝固前膨胀率下降，共析前收缩率提高，共析后收缩率下降，总收缩率提高。因此本发明控制Sn的含量在0.04％～0.08％之间。
75硅铁孕育剂作为本发明第一次孕育处理剂，在铁水包内处理，根据三角试样白口宽度确定加入量，用湿型三角试片检测，原铁水白口宽度一般控制在4毫米以下，因此本发明的一般75硅铁孕育剂较佳取值范围为0.2～0.5％，白口宽取上限，白口小取下限。
硅钡钙随流孕育剂作为本发明第二次孕育处理剂，是铸铁浇铸工艺中的脱氧剂，且具有很好的脱硫、磷能力，本发明硅钡钙的含量控制在0.15～0.25％。
锰铁：选用GB3795-1996规定的锰铁。其中要求：Mn≥50％，同批次锰含量波动范围不应超过3％，P≤0.5％，S≤0.04％。
硅铁：选用GB2272-87规定中的Fe-Si75-A、Fe-Si75-B、Fe-Si75-C，Si＞70％，同批次硅含量波动范围不应超过3％。
铬铁：GB5683-87规定的铬铁，其中要求：Cr≥60％，同批次铬含量波动范围不应超过3％，P≤0.03％，S≤0.03％。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中加入少量合金元素(铜、铬、锡、钛、镍、钼)，不仅可以在铁水共析转变时显著地稳定和部分细化珠光体，而且能促进碳化物形成；硅钡孕育剂孕育处理，能减少铬的白口倾向，改善铸件断面均匀性，使原铁水中石墨两头钝化，类似蠕虫状，呈细片状，从而减少石墨对基体的切割作用，同时适当增加共晶团数和促进细片珠光体的形成，有利于提高制动鼓强度，同时可大大减少原料中废钢的加入量，对我国目前供应的原材料废钢质量差，量又少的局面有着特别重要的意义。
(2)本发明中添加铜锡合金，不仅能提高制动鼓的抗热疲劳性能，还具有良好的热导性能，使刹车制动时易将动能转化为热能散发出去，具有良好的刹车制动性。
(3)通过确定合理的化学成分和炉料配比，加强炉料的管理和控制，加入适量的合金元素，提高熔化温度及强化孕育，使生产的制动鼓在抗拉强度、硬度、加工性能都能满足产品要求，制动鼓的抗拉强度为240～280Mpa，硬度为190～220HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度4～6级，珠光体≥98％。
(4)本发明利用汽车零部件、铁屑回收再利用生产高强度低合金化灰铸铁件-制动鼓，废钢、铁屑等的大量使用，降低了铸造生产成本，极大地缓解了企业的生存压力，经济效益高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本发明的一种废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓，所述制动鼓为采用废钢料、铁屑、机杂铁和回炉料为原料，辅以硅铁、锰铁、铬铁、增碳剂、金属添加剂熔炼制得原铁水，再经过孕育处理制得的高强度低合金化孕育制动鼓；其中，所述原铁水中含有的化学成分按质量百分比计为：C 3.3～3.6％、Si 1.6～1.9％、Mn 0.6～0.9％、P≤0.1％、S≤0.04％、Cr 0.2～0.4％、Cu 0.25～0.5％、Ti 0.05％～0.15％、Ni≤0.1％、Mo≤0.1％、Sn 0.04％～0.08％，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
上述技术方案中，所述制动鼓的抗拉强度为240～280Mpa，硬度为190～220HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度4～6级，珠光体≥98％。铸铁的热导率与石墨在其中所占的体积分数和石墨片的尺寸成正比。
一种如上述所述的废旧汽车零部件、铁屑再利用生产高强度低合金制动鼓的制备方法，包括以下步骤：熔制原铁水、铁水孕育处理、浇铸；所述熔制原铁水步骤中，依次将废钢料、机杂铁、铁屑、回炉料经过前处理后加入中频感应炉中，将增碳剂加入炉底，再加入硅铁、锰铁、铬铁，对炉料进行熔炼制得原铁水，待铁水熔清后除渣，在出铁水前加入预处理剂碳化硅，然后加入金属添加剂调整铁水成分，使得原铁水中各化学成分的重量百分比为：C3.3～3.6％、Si 1.6～1.9％、Mn 0.6～0.9％、P≤0.1％、S≤0.04～0.1％、Cr 0.2～0.4％、Cu 0.25～0.5％、Ti 0.05％～0.15％、Ni≤0.1％、Mo≤0.1％、Sn 0.04％～0.08％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；所述铁水孕育处理步骤中，将熔制的原铁水倒入浇包中，向浇包中加入75硅铁孕育剂，进行第一次孕育；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1520～1540℃，较高的出铁温度可得到良好铸态性能的制动鼓，可降低后续铁水铸型时的浇铸温度；所述浇铸步骤中，将铁水包运至浇注车中浇注制动鼓，在浇注过程中，随流加入硅钡钙随流孕育剂，进行第二次孕育；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1420～1480℃。
上述技术方案中，所述原料的配比按重量百分比计为：铁屑60～75％、废钢料5～15％、回炉料15～20％、机杂铁1～10％。
上述技术方案中，所述75硅铁孕育剂占原铁水含量0.2～0.5％，75硅铁孕育剂铁水包内处理，根据三角试样白口宽度确定加入量，用湿型三角试片检测，原铁水白口宽度一般控制在4毫米以下，因此本发明的一般75硅铁孕育剂较佳取值范围为0.2～0.5％，白口宽取上限，白口小取下限。
上述技术方案中，所述硅钡钙随流孕育剂占原铁水含量0.15～0.25％。
用本发明的方法制造的制动鼓的性能如下：
(1)强度高：抗拉强度为240～280Mpa。
(2)热导性良好：铸铁的热导率与石墨在其中所占的体积分数和石墨片的尺寸成正比，本发明的制动鼓A型石墨为95％以上，石墨长度4～6级，表明其具有较好的热导性能，可以散去制动片上的热量，具有良好的刹车制动性能。
(3)抗疲劳性：本发明的制动鼓的抗疲劳性比全灰铁制动鼓和钢体制动鼓要好。
(4)耐磨性：本发明添加的金属元素铜、钛、镍、铬、锡均具有良好的耐磨性，且能提高铸铁的硬度，本发明制动鼓的硬度为190～220HB，其磨损量比普通的制动鼓磨损量小。
(5)寿命：因本发明制动鼓的强度高、热导性良好、磨损量小、改善了制动鼓的抗龟裂能力，因而延长了使用寿命。
(6)减震性：减震性比普通的制动鼓要好。
实施例1
1、原料的前处理：
(1)废钢料：为废旧的汽车零部件钢铁结构件、边角余料，A3、45#、40Cr等普通的含C≤1％、Si≤1％、Mn≤1％、低S、低P的材料；废旧的压力容器需解体后投料，薄小的废钢料需打包，零散的或者是通过打包成块的，要能直接加入到熔炉内，不能卡炉影响加料，更不能残存汽、液体引起爆炸；废钢投料前需除锈、清除表面油污、除去镀层。
(2)铁屑：为机加工过程中钢铁件因加工去掉的铁屑，其中，钢屑的化学成分与废钢相同，铁屑由普通灰铸铁或球墨铸铁产生，其主要化学成分在C 2.5～4.0％、Si 1.5～3.5％、Mn 0.3～2.0％之间；铁屑碎小零散，需装袋或做成屑饼以方便加料和节省能源，需清除表面油污和切削液，除锈。
(3)机杂铁：为拆卸的报废的机器设备钢铁零部件、机身、底座等，化学成分相对复杂，可能含有少量合金元素或非金属杂质，一般情况下可清除其中的铝、锌、铅等轻质低熔点金属、铜等有色金属，去油污坭后再使用。
(4)回炉料：为铸造生产时产生的浇冒系统、飞边、毛刺、铁豆、锅巴铁以及废品等，投料前要除掉其表面的粘砂、除锈。
2、投炉料熔制原铁水
本实施例通过化学成分要求计算得到合理的原料比例为：铁屑60％、废钢料10％、回炉料20％、机杂铁10％；依次按顺序将经过前处理后的废钢料、机杂铁、铁屑、回炉料加入中频感应炉中，将增碳剂加入炉底，再加入硅铁、锰铁、铬铁，对炉料进行熔炼制得原铁水，待铁水熔清后除渣，在出铁水前15min加入预处理剂碳化硅，保证原铁水保持较高的碳量和较低的硅量，以使铁水具有良好的流动性，然后加入金属添加剂调整铁水成分，使得原铁水中各化学成分的重量百分比为：C 3.3％、Si 1.6％、Mn 0.6％、P 0.08％、S 0.01％、Cr0.3％、Cu 0.3％、Ti 0.15％、Ni 0.1％、Mo 0.05％、Sn 0.07％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；
3、铁水孕育处理
将熔制的原铁水倒入浇包中，其中铁水倒入浇包的出铁温度为1520～1530℃，向浇包中加入75硅铁孕育剂，根据三角试样白口宽度确定加入量，一般为原铁水含量的0.3％，白口宽取上限，白口小取下限，进行第一次孕育，出铁后扒渣除渣；
4、浇铸
将铁水包运至浇注车中浇注制动鼓，在浇注过程中，随流加入硅钡钙随流孕育剂，进行第二次孕育，硅钡钙随流孕育剂的添加量为原铁水含量的0.15％；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1460～1480℃。
本实施例制得的制动鼓的抗拉强度为240Mpa，硬度为220HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度4级，珠光体≥98％。
实施例2
本实施例的原料处理和制备方法同实施例1，不同之处在于，原料配比为：铁屑65％、废钢料15％、回炉料15％、机杂铁5％；原铁水中各化学成分的重量百分比为：C3.4％、Si 1.7％、Mn 0.7％、P 0.083％、S 0.02％、Cr 0.2％、Cu 0.4％、Ti 0.1％、Ni0.05％、Mo 0.1％、Sn 0.06％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；75硅铁孕育剂的添加量为0.2％，硅钡钙随流孕育剂的添加量为0.2％；铁水倒入浇包的出铁温度为1525～1535℃，铁水浇入铸型的浇铸温度为1450～1470℃。本实施例制得的制动鼓的抗拉强度为254Mpa，硬度为200HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度4级，珠光体≥98％。
实施例3
本实施例的原料处理和制备方法同实施例1，不同之处在于，原料配比为：铁屑70％、废钢料9％、回炉料20％、机杂铁1％；原铁水中各化学成分的重量百分比为：C 3.5％、Si 1.8％、Mn 0.8％、P 0.085％、S 0.03％、Cr 0.4％、Cu 0.25％、Ti 0.05％、Ni 0.08％、Mo 0.07％、Sn 0.08％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；75硅铁孕育剂的添加量为0.5％，硅钡钙随流孕育剂的添加量为0.25％；铁水倒入浇包的出铁温度为1530～1540℃，铁水浇入铸型的浇铸温度为1435～1450℃。本实施例制得的制动鼓的抗拉强度为267Mpa，硬度为195HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度5级，珠光体≥98％。
实施例4
本实施例的原料处理和制备方法同实施例1，不同之处在于，原料配比为：铁屑75％、废钢料5％、回炉料15％、机杂铁5％；原铁水中各化学成分的重量百分比为：C 3.6％、Si 1.9％、Mn 0.9％、P 0.088％、S 0.04％、Cr 0.3％、Cu 0.5％、Ti 0.1％、Ni 0.06％、Mo0.09％、Sn 0.04％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；75硅铁孕育剂的添加量为0.3％，硅钡钙随流孕育剂的添加量为0.2％；铁水倒入浇包的出铁温度为1530～1540℃，铁水浇入铸型的浇铸温度为1420～1440℃。本实施例制得的制动鼓的抗拉强度为280Mpa，硬度为190HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度6级，珠光体≥98％。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。
Claims (1)
1.一种利用废旧汽车零部件、铁屑生产高强度低合金制动鼓的方法，其特征在于：所述制动鼓为采用废钢料、铁屑、机杂铁和回炉料为原料，辅以硅铁、锰铁、铬铁、增碳剂、金属添加剂熔炼制得原铁水，再经过孕育处理制得的高强度低合金制动鼓；其中，所述原铁水中含有的化学成分按质量百分比计为：C 3.6％、Si 1.9％、Mn 0.9％、P 0.088％、S 0.04％、Cr0.3％、Cu 0.5％、Ti 0.1％、Ni 0.06％、Mo 0.09％、Sn 0.04％，余量为Fe及其它不可避免的杂质，所述制动鼓的抗拉强度为280MPa，硬度为190HB，其金相组织为：A型石墨95％以上，石墨长度6级，珠光体≥98％，所述方法包括以下步骤：熔制原铁水、铁水孕育处理、浇铸；所述熔制原铁水步骤中，依次将废钢料、机杂铁、铁屑、回炉料经过前处理后加入中频感应炉中，将增碳剂加入炉底，再加入硅铁、锰铁、铬铁，对炉料进行熔炼制得原铁水，待铁水熔清后除渣，在出铁水前加入预处理剂碳化硅，然后加入金属添加剂调整铁水成分，使得原铁水中各化学成分的重量百分比为：C 3.6％、Si 1.9％、Mn 0.9％、P 0.088％、S 0.04％、Cr0.3％、Cu 0.5％、Ti 0.1％、Ni 0.06％、Mo 0.09％、Sn 0.04％，余量为Fe及其它不可避免的杂质；所述铁水孕育处理步骤中，将熔制的原铁水倒入浇包中，向浇包中加入75硅铁孕育剂，进行第一次孕育，出铁后扒渣；其中铁水倒入浇包的出铁温度为1530～1540℃，所述75硅铁孕育剂占原铁水含量0.3％；所述浇铸步骤中，将铁水包运至浇注车中浇注制动鼓，在浇注过程中，随流加入硅钡钙随流孕育剂，进行第二次孕育，所述硅钡钙随流孕育剂占原铁水含量0.2％；其中，铁水浇入铸型的浇铸温度为1420～1440℃，所述原料的配比按重量百分比计为：铁屑75％、废钢料5％、回炉料15％、机杂铁5％。
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