如何提高制动鼓性能和强度，还不增加成本！

如何提高制动鼓性能和强度，还不增加成本！

    制动鼓是保安件，它涉及到人的生命财产安全，同时它又是易损易耗件。市场需求量特别大。目前国内的年产量大约在千万只以上。因产品结构相对简单，机器造型、手工造型都容易上马，几乎全国各地都有铸造厂在生产制动鼓。我去过的几家大型企业，机械化流水线生产制动鼓，年产量都在一百万只左右。我也去过一些小企业年产量几万只。也有像河北隆尧县某镇的一个工业园区，就密集着一百来家铸造厂，都在生产汽车制动鼓；其整个区的制动鼓产量也应在百万只以上。只不过大型企业生产的制动鼓，一般都是供给国内的车桥厂或是出口国外，而小型企业生产的制动鼓大部分供给零件及售后配件市场。其产品质量和信誉度难以被正规车桥厂所接受，根据我看到和了解到的这些企业，由于产品结构不同，供货对象不同，因而生产工艺各异，但从总体来讲，质量问题还是有很多，达不到车用制动鼓的质量要求，因此我想有必要和大家在一起对制动鼓的生产工艺进行讨论和研究，互相交流经验，下面就根据我的经历和了解的情况，借这次机会和大家交换意见，不对的地方请大家指正。

一、载重汽车制动鼓的质量要求

  由于灰铸铁具有良好的导热性、减震性、耐磨性以及优良的铸造性能和低的制造成本，因此机动车辆的制动鼓几乎都采用灰铸铁件，其牌号为HT200和HT250。

 我国只有一个灰铸铁件标准那就是JB/T9439-2010，并没有专用的汽车制动鼓用灰铸铁件标准。在机标内也没有特殊灰铸铁的说明。全世界只有美国材料试验学会ASTMA159-83(1993年重审)专门制订有汽车专用灰铸铁件标准。对制动鼓依其载重量列有3个铸铁牌号。同时美国汽车工程师学会SAEJ431的动力机械灰铸铁标准内对制动鼓的质量要求，基本上和ASTMA159-83一致。目前我国和国外大都参照美国制动鼓标准。在图纸上或验收标准上给出了自己的厂标，一个标准的高低，反映了其工艺水平和质量水平，高水平的标准才能生产出高质量的产品。

 下面简要的将上述美国标准和国外的一些好的公司对制动鼓的质量要求 ，介绍如下供大家参考

1. 机械性能

2. 化学成分

注：1、总C是强制性的要求，必须保证

2、其他元素如Cr、Cu、Sn主要用来保证机械性能和硬度。

3、G2500a用在中型载重卡车上，G3500b用于重型载重车，G3500c用于超重型载重车。

3、金相组织

4、其他要求

国外厂商和国内的主机厂，在提供的制动鼓技术条件内，除了要求验收机械性能硬度和金相外，往往还提出了致密性要求。他们将制动鼓分成高致密区和一般致密区如下图

如铸件内部存在缩孔、缩松、气孔、夹砂或其他铸造缺陷，都属于不致密。这些缺陷可以通过X光透视或解剖的方法来检查。如果其缺陷低于下表规定，则可以验收。而超出其规定则应判为废品。当然如果在机加工时缺陷已暴露则一般不能验收.

ASTME446-98 制动鼓内部质量进行X检测的缺陷等级

高级致密区 接收等级为A3 ,B3,C2

一般致密区 接收等级为A3，B4，C3

注：A表示气孔，A3表示气孔的接收等级为3级

B表示夹砂、夹杂 B4表示夹砂夹杂的接收等级为4级

C表示缩松 C3表示缩松的接收等级为3级

二、制动鼓的失效模式和原因

   制动鼓在使用过程中的失效、主要是开裂和磨损，但从客户的抱怨和索赔反映出来的数据统计来看，主要是前者。就是说大部分的失效制动鼓，都是在磨损正常、甚至是轻微磨损的情况下、即产生了开裂而不能继续使用。下面是某厂2014年反馈回来的废品。从图上可以清晰的看到，在制动鼓是产生了一至几条的纵向裂纹。而横向裂纹大多出现在法兰盘圆角处，俗称掉顶。

从对失效件进行失效分析后得出，失效原因主要有三点：

1、 铸件本体机械性能低于正常要求

2、 铸件内部存在铸造缺陷，尤其是法兰盘圆角处存在缩松

3、 汽车过载严重，刹车频繁并在刹车过程中喷水冷却，而这类失效件检查其机械性能和金相都符合产品要求。

前面两条失效原因，应该由我们这些生产制动鼓的铸造厂来加以改进。稳定和提升制动鼓的质量。我在下面将比较详细的来和大家探讨。而第三条失效原因，我们是无能为力的，主要还得靠国家对超载车辆违规使用的治理。从索赔情况来看很大一部分是属于这种违规使用而造成的。但一般把责任都推给了铸造厂家。从我知道的情况，好几家生产制动鼓的企业，索赔比例达到了3%左右。每年都有好几百万的赔偿金额，其实这种责任是应当有用车方来承担的。我国出口国外的制动鼓，一般都反映良好。几乎从没有赔偿甚至抱怨的情况。客车和平原地区运输的汽车制动鼓也反映良好。只有个别山区、矿区、个别产品使用寿命低，这些都说明是国内严重的超载、频繁的紧急刹车，并在制动过程中喷水冷却制动鼓而造成的。在这种情况下，所有的动能全部转化成了制动鼓的热负荷，经测量最高可达800℃-850℃.这从失效开裂处的宏观和金相检验也能发现。该类铸件宏观上为白亮区。金相上为石墨+马氏体+贝氏体。这些都是由高温转变后的奥氏体淬火产生的，因此制动鼓在抗弯应力、热应力、抗机械制动力作用下，而非常规的开裂失效。

一、 制动鼓生产工艺

制动鼓的生产工艺主要集中在两个方面，一是怎样保证它的机械性能，金相组织符合产品要求。而是如何减少它的铸造缺陷。尤其是关键部位的内部缺陷，在减少铸造缺陷这方面，我今天重点介绍一下如何减少它的收缩缺陷，因它是主要的废品类型也是失效的主要原因之一。

 第一个方面主要是要更好的提供铁液的冶金质量。第二个方面重点是要找出适合生产厂家的工艺手段。

 目前国内生产载重汽车制动鼓的材质均为HT250，所以下面我重点谈几点制动鼓生产所用HT250的熔炼和工艺方面需要注意的几个问题。

 本来如果我们只需要达到HT250的机械性能要金相组织要求，不会有什么困难。但制动鼓所用HT250，它是要在高的含碳量下，来保证机械性能和硬度和金相组织，对一些小型甚至某些大型生产企业来说都有一些难处。他们提出如果要保证产品的含碳量大于3.40%，不加入Cr、Cu、Sn等合金元素，性能就难以保证。但他们的现实情况是为了节约成本，一般只加Cr和Sn来保证珠光体和抗拉强度。但加入量少的话，强度硬度达不到，加入多量大的话金相中又出现了过量的渗碳体。而处在了两难地步。最后衡量利弊，他们大多采取用降低含碳量的办法来满足机械性能硬度等要求。当然到目前为止，虽然ASTM标准对C含量做了严格的规定，中国的厂没有执行，就连一些国外的客户，他们也不是一概的要求含碳量一定都要大于3.4%或更高。例如我知道的几家客户，他们对制动鼓的化学成分要求如下

但提高总含碳量是有科学依据的也是大势所趋，因为只有高的含碳量才能保证有多的石墨量，才能有更好的导热性能和抗热疲劳性能。美国做出的这种强制性的规定也一定有它的科学依据。对于我们来讲，也应当具备在高含碳量的前提下，生产出合格机械性能、硬度和金相组织的能力。

 通过这些年来国内在高含碳量下生产高强度铸铁的实践，应当说已经积累了不少成功的经验，并在技术上取得了共认。这为我们生产制动鼓打下了良好的基础，实际情况也是如此。很多大型企业生产的制动鼓其质量已能稳定的达到客户要求。这些技术，概况起来就是走合成铸铁的道路。采用的工艺手段就高比例的废钢加入量，采用增碳剂进行增碳，铁液里增硫、良好的孕育和足够高温的铁液。最近又提出铁液预处理，有关这方面的知识，已经讲过很多，文章也登过不少，我不再重复。我只想结合制动鼓这一特定铸件，提出我的几点意见，供大家参考

1、 关于孕育问题

对制动鼓铁液进行孕育，其目的和生产其他高牌号铸铁件一样，应当主要是保证不出现渗碳体或使铁素体和碳化物的总量不超过5%，确保良好的石墨形状（一般规定A型石墨应大于80%。B、D、E石墨不大于20%）以确保良好的机械性能，同时为改善机加工性能，在灰铸铁的生产实践中，其孕育量一般在0.2%-0.6%之间。我在这点要提醒大家的是，请大家要注意孕育量、要去控制孕育量。因在多数现场铸造技术人员和工人的心目中，大多在关注怎么能提高孕育效果、怎样增加石墨核心、怎样使用高效的孕育剂。生产灰铸铁也和生产球铁件一样，采用多次孕育，尽量多的用孕育剂，而忽略了孕育对灰铸铁收缩性能的影响。而忘记了制动鼓的废品中，缩孔缩松占了很大的比例，也没有把缩松废品和制动鼓的非正常失效联系到一起。

我们都知道，各厂生产的制动鼓中除了报废的以外，很多入库的合格铸件是带有缩孔和缩松缺陷的，并且生产厂家的技术人员大多把解决缩松的措施只止于降低浇注温度、改善浇注系统的设计上。我在这里只是告诉大家。应当对制动鼓的孕育工序多加注意和控制。

现在很多人已认识到孕育能促使缩松，在碳当量3.9-4.3%范围内，经孕育处理的铸件尺寸总是比不孕育的要大，不孕育的铸件没有缩松，而孕育的铸件产生了缩松。因此在生产制动鼓时要控制孕育量不要过大，在保证不出现渗碳体，保证机加工性能情况下，尽量少加孕育剂，够用就可不要过量，重点要做好随流孕育工序，不要采取二次、三次，甚至四次孕育。

2、 关于铸型紧实度问题

铸铁件的内部缩孔、缩松和铸件的表面缩凹，在很大的程度是受到铸型的影响。铁液浇入铸型后，型腔的体积在铁液的静压力和热作用下会产生型壁的移动，从而引起铸型的体积变大，而使铸件尺寸超差、重量加重。型变的大小决定于砂型的紧实程度、造型材料和型砂的性能参数。国外有人做过这方面的研究，他们从铸型生产线上，抽取制动鼓，测量其尺寸和称其重量。结果发现各样本的重量有很大的波动，见下图，制动鼓的重量从162磅至173磅，最大差为11磅（1磅为453克）该试验生产制动鼓的造型线为震压式造型机。这种重量差表示铸型的质量发生了波动。撞砂松软的铸型产生了严重的涨砂。而紧实度好的铸型，涨砂就很轻微，铸件尺寸就准确，他们试验得出涨砂严重的制动鼓，其内部产生了缩松，而重量正常的制动鼓质量正常。因此他们就用这种简易的检查方法，在运往机加工之前，用称重法来判断制动鼓的内部缩松，并认为制动鼓的缩松是由于铸型的移动引起的。因此提高铸型的刚度，就成为避免制动鼓缩松的一个重要措施。

现在国内推广的使用铁型覆砂生产制动鼓因其特点没有缩松缺陷。山西某采取该工艺生产制动鼓的大型企业。已有三条半机械化的铁型覆砂线，日产制动鼓430多只，工艺出品率为90%，产品合格率稳定在98%，目前正在安装第四条铁型覆砂线。

 河南南阳某厂使用树脂砂生产北奔重型制动鼓采取顶注无冒口工艺，质量稳定，无缩松。

有的厂因直浇道与制动鼓间的距离太近，为40mm，此处的型砂很难撞实，因而常在这里产生缩孔缩松，将其距离改为60-80mm，缩松就轻很多。

有的小厂先整体撞砂，再用钢棒插出直浇道，使整个铸型紧实度均匀，且易于撞紧，反映铸件缩松不严重。

1、 关于S、Mn的问题

灰铸铁中的S、Mn含量对其性能的影响，虽然已经有了一些共识，但国外认为还研究的不够，而要组织人力进行深入的研究，美国刚开始生产合成铸铁是，也曾出现过一些质量问题，那就是全部采用废钢和返回料做炉料生产灰铸铁后，由于铁液内的S、P含量都很低而出现了孕育不良和铸件粘砂问题，后来认识到，由于S过低，结晶核心数不够，因而必须采取增S措施，将S含量增至0.05%以上。现在一般认为S控制在0.08-0.1%为好。S含量要偏上限，要使S的作用体现到最佳，以减少下道工序的孕育量。

 而对于Mn的控制，很多人认为Mn是一种稳定珠光体的元素，灰铸铁的牌号越高，Mn也要更进一步提高。ASTMA159-83内3个牌号的Mn含量均为0.6-0.9%。但国内一汽研究后指出，Mn高了不但增加不了强度，反而降低了强度。其原因就是Mn含量高中和了S的有效作用，使自由S减少，他们做的试验是当Mn为0.9%时石墨变的平顺，石墨变长，端部钝化效果变差。无独有偶韩国现代汽车公布的FC250D（D为制动鼓）新标准中，将Mn含量也从老版本的0.6-0.9%更改为了新标准的0.4-0.9%，因此我认为降低Mn含量这一措施是可取的。

2、 关于于Si的问题

目前国内生产HT250制动鼓时，大多把Si控制在1.7-1.8%范围内，这比前几年生产制动鼓时1.3-1.6%提高了许多，当时主要考虑制动鼓的总C量比常规的HT250要高很多，如Si再高会降低强度。以致在当时的Si含量下铸件常常因为渗碳体超标而报废。对Si的取值我们要辩证的来看，如果没有加入Cr、Cu、Sn等强珠光体形成元素，在高C的情况下，再提高Si含量，肯定会使铁素体铸件而降低强度。但现在，为了确保制动鼓的珠光体量在95%以上，已经加入了Cr、Cu、Sn等元素（为节约成本，在客户允许的情况下，大多已不再加入Cu，而只加Cr、Sn）适当的提高Si含量就不会增加铁素体，而由于Si对珠光体的强化作用，机械性能不但不会降低，而又可能提高，一汽的对比试验证明了这点。他们在同样含碳量的情况下进行高Si和低Si试验。结果表明高Si的机械性能更好。他们指出生产高强度HT250时，可将Si提高为2.10-2.40%，这一要求比美国ASTMA159-83的要高一些，但和土耳其和德国的要求是一致的，他们规定的Si含量分布为2.00-2.40%和1.50-2.50%。因此建议大家在稳定现有工艺的基础上，试验提高Si含量的可能性。我提出调整Si的理由，主要还想借Si含量来改善铸件的收缩性。

3、 关于增碳剂的选用问题

目前各厂在生产制动鼓时，大都采用合成铸铁工艺。但在选用究竟是石墨型增碳剂还是石油焦增碳剂时，认识上并不一致。从个杂志上发布的文章来看，好像是一边倒的推荐使用石墨型增碳剂做为增C材料，因它容易吸收，更有利于形核，S、N等元素含量低，不致产生氮气孔等。虽然也承认N对改善灰铸铁的石墨形态，促进珠光体从而提高机械性能，但总是投鼠忌器，担心使用了会产生氮气孔，但从我服务的河南驻马店及山西侯马两个专业大量生产制动鼓的企业两年来使用低温煅烧石油焦的情况来看，质量稳定，只要加以注意不至于产生氮气孔。山西侯马那家企业，主要铁型覆砂生产制动鼓，因此氮的允许含量应当可到130PPM，而河南驻马店厂目前一般N含量维持在60-80PPM，属于正常的安全范围。在2013年5、6、7三个月内，曾经对制动鼓应当采用那种增碳剂问题，做过批量试验。2013年5月，采用的是石墨型增碳剂，含碳量在40PPM左右，157包所浇制动鼓（每包1.5T铁水），其本体抗拉强度平均为247MPa，有的低于客户要求的241 MPa标准，石墨形态见下图。而6月份改为石油焦增碳剂，N含量平均为60PPM，204包铸件的平均抗拉强度276 MPa。7月份当N含量达到100PPM是，60包铸件的平均抗拉强度达到了290.2 MPa。石墨细小而弯曲。

所以我认为在合成铸铁内，N的强化作用，大于废钢消除生铁遗传性作用。我也曾于2013年9月百铸网在安阳会议下写过一篇这方面的文章。希望大家合理的加以控制，用好石油焦增碳剂（包括选用质量好、信用优、含氮量不大于200 PPM的石油焦增碳剂）

6、关于铬铁的加入方法问题。

往铁液内加入铬铁的方法对制动鼓内渗碳体的生成有很大影响，应当引起大家的注意。经验指出当把铬铁块直接加到炉内铁液时，其不生成渗碳体的上限为0.25%。但如果在铁液出炉时，把事先轧碎的铬粒加到铁水流上，则铬含量可以提高到0.45%而不至于生成渗碳体。有的企业有时也知道或者是听说过这一加入方法就是不想花力气将铬铁破碎成铬粒。而当前一般厂的制动鼓抗拉强度容易达到要求，而硬度常常在合格的下限边缘。因此应合理的加入铬铁来调整硬度。

7、 减少制动鼓缩松的一些工艺措施

这里所讲的工艺措施，主要是讲造型工艺。重点介绍我所看到的各厂的造型方法，并且只涉及到怎样防止缩松这一话题。因篇幅和时间有限，有关制动鼓生产中出现的其他质量问题都不涉及。有兴趣交流的朋友，我们可以找机会另行交流，下面我用实例来说明。

无冒口工艺

实例一:分散内浇口

当制动鼓壁厚比较均匀时采用法兰盘在上，加强带在下，内浇口开在加强带上，整个铸件基本上位于上箱，无冒口。大多数铸造厂包括国外都采取这一工艺。工艺上的的要点是：要采用多个内浇口进液快。多内浇口比单内浇口要好。薄的内浇口要比厚的内浇口好。因在比较大的圆周上，开多个内浇口并且切线进入型腔，铁液在铸型内温度比较均匀，无显著的流动热节。X光透视结果，法兰盘处无缩松，加强带上有显微缩松。可通过质量检查，但只开一个宽而薄的内角口时（3×100mm）在加强带内有较大的缩松。当做动平衡孔时即可看到，当时也想缩短横浇道的长度，将4个内浇口改为2个内浇口，但缩松比较严重。另外当内浇口厚度超过6mm时，在内浇口处容易产生缩孔缩松。因此工艺特点应采取多个薄的内浇道切线分布在半个制动鼓的圆周上。

实例二：直浇道做冒口工艺

广东梅州某厂，铸件为出口德国制动鼓。材质是HT250，要求强度大于280MPa

硬度190-220HB，轮廓尺寸直径484mm高度235mm，壁厚16mm

实例三、旋转式内浇口（浙江某厂）

浙江某厂解决缩松工艺改进，该制动鼓质量60-65千克，轮廓尺寸直径476mm，壁厚30-40mm。原产品合格率30-40%，主要缺陷缩松、渣眼、气孔

实例4 树脂砂工艺生产制动鼓，提高紧实度

河南南阳某厂生产北奔重型卡车制动鼓，采用顶注工艺，4个内浇口

实例5采用吊芯工艺，法兰盘在下箱。一般不放冒口，如果有缺陷可以增加一个暗冒口，该工艺可以保障重要面放在底部，另外可以利用高度压力差来进行补缩。

有冒口工艺

实例一、常规工艺方法，分散内浇口加一个冒口

实例二、顶部放冒口工艺，分为普通冒口以及发热冒口

自动化铁型覆砂制动鼓生产线