制动盘黑斑缺陷的成因分析与防止措施.pdf

现代铸铁 圆园24/2图 5电机座铸件实物Fig.5Casting of electric motor base参考文献1刘晨辉，班云峰，文红艳，等.高 CE 高强度合成灰铸铁的组织与性能研究J.现代铸铁，2020（3）：22-26，35.2时俊杰，董彦刚，崔景旭.灰铸铁飞轮铸件的工艺设计及开发J.现代铸铁，2023（1）：11-14.3贺关水，王光见，曹刚，等.开箱时间对灰铸铁制动盘铸态组织的影响J.现代铸铁，2023（1）：18-22.4何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.5刘宇，李连杰，张宝权.防止高强度灰铸铁气缸盖缩松缺陷的工艺研究（1）J.现代铸铁，2023（3）：20-25.6赵占良.改善机床灰铸铁铸件性能的措施J.现代铸铁，2012（5）：50-53.7征灯科，朱洪波，周文彬，等.含 Nb 灰铸铁轿车制动盘的特点及应用实例J.现代铸铁，2011（2）：60-63.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）制动盘黑斑缺陷的成因分析与防止措施林忠军，王文胜，王聪，王海杰（烟台胜地汽车零部件制造有限公司，山东烟台264006）摘要：介绍了实心制动盘和通风制动盘铸件的结构，铸件在加工后发现在制动面根部出现黑斑缺陷，其外观形貌和出现部位类似，仅通过宏观形貌很难区分。利用 EVO18 钨丝灯扫描电镜、OXFORD 电制冷能谱、ZEISS 金相显微镜对缺陷的微观形貌进行检验对比，发现两种缺陷存在明显差别，结合形成机理，认为两种缺陷分别为缩松和石墨粗大。最后通过增加冒口颈模数，增大冒口补缩通道，解决了实心制动盘的缩松问题；通过在安装面根部以及摩擦面与安装面之间铸出凹槽，减少局部热节，解决了石墨粗大问题。关键词：灰铸铁；制动盘；缩松；石墨粗大中图分类号：TG251文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园30原05Black Spot Formation Reason and Prevention Measures of Brake DiscLIN Zhong-jun，WANG Wen-sheng，WANG Cong，WANG Hai-jie（Yantai Winhere Auto-parts Manufacturing Co.,Ltd.，Yantai264006，China）Abstract：The casting structures of the solid and ventilated brake discs were introduced.Black spots defect was found at rootplace of the braking surface after casting being machined，its outer morphology was similar to the occurring location，its veryhard to distinguish only according the macroscopic appearance.The micro morphology of the defects were compared by usingEVO18 tungsten wire lamp SEM，OXFORD and ZEISS metallographic scopes，it was found there were obviously differencebetween two sorts defects.Combining with formation mechanism，it was considered that two sorts defects were shrinkageporosities and large graphite respectively.Finally，by increasing modulus of riser neck to enlarge feeding channel of the riser，the shrinkage porosities problem was solved，by cast-making concave grooves at root location of mounting surface and frictionsurface to reduce local hot spots，the large graphite problem was solved.Key words：gray iron；brake disc；shrinkage porosities；large graphite问题与对策Problems and Countermeasures30圆园24/2现代铸铁（a）实心制动盘（b）通风制动盘图 2黑斑缺陷位置Fig.2Location of black spot defects（a）实心制动盘（b）通风制动盘图 1制动盘铸件结构示意图Fig.1Structure sketch of the brake disc casting收稿日期：2023-11-17修订日期：2024-03-19作者简介：林忠军（1974），男，山东烟台人，毕业于山东工程学院机械制造专业，主要从事铸铁材料的金相与扫描电镜分析工作。笔者公司生产的两种制动盘均属于中小铸件，实心制动盘铸件质量 9.8 kg，通风制动盘铸件质量 10.5 kg，制动摩擦面是主要壁厚，也是最大壁厚，两种制动盘铸件的主要尺寸如表 1 所示，铸件结构示意图如图 1 所示。1生产情况制动盘的材料牌号为 HT250，炉料配比为 30%废钢+60%回炉料+10%生铁，化学成分为：w（C）3.1%3.6%，w（Si）1.7%2.3%，w（Mn）0.6%0.9%，w（S）约0.15%，w（P）约0.15%，采用 75SiFe 孕育剂，包内加入 0.4%的孕育剂进行一次孕育，浇注加入0.05%的孕育剂进行随流孕育，浇注温度 1 3601 460 益。加工过程中发现在两种制动盘的厚壁制动面与安装面交界处有黑斑缺陷，缺陷宏观形貌及产生部位类似，但分布范围不同，实心制动盘呈集中点状弥散分布，分布范围较小，如图 2（a）所示，通风制动盘斑点呈线状分布，分布范围较大，如图 2（b）所示。2缺陷分析2.1扫描电镜利用 EVO18 钨丝灯扫描电镜观察实心制动盘的缺陷形貌如图 3 所示，缺陷呈蜂窝状，试样缺陷截面可明显看出树枝状结晶组织金属表面呈撕裂状1，孔内呈现灰黑色，无明显的石墨粉存在。通风制动盘的缺陷扫描电镜形貌如图 4 所示，表面有基体剥落痕迹，露出大块石墨片体，表面存在剥落石墨，没有发现树枝晶。2.2能谱分析利用 OXFORD 电制冷能谱对实心制动盘缺陷进行能谱成分分析，结果如图 5 所示，缺陷区的微区成分和正常区域成分较接近。对通风制动盘的缺陷进行能谱成分分析，实心制动盘通风制动盘26929565431512151898铸件类别外圆直径/mm总高度/mm主要壁厚/mm最大壁厚/mm最小壁厚/mm表 1制动盘的主要尺寸Tab.1Main dimensions of brake discProblems and Countermeasures31现代铸铁 圆园24/2结果如图 6 所示，黑色缺陷部位 w（C）量高达92.38%，正常区域碳明显低于黑色区域，由此可知，黑色区域是碳富集区，并发现石墨剥落痕迹。2.3金相分析对缺陷区域的纵切面进行抛光，在 ZEISS 金相显微镜下观察实心制动盘黑点缺陷区域，发现有明显的枝晶孔洞，宽度约 0.5 mm，石墨长度 4级，如图 7（a）所示，枝晶状组织是一次奥氏体凝固组织，金相中黑色区域为孔洞位置。通风制动盘的石墨长度为 23 级，加工表面基体沿石墨剥落，破损深度约 0.2 mm，缺陷处于加工表面，剥落层沿粗大石墨分布如图 7（b）所示，说明铸件加工表面的凹坑是由粗大石墨导致基体剥落产生的。2.4共晶团分析使用金相显微镜分别对两种缺陷区域放大50 倍，依据 GB/T 72162009 灰铸铁金相检验标准判定共晶团数量，实心制动盘缺陷区域的共晶团数量约 260 个/cm2；通风制动盘缺陷区域的共晶团数量低于 130 个/cm2，如图 8 所示。2.5化学成分对缺陷部位进行化学成分分析，如表 2 所示。实心制动盘缺陷部位碳含量比同一个制动盘的正常部位偏低，而通风制动盘缺陷部位碳含量则偏高。2.6分析结果扫描电镜和金相检验均发现孔洞内有奥氏体枝晶，分析认为：在共晶凝固后期，树枝状奥氏体一次结晶后铸件热节部位得不到其他部位铁液补充，形成含有奥氏体枝晶的孔洞，所以实心制动盘的黑斑缺陷为缩松缺陷。缩松是宽凝固范围合金在最后凝固的区域凝固收缩，没有得到液态金属补缩形成分散和细小缩孔，是产生在铸件上最后凝固的热节附近2-8。缩松的微观形貌呈裂隙状孔洞，表面有枝晶状，缺陷部位碳含量偏低，孔洞内也没有发现粗大石墨剥落，分析认为是缩松部位共晶液体少、低碳奥氏体树枝晶比例偏高的缘故。对通风制动盘黑斑微观组织检验分析发现，（a）（b）图 3实心制动盘扫描电镜图Fig.3SEM graph of solid brake disc100 滋m100 滋m图 4通风制动盘扫描电镜图Fig.4SEM graph of ventilated brake disc（a）（b）200 滋m100 滋m问题与对策Problems and Countermeasures32圆园24/2现代铸铁250 滋m谱图 55谱图 56谱图 57FeFeC谱图55024681012141518 kev024FeFeFeC谱图56024681012141518kev024Fe13Si（a）检测位置（b）谱图 55（c）谱图 56图 6通风制动盘能谱分析Fig.6Energy spectrum analysis of ventilated brake disc缺陷仅存在于加工表面，铸件内部无孔洞，缺陷部位伴有粗大石墨，严重割裂金属基体组织，加工过程中导致局部基体剥落，形成凹坑，该部位碳含量明显偏高，促进了局部石墨粗大。通风制动盘的制动面与安装面交接部位存在较大的结构热节，铸件温差大，热节部位凝固时间长，碳偏析较重，碳含量偏高，促进石墨粗大。3防止措施及验证实心制动盘缩松的改进措施：按顺序凝固原则，冒口不变，增加冒口颈模数如图 9（a）所示，增大冒口补缩通道。试验生产 200 件，缩松比例由原来的 100%降到 0，后续批量生产，没有发现缩松。通风制动盘石墨粗大的改进措施：安装面根部铸出凹槽，减少局部热节，铸出摩擦面与安装面之间凹槽，如图 9（b）所示，使铸件壁厚均匀，温度差减少，碳偏析减轻，热节石墨粗大问题基本消除。4结束语通过外观很难区分铸件的缩松和石墨粗大缺陷，两种缺陷形成机理不同，采取措施也不完全相同，由于两种缺陷微观组织差别较大，借助金相或扫描电镜很容易区分开，为制定措施提供依据。缩松缺陷微观组织中存在枝晶和孔洞，石墨粗大缺陷内部没有孔洞，加工面基体沿粗大石墨剥落现象，剥落凹坑中可见石墨粉。缩松可以通过冒口或成分调整等措施进行补缩，石墨粗大问题可以通过减少热节体积，均匀铸件壁厚等措（a）检测位置（b）谱图 10（c）谱图 11图 5实心制动盘能谱分析Fig.5Energy spectrum analysis of solid brake disc500 滋m谱图 10谱图 11FeFeFeSiOC谱图10024681012141518kev01234FeFeSiCFe谱图11024681012141518 kev024Problems and Countermeasures33现代铸铁 圆园24/2施来解决。参考文献1蔡一法，郜洪富，孙志瑞，等.灰铁缸体缸壁缩松缺陷的防止措施J.现代铸铁，2014（4）：55-58.2王文胜，曹玉亭，贺关水.利用模拟软件解决刹车盘缩松缺陷J.现代铸铁，2017（3）：62-65.3杨丹丹，王光见，王文胜，等.灰铸铁件黑点缺陷原因分析及防止措施J.现代铸铁，2019（3）：30-31.4中国机械工程学会铸造分会.铸造手册 铸铁M.北京：北京机械工业出版社，2010.5时俊杰，董彦刚，崔景旭.灰铸铁飞轮铸件的工艺设计及开发J.现代铸铁，2023（1）：11-14.6贺关水，王光见，曹刚，等.开箱时间对灰铸铁制动盘铸态组织的影响J.现代铸铁，2023（1）：18-22.7何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.8刘宇，李连杰，张宝权.防止高强度灰铸铁气缸盖缩松缺陷的工艺研究（1）J.现代铸铁，2023（3）：20-25.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（a）实心制动盘（b）通风制动盘图 苑缺陷部位的金相组织100伊Fig.苑Metallurgical structure of defect locations100伊10园 滋m10园 滋m（a）实心制动盘（b）通风制动盘图 愿缺陷部位的共晶团员园园伊Fig.愿Eutectic cells of defect locations员园园伊圆0园 滋m圆0园 滋m表 圆制动盘化学成分Tab.圆Chemical compositions of brake disc类别实心制动盘正常部位实心制动盘黑斑部位通风制动盘正常部位通风制动盘黑斑部位C3.283.193.303.46Si2.072.072.022.00Mn0.630.640.600.59S0.0600.0610.0600.057P0.0290.0300.0200.021CE3.983.893.984.13wB/%wB/%（a）实心制动盘冒口径改进（b）通风制动盘结构改进图 怨制动盘改进前后的工艺结构Fig.怨Technological structures of brake disc beforeand after improvement问题与对策Problems and Countermeasures34