采用Fe_%283%29O_%284%29改善制动盘铸件氮气孔问题.pdf

圆园23/4现代铸铁收稿日期：2023-02-28修订日期：2023-07-20作者简介：李瀚滨（1988.9），男，黑龙江伊春人，毕业于黑龙江大学剑桥学院汽车设计与制造专业，主要从事铸造熔炼及工艺设计的研究工作。采用 Fe3O4改善制动盘铸件氮气孔问题李瀚滨，王宪康（山东隆基机械股份有限公司，山东烟台265700）摘要：介绍了实心制动盘铸件的结构及技术要求，针对该铸件在下箱靠近砂芯位置出现的孔洞缺陷，采用扫描电镜和能谱分析仪进行分析，认为该孔洞为氮气孔。通过在砂芯中加入适量的Fe3O4来吸附N和H原子，同时在保证砂芯强度的条件下降低树脂加入量，有效避免了氮气孔的产生。最后指出：（1）采用胺法冷芯盒制作砂芯时，树脂加入量大是产生氮气孔的主要原因；（2）Fe3O4的加入量为0.9%，树脂加入量为0.6%，对改善制动盘的氮气孔问题效果明显。关键词：制动盘；Fe3O4；氮气孔中图分类号：TG250文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园23）园4原园园39原04Using Fe3O4to Prevent Nitrogen Pores of Brake Disc CastingLI Han-bin，WANG Xian-kang（Shandong Longji Machinery Co.,Ltd.，Yantai265700，China）Abstract：The structure and technical requirements of the solid brake disc casting were introduced.The pores defect in thelower mold near to the sand core was analyzed by using SEM and energy spectrum analyzer and the holes was considered asnitrogen pores.By adding an appropriate amount of Fe3O4to the sand core to adsorb N and H atoms，and reducing the amountof resin under the condition of ensuring the sand core strength，the nitrogen pores had been effectively prevented.Finally，pointed out：（1）When making the sand core by using the amine cold core box process，too higher resin adding amount was themain reason causing nitrogen pores.（2）Adding 0.9%of Fe3O4and 0.6%resin had obvious effect to eliminate nitrogen pores ofthe brake disc.Key words：brake disc；Fe3O4；nitrogen pores笔者公司生产的实心制动盘铸件外圆尺寸直径为 310 mm，质量为 8.8 kg，主要壁厚为 16.8mm，最大壁厚为 17.5 mm，最小壁厚为 9 mm，制动盘不允许有砂眼、缩松、气孔等缺陷。1原生产工艺及存在的问题1.1 原生产工艺采用新东线水平造型，砂型为湿型砂，一型两件，上下叠箱共 4 件。采用半开放式浇注系统，浇道比为 撞F直:撞F横:撞F内=1.25:1.44:1，冒口直径为 70 mm，高度为 100 mm，铸造工艺如图 1 所示。使用粒度为 50/140 目、集中率为 93.97%、AFS 为58 的原砂，冷芯盒树脂（组分玉为酚醛树脂，组分域为聚乙氰酸脂），固化剂为液态三乙胺，浇注温度为 1 4201 440 益，每型浇注时间 1112 s。1.2存在的问题制动盘刹面内部存在“孔洞”缺陷（如图 2 所示），主要出现在下箱靠近砂芯位置（如图 1 所示），废品率为20%30%。2原因分析及改善措施2.1原因分析将缺陷取样，在扫描电镜下进行形貌检测和能谱分析，结果如图 3、图 4 和表 1 所示。缺陷孔壁覆盖一层光亮碳膜且有枝晶生长，孔洞周围石问题与对策Problems and Countermeasures39现代铸铁圆园23/4墨比较短小，孔内存在石墨，且往往周围有石墨损耗1。能谱显示缺陷位置没有氧化物，存在大量C 和 Fe，因此判定制动盘形成弥散性的孔洞缺陷为氮气孔。根据分析，结合现场工艺，浇注后砂芯完全被铁液包裹，而砂芯经过铁液高温烘烤产生大量气体，随着铁液温度的降低而不断析出，形成气泡。制动盘中的氮主要来源于树脂砂芯材料，氮能溶解于铁液中，进入铸型后，氮的溶解度会随着温度升高而不断吸入，也会随着凝固温度的降低而不断析出，在该层中形成气泡核，再长大形成气泡2。由于处于铸件的凝固期间，气泡再排出的可能性变小，所以形成了气孔。2.2改善措施采用胺法冷芯盒砂芯生产的制动盘，由于使用的树脂成分中含有氮元素，浇注时产生大量气体，在铁液中以 N、H 原子形态存在，形成气孔。图1铸造工艺简图Fig.1Sketch of casting method缺陷位置胺法冷芯盒砂芯横浇道 2（圆园垣圆缘）伊圆缘/圆冒口窝苑园伊苑园内浇道 2 猿缘伊猿上箱下箱搭接 25伊猿0横浇道 1（圆园垣圆缘）伊圆缘/圆直浇道冒口 70伊100内浇道 1（35+40）伊8309.8（a）整体缺陷（b）缺陷局部放大图2射线探伤缺陷Fig.2Defects discovered by ray detectionArea:213.85 mm2Area:2 486.33 mm2图3扫描电镜照片Fig.3SEM photos200 滋m问题与对策Problems and Countermeasures40圆园23/4现代铸铁表2粒度对比Tab.2Grain size comparison表1化学成分分析Tab.1Chemical composition analysis加入 Fe3O4或 Fe2O3，高温下可以与 H 发生反应，消耗 H2，产生的 CO 在溢出铁液时吸附 N 和 H原子1-2，因此，Fe3O4或 Fe2O3具有较好地消除氮气孔的作用。故需要在砂芯中加入 Fe3O4或 Fe2O3，并且在保证砂芯强度的条件下降低树脂加入量，从而减少氮气孔的产生。对 Fe3O4或 Fe2O3以及芯砂进行粒度检测，检测结果如表 2 所示，Fe3O4的粒度要比 Fe2O3的粒度大，对比分析得出 Fe3O4在与原砂混合后粒度更加均匀，表面积小，只需要较少的树脂就能覆盖其表面，使砂芯强度提高；而 Fe2O3粒度较小，呈粉状，与原砂混合后粒度相差较大，表面积较大，所以制芯需要加入更多的树脂，才能保持一定的强度，但加入树脂量增多会产生更多氮气。并且 Fe3O4或 Fe2O3在同等温度、湿度情况下，Fe2O3吸水量比 Fe3O4高，会使砂芯水分增加，对比结果如表 3 所示。3试制结果3.1第 1 次试制对比结果原砂质量为 50 kg，冷芯盒树脂加入量为0.78%（组分玉为酚醛树脂，组分域为聚乙氰酸脂，比例为 1:1），Fe3O4的加入量为 0.66%，检测砂芯的即时抗拉强度为 1.39 MPa，浇注温度为1 426 益，浇注时间为 1112 s。试制 104 件制动盘铸件，其中 8 件铸件出现氮气孔，废品率为7.7%。取废品样品进行射线探伤，检测结果如图5 所示，此结果虽然比未添加 Fe3O4的砂芯生产的铸件有明显改善，但制动盘中仍有氮气孔缺陷。原砂质量为 50 kg，冷芯盒树脂加入量为0.78%（组分玉为酚醛树脂，组分域为聚乙氰酸脂，比例为 1:1），Fe2O3的加入量为 0.66%，检测砂芯的即时抗拉强度为 0.91 MPa，浇注温度为 1 422益，浇注时间为 1112 s。试制 88 件制动盘铸件，其中 9 件铸件出现氮气孔，废品率为 10.2%。取废品样品进行射线探伤，检测结果如图 6 所示，此结果虽然比未添加 Fe3O4的砂芯生产的铸件有明显改善，但制动盘中仍有氮气孔缺陷。3.2第 2 次试制对比结果原砂质量为 50 kg，冷芯盒树脂为 0.6%（组分玉为酚醛树脂，组分域为聚乙氰酸脂，比例为1:1），Fe3O4的加入量为 0.9%，检测砂芯即时抗拉图4能谱分析Fig.4Energy spectrum analysis谱图 8FeFeFeMnMnSSi0246810121416180102030CkeV元素CSFeMnSi线类型K 线系K 线系K 线系K 线系K 线系质量百分比/%72.260.3126.710.600.12原子百分比/%92.280.157.340.170.07Fe3O4Fe2O3原砂40 目0.8003.8850 目9.620.3023.9370 目15.200.5139.38100 目22.330.8922.97140 目36.4517.107.69200 目12.0046.901.42底盘3.6034.300.738815258粒度占比/%AFS材料类别项目烘烤前质量/g烘烤后质量/g水分占比/%Fe3O45049.970.06Fe2O35048.083.84表3Fe2O3和Fe3O4的吸水量对比Tab.3Water absorption amount comparison ofFe2O3and Fe3O4问题与对策Problems and Countermeasures41现代铸铁圆园23/4强度为 1.58 MPa，浇注温度 1 420 益，浇注时间1112 s。试制 200 件铸件，未出现氮气孔废品，射线探伤检查结果如图 7 所示。原砂质量为 50 kg，冷芯盒树脂为 0.6%（组分玉为酚醛树脂，组分域为聚乙氰酸脂，比例为1:1），Fe2O3的加入量为 0.9%，检测砂芯的即时抗拉强度为 0.93 MPa，浇注温度 1 424 益，浇注时间 1112 s。试制 90 件铸件，其中 4 件铸件有氮气孔，废品率 4.4%。取废品样品进行射线探伤，检测结果如图 8 所示，此结果比添加 0.66%Fe2O3的砂芯有一定的改善，但仍存在氮气孔。通过对比上述两次试验参数及废品率情况，可见，在砂芯中添加 0.9%的 Fe3O4对制动盘氮气孔的改善效果更明显。4结论（1）胺法冷芯盒砂芯时树脂加入量大是产生氮气孔的主要原因。（2）砂芯中加入一定量的 Fe3O4，可减少树脂的加入量，从而降低制动盘铸件氮气孔废品率。（3）Fe3O4的加入量为 0.9%，树脂加入量为0.6%，对改善制动盘的氮气孔问题效果明显。参考文献1曾辉，李华英，李薇.氧化铁在铸造生产中的应用J.热加工工艺，1998（5）：51-52.2赵书城.氧化铁粉在铸造生产上的应用兼叙缸体铸件漏水率的降低J.中国铸造装备与技术，2002（2）：32-34.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）图5加入0.66%Fe3O4的铸件缺陷情况Fig.5Casting defect when adding 0.66%Fe3O4Area：87.91 mm2图6加入0.66%的Fe2O3铸件的缺陷情况Fig.6Casting defect when adding 0.66%Fe2O3图7加入0.8%的Fe3O4铸件的缺陷情况Fig.7Casting defect when adding 0.8%Fe3O4图8加入0.8%的Fe2O3铸件的缺陷情况Fig.8Casting defect when adding 0.8%Fe2O3Area：94.67 mm2Area：71.00 mm2Area：79.24 mm2Area：65.93 mm2问题与对策Problems and Countermeasures42