蠕墨铸铁制动盘批量生产的过程控制
编辑导语：介绍了批量生产蠕墨铸铁制动盘的熔炼工艺，通过控制出铁量和温度，使铸件力学性能满足使用要求，使铸件蠕化率稳定控制在70%~90%，珠光体含量35%~55%。并通过增加回炉料的使用量、改善筑炉砌包工艺、提升炉前快速判断能力等方式降低成本。
轨道车辆的制动系统已广泛采用制动盘方式。
蠕墨铸铁是一种新型工程材料。其强度、塑性、韧性高于灰铸铁，有类似灰铸铁的减振和导热能力;铸造性能优于球墨铸铁，具有优良的耐热疲劳性能和导热性能。作为一种有潜力的工程材料非常适合制动盘的工况条件。
随着铁路不断提速，在制动过程中，制动盘在短时间内会经历快速升温和强对流降温过程，即制动盘在制动过程中要承受强烈的热载荷和热应力，容易产生热裂纹、磨损等问题;因此，对蠕墨铸铁材料制动盘的耐摩擦磨损性能、高温力学性能、抗热疲劳性能、稳定的热强性等要求更高，这就要对工艺过程尤其是铁液熔炼质量进行精准严格的控制。
1 熔炼浇注生产控制
1.1 制动盘用合金蠕墨铸铁的熔炼过程控制
(1)原材料及化学成分
炉料根据化学成分选取生铁、废钢、回炉料，以及Si、Mn、Mo、Cu、Ni、蠕化剂等铁合金。
生铁选择Q10或Q15生铁，要求有害元素S≤0.03%、P≤0.05%，微量元素(Cr、Mo、Sn、Sb、Pb、Bi、Te、As、B、Al)总量≤1%，反球化元素Ti≤0.05%。
废钢要求干净、无严重锈蚀、无涂层。回炉料要求分类堆放，各类牌号不得混杂，使用前滚抛丸。
成分控制如表1所示。
表1 化学成分(质量分数，%)
合理的碳当量可增多蠕虫状石墨，减少缩孔缩松倾向，并增加抗拉强度、屈服强度和硬度，能有效的提高制动盘的铸造性能和加工性能。
合金元素Mn能细化珠光体，有效增加基体珠光体含量，以提高铸件的强度;Cu能提高强度、硬度和耐磨性，能减少铸铁的断面敏感性;Mo元素能提高制动盘的热强性，提高铸件的屈强比;Ni元素能提高铸件基体组织的均匀性;Mg和稀土元素是蠕化率的保证。
(2)熔炼
熔炼设备采用5 t中频炉，浇注包选用2 t包，将金属炉料和铁合金加入中频炉中熔炼，加功率升温，至炉料熔清，用除渣剂扒渣，取光谱样送检，铁液成分合格后，将铁液冲入蠕化包。二次出铁，需严格控制出铁量。出铁量是影响蠕化率的关键点，出铁量偏多，易出现片状石墨，成灰口铁;出铁量偏少，易出现大量石墨球，成球墨铸铁。
(3)蠕化孕育处理
采用用冲入法工艺，铁液包的包坑放入蠕化剂、孕育剂和覆盖剂，将铁液冲入包中进行蠕化和孕育处理。蠕化冲入法工艺如图1所示。
图1 蠕化包示意图
(4)浇注和保温
蠕化孕育处理后，将铁液进行搅拌和扒渣，翻包，当铁液温度达到浇注温度时进行浇铸，浇注过程控制在10 min以内浇完。浇注结束后，自然冷却至温度≤300 ℃，开箱落砂清理。
1.2 制动盘用合金蠕墨铸铁的蠕化率
蠕墨铸铁的石墨呈蠕虫状，其形态介于片状石墨和球状石墨之间，因而蠕化处理的工艺范围很窄。稳定批量生产蠕墨铸铁是一大控制难题，经对蠕铁生产反复试验，现已形成一套成熟可靠的熔炼工艺方案、操作规范和管控体系，以实现稳定批量生产优质中低合金蠕墨铸铁。
经长期工艺优化，目前铸件的蠕化率稳定控制在70%~90%，珠光体含量35%~55%。图2是现场生产铸件两组金相照片，第一组如图1所示蠕化率70%，珠光体50%+铁素体50%(无渗碳体);第二组如图2所示蠕化率80%，珠光体35%+铁素体65%(无渗碳体)铸态图。
一般规律是蠕化率越低、珠光体越高、强度和硬度越高，反之亦然。孕育处理不佳、锰含量过高，易出现渗碳体。镍含量过高，易出现索氏体。
(a)第一组
(b)第二组
图2 生产现场两组铸件金相组织
1.3 生产控制难点
(1)蠕化率控制。蠕化率必须稳定在70%以上，铸件本体和试块都同时达到。
(2)制动盘盘体不得有铸造缺陷。四面加工，不得有表面冷隔、夹渣和内部缩松缺陷，需每件进行超声波探伤和磁粉探伤。
(3)控制各元素之间比例，通过蠕化、孕育处理，保证化学成分、力学性能、金相组织符合要求。
(4)准确控制出铁量和温度。出铁量误差1500±5 kg，出铁温度范围1500±10 ℃。
2 工艺改进及验证
(1)增加回炉料使用
为降本增效，逐步增加回炉料用量，从20%上升到55%。球墨铸铁、灰铁、披缝等也可作为回炉料加入，在保证质量前提下，降低生铁、废钢和铁合金的使用量，有效降低熔炼成本。
(2)改善筑炉砌包工艺
采用自动顶出机构打炉，电动震动机构筑炉，采用适合的耐火材料和筑炉工艺，严格执行烘炉工艺，开炉前认真维修炉壁、炉底、出铁口关键部位，使炉龄平均达300炉次。
蜗轮翻转包原用耐火砖砌包，包龄为80包。现用耐火材料整体打结新工艺，包壁清洁平整，包坑干净不变形，平均包龄可达400包，节省砌包综合成本，减轻炉前工劳动强度，减少了夹渣铸造缺陷。
(3)优化操作
为减少烟气排放，炉前工位加装顶吸、浇注线加装侧吸风烟气除尘，但是在浇注时，容易发生操作人员拥堵的情况，安全有隐患。浇注班通过合理优化人员搭配，疏解拥堵，保证工艺符合要求，人员安全。
(4)提升炉前快速判断能力
随着技术进步，配备直读光谱、炉前金相、快速测温等仪器，为提升熔炼人员素质，防止过分依赖仪器，通过技术练兵提高水平，对铁液颜色、铁液火花、三角试片观察判断与仪器相结合，准确判定铁液温度、成分、蠕化率等指标，提升炉前快速判断能力。
(5)翻包分包和瞬时孕育
一大炉铁液分成几小包出铁，需要炉前工精准控制出铁量，特别是蠕铁生产，出铁量1 500 kg误差需小于5 kg。应铁液比重大，对电子秤冲击力强，出铁时需要有准确的预判能力。
孕育工艺中搅拌工序是关键，良好的孕育可增多石墨球数、细化晶粒、降低白口。但大包内搅拌不彻底，为防止孕育衰退和孕育不良，现采用翻包孕育工艺，保证铁液搅拌充分且降温少，减轻劳动强度，提高生产安全性，降低孕育不良产生的废品。
瞬时孕育工艺可有效提高孕育效果，减少孕育剂加入量，主要用于球墨铸铁，以前手工加孕育粉，环境恶劣且不精准，现采用半自动瞬时孕育剂加料器，减少操作人员，且孕育剂加入量准确。
3 生产控制要点
(1)金属炉料选择：生产高端铸件，金属炉料有多种选择，不是愈贵愈好。合适的、长期稳定供应的金属炉料是关键，包括生铁、废钢、蠕化剂等各类铁合金。
(2)蠕化控制：蠕铁生产控制工艺范围很窄，不能有偏差，控制难度较大。蠕铁生产蠕化率长期稳定控制在70%以上，实践证明，铁液含硫量稳定是蠕化工艺的前提;铁液反应平稳是蠕化工艺的关键;回炉料需经过抛丸，保证金属炉料清洁;炉前光谱分析快速准确;炉前有利用三角试块准确分辨蠕化率的能力和补救措施。
(3)成分设计：碳当量控制在共晶点附近，铁液流动性好，补缩能力强，铸造性能好。加入适量的合金元素，可强化细化珠光体、降低白口，提高强度和热强度，提高硬度和耐磨性，减少断面敏感性、提高均匀性。监控好各有害元素、反球化元素，一旦发现问题，反应要迅速，立刻采取措施，防止批量报废。
4 结束语
面对铁路系统蠕铁制动盘巨大的市场需求，笔者公司蠕铁制动盘已经生产出各种轴装、轮装系列十几个品种，广泛运用在准高速铁路、城域铁路、地铁轻轨、出口十几个国家地区。通过长期优化熔炼工艺，蠕铁盘类成品率稳步控制在95%以上，熔炼废品率低于1%。质量可控产品稳定。
END
文章编辑：柳建国
微信编辑：蔡文娟
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