调整孕育剂及其加入量改善灰铸铁制动盘缩松
汽车制动盘是汽车制动系统中重要的安全部件之一，质量要求高，基本不允许存在任何缩松缺陷，但实际生产中很难做到铸件内部无缩松缺陷，尤其是在铸件结构壁厚差异过大的情况下。常见缩松缺陷就是在铸件断面上出现的分散而细小的缩孔，这是在金属凝固收缩时，由于金属液未对铸件有效补缩而产生的缺陷。
解决缩松缺陷一般从化学成分、冒口补缩、孕育处理、孕育剂加入量、铸型刚度大小等几个方面分析。但实际生产中必要时需要借助有效的问题分析方法，笔者采用鱼骨图的方法进行问题分析，最终从孕育剂特性极其加入量方面进行研究，简单有效地解决了某种制动盘产品铸件缩松问题，并进行了大批量生产实践。
1 问题描述
1.1 产品结构
制动盘结构如图1所示，内浇口开设在最大直径处，铸件壁厚随着与内浇口距离的增加而逐渐变厚。从结构上来看，铸件从最大外圆处开始逐渐凝固，不利于浇注系统补缩。实际生产过程采用无冒口工艺，但在图示位置上存在轻微的缩松缺陷。
1.2 化学成分
产品质牌号为HT250，化学成分如表1所示。孕育剂为0.43%的75%FeSi包底孕育， 0.05%的75%FeSi随流孕育，加入量根据铁液重量精准称量计算加入。从表1的化学成分来看，碳当量较高，反石墨
化的合金元素也较少，不易产生缩松缺陷。
图1 产品尺寸结构
Fig.1 Product structure
表1 化学成分（质量分数，%）
Tab.1 Chemical composition (mass fraction, %)
元素 C Si Mn P
原铁液 3.36 1.760.650.03泽怎么组词
孕育后 3.34 2.100.650.03
元素 S Cr Cu
原铁液0.080.260.23
孕育后0.080.260.23
1.3 缩松缺陷
产品在精加工之后可见密密麻麻的小孔洞分布在较大范围内（见图2a），从外观初步判断可能是缩松缺陷。为进一步确定，采用扫描电镜观察，该缺陷在截面上具有一定的深度，缺陷部位较为疏松、不密实（见图2b），且能够清晰看到孔洞内部形状不规则（见图2c），明显可以见到相当发达的树枝状晶的末梢，是铸铁凝固过程中，因液态收缩和凝固收缩不均匀，在最后凝固的部位形成的典型缩松、缩孔缺陷特征[1]。
贺关水，齐光强，李玉玲，刘广胜
（烟台胜地汽车零部件制造有限公司，山东 烟台 264006）
摘要：
摘要：采用鱼骨图分析方法，选择调整孕育剂及其加入量解决灰铸铁制动盘缩松缺陷问题。设计三个对比试验，从石墨形态、共晶团数量、硬度和抗拉强度方面进行综合对比评价。最终将孕育方法由0.43%的75%FeSi包底孕育+0.05%的75%FeSi随流孕育更改为0.2%的FeSiSr（硅锶）包底孕育+0.1%的75%FeSi随流孕育，使缩松缺陷得到彻底消除，并满足大批量生产的要求。
关键词：
油饼怎么做关键词：制动盘；缩松；孕育
中图分类号：
中图分类号：TG251 文献标识码：
文献标识码：A 文章编号：
文章编号：1673－3320（2021）01－0052－06
收稿日期：2020-05-30
修定日期：2020-08-14
作者简介：贺关水（1986-），男，毕业于山东大学材料成型
及控制专业，工程师，主要从事制动盘、制动鼓铸造工艺及模
具设计等方面的工作。
风筝的拼音（a） 缺陷照片
（b） 缩松缺陷截面电镜照片
（c） 缩松孔洞电镜照片图2 缩松缺陷
Fig.2 Shrinkage defects
1.4 浇注系统分析
浇注系统设计可以解决大多数制动盘铸件的缩松问题，许多铸造工作者也从浇注系统优化设计及模拟方面成功解决了刹车盘铸件的缩松问题[2~4]，为寻找浇注系统的优化改善点，再次采用MAGMA 软件模拟分析该结构产品的浇注系统设计。结合热节模拟分析结果及缩松预测结果来看（如图3所示），该铸件产生缩松缺陷的倾向很小。因此，可以忽略浇注系统对缩松缺陷的影响。
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2 问题分析
为准确找到影响该产品缩松缺陷产生的根本原因，
召集小组成员共同讨论分析汇总意见形成鱼骨图（如图
4所示）。结合产品壁厚变化特点、浇注系统模拟分析结果、化学成分和孕育方法，分析可能为孕育剂加入量过多，导致微观组织中产生过多的共晶团，在凝固过程中趋向糊状凝固，在最后凝固的地方得不到铁液补充而形成缺陷。
从孕育机理来看，孕育能提高铁液的成核度, 即提高微观组织中形成共晶团的数目。然而由于金属液凝固时石墨膨胀, 作用于砂型型壁上的胀力增加, 以致铸件产生缩松缺陷的可能性增加。孕育剂加入量过多会显著提高灰铸铁材质的共晶团数量，提高铸铁的强度同时减小白口倾向，但可能会提高产生缩松缺陷的风险。针对共晶团对灰铸铁缩松倾向的影响，许多资料进行了大量的研究，发现共晶团数量越多，出现缩松的风险越高，且具有很强烈的相关性[5]。
因此，最终确定从孕育剂对共晶团影响的特性方面
进行验证，试图通过减少共晶团数量且获得石墨形态满
（a）热节模拟
（b）缩松预测模拟
图3 浇注系统设计模拟结果
Fig.3 Simulation results of gating system design
足标准的无缩松缺陷的铸件。
硅锶孕育剂是有效的石墨化孕育剂，锶改善灰铸铁的石墨形态，获得均匀的A 型石墨组织，提高不同断面组织的均匀性，减少断面的敏感性[6]，延长孕育衰退时间，属于一种长效孕育剂。尽管有少许实践表明其降低缩松的能力有限[7]，但大多数生产厂家都能够利用硅锶孕育剂的特性或多或少地解决灰铸铁件的缩松及渗漏问题，其实践经验证明[8~12]：灰铸铁的共晶团数量增多，则缩松倾向加大；共晶团数量减少，铸件缩松倾向降低，而白口倾向会增加。然而，硅锶孕育剂的特性不像硅钡孕育剂那样显著增加共晶团数量，线收缩敏感性小，消除白口的能力却很强，非常有利于减少铸件的缩松缺陷。本文将利用此特性来消除实际生产中铸件出现缩松缺陷的问题。
3 试验设计
采用中频感应电炉熔化铁液，每炉铁液量约为6 t，取其中三包进行试验。保持原铁液成分完全一致，第一包铁液保持原有生产状态不变，第二、三包铁液对包底孕育剂加入量、孕育剂种类和随流孕育剂加入量进行调整（如表2所示）。75%FeSi 和FeSiSr 孕育剂的化学成分如表3所示。
试验过程为：方案a，第一包浇注量650 kg，包底加入0.43%的75%FeSi 孕育剂后冲入铁液，随流
孕育剂加入量为0.05%；方案b，第二包铁液浇注量650 kg，包底加入0.2%的75%FeSi 孕育剂后冲入铁液，随流孕育剂加入量为0.05%；方案c，第三包铁液浇注量650 kg，包底加入0.2%的FeSiSr（硅锶）孕育剂后冲入铁液，考虑硅锶孕育剂的孕育效果及硅铁和硅锶孕育剂的成本，随流孕育剂加入量统计制度
为0.10%。
图4 缩松缺陷产生原因鱼骨图分析
Fig.4 Fish bone diagram of Cau of shrinkage defect
表2 试验方案
Tab.2 Experimental scheme 方案包次
包底孕育剂
包底孕育入量（%）随流孕育剂随流孕育剂加入量（%）a 第一包75%FeSi 0.4375%FeSi 0.05b 第二包75%FeSi 0.2075%FeSi 0.05c
第三包
FeSiSr
0.20
75%FeSi
0.10
表3 孕育剂的化学成分（质量分数，%）
Tab.3 Chemical composition of inoculant (mass fraction, %)
孕育剂元素
Si Ca Al Ba Sr 75%FeSi （75硅铁）72~800.5~1.00.8~1.6//FeSiSr （硅锶）
73~79
＜0.1
＜0.5
/
0.6~1.1
每包分别制作6根单铸试棒，用于检测抗拉强度。试样加工至成品尺寸进行硬度检测，硬度检测位于制动面中部一圈上，且全部点打在通风道加强筋的上方。金相检测位置如图5所示，确保不同方案试样的金相组织、尤其是共晶团数量的评价位置完全相同。使用Zeiss 金相显微镜，抛光状态下检测石墨形态，使用2%硝酸酒精溶液腐蚀后观察基体组织，按照国标GB/T7216制取共晶团检测试样，所有观察点均位于制动盘试样截面
育儿文章中部。
图5 金相检测位置示意图
Fig.5 Diagram of metallographic detection location
4 试验结果及分析
试验结果如表4所示，硬度（HB）要求为187~229，抗拉强度要求大于等于250 MPa。方案a、b、c 的硬度（HB）均值为209~213，抗拉强度均值为263~273 MPa。不难看出，检测结果均满足标准要求，且三个试验方案硬度和抗拉强度的差异较小。
表4 硬度和抗拉强度检测结果
Tab.4 Results of hardness and tensile strength tests 方案硬度均值（HB）
单铸试棒强度/MPa
a 213.4273.9
b 209.6263.2c
212.5
270.6
三种方案的铸件金相试样在显微镜下观察分析，比对四个不同位置处的石墨形态是否满足主要是A 型石墨的要求。从表5可以看出，三个试验方案在②、③、④
表5 石墨形态（100×）检测对比结果
Tab.5 Comparison results of graphite morphology detection (100×)
方案
位置①
位置②
位置③
位置④
a
b
c
屏幕颜色号位置上均主要为A型石墨。在①号位置上，三个试验方案存在差异，方案a和c基本主要为A型石墨，但方案b存在较多明显的D/E型过冷石墨。另外，方案b在②号位置上也存在少量过冷石墨。方案a与b相比，相同的原铁液和相同的随流孕育，随着75%硅铁包底孕育剂加入量的减少，D/E型过冷石墨明显增加。
通过对4个位置的共晶团数量进行对比（见表6），可以看出，在③和④号位置上，三个试验方案的差异不明显，但方案c的共晶团数量略微偏少；在①和②号位置上，三个试验方案的差异较大，方案a、b、c的共晶团数量逐渐减少，且减少幅度较大。方案a与b进行比较，包底孕育剂加入量由0.43%降低为0.2%，随流孕育相同，而共晶团数明显减少，表明随着孕育剂加入量降低共晶团数量能够显著减少，同时其缩松倾向也显著缩小（如表7所示），但石墨形态出现了恶化现象。方案b与c进行比较，孕育剂种类发生了变化，采用硅锶孕育剂后共晶团数明显减少，且在不同位置上的石墨形态仍然为A
型石墨，表明硅锶孕育剂的孕育效果较75%硅铁效果好。另外，也可以看出，采用75%硅铁和硅锶孕育剂进行孕育时，若想获得相同数量的共晶团，75%硅铁孕育剂的加入量必须很低，但这样会牺牲石墨形态，实际生产不可取。因此，综合考虑硬度、抗拉强度、石墨形态和有无缺陷等因素，选择方案c进行生产能够同时满足各项标准要求。
表6 共晶团数量（50×）检测对比结果
Tab.6 Comparison results of eutectic cluster number detection (50×)
方案位置①位置②位置③位置④
龙头渚
a
b
c
