一种高强度高韧性高铁刹车闸片的生产工艺
技术领域
本发明属于铸造工艺领域，具体涉及一种高强度高韧性高铁刹车闸片的生产工艺。
背景技术
高铁刹车闸片通常采用QT500-7的材料及QT400-18L的材料，而球墨铸铁由于存在如下问题，而限制了其在高铁刹车闸片上的应用，比如：球墨铸铁的抗拉强度≥600Mpa，延伸率为≥3％，抗拉强度高，但是延伸率低，韧性差，且工艺不稳定，不能稳定的满足强度及延伸率同时达到要求，容易出现材质不合格如抗拉强度高而延伸率不合格；2)、内部容易出现缩松等缺陷，达不到标准的要求，造成批量废品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高强度高韧性高铁刹车闸片的生产工艺。
一、熔炼工序
1、备料
首先按照生铁、废钢、回炉料的质量比1:2.8～3.2:2.5～2.7称取生铁、废钢、回炉料进行主料备料；然后按主料备料量的1.5～2.5％称取增碳剂进行增碳剂备料，按主料备料量的0.4％称取碳化硅进行碳化硅备料，按主料备料量的1.3％称取球化剂进行球化剂备料，按主料备料量的0.8％称取粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂进行粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂备料，按主料备料量的0.18％称取粒径为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂进行粒径为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂备料，此外，还需准备增碳剂、75#硅铁、锰铁用作成分调整剂；
2、熔炼
首先向中频感应电炉中加入备料量1/4的废钢，然后加入备料量全量的增碳剂，然后再加入剩余的废钢备料，熔清后向其中加入备料量3/4的碳化硅，再加入备料量全量的生铁，及备料量全量的回炉料，升温至1420℃时，炉前快速检测C、Si含量，并通过添加增碳剂调整C含量为3.85～3.95％，通过添加75#硅铁调整硅含量为1.6-1.8％通过添加锰铁调整锰含量至0.3-0.5％；然后光谱取样确定炉前铁水成份；
之后，继续升温，至1500℃时，加入剩余的碳化硅备料，然后升温至1570℃时静置1-2min；
二、球化及孕育工序
1、1吨的电炉料分两次进行球化，每次球化500Kg铁水；
2、按球化包待球化铁水质量的1.3％，向球化包靠近炉体端的坝底部加入球化剂，然后按球化包待球化铁水质量的0.6％，加入粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂；砸实后在上面覆盖球墨铸铁铁豆或铁片，然后，将0.4％电解铜加入到球化包内坝的另一侧，块度不超过50mm，出铁时，铁水直接冲开；
3、出铁水：将待球化铁水分两次从电炉中倒入球化包内，第一次出铁水时，出铁水量为球化包待球化铁水质量的3/4，球化反应时间为35～55秒后，按球化包待球化铁水质量的0.2％，向球化包中加入粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂，然后进行第二次出铁水，第二次出铁水时，将剩余的1/4待球化铁水125Kg从电炉导入球化包；
球化前，升温至1570℃的铁水静置1～2min后，快速升温至1580℃，然后出炉球化；铁水由1570℃升温至1580的时间控制在30秒；
4、倒包孕育：浇包预热后，按待浇注铁水质量的0.1％，向浇包底部投放0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂，然后向浇包内倒入球化后的铁水；
5、倒入球化后的铁水前，对铁水进行光谱取样确定炉后铁水成分；
6、扒渣两次，拔干净后用覆盖剂覆盖均匀；
三、铸造工序：
1、造型方式采用水平射砂无箱造型机，型腔的硬度要求85(砂型硬度，用“C”型硬度计测量)以上；
2、浇注：控制铁水温度为1380-1440℃向型腔内浇注铁水，浇注时随流加入0.08％粒度为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂，并控制浇注时间小于等于6min；
3、落砂
浇注后，冷却40min后，待铸件温度低于550℃时，落砂，得铸件；
四、热处理工序
将铸件装入热处理炉中，以每小时小于等于80℃的升温速度升温至480℃，保温3小时，然后冷却至常温后出炉，得铸件。
2、根据权利要求1所述的一种高强度高韧性高铁刹车闸片的生产工艺，其特征在于，还包括以下步骤：
五、机加工工序：
1、采用磁吸盘吸紧铸件进行装卡；
2、首先以铸件两侧的外形及内侧面为基准，加工底面和两个定位孔；留精加工余量为1mm；然后，以底面及两个定位孔为基准，加工内侧面及定位孔，最后以内侧面及两个定位孔为基准，加工底面及球形窝；
加工过程中，粗铣进刀量不超过1.5mm；精加工进刀量0.5-0.2mm；
3、机加工后垂直放置工件。
进一步的，所述生铁采用优质球墨铸铁用生铁Q10；
对所述优质球墨铸铁用生铁Q10的具体要求如下：
一级一类一组；
C>3.4％，Si0.5-1％，Mn<0.1％，S≤0.03％，P≤0.035％，Ti≤0.03％；
杂质元素Cr、V、Pb、Bi、As、B、Al、Mo、Sb之和≤0.085％；
表面质量：表面洁净，不得有炉渣、和砂料，不得有锈蚀，块度均匀。
更进一步的，所述优质球墨铸铁用生铁Q10中，对阻碍石墨化的微量元素要求如下：S≤0.03％，P≤0.035％，Ti≤0.03％，V＜0.0007％，Al＜0.005％，B＜0.0005％，Sb＜0.0005％。
进一步的，所述废钢采用优质碳素结构钢；
对所述优质碳素结构钢的要求如下：
化学成分：C＜0.50％，Si＜0.6％，S＜0.04％，P＜0.04％，Mn＜0.8％，Ti＜0.03％，Cr＜0.04％，Al＜0.05％；
要求无锈蚀，最小厚度≥3mm，严禁混入合金钢或来历不明的其它废钢。
进一步的，所述增碳剂：采用经过高温石墨化的增碳剂；
对所述增碳剂的具体要求如下：
固定碳≥98％，硫分≤0.3％，灰分≤0.5％，挥发份≤0.5％，水分≤0.5；
粒度1-5mm，保持干燥，避免潮湿。
进一步的，所述回炉料采用QT600的回炉料，并进行抛丸处理；
所述碳化硅SiC要求如下：含量≥97％；粒度1-3mm；三氧化二铁≤1％；硫≤0.03％；铝≤0.05％。
进一步的，所述球化剂：采用Mg8Re3球化剂；
对所述球化剂的要求具体如下：
避免受潮；
Mg 7.5-8.5％，Re2.5-3.5％，Si 42-44％，Ca 2-3％，Al≤0.5％，Ti≤0.5％；
氧化镁含量≤1％；
块度：5-25mm。
进一步的，所述粒径为0.2-0.7mm硅钡钙孕育剂的成分要求如下：Si 69-72％，Ba3-5％，Ca 1-3.5％；
所述粒径为1-3mm硅钡钙孕育剂的成分要求如下：Si 69-72％，Ba 3-5％，Ca 1-3.5％。
进一步的，铁水炉前化学成分为：C 3.85-3.95％，Si 1.6-1.8％，Mn 0.3-0.5％，S≤0.02％，p≤0.035％；
所述铁水炉后化学成分为：铁水炉后化学成分为：C 3.6-3.8％；Si 2.8-3.0％；Mn0.4-0.6％；S≤0.015％；P≤0.035％；Cu0.4-0.6％；Mg 0.03-0.045％；Re0.015-0.032％；Cr0.1-0.3％；Ni 0.1-0.3％；Sb≤0.005％；Mo≤0.01％；Bi≤0.015％；Ti≤0.03％；Pb≤0.02％；Al≤0.005％；V≤0.02％；。
进一步的，所述铸件的金相指标为：球化率≥90％；铁素体F65-75％；珠光体25-35％；渗碳体≤3％；石墨球为7～8级；
所述铸件的力学性能：抗拉强度σb≥600Mpa，屈服强度σ0.2≥470MPa，延伸率δ≥10％，本体硬度190-210HB。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
1、本发明通过对原料进行严格配比和选材，从而达到严格控制炉前化学成分含量，以及炉后化学成分含量的目的。
2、本发明通过将炉前各化学成分严格控制在如下含量范围内C 3.85-3.95％，Si1.6-1.8％，Mn 0.3-0.5％，S≤0.02％，p≤0.035％，并将炉后化学成分控制在C 3.6-3.8％；Si 2.8-3.0％；Mn0.4-0.6％；S≤0.015％；P≤0.035％；Cu0.4-0.6％；Mg(残)0.03-0.045％；Re(残)0.015-0.032％；Cr0.1-0.3％；Ni 0.1-0.3％；Sb≤0.005％；Mo≤0.01％；Bi≤0.015％；Ti≤0.03％；Pb≤0.02％；Al≤0.005％；V≤0.02％的范围内，从而使得铸件的金相指标和性能指标能够达到如下要求：球化率90％以上，石墨大小7-8级，铁素体含量65-75％；硬度190-210HB；力学性能检测：抗拉强度≥600Mpa屈服强度≥470Mpa延伸率≥10％，从而能够满足高铁刹车闸片的材料要求；其中C元素的含量影响着产品的硬度，Si、Mn、Cu元素的含量影响着基体的强度，S、P等限制元素影响着产品的韧性，稀土元素Re、Mg元素的含量影响着石墨球的形状、大小。
3、本发明碳化硅分两次进行加入，能够起到细化晶粒的作用。
4、本发明增碳剂能够起到晶核的作用，能够增加石墨球的数量和圆整度。
5、本发明采用粒度为5-25mm的稀土镁球化剂FeSiMg8Re3，及采用硅钡钙孕育剂多次孕育、碳化硅预处理极大了提高了石墨球的球化率，使其由通常的80％提高到了大于90％；从而使得采用该工艺生产的铸件在高铁闸片上的应用成为现实。
6、本发明采用两种粒径的硅钡钙孕育剂，其中1～3mm粒径的硅钡钙孕育剂于孕育过程中加入，0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂于倒包和浇铸过程中随流加入，从而降低了石墨球的割裂，提高了石墨球的致密度。
本发明通过严格控制各原料的选材、配比加入顺序和加入方式等参数，从而将炉后化学成分控制在理想的范围内，使得铸造出的产品的金相检测指标优异，力学性能表现突出，工艺稳定、废品率低，完全满足高铁闸门的生产要求。
说明书附图
图1为高铁闸片底面的结构是示意图；
图2为高铁闸片内侧面的结构示意图；
在图中，1、底面；2、内侧面；3、定位孔，4、球形窝。
具体实施方式
实施例1
一、熔炼工序
1、选材
(1)生铁采用优质球墨铸铁用生铁Q10；
对所述优质球墨铸铁用生铁Q10的具体要求如下：
一级一类一组；
C>3.4％，Si0.5-1％，Mn<0.1％，S≤0.03％，P≤0.035％，Ti≤0.03％；
杂质元素Cr、V、Pb、Bi、As、B、Al、Mo、Sb之和≤0.085％；
表面质量：表面洁净，不得有炉渣、和砂料，不得有锈蚀，块度均匀；
固定生铁供应商，生产稳定后不得随意更换生铁供应商。
其中，对阻碍石墨化的微量元素要求严格限制如下：S≤0.03％，P≤0.035％，Ti≤0.03％，V＜0.0007％，Al＜0.005％，B＜0.0005％，Sb＜0.0005％。
(2)废钢采用优质碳素结构钢；
对所述优质碳素结构钢的要求如下：
化学成分：C＜0.50％，Si＜0.6％，S＜0.04％，P＜0.04％，Mn＜0.8％，Ti＜0.03％，
Cr＜0.04％，Al＜0.05％。
要求无锈蚀，最小厚度≥3mm，严禁混入合金钢或来历不明的其它废钢。
(3)增碳剂：采用经过高温石墨化的增碳剂；
对所述增碳剂的具体要求如下：
固定碳≥98％，硫分≤0.3％，灰分≤0.5％，挥发份≤0.5％，水分≤0.5；
粒度1-5mm，保持干燥，避免潮湿。
(4)回炉料采用QT600的回炉料，并进行抛丸处理；
(5)碳化硅SiC要求如下：含量≥97％；粒度1-3mm；三氧化二铁≤1％；硫≤0.03％；铝≤0.05％。
(6)球化剂：采用Mg8Re3球化剂；
对所述球化剂的要求具体如下：
避免受潮；
Mg 7.5-8.5％，Re2.5-3.5％，Si 42-44％，Ca 2-3％，Al≤0.5％，Ti≤0.5％；
氧化镁含量≤1％；
块度：5-25mm。
(7)粒径为0.2-0.7mm硅钡钙孕育剂：成分要求如下：Si 69-72％，Ba 3-5％，Ca 1-3.5％；
(8)粒径为1-3mm硅钡钙孕育剂：成分要求如下：Si 69-72％，Ba 3-5％，Ca 1-3.5％。
2、备料
首先按照生铁、废钢、回炉料的质量比1:3:2.67称取生铁150Kg、450Kg废钢、400Kg回炉料进行主料备料；然后按主料备料量的2％称取增碳剂20Kg进行增碳剂备料，按主料备料量的0.4％称取碳化硅4Kg进行碳化硅备料，按主料备料量的1.3％称取球化剂13Kg进行球化剂备料，按主料备料量的0.8％称取粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂8Kg进行粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂备料，按主料备料量的0.18％称取粒径为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂1.8Kg进行粒径为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂备料，此外，还需准备增碳剂、75#硅铁、锰铁用作成分调整剂。
3、熔炼
首先向中频感应电炉中加入备料量1/4的废钢113Kg，然后加入备料量全量的增碳剂20Kg，然后再加入剩余的废钢备料337Kg，熔清后向其中加入备料量3/4的碳化硅3Kg，再加入备料量全量的生铁150Kg，及备料量全量的回炉料400Kg，升温至1420℃时，炉前快速检测C、Si含量，并通过添加增碳剂调整C含量为3.85～3.95％，通过添加75#硅铁调整硅含量为1.7％，通过添加锰铁调整锰含量至0.4％；然后光谱取样确定铁水的炉前化学成份为：C3.85-3.95％，Si 1.6-1.8％，Mn 0.3-0.5％，S≤0.02％，p≤0.035％；
之后，继续升温，至1500℃时，加入剩余的碳化硅备料1Kg，然后升温至1570℃时静置1-2min。
二、球化及孕育工序
1、1吨的电炉料分两次进行球化，每次球化500Kg铁水，
2、按球化包待球化铁水质量的1.3％，向球化包靠近炉体端的坝底部加入球化剂6.5Kg，然后按球化包待球化铁水质量的0.6％，加入粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂3Kg；砸实后在上面覆盖球墨铸铁铁豆或铁片，然后，将0.4％电解铜加入到球化包内坝的另一侧，块度不超过50mm，出铁时，铁水直接冲开，
3、出铁水：将待球化铁水分两次从电炉中倒入球化包内，第一次出铁水时，出铁水量为球化包待球化铁水质量的3/4，即375Kg，球化反应时间为35～55秒后，按球化包待球化铁水质量的0.2％，向球化包中加入粒径为1～3mm的硅钡钙孕育剂1Kg，然后进行第二次出铁水，第二次出铁水时，将剩余的1/4待球化铁水125Kg从电炉导入球化包；
球化前，升温至1570℃的铁水静置1～2min后，快速升温至1580℃，然后出炉球化；铁水由1570℃升温至1580的时间控制在30秒；
4、倒包孕育：浇包预热后，按待浇注铁水质量的0.1％，向浇包底部投放0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂0.5Kg，然后向浇包内倒入球化后的铁水；
5、倒入球化后的铁水前，对铁水进行光谱取样确定铁水炉后化学成分为：C 3.6-3.8％；Si 2.8-3.0％；Mn0.4-0.6％；S≤0.015％；P≤0.035％；Cu0.4-0.6％；Mg(残)0.03-0.045％；Re(残)0.015-0.032％；Cr0.1-0.3％；Ni 0.1-0.3％；Sb≤0.005％；Mo≤0.01％；Bi≤0.015％；Ti≤0.03％；Pb≤0.02％；Al≤0.005％；V≤0.02％；
6、扒渣两次，拔干净后用覆盖剂覆盖均匀。
三、铸造工序：
1、造型方式采用水平射砂无箱造型机，型腔的硬度要求85以上；
2、浇注：控制铁水温度为1380-_1440℃向型腔内浇注铁水，浇注时随流加入0.08％粒度为0.2～0.7mm的硅钡钙孕育剂(专用随流工具，通过小孔的直径控制流量)，并控制浇注时间小于等于6min；
2、落砂
浇注后，冷却40min后，待铸件温度低于550℃时，落砂，得铸件；
四、热处理工序
将铸件装入热处理炉中，以每小时小于等于80℃的升温速度升温至480℃，保温3小时，然后冷却至常温后出炉；
五、机加工工序：
1、采用磁吸盘吸紧铸件进行装卡；
2、首先以高铁闸片两侧的外形及内侧面2为基准，加工底面1和两个定位孔3；留精加工余量为1mm；然后，以底面及两个定位孔3为基准，加工内侧面2及定位孔3，最后以内侧面及两个定位孔为基准，加工底面1及球形窝4；
加工过程中，粗铣进刀量不超过1.5mm；精加工进刀量0.5-0.2mm；
3、机加工后垂直放置工件。
效果例
对铸件进行金相检测和性能指标检测，结果如下：
1、金相检验：球化率≥90％(90％以上为Ⅰ级石墨)；石墨球为7～8级；基体组织铁素体F65-75％；珠光体25-35％；渗碳体≤3％；无磷共晶。(取样为浇注的最后一型本体试块或本体试块)
2、力学性能：采用25mm“Y”型试块，需要铸两组，一组为铸态检验，一组为热处理后检验。
抗拉强度σb≥600Mpa，屈服强度σ0.2≥470MPa，延伸率δ≥10％，
本体硬度，190-210HB。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
