浅析汽车制动卡钳的铸造工艺及改进

侯大为

摘 要：汽车制动卡钳一般适用于盘式刹车系统，能够使车轮减速、停止运转或者使汽车处于停止状态等功能的钳类装置。盘式刹车的优势在于：当车辆处于高速行驶状态，采取制动措施，车轮能够快速停止运转，相比于鼓式刹车，散热效果好，制动效能高。而应用传统的铸造工艺生产出来的制动卡钳，通过铸造CAE软件对其进行模流分析发现，卡钳的两端局部区域出现了轻微的缩松缺陷，而且铸件内部中的珠光体含量较少，机械性能不符合铸造标准要求。如果对铸造工艺予以改进，对浇注系统进行改良，能够收到理想的铸造效果。因此，本文将汽车制动卡钳的原始铸造工艺与改进后的铸造工艺进行比对，针对改进效果展开论述。

关键词：汽车制动卡钳;铸造工艺;改进

汽车制动卡钳包括钳体和导向销，其中导向销包括帽体和导柱两部分，与刹车盘共同构成汽车的制动系统。由于汽车长时间处于运动状态，在高速、高温的作用下，容易对制动卡钳造成磨损与破坏，本身所承受的外界荷载以及瞬间的冲击振动波较大，这就对制动卡钳的物理力学性能提出了更高的要求。因此，在卡钳铸造过程中，应全面考虑各方面影响因素，不断改进和优化铸造工艺，使制动卡钳能够在恶劣的工况环境下能够大幅提升力学性能，避免安全事故的发生。

一、汽车制动卡钳的原始铸造方案

（一）铸造流程分析

该铸造方案中所采用的铸造材料是球墨铸铁450—10，其中抗拉强度的最大值在450Mpa以上，屈服强度的最大值在290Mpa以上，延伸率需大于10%。铸造时采取一模四件的对称式分布铸造工艺，单体铸件两端有一个补缩冒口，单体质量均为3.12kg。浇注时，初始温度值为1420℃，浇注时间为8秒，同时采用包内孕育与瞬时孕育的方法，而铸件在铸造前后的内部合金成分如表1所示。

（二）制动卡钳铸件的充型过程

该铸件材料的液相线温度值为1180℃，固相线温度为1140℃，铸件的合金液在充型过程中，相对比较稳定，当充型结束时，最低的温度值达到1230℃，高出液相线与固相线温度值，因此，不会因为冷却作用而产生冷隔现象[1]。

（三）铸件的凝固过程

充型完成后，铸件进入到凝固工序，当铸件的凝固时间达到180秒时，此时的铸件底部的液相区完全处于被孤立状态，当温度继续降低，球墨铸件的液体就会出现较为明显的收缩态势，而冒口对铸件底部并不存在补缩作用，因而也不满足顺序凝固的原则，出现缩孔缩松等缺陷的几率也大幅提长，此时，生产出来的制动卡钳铸件，机械性能较差，存在严重的质量问题。

（四）原始铸造方案的结果分析

通过模拟结果可以看出，卡钳铸件的底部以及两端是极易产生缩孔与缩松缺陷的高发部位，为了避免这一现象的发生，往往在实际生产时，在砂芯的底部放置外冷铁，借助于外冷铁的冷却作用使铸件能够顺序凝固。采用原始的铸造方案生产铸件时，可以在试生产后的毛坯件当中选取不同模号的铸件，并且铸件取两端各一个试棒，分别标记成1号和2号，对铸件的机械性能采取实验的方法，得出最终的数据。试棒的选取位置如图1所示。原始铸造方案铸件机械性能数据如表2所示。

从表2中的分析数据可以看出，采用原始的铸造工艺，汽车制动卡钳铸件的屈服强度、抗拉强度以及延伸率等机械性能指標均与标准要求相差甚远。

二、汽车制动卡钳的铸造工艺改进效果分析

（一）合理调整合金成分

合金成分直接影响球墨铸铁的金相组织与机械性能，如果成分过高，会破坏球墨铸铁的微观结构，而原始方案中的合金成分配比，含有较少的珠光体，因此，为了提高制动卡钳铸件的强度以及延伸率等参数，应合理调整合金成分配比。将炉后锰元素的含量控制在0.3—0.35%之间，同时，使铜元素的含量介于0.2—0.25%之间。因为锰元素对球墨铸铁起到固溶强化作用，随着锰含量的增加，能够形成以（Fe，Mn）3C为主的合金渗碳体，并以珠光体形式出现，对铸件中珠光体起到补充作用，进而提高了铸件的抗拉强度、屈服强度以及延伸率。而铜在发生共析转变时，也能够加速珠光体的形成速度，从奥氏体析出的珠光体理更多，对铜和锰两种合金成分进行合理调整，对改善和优化铸件的机械性能具有积极的促进作用。

（二）改进浇注系统

采用原始工艺，由于冒口尺寸偏小，使得铁水的流动性能较差，极易使铸件两端出现缩松现象。如果将铸件一端的独立冒口加以改进，以共同冒口的形式出现，能够有效增大冒口颈的横截面积，改善了铁水的流动性能，降低了缩孔以及缩松出现的几率[2]。但是在改进浇注系统后，为了防止铸件底部出现缩孔与缩松现象，在砂芯中直接放置外冷铁的工序必须予以保留。

（三）铸造工艺改进后的铸件机械性能

通过调整合金成分，改进浇注系统后，对铸件的金相组织进行观测发现，采取新工艺后，铸件中的珠光体含量有了显著提高，铸件两端以及底部也不存在轻微缩孔与缩松现象，如果取一整模的铸件进行机械性能实验，屈服强度、拉伸强度以延伸率参数均满足标准要求。汽车制动卡钳铸造工艺改进后的铸件机械性能如表3所示。

结束语：

对汽车制动卡钳的铸造工艺进行优化和改进，铸件两端与底部出现缩孔与缩松的几率明显降低，而且机械性能也得到进一步改善和提升，直接提高了行车安全指数。近年来，随着科学技术的迅猛发展，汽车制动卡钳的铸造工艺也在不断历经改进与创新过程，工艺水平与技术成果与发达国家之间的差距也越来越小。

参考文献：

[1]郑毛毛，孙首群，张昌昌， 等.汽车制动卡钳的铸造工艺及改进[J].农业装备与车辆工程，2019，57（6）：86-89.

[2]范梅梅，黄平，刘雁， 等.汽车制动卡钳酸性镀锌及锌镍合金的性能[J].电镀与涂饰，2016，35（3）：149-153.