李传栻前辈谈对汽车用制动鼓用灰铸铁的质量要求

老翻砂匠

      随着汽车工业的发展和汽车零、部件出口量的不断增长，近年来，我国汽车铸件的产量迅速增长。其中，制动鼓（包括制动盘和离合器片等）是应该经常更换的易损件，需求量很大，年产量已非常可观。目前，全国生产汽车制动鼓的铸造企业已不下数十家之多。

     汽车用制动鼓是非常重要的保安件，对铸件的内在质量有特殊的技术要求。但是，令人担心的是：据中国铸造协会所作的调查，在众多制造制动鼓的企业中，对产品质量要求有正确了解的却为数不多，甚至有的大型汽车制造企业所制定的“制动鼓铸件的技术条件”都是有问题的。严格说来，不少企业多年的产品实际上都不符合要求，不足以保证高速行驶的汽车刹车时的安全性。这种状况应该受到汽车行业乃至全社会的严重关注。

      一、制动鼓的工况条件及其对材质的要求

      汽车用制动鼓不是简单的耐磨件，其工况条件极为恶劣。

      汽车制动鼓，制动时会因摩擦而导致温度升高，重型汽车的制动鼓，制动时温度可升高到850℃，随后又会因金属的热导率高而迅速冷却。由于作业过程中经受反复的加热和冷却，制动鼓会因温度变化引起的循环热应力的作用而产生热疲劳。从而，摩擦表面上易产生裂纹，这种裂纹通常称之为热疲劳裂纹、热龟裂或网状裂纹。

      对于制动鼓，温度循环变化的作用，除产生热应力外，还会导致金属材料内部的组织变化，从而使应力加剧。此外，制动鼓作业时，各部位受热不均匀、各微观组分的热膨胀系数不同，在反复加热、冷却的条件下，也会造成交变应力。

      在制动鼓的使用过程中，其金属组织可能发生多种相变，如：

      1、在800℃附近或略低于800℃，共晶碳化物（如存在的话）可分解为石墨和铁素体；

      2、珠光体和铁素体在800℃以上转变为奥氏体；

      3、奥氏体冷却时转变为马氏体。

      虽然对制动鼓材质的常温强度要求并不很高，但考虑到其特殊的工况条件，却对材质有很多特殊的要求，如：

      1、热导率高，以便制动时的热量易于散发；

      2、抗热震能力强，热疲劳强度高；

      3、减震性能好；

      4、耐磨；

      5、铸造性能、加工性能好。

      二、灰铸铁的若干特性

      汽车制动鼓的常规材料是灰铸铁，其显微组织中含有大量的片状石墨。片状石墨有割裂金属基体的作用，所以这类灰铸铁的抗拉强度不高。但是，含有片状石墨的灰铸铁的热导率高、减震性能好、耐磨性好，在这些方面，不仅各种钢材不能与之相比，就是在各种含有石墨的铸铁中也是十分突出的，因而，特别适应于制动鼓的工况条件。

      1、热导率

      铸铁的热导率决定于其化学成分，基体组织，石墨的形态和数量。石墨的热导率比铸铁的基体组织高得多，石墨沿基面方向的热导率高于沿c轴方向，因此，球墨铸铁的热导率高于钢材，灰铸铁的热导率高于球墨铸铁，温度越高，二者的差别越大。几种显微组织中含有不同形态石墨的铸铁，其热导率有明显的差别，见表1。

            表1 各种铸铁热导率的比较

性 能	灰铸铁	蠕墨铸铁	球墨铸铁
热导率	130％	100％	75％

       灰铸铁中石墨所占的体积分数越高，热导率越高。

      2、减震性能

      灰铸铁中的片状石墨使铸铁在循环应力作用下易产生微观的塑性变形和位错，耗损震动的能量，加速震动的衰减。减震性能良好是灰铸铁的重要特性，是其广泛用于内燃机和机床零部件原因之一。几种结构材料的相对减震性能见表2。

                     表2 几种结构材料的相对减震性能

结构材料	相对减震性能
粗片状石墨灰铸铁	100～500
细片状石墨灰铸铁	20～100
可锻铸铁	8～15
球墨铸铁	5～20
纯铁	5
共析钢	4
铝	0.4

      3、耐磨性

      制动时，制动鼓所受到的摩擦作用是干摩擦，以粘着磨损为主，灰铸铁组织的石墨是固体润滑剂，对减轻磨损有良好的作用。

      4、比热容

      灰铸铁的比热容随其温度的升高增大，高温下能吸收较多的热能，可使制动时制动鼓的温升较低，这也是一种优越的功能。

      三、对制动鼓用灰铸铁的质量要求

      总体而言，灰铸铁是适于制造制动鼓的材料，但由于制动鼓的工况条件极为严酷，对所用的灰铸铁还必须有一些特殊的要求。

      1、碳含量和石墨在组织中所占体积分数

      由于制动鼓在制动过程中温度瞬时升高，产生的热量必须尽快地逸散，热导率是极其重要的性能。热导率高，可以使制动鼓内的温度梯度减小，从而使产生的热应力减小，避免因热应力和热疲劳而致的破损。

      在实验室条件下，以相同的循环温度变化对不同材质的试样进行试验的结果表明，珠光体基体球墨铸铁试样的耐热疲劳寿命高于基体组织类似的灰铸铁试样。但是，由于灰铸铁的热导率较高、在相同的使用条件下，用灰铸铁制动鼓制动时所达到的最高温度低于球墨铸铁制动鼓。同时，片状石墨还有缓冲基体组织膨胀的作用，因而其实际使用寿命高于球墨铸铁制动鼓。从实际应用的效果考虑，制动鼓一般都采用灰铸铁制造而不用球墨铸铁。

      灰铸铁的热导率与石墨在其中所占的体积分数和石墨片的尺寸有密切关系，增加片状石墨的含量并使石墨片的尺寸较大，灰铸铁的热导率就较高，在相同的作业条件下，可使基体组织所达到的温度降低，从而使总体的热应力较小。

      为使铸铁的微观组织中有较多的石墨片，以保证其具有较高的热导率，乘用车制动鼓的碳含量应该在3.4%以上，载重车辆在3.5%以上，重型车辆的制动鼓则应在3.7%以上，而且这是首要的质量要求。在此种条件下，铸铁中石墨所占的体积分数大致为11～13％，铸铁的热导率大约是其基体材料的2倍。

      美国ASTM A159 “汽车用灰铸铁件”标准中，对制动鼓用灰铸铁的碳含量作了严格的规定。其他工业国家虽未就“汽车用灰铸铁件”制定单独的标准，但在制动鼓专用的技术条件中对碳含量都有严格的规定。

      我国迄今尚未制定相关的国家标准或行业标准，有些铸件购买方也未对制动鼓用灰铸铁的碳含量提出明确的要求，不少铸造厂就简单地按灰铸铁牌号、保证试样的抗拉强度，

      将碳含量控制在3.2%～3.3%之间，对于保证铸铁的强度合格当然是适宜的。但是，这种做法不能保证制动鼓的基本质量要求，是不能允许的。

      2、石墨片的分布形状和长度

      灰铸铁中产生的裂纹都沿石墨的基面发展，其方向不受金属基体晶界或珠光体取向的影响。石墨片分布形状为A型的灰铸铁，组织中的石墨片无方向性，疲劳的初期产生的小裂纹是散乱分布的，因而具有较好的抵抗产生热疲劳裂纹的能力。因此，制动鼓铸件的显微组织中，石墨的形态应该是A型。B型、D型和E型石墨都会导致热疲劳性能恶化，同时也会使铸铁的力学性能降低。

      如果片状石墨过于细小，则灰铸铁的热导率较低，基体组织受热膨胀时石墨的缓冲作用也较差。因此，制动鼓所用的灰铸铁，组织中的石墨片应比较粗大，不宜太细小，石墨长度应为2～4级或3～5级。

      美国ASTM A159 “汽车用灰铸铁件”标准中，对片状石墨的分布形状和石墨片的长度都作了具体规定。片状石墨的分布形状应为A型。对强度要求较低的灰铸铁，石墨片的长度为2～4级；对强度要求较高的灰铸铁，石墨片的长度为3～5级。

      3、基体组织

      由于铸铁组织中石墨所占的体积分数较大，而且石墨片又比较粗大，铸铁的力学性能当然较低，因而。用作制动部件的灰铸铁，对力学性能的要求都不太高，抗拉强度的最低值一般为175 MPa、200 MPa或250 MPa，到目前为止，还未见有要求抗拉强度高于300 MPa的品牌。

      为使这种特殊用途的灰铸铁的常温力学性能符合规格要求，必须认真控制铸铁的冶金质量和孕育处理过程，使铸铁基体组织为较细的珠光体。抗拉强度要求200 MPa以上的品牌，显微组织的铁素体量不得多于5 %。铁素体含量太高，不仅影响强度，而且会使制动鼓的加工性能恶化，耐磨性和使用寿命降低。

      对于强度和硬度要求较高的品种，有时不得不加入少量Cu、Cr、Mo等合金元素。在此种情况下，应严格控制合金元素的加入量，以性能达到要求为度，过多的合金含量会使石墨细小、体积分数减少，对制动鼓的使用寿命反而有负面的影响。

      在生产实践中，也常常采用在炉前添加少量合金元素与孕育技术相配合的措施，使同一基铁（原铁液）生产出不同成分的铁液，以满足不同牌号或同一牌号不同壁厚铸件的要求。 大部分常用合金能在合适的加入量范围内，促进珠光体生成部分能细化珠光体、强化铁素体，从而提高灰铸铁的抗拉强度和硬度。但各元素的作用程度有别，在灰铸铁中加入一种以上合金时，它们对抗拉强度的总影响可以来估算。

                      (素材来源于互联网)

zclmary

谢谢 楼主的文章 学习了