正確認(rèn)識對汽車用制動鼓的質(zhì)量要求

    汽車用制動鼓是非常重要的安全部件，對鑄造的內(nèi)在質(zhì)量有特殊的技術(shù)要求。但是，令人擔(dān)心的是：據(jù)中國鑄造協(xié)會所作的調(diào)查，在眾多制造制動鼓的企業(yè)中，對產(chǎn)品質(zhì)量要求有正確了解的卻為數(shù)不多。
    以鑄造的碳含量為例：為使鑄鐵的微觀組織中有較多的石墨片，以保證其具有較高的熱導(dǎo)率，乘用車制動鼓的碳含量應(yīng)該在3.4%以上，重型車輛的制動鼓則應(yīng)該在3.7%以上，而且這是首要的質(zhì)量要求。實際上，多數(shù)廠家只是簡單地按強(qiáng)度要求，將碳含量控制在3.2%左右，正確了解這一基本要求的鑄造企業(yè)甚少。
    至于對鑄造微觀組織的要求，美國ASTMA159-83“汽車用灰鑄鐵件”標(biāo)準(zhǔn)中。對石墨的形態(tài)、石墨片的長度和基本組織都作了具體規(guī)定。我國和其他一些國家尚未制定相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，鑄件購買方往往未對此提出明確的要求，只按牌號要求試樣的抗拉強(qiáng)度。這種條件下，在生產(chǎn)過程中認(rèn)真控制顯微組織的廠家很少。
    1.制動鼓的工況條件
    汽車制動鼓，制動時會因摩擦而導(dǎo)致溫度升高，隨后又會因金屬的熱導(dǎo)率而迅速冷卻，在使用過程中要經(jīng)過反復(fù)的加熱和冷卻，重型汽車的制動鼓，制動時溫度可達(dá)850℃，因而摩擦表面上易于產(chǎn)生裂紋。這種裂紋通常稱之為熱疲勞裂紋、熱龜裂或網(wǎng)狀裂紋。
    一般說來，熱疲勞是因為溫度變化引起的熱應(yīng)力循環(huán)作用而產(chǎn)生的疲勞。對于制動鼓，溫度循環(huán)變化的作用，除產(chǎn)生熱應(yīng)力外，還會導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部的組織變化，從而使應(yīng)力加劇。此外，制動鼓作業(yè)時，各部位受熱不均勻、各微觀組織組成部分的熱膨脹不同，在反復(fù)加熱、冷卻的條件下，也會造成交變應(yīng)力。
    在使用過程中，其組織可能發(fā)生多種相變，如：
    ①在800℃附近或略低于800℃，共晶碳化物分解為石墨和鐵素體；
    ②珠光體和鐵素體在800℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；
    2.石墨組織對疲勞強(qiáng)度的影響
    灰鑄鐵中，石墨組織對熱疲勞裂紋的產(chǎn)生有非常重要的影響，主要是：
    ①如果灰鑄鐵中的石墨比較粗大、數(shù)量較多，則其熱膨脹系數(shù)較低；
    ②灰鑄鐵的熱導(dǎo)率與石墨在其中所占的體積分?jǐn)?shù)和石墨片的尺寸成正比。 
    因此，增加石墨量并使石墨片的尺寸較大，在相同的作業(yè)條件下，可使機(jī)體組織達(dá)到的溫度降低，從而使總體的熱應(yīng)力較小；
    ③石墨有緩沖基體組織膨脹的作用，而且還是一種固態(tài)潤滑劑。
    3.石墨形態(tài)的影響
    無論是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵，熱疲勞裂紋*初都產(chǎn)生于石墨的基面。灰鑄鐵中，裂紋沿石墨的基面發(fā)展，其方向不受金屬基體晶界或珠光體取向的影響。具有A型石墨的灰鑄鐵，組織中的石墨片無方向性，疲勞的初期產(chǎn)生的裂紋時散亂分布的，因而具有較好的抵抗熱疲勞裂紋的能力。因此，制動鼓鑄件的顯微組織中，石墨形態(tài)應(yīng)該是A型。B、D、E/型石墨都會導(dǎo)致鑄鐵的力學(xué)性能降低、熱疲勞性能惡化。
    球墨鑄鐵中，石墨的基面在球狀石墨的直徑方向，但球狀石墨不能緩沖基體中產(chǎn)生的應(yīng)力，會在石墨與鐵素體的界面上產(chǎn)生裂紋。然后，再產(chǎn)生徑向裂紋，通過鐵素體殼擴(kuò)展到珠光體，直到另一個石墨球。
    4.基體組織的影響
    按實驗室試驗的結(jié)果，珠光體基體抗疲勞裂紋的能力較強(qiáng)，但是，在存在大量片狀石墨的情況下，基體組織對抗熱疲勞性能的影響很小，可不予考慮。
有的標(biāo)準(zhǔn)中限定鐵素體和碳化物的含量，主要是為了保證常溫強(qiáng)度和硬度。
     5.對制動鼓用灰鐵的質(zhì)量要求
    基于以上幾個方面的考慮，對制動鼓用灰鐵，除按照車輛特點規(guī)定力學(xué)性能和硬度的要求外，還有以下特殊要求：
    必須規(guī)定很低碳含量以保證組織中石墨所占的體積分?jǐn)?shù)，小型車制動鼓的碳含量一般為3.4%，中型車為3.5%，重型車為3.6%或3.7%。在此條件下，鑄鐵中的石墨所占的體積分?jǐn)?shù)大致為11-12%，鑄鐵的導(dǎo)熱率大約是①其基體組織的2倍；
    ②規(guī)定石墨形態(tài)為A型；
    ③不允許過于細(xì)小的石墨，規(guī)定石墨長度為2-4級或3-5級；
    ④基體以珠光體為主，要限定鐵素體含量或鐵素體和滲碳體的總量。
    符合上述要求的鑄鐵，常溫強(qiáng)度不很高，但是抵抗熱疲勞的能力很好。石墨片過于細(xì)小的灰鑄鐵，雖然常溫強(qiáng)度較高，但抵抗熱疲勞的能力較差。
    為使車主特殊用途的灰鑄鐵的常溫力學(xué)性能符合規(guī)定要求，除認(rèn)真控制鑄鐵的冶金質(zhì)量和孕育處理過程外，對于強(qiáng)度和硬度要求較高的品種，有時不得不加入Cu、Cr、Mo等合金元素。在此情況下，應(yīng)嚴(yán)格控制合金元素的加入量，以性能達(dá)到要求為度，過度的合金元素會使石墨細(xì)小、體積分?jǐn)?shù)較少，對制動鼓的使用壽命有負(fù)面的影響。
    在實驗室條件下，以相同的循環(huán)溫度變化對不同材質(zhì)的試樣進(jìn)行試驗結(jié)果表明，珠光體基體組織的球墨鑄鐵試樣的耐熱疲勞壽命高于基體組織類似的灰鑄鐵試樣。但是，對于實際應(yīng)用，就必須進(jìn)一步考慮其他因素的影響。由于灰鑄鐵達(dá)到熱導(dǎo)率較高、熱膨脹系數(shù)較低，而且片狀石墨能緩沖基體組織的膨脹，在相同的使用條件下，用灰鑄鐵制動鼓制動時所達(dá)到的*高溫度低于球墨鑄鐵制動鼓，其實際使用壽命高于球墨鑄鐵制動鼓。因此，一般不使用球墨鑄鐵制造制動鼓。