正确认识对汽车用制动鼓的质量要求

    汽车用制动鼓是非常重要的安全部件，对铸造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。
    以铸造的碳含量为例：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，重型车辆的制动鼓则应该在3.7%以上，而且这是首要的质量要求。实际上，多数厂家只是简单地按强度要求，将碳含量控制在3.2%左右，正确了解这一基本要求的铸造企业甚少。
    至于对铸造微观组织的要求，美国ASTMA159-83“汽车用灰铸铁件”标准中。对石墨的形态、石墨片的长度和基本组织都作了具体规定。我国和其他一些国家尚未制定相关的国家标准或行业标准。因此，铸件购买方往往未对此提出明确的要求，只按牌号要求试样的抗拉强度。这种条件下，在生产过程中认真控制显微组织的厂家很少。
    1.制动鼓的工况条件
    汽车制动鼓，制动时会因摩擦而导致温度升高，随后又会因金属的热导率而迅速冷却，在使用过程中要经过反复的加热和冷却，重型汽车的制动鼓，制动时温度可达850℃，因而摩擦表面上易于产生裂纹。这种裂纹通常称之为热疲劳裂纹、热龟裂或网状裂纹。
    一般说来，热疲劳是因为温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳。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、各微观组织组成部分的热膨胀不同，在反复加热、冷却的条件下，也会造成交变应力。
    在使用过程中，其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；
    2.石墨组织对疲劳强度的影响
    灰铸铁中，石墨组织对热疲劳裂纹的产生有非常重要的影响，主要是：
    ①如果灰铸铁中的石墨比较粗大、数量较多，则其热膨胀系数较低；
    ②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成正比。 
    因此，增加石墨量并使石墨片的尺寸较大，在相同的作业条件下，可使机体组织达到的温度降低，从而使总体的热应力较小；
    ③石墨有缓冲基体组织膨胀的作用，而且还是一种固态润滑剂。
    3.石墨形态的影响
    无论是灰铸铁还是球墨铸铁，热疲劳裂纹*初都产生于石墨的基面。灰铸铁中，裂纹沿石墨的基面发展，其方向不受金属基体晶界或珠光体取向的影响。具有A型石墨的灰铸铁，组织中的石墨片无方向性，疲劳的初期产生的裂纹时散乱分布的，因而具有较好的抵抗热疲劳裂纹的能力。因此，制动鼓铸件的显微组织中，石墨形态应该是A型。B、D、E/型石墨都会导致铸铁的力学性能降低、热疲劳性能恶化。
    球墨铸铁中，石墨的基面在球状石墨的直径方向，但球状石墨不能缓冲基体中产生的应力，会在石墨与铁素体的界面上产生裂纹。然后，再产生径向裂纹，通过铁素体壳扩展到珠光体，直到另一个石墨球。
    4.基体组织的影响
    按实验室试验的结果，珠光体基体抗疲劳裂纹的能力较强，但是，在存在大量片状石墨的情况下，基体组织对抗热疲劳性能的影响很小，可不予考虑。
有的标准中限定铁素体和碳化物的含量，主要是为了保证常温强度和硬度。
     5.对制动鼓用灰铁的质量要求
    基于以上几个方面的考虑，对制动鼓用灰铁，除按照车辆特点规定力学性能和硬度的要求外，还有以下特殊要求：
    必须规定很低碳含量以保证组织中石墨所占的体积分数，小型车制动鼓的碳含量一般为3.4%，中型车为3.5%，重型车为3.6%或3.7%。在此条件下，铸铁中的石墨所占的体积分数大致为11-12%，铸铁的导热率大约是①其基体组织的2倍；
    ②规定石墨形态为A型；
    ③不允许过于细小的石墨，规定石墨长度为2-4级或3-5级；
    ④基体以珠光体为主，要限定铁素体含量或铁素体和渗碳体的总量。
    符合上述要求的铸铁，常温强度不很高，但是抵抗热疲劳的能力很好。石墨片过于细小的灰铸铁，虽然常温强度较高，但抵抗热疲劳的能力较差。
    为使车主特殊用途的灰铸铁的常温力学性能符合规定要求，除认真控制铸铁的冶金质量和孕育处理过程外，对于强度和硬度要求较高的品种，有时不得不加入Cu、Cr、Mo等合金元素。在此情况下，应严格控制合金元素的加入量，以性能达到要求为度，过度的合金元素会使石墨细小、体积分数较少，对制动鼓的使用寿命有负面的影响。
    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结果表明，珠光体基体组织的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，对于实际应用，就必须进一步考虑其他因素的影响。由于灰铸铁达到热导率较高、热膨胀系数较低，而且片状石墨能缓冲基体组织的膨胀，在相同的使用条件下，用灰铸铁制动鼓制动时所达到的*高温度低于球墨铸铁制动鼓，其实际使用寿命高于球墨铸铁制动鼓。因此，一般不使用球墨铸铁制造制动鼓。