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原创 张士鹏 铸造工程 2021-12-24 16:40 编辑导语：从模拟试验的角度出发，分析了制动鼓在循环刹车、受热冷却过程中基体组织的变化情况，说明了裂纹位置处的铁素体超标和石墨粗大产生的原因，得出了长时间使用的制动鼓基体组织转变的一般规律，指出制动鼓基体组织的变化是导致其力学性能下降、产生裂纹、引起失效现象的根本原因。 图片 制动鼓和制动盘是汽车保安件，使用中更换较快，有很大的市场需求。但近几年来，载重车制动鼓开裂成了汽车制动过程中突出的安全问题，其中制动鼓在开裂后基体组织“铁素体超标”成了制动鼓生产商和汽车主机厂争论的焦点问题。 国内某些观点认为，制动鼓在使用过程中，其基体组织可能发生多种转变：（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；（3）奥氏体冷却时变为马氏体。 某主机厂以此为依据提出：制动鼓在制动过程中所达到的温度在600～700 ℃不可能达到800 ℃，不认为开裂的制动鼓“铁素体超标”是使用过程中产生的，而是供应商的产品质量不合格导致的；刹车动作完成后，制动鼓在空气中是快冷的状态，而且是在共析温度线以下，不会产生铁素体。而供应商对制动鼓出厂质量要求珠光体含量＞95%、铁素体+自由渗碳体＜5%，不认为是自己的产品质量不合格。看似难以协调统一的问题其实在于：第一，双方均未考虑制动鼓的成分和性能；第二，供应商及主机厂均没有对制动鼓在刹车中的基体组织变化情况进行研究。 图片 1 制动鼓试样受热试验方案 图片 首先在同一制动鼓的刹车面取若干样块，检测化学成分见表1、金相组织如图1。 表1 制动鼓的化学成分（质量分数，%） 图片 图片 图1 制动鼓的金相组织（100×），珠光体：97% 然后，分以下几组进行试验： （1）试样1在520 ℃温度下保温3 h，出炉空冷。 （2）试样2在520 ℃温度下保温3 h，出炉空冷；冷却至室温后再次保温3 h，出炉空冷（循环2次）。 （3）试样3在520 ℃温度下保温3 h，出炉空冷；冷却至室温后再次保温3 h，出炉空冷（循环3次）。 （4）试样4在620 ℃温度下保温3 h，出炉空冷。 （5）试样5在620 ℃温度下保温3 h，出炉空冷；冷却至室温后再次保温3 h，出炉空冷（循环2次）。 （6）试样6在620 ℃温度下保温3 h，出炉空冷；冷却至室温后再次保温3 h，出炉空冷（循环3次）。 图片 2 试样金相组织变化与分析 图片 2.1 520 ℃下金相组织的变化 样块1～3在520 ℃温度下的几组试验，基体组织都未见太大变化，金相组织如图2所示。 图片 图2 试样3的金相组织（100×）,珠光体：96% 2.2 620 ℃下金相组织的变化 试样4～6在620 ℃温度下的几组试验，基体组织发生了不同变化，金相组织如图3～5。 图片 图3 试样4的金相组织（100×），珠光体：78% 图片 图4 试样5的金相组织（100×），珠光体：25% 图片 图5 试样6的金相组织（100×），珠光体：12% 由图可见，试样在较高温度（620 ℃）下受热后再空冷的过程中，金相组织发生了变化，而且随着循环次数的增多，珠光体组织分解得越多，同时石墨变得越来越粗大。那么，在刹车过程中循环刹车也一样，当某个部位的珠光体分解形成铁素体和石墨后，再次刹车时，由于铁素体的抗拉强度比较低，便可能产生裂纹，而裂纹会沿着石墨的方向扩大，最终导致制动鼓开裂。 2.3 试样金相组织变化分析 同许多金属材料一样，铸铁的金属基体在高温氧化性气氛下会发生氧化，铸铁的氧化是金属基体的氧化和石墨的氧化烧损的综合结果，且两种氧化是相互影响的。 铸铁在高温工作时，会发生不同程度的脱碳，在这一层的石墨被烧掉，基体中的碳也被氧化。灰铁中石墨呈片状，在共晶团内连在一起，共晶团间也基本相连，它成为氧进入金属内部的通道（氧渗入的通道是氧化膜中金属与石墨边界的微裂纹、金属中的微孔隙、石墨烧损残留的孔洞等）；当反复加热与冷却时，由于相变应力使石墨与金属之间产生微裂纹，使得内部氧化加剧；伴随温度的升高，珠光体的粒状化过程加速。另外，珠光体中的渗碳体是不稳定的，在有足够高的温度和时间时，则要分解成铁素体和石墨。而且保温时间越长，则石墨进化的越充分。这时共析渗碳体分解成的二次石墨，向原有的石墨表面扩散、聚集，形成包围原有石墨周围的石墨外壳，使原来的石墨变得粗大。 在共析转变温度范围以下加热会发生共析渗碳的粒状化和石墨化，即片状珠光体转化成粒状珠光体和共析渗碳体，最终转化成铁素体和石墨。 同时市场上出现了高碳（C%:3.6～3.8）和高硅碳比（Si/C为0.67～0.75）两种材质的制动鼓。高碳材质是在有相当数量的A型石墨的前提下，有较高的导热性和散热性；高硅碳比是在一定的碳当量下做到较高的硅碳比，可以提高材料的共析转变温度，降低材料的热裂倾向。目前很多厂家都盲目照搬某项要求，是不妥当的。笔者认为应该根据载重车的车总重（车重和货物总重）以及长期行驶的路段（需刹车的下滑路段距离）来做耐磨和热裂的实验，最终确定适合车型的制动鼓材质和性能要求。 图片 3 结语 图片 载重车制动鼓刹车中基体组织的分解温度比较接近共析温度，低于共析温度过多，基体组织没有太大的变化；载重车制动鼓在刹车过程中的基体组织不是一成不变的，随着温度的提高和刹车次数的增加，珠光体的粒状化加剧，同时珠光体中的渗碳体会分解为铁素体和石墨，由此导致制动鼓裂纹延展而失效。但是，要认识到的是，如果裂纹位置处没有明显的石墨粗大和大量铁素体产生，若发生制动鼓失效则是其本身的强度和硬度存在不足，并不能因为出现裂纹就将责任推脱于组织变化。 |
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