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摘要 通过对重型载货汽车失效制动鼓进行裂纹失效及热-力耦合仿真分析，发现HT250材料制动鼓由于实际工况最高应力值远大于其疲劳极限经验值，而产生热疲劳裂纹开裂失效；为此，将制动鼓材料优化为RT450，同时进行了铸造工艺优化，获得了内部质量优异的铸件，蠕铁制动鼓服役寿命超过12个月。 制动系统对汽车的安全行驶起着决定性作用，而制动器直接决定制动效果，其性能好坏对车辆及人身的安全有很大影响。制动鼓作为一种常见的制动器，因其结构简单紧凑，成本低廉，制动力矩大，广泛应用于大型载货汽车领域。目前国内外主要使用高强度灰铸铁作为制备重型载货汽车制动鼓的材料，但在使用过程中，制动鼓一般是在强摩擦、冷热交替较为复杂的恶劣环境中工作，产生热疲劳裂纹而导致制动鼓失效，严重影响对车辆的安全行驶。 1 制动鼓失效分析 如图1所示，重型载货汽车制动鼓材料为HT250，在服役过程中发生开裂失效，服役时间约为2个月，制动鼓存在径向裂纹，垂直于制动摩擦方向。如图2所示，选取制动鼓较大裂纹切割取出，并经人工打开，断面呈深灰色，表面存在锈蚀物，裂纹最深处约16 mm，根据断口纹路聚敛方向判断，裂纹源位于制动鼓内圈制动面，裂纹扩展方向中白色箭头。  图1 HT250制动鼓  图2 裂纹断口宏观分析 根据GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》评定，失效制动鼓裂纹截面金相组织石墨以粗大A型石墨为主，石墨长度级别为3级，如图3所示，基体为珠光体+约0.5%的铁素体，未见硬化相，如图4所示。对失效制动鼓进行力学性能测试，其抗拉强度Rm为272 MPa，规定塑性延伸强度Rp0.2为208 MPa，断后伸长率A为1%，符合GB/T 9439—2010《灰铸铁件》中技术规范。  图3 基体石墨微观形貌  图4 基体金相组织 从裂纹截面微观形貌观察，裂纹曲折，尾部细小，两侧耦合性较好，裂纹主要沿片状石墨扩展，具有疲劳裂纹特征（见图5）。通过对制动鼓原始裂纹起始处进行能谱分析，除基体元素Fe、Si、Mn等，该处O元素含量较高（见图6），这与原始裂纹断面存在锈蚀有关，裂纹源处未见夹渣类缺陷元素特征。  图5 原始裂纹金相组织  图6 原始裂纹起始处能谱分析 从失效制动鼓原始裂纹起始处和尾部处金相组织分析，制动鼓在疲劳载荷作用下，由于裂纹尖端应力较小，且影响区也很小；疲劳裂纹优先从表面露头的石墨片萌生，并沿石墨片方向扩展（或通过石墨片中间，或沿石墨-基体界面），裂纹离开石墨或将离开石墨时会继续沿珠光体基体条带界面（铁素体/渗碳体界面）或晶界方向扩展（见图7、8）。其与过载开裂的区别为裂纹扩展至石墨尾端与基体交界处是否存在明显的换向，在过载应力作用下，裂纹尖端应力较大，其应力影响区大于石墨间的距离；在高应力作用下，裂纹沿石墨片方向扩展（或通过石墨片中间，或沿石墨-基体界面），裂纹离开石墨或将离开石墨时会继续保持原有方向扩展。  图7 原始裂纹起始处金相组织  图8 原始裂纹尾部处金相组织 综上所述，失效制动鼓内圈制动面裂纹符合疲劳开裂特征，疲劳源位于制动鼓内圈制动摩擦面，疲劳源处未见疏松和夹渣缺陷。该制动鼓裂纹沿径向扩展，裂纹附近及内圈制动面存在多处径向疲劳裂纹，与其制动摩擦方向垂直，由此判定，失效制动鼓开裂为热疲劳裂纹。结合其服役时间均约为2个月左右判断，该制动鼓设计强度不足是导致其疲劳寿命较短的主要原因；此外，失效制动鼓组织中石墨粗大，会增加其表面应力集中系数，也会增大其发生疲劳开裂的风险。 2 制动鼓材料优化 制动鼓在实施制动过程中，会产生大量的热，制动鼓材料必须具有高的力学性能、导热性，还应有高的抗热疲劳强度。为进一步分析HT250制动鼓产生开裂失效的原因，对制动鼓运行工况进行了热-力耦合仿真分析， 设定车辆超载总重为6 0 t ， 制动初速度为4 2 km/h，热循环末速度为21 km/h，初始温度为20 ℃。通过计算从而获得与实际运行情况相贴合的热-力耦合计算，HT250材料制动鼓在完成20次热循环和1次制动仿真试验后，随着制动次数的增加，制动鼓温度逐渐升高，最高温度达到275 ℃，制动鼓最高应力值为124 MPa，HT250材料的疲劳极限经验值为85 MPa，仿真得到的最大应力值远大于疲劳极限经验值，故判定HT250材料不能满足制动鼓实际工况应用。 蠕墨铸铁的石墨形态独特，主要以近似蠕虫状存在，同时还有少量球状和团絮状石墨；蠕虫状石墨介于球状和片状石墨之间，石墨端部多圆滑，承受应力时，应力集中相对较小，使得蠕墨铸铁强度高于灰铸铁，导热性能优于球墨铸铁，具有较好的抗热疲劳性能，是生产制动鼓的理想材料。为此，制动鼓材料由原来的HT250，优化为RT450，化学成分为（质量分数）：3.4%~3.6% C、2.4%~2.6% Si、0.5%~0.6% Mn、0.5%~0.7% Cu，材料微观组织蠕化率控制在70%以上，基体组织为珠光体和铁素体的混合组织，如图9所示。材料综合力学性能，如表1所示。 表1 制动鼓综合力学性能测试   图9 RT450材料制动鼓微观组织 3 铸造工艺优化 采用呋喃树脂砂手工造型，原砂40/70目，树脂加入量1.0%~1.2%，固化剂加入量为树脂量的30%~50%。原工艺采用半封闭式浇注系统-底注工艺，一模两件（见图10a），优点为金属液充型时，由下而上，充型平稳，不易产生紊流，利于整个型腔中气体及金属液表面氧化夹渣的排出；但是由于金属液由下而上充满型腔，温度场由下而上温度递减，不利于设置补缩冒口对铸件进行补缩。为了提高铸件内部的致密性，设计了如图10b所示新工艺，经过对铸造工艺进行优化，由底注工艺优化为顶注工艺，虽然金属液充型过程从上而下易造成卷气的现象，但是由于温度场由下而上温度递增，进入金属液中的气体会迅速排出液体，进入型腔；通过在铸件顶部设计三个保温发热冒口，且将发热冒口顶部打通进行排气，不仅起到对铸件的补缩作用，且可起到排气、排渣的作用。 图10 铸造工艺 通过对原工艺和新工艺进行铸造仿真分析，可见采用半封闭式浇注系统-顶注工艺，在制动鼓端面通过均布设计三个保温发热冒口对制动鼓凝固过程进行补缩，根据缩松判据分析，铸件内部质量良好，无缩松风险，如图11所示。铸造工艺优化后，经样件试制、小批量生产，并对铸件进行了工业CT和超声波无损探伤，内部组织致密；并进行了批量装车验证，蠕铁制动鼓服役寿命超过12个月，远超原服役时间（约为2个月）。 图11 缩松判据 4 结论 （1）通过对失效制动鼓进行裂纹失效分析和热-力耦合仿真分析，在其工作工况下，制动鼓最高应力值为124 MPa，远大于HT250材料的疲劳极限经验值85 MPa，判定HT250材料不能满足制动鼓实际工况应用。 （2）通过将制动鼓材料由HT250优化为RT450，铸造工艺优化为半封闭式浇注系统-顶注工艺，设计三个保温发热冒口，对制动鼓凝固过程进行补缩，获得了内部质量优异的铸件。 （3）通过工艺优化，蠕铁制动鼓服役寿命超过12个月，远超原服役时间（约为2个月）。 作者：穆彦青，邓晗，海丰龙，潘安霞 |
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