高性能汽车制动鼓的研制与开发

上半月出版
Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ 金属铸锻焊技术
０．５３％的试样（ ２＃） 的强度明显比不加 Ｃｕ 的（ ３＃） 要 高。因此 Ｃｕ 在 Ｍｏ－Ｃｕ－Ｃｒ 试样中的作用是相当明 显的。
把 Ｍｏ－Ｃｕ－Ｃｒ 试 样 （ ２＃） 和 Ｃｕ－Ｃｒ 试 样 （ １＃） 相 比， 可以发现： 二者硬度相差不大， 而强度差别很 大。这说明 Ｃｒ 元素对材料硬度影响很大， 只要具 有一定含量的 Ｃｒ， 就能保证材料的硬度； 而 Ｍｏ 对提高灰铸铁强度具有显著影响。
１＃ ３．５１ １．６２ ０．６７ ０．０２２ ０．０５８ ０．４９ ０．６０ － １９８
２１２
２＃ ３．５０ １．７３ ０．６１ ０．０２９ ０．０５８ ０．５０ ０．５３ ０．２ １９９
２６１
３＃ ３．５３ １．８０ ０．５８ ０．０３１ ０．０６２ ０．５１ － ０．２ １９７
２４５
２８
Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ． ３
摘 要： 通过对失效汽车制动鼓的分析， 发现普通灰铸铁制动鼓较易出现磨损严重或热疲劳裂纹情况， 已不能
满足现在汽车高负荷和高速度的要求。由于石墨具有高的热传导性， 采用高 Ｃ 铸铁将会改善抗热疲劳性， 但石墨的
增加会使铸件强度下降， 在高 Ｃ 合金中加入合金 元 素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｓｎ 等）可 使 铸 件 强 度 和 抗 热 疲 劳 性 等 性 能 得 到 兼
２ 试验条件及方法
２．１ 熔炼条件 在本试验中所采用的熔化设备为中频感应电
炉， 容量为 ７５０ ｋｇ， 工厂生产所采用的熔化设备为 冲天炉。炉料为生铁、废钢、回炉料以及 Ｃｒ 铁、Ｍｏ 铁、纯 Ｓｎ 和纯 Ｃｕ 等。所有试样的出炉温度均在 １ ４３０～１ ４５０ ℃， 浇注温度为 １ ３００ ℃左右， 所采用 的 孕 育 剂 是 ７５ＳｉＦｅ， 粒 度 ６～１０ 目 ， 加 入 量 由 炉 前白口测试决定。 ２．２ 铸造工艺方案
本试验的铸造工艺方案见文献［１０］ 。
３ 试验结果及分析
从 江 淮 汽 车 制 动 鼓 的 失 效 分 析 可 知［１１］， 为 改
善制动鼓的性能以延长其工作寿命， 应当在保证
强 度（!ｂ＞２２０ ＭＰａ）的 前 提 下 ， 适 当 提 高 硬 度 （ ２００ ＨＢ 左右） ， 并同时要提高制动鼓的抗热疲劳性 ，
收稿日期： ２００７－０７－２０ 基金项目： 安徽省科研资助项目（ ０３０２２００３） 作者简介： 叶天汉（ １９６２－） ， 男， 安徽南陵人， 高级工程师；
电话： ０５５１－６７７０３８８； Ｅ－ｍａｉｌ： ｊａｃｃｏｓｔ＠１６３．ｃｏｍ
叫， 同时， 若铸铁抗热疲劳性不够， 则会在制动鼓 表面产生热疲劳裂纹。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ； ｈｉｇｈ－ｃａｒｂｏｎ ｇｒａｙ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ； ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
目前， 使用和正在研究的制动鼓材料主要有 普通灰铸铁和合金铸铁，常用的有如下二类， 其一 以普通灰铸铁 ＨＴ１５０ 和 ＨＴ２００ 为主［１］， 特点是制 动鼓鼓质较软， 硬度较低， 制动鼓的表面不会出现 亮斑， 一般无制动异响现象，但龟裂和磨损严重， 使用寿命很低， 目前此类制动鼓己满足不了新形 势下的市场需求。其二是通过加入合金元素得到 高强度合金铸铁， 世界各国所采用合金铸铁的材 料各不相同， 英、美等国主要用高 Ｃ 低合金（ Ｖ、 Ｍｏ） 铸铁［２］， 前苏联采用 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ 合金铸铁［３］， 德 国则采用 Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｎ 合金铸铁［３］。这类制动鼓研制 的出发点大多在于提高铸铁的强度、硬度和耐磨 性， 虽能使制动鼓的表面磨损大幅降低， 但若铸件 成分和合金元素选择不当， 容易在制动鼓的表面 出现亮斑， 而亮斑的出现又将导致制动异响或尖
Ｃｕ 是较温和的 促进石墨化 元素［８］， 它 能 细 化 石墨并使石墨均匀分布， 亦能使珠光体细化， 机械 性能增强。并且 Ｃｕ 的加入可有效的提高铸铁的 耐磨性和耐蚀性，也可提高铁水的流动性，显著改 善铸造性能。
微量的 Ｓｎ 可作为珠光体促成剂来抑制铁素 体的形成 ［９］， 其作用十倍于铜。因为 Ｓｎ 的加入可 促进石墨呈 Ａ 型分布， 所以它可以用于提高铸铁 的强度、硬度以及耐磨性； 并对于促进组织的均匀 性和耐磨性有明显的作用； 并且 Ｓｎ 合金化的最 大特点在于控制 其含量的 情况下（ ｗ（Ｓｎ）≤０．１％） 不会形成游离碳化物，从而可以加入微量的 Ｓｎ 以 提高制动鼓的使用性能。
由此可知， 既要提高制动鼓材质的耐磨性，又 要保证不出现亮斑和龟裂， 并使其使用寿命大幅 度提高是本研究的关键所在。
１ 合金元素的选择及作用
灰铸铁具有一定的强度、良好的耐磨性和高 的 抗 热 疲 劳 性［４］， 材 料 和 制 造 成 本 都 较 低 ， 因 此 ， 长期以来一直是汽车制动鼓（ 盘） 使用的材料。但 随着汽车向高速重载方向发展， 普通灰铁材质制 动鼓的耐磨性能逐渐不能满足要求。对汽车制动 器摩 擦磨损性 能 的 研 究 表 明［５］： 汽 车 提 速 后，使 得 汽车制动器摩擦副的滑动速度和比压增加， 因此 在制动过程中使得汽车制动鼓的温度上升， 导致 汽车制动鼓磨损加剧，摩擦系数下降，影响汽车的 制动性能和安全。诚然，增加汽车制动鼓的硬度可 提高其耐磨性， 但过高的硬度会降低制动鼓的摩 擦 系 数，为 了 兼 顾 二 者，对 制 动 鼓 的 材 料 成 分 、组 织
Ｃｒ 的加 入 ， 是 为 了 确 保 珠 光 体 基 体 和 抵 消 Ｍｏ 的促进铁素体形成倾向［２］； 含铬量的提高不仅 保证了铸件珠光体的含量， 而且使得以前波动很 大的硬度趋向稳定［７］。然而， Ｃｒ 是反石墨化元素［６］， 在促进珠光体形成的同时， 也有形成硬质碳化物 的倾向（ 特别是在铸件的边缘部分） ， 这就带来了 机械加工方面的问题。
同时， 随着汽车载重和速度的增加， 使得所需 要 的 制 动 鼓 材 料 应 当 发 展 成 同 时 具 有 高 强 度 、高 抗热疲劳性和良好的耐磨性。抗热疲劳性随着石 墨含量的增加而增加， 强度则因石墨片的改善或 随珠光体的增加而增加［６］。石墨的含 量主要取决 于 Ｃ 含量， 但也受 Ｓｉ 和 Ｃｕ 及 Ｓｎ 的小范围影响。 石墨片的形状和大小， 以及珠光体的强度受到其 他合金的影响， 特别是 Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ 和 Ｓｎ。
ＹＥ Ｔｉａｎｈａｎ １， ＳＵ Ｙｏｎｇ ２， ＣＨＥＮ Ｙｉｑｉｎｇ２， ＨＵＡＮＧ Ｇｕａｎｇｗｅｉ１， ＺＨＥＮ Ｊｉａｆｕ１
（１． Ｊｉａｎｇｈｕａｉ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈｅｆｅｉ ２３１１３７，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｆｅｉ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９， Ｃｈｉｎａ）
由于 Ｍｏ 的价格较贵， 许多工厂常采用在灰 铸 铁 中 加 入 Ｃｕ－Ｃｒ 元 素 ， 但 应 注 意 的 是 ， 对 于 ＨＴ２５０ 铸 铁 ， 为 获 得 足 够 的 强 度 ， 往 往 需 要 加 入 较多的 Ｃｒ 元素， 而这经常会使材料硬度超标， 导 致制动鼓后续机加工困难以及在制动时出现制动 异响现象。为此， 进行了如下试验。 ３．２ 高 Ｃ 含 Ｓｎ 铸件
证。由于石墨在铸铁中热传导性能最好， 随着 Ｃ 含
量的增加， 石墨含量也随之增加， 这样有利于制动
鼓的散热， 从而减少珠光体发生相变的可能性。高
Ｃ 带来的强度与硬度下降问题由合金化来解决。
３．１ 高 Ｃ 含 Ｍｏ 铸件
为保证制动鼓的高散热性， Ｃ 含量 （ 质量分
数， ％） 由 ＨＴ２００ 和ＨＴ２５０ 的 ３．１ 左右提高到现在
尤其值得注意的是， 为防止制动鼓表面产生亮斑
和黑斑， 必须提高制动鼓的散热性。
因此采用的方法如下： ①加入合金元素。合金
元素的添加会增加珠光体的含量并能细化珠光体，
从而可以确保制动鼓必要的强度与硬度。②提高 Ｃ 含量。不能根据牌号 ＨＴ２００ 或 ＨＴ２５０ 给出的 Ｃ 含 量来生产铸件， 否则制动鼓的散热性将得不到保
顾， 从而使制动鼓的使用寿命得到大幅度提高。
关键词： 制动鼓； 高 １
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００８）０３－００２７－０３
Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｂｒ ａｋｅ Ｄｒ ｕｍ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒ ｏｖｅｄ Ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ
３．５ 左右。若不添加合金元素， 则不能保证材料的
强度和硬度。为此， 通过加入一些反石墨化元素以
得到较好的综合性能。
表 １ 为 高 Ｃ 含 Ｍｏ 试 样 的 化 学 成 分 及 力 学 性能， 从 ２＃ 和 ３＃ 对比 可以看出， 这 二者的强 度和
硬度都达到了预定的目标； 同时也可看到， 在其他
化学成分和硬度相差不大的情况下， 加入 ｗ（Ｃｕ）＝
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● 铸造技术 ●
Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ 金属铸锻焊技术
高性能汽车制动鼓的研制与开发
叶天汉 １， 苏 勇 ２， 陈翌庆 ２， 黄光伟 １， 郑家福 １ （ １． 合肥江淮铸造有限责任公司， 安徽 合肥 ２３１１３７ ； ２． 合肥工业大学 材料学院， 安徽 合肥 ２３０００９）
Ｍｏ 是提高灰铸铁强度最有效的合金元素之 一［６］， 同时也是较温和的反石墨化元素， 具有 较温 和的碳化物形成作用， 对石墨有阻碍作用。可以细 化珠光体， 亦能细化石墨， 从而改善石墨片提高珠 光体灰铸铁的强度， 在改善石墨片时并不减少石 墨片的细小空间［２］。因此， 在高碳铸铁中加入 Ｍｏ， 就可生产出既有高的强度又有高抗热疲劳性的铸 件。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍｓ， ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｈａｄ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｓｅｒｉｏｕｓ ｗｅａｒ ｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｏｄａｙ＇ｓ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ． Ｂｙ ｖｉｒｔｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ， ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｃａｒｂｏｎ ｃａｓｔ ｉｒｏｎ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｂｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ａｄｄｉｎｇ Ｃｒ， Ｍｏ， Ｃｕ， Ｓｎ ｉｎ ｈｉｇｈ－ｃａｒｂｏｎ ｇｒａｙ ｉｒｏｎ， ａ ｂａｌａｎｃｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｒａｋｅ ｄｒｕｍ ｃａｎ ｌａｒｇｅｌｙ ｐｒｏｌｏｎｇ．