汽车制动鼓失效原因分析及防止措施.doc

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1、汽车制动鼓失效原因分析及防止措施赵永启 1，赵远明 2（1. 山东浩信集团机械有限公司 研发中心，山东 潍坊 261300；2. 圣泉集团股份有限公司，山东 济南 250204）摘要：根据汽车制动鼓失效的各种现象分析制动鼓失效的原因和机理。从制动鼓设计和生产工艺两方面提出相应的改进措施，并着重就高 w（C）量铸铁在制动鼓生产中的应用进行了详细的介绍。关键词：铸铁；制动鼓；开裂中图分类号：TG251.2文献标识码：A文章编号：10038345（2011）Z2006506DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2011.z2.010Failure Reason Analysis

2、and Prevention Measures of Automobile Brake DrumZHAO Yong-qi1, ZHAO Yuan-ming2（1.Research and Development Center, Machinery Co. Ltd., Shandong Haoxin Group, Weifang 261300, China；2.Jinan ShengquanGroup Co. Ltd., Jinan 250204, China）Abstract: Based on the various failure p henomena of the automobile

3、brake drum, the reason causing failure and failure mechanism was analyzed. Relevant improving measures were proposed in both respect of brake drum design and the respect of production process, and as the key point, the application of high carbon cast iron in brake drum production was introduced in d

4、etail.Key words: cast iron; brake drum; cracking汽车制动鼓是汽车的重要保安件，也是汽车日常检修中首要检查部件，根据公司三包件的反馈信 息，制动鼓失效主要有五种形式：开裂、龟裂、掉底、 磨损过大、非正常磨损。铸件失效主要从两个方面考虑，一是铸件的材 料成分和自身的强度；另一个是在一定工况条件下， 材料组织的改变而引起的力学性能的改变。一般来 说，铸件的力学性能主要取决于化学成分，又受外部 环境（温度、冷却速度等）的影响。来自蹄铁的法向压力，一个是因旋转和蹄铁离合片产生的切向力。当去掉法向压力，制动鼓和蹄铁离 合片之间的切向力也就不存在了；制动鼓和离

5、合片 摩擦产生大量的热，导致制动鼓温度升高，而离合片 和制动鼓的摩擦实际多是斑点状接触，接触面因受 摩擦产生的热使该处组织发生相变，产生相变应力， 降低了该处的抗热疲劳能力；同时，由于受热的不均 匀，温度高的部位发生了相变，温度低的部位没有变 化，而有的部位甚至尚未受到热的影响；相变产生应 力，受热的不均匀也会产生应力，这些残余应力的存 在，使得力学性能不均匀，在频繁的制动载荷作用 下，产生有一定规律的裂纹（见图 1、图 2），裂纹多呈 断续或连续状，从裂纹分布情况分析，裂纹主要是受 切向力产生的。切向力作用在制动面上，对基体有撕裂的作用，对基体造成内应力，降低了材料的热疲制动鼓的失效分析1龟

6、裂的分析制动鼓在工作时主要受两个方向的力，一个是1.1收稿日期：20110505修定日期：20110603作者简介：赵永启（1969.2-），男，山东菏泽人，毕业于山东机械学校铸造专业，主要从事铸铁材料及工艺的铸造技术工作。 题 与 对 策Problems and Countermeasures因也有两个方面：一是制动鼓材料自身强度差；二是在不合理的非正常外力作用下造成制动鼓开裂。制动鼓在工作状态下，在法兰部位因摩擦作用 产生扭转力，这个力通过螺栓联结传递到车轮起到 刹车制动的作用。当扭转力超过材料所能承受的强 度时，制动鼓便在法兰部位出现裂纹开裂，甚至掉底（图 4、图 5）。另一情况是在零部

7、件装配时，因装配配 合的不合理，造成局部应力集中，该应力的频繁作用 造成该部位破裂失效。关于磨损过大的失效磨损过大的失效主要是指制动鼓的工作带在频1.4劳强度，便产生连续或不连续的裂纹，由于裂纹不是完全与制动鼓轴线平行的，随着裂纹的不断延伸，裂 纹相互交叉连接形成网状，即通常说的龟裂，严重的 裂纹造成开裂。另一方面，灰铁制动鼓在工作状态下产生相变。 内部组织的相变主要受温度变化的影响，制动鼓工 作时产生的温度最高可达 850 900 ，这个温度 足以造成组织相变，主要发生的相变有：（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

8、 氏体；（3）奥氏体在快速冷却时转变为马氏体1。关于制动鼓开裂的问题制动鼓开裂问题应从两个方面分析，一是在制 动状态下，因材料自身强度差而受力破裂；二是在龟 裂出现后，制动鼓在热应力和相变应力的相互作用 下，由于组织相变局部引起强度降低，在制动外力频 繁作用下，裂纹不断延伸，最终造成制动鼓破裂。1.3掉底和没有出现龟裂就形成的开裂 掉底和没有出现龟裂就形成的开裂 （图 3），原1.2现代铸铁增刊662011 / 2问 题 与 对 策Problems and Countermeasures繁的制动力作用下，致使制动鼓工作带内径几何尺寸变大，壁厚变薄，影响制动效果，甚至制动失效，这 主要是制动鼓的

9、工作带硬度偏低造成的。随着新型 耐磨材料的不断研发，摩擦片的硬度也越来越高，对 制动鼓的要求（尤其是硬度要求）也相应越来越高。制动鼓裂纹的失效形成多是在制动带的工作面开始产生的，随着频繁的制动工作，裂纹从局部的应 力点逐渐延伸，最后穿过加强带造成制动鼓彻底开 裂，见图 9。表 2 为返回三包件的失效原因分析结果。由表2 可以看出，制动鼓主要的失效形式有两种：开裂和 龟裂，两者约占 90%以上。笔者通过对三包件的跟表 1 裂纹位置统计非正常磨损的失效关于非正常磨损的失效，主要是指制动鼓工作 面在蹄铁的坚硬物作用下，磨划出的沟槽，见图 6。 这种现象多是在蹄铁摩擦片铆合不合理的情况下造 成的，与制

10、动鼓的硬度也有一定的关系。1.6 去重孔和开裂失效的关系分析在三包件中，有部分开裂发生在校动平衡去重 孔上（见图 7），有部分开裂并不在去重孔部位（见图8）。为查明去重孔是否影响制动鼓的强度，笔者与三包件工作人员一起对返回的 395 件制动鼓三包件 进行了统计分析，分析结果见表 1。可以看出，裂纹 通过去重孔的约占 24%，而不通过去重孔的约占76%，因此可以认为裂纹主要和铸件的内部应力有 关，和去重孔没明显关系。1.5Tab.1Crack location statistics缺陷特征数量/件比例（）裂纹在去重孔处裂纹不在去重孔9330223.5076.50表 2制动鼓失效原因统计Tab.2

11、 Statistics of reasons causing failure of brake drum客户厂家序号小计/件所占比率（）失效特征客户 Z 客户 A 客户 Y 客户 B 客户 H 客户 F开裂116 2083 775507820243786 8021 2411729062422 0715711 054214728093421272451765001 0866750184726 4925 7641 83194733013674.6316.205.162.670.930.382龟裂掉底34 无明显失效5 非正常磨损磨损过大6现代铸铁增刊2011 / 267问 题 与 对 策Probl

12、ems and Countermeasures踪了解，由于三包件工作人员的习惯性宏观认识，把因龟裂后延续形成的开裂一并归纳到开裂缺陷内， 其实这一缺陷多是因首先龟裂而形成的，这种缺陷 约占其开裂的 80%以上，因此，关键是解决龟裂的 问题。而产生龟裂的直接原因是材料的强度降低； 根本原因是摩擦产生热，无法散热，温度升高引起相 变造成的材料应力集中。解决措施2改变形状结构和装配配合部位根据根本原因可从两个方面考虑，一是材料内 部组织必须有利于导热散热；二是铸件的外部结构 形状也必须有利于散热。由于公司属 OEM 工厂，产 品形状结构不便做更改，曾尝试与客户沟通，针对某 制动鼓结构进行小的改进（如

13、图 10），借以增加结构 强度。通过改变制动鼓和轮边的配合方式及配合部 位，减小轮边对制动鼓法兰根部的作用应力，减少该 部位（图 11 中 A 处）的应力集中，将轮边与制动鼓 的配合部位改在制动鼓的法兰盘内圆上（图 11 中 B 处），减少制动鼓的掉底失效缺陷。还可借鉴电机壳 原理，增加散热筋条和散热面。目前，某客户新开发 的制动鼓外周增加 12 条竖筋（图 12），既增加了散 热面积和强度，又可在制动鼓运转时促进空气流通， 提高散热效果，比较适用于如图 9 所示的情况。这 种结构形式铸造工艺较容易实现；从力学的角度考 虑，加强筋做成螺旋状或环形更合理，但其铸造工艺 较前一种结构有一定的难度。

14、2.2控制材料成分和净化铁液 要防止制动鼓高温失效，须满足三个条件：高强度、耐磨损、抗热疲劳。因而从控制铸件的原材料成分着手，并净化铁 液夹杂，提高材料的高温力学性能、材料的导热性和 抗热疲劳性能。2.1主要是通过铁液净化和采用合理的化学成分来得到符合要求的力学性能。为了获得纯净的铁液，首 先，在熔炼过程中选用纯净的炉料，并做好精炼除 杂；选择合理的铸造工艺，避免铸型内进渣进气，浇 注系统放置纤维过滤网或泡沫陶瓷过滤片的方式提 高进入型腔铁液的纯净度，防止铸件产生夹杂（渣） 缺陷。实践表明，玻璃纤维过滤网的效果远不如泡沫 陶瓷过滤片的过滤效果，生产中采用圣泉公司的泡沫陶瓷过滤片，质量稳定，在

15、Z148 线上生产的制动现代铸铁增刊682011 / 2问 题 与 对 策Problems and Countermeasures鼓每型使用一件，过滤块安放在横浇道上，在HWS线上生产时每型两件，过滤块安放在横浇道上，根据 过滤块的规格不同，主横浇道上安放一块，或者在分 横浇道上安放两块。在生产中都属限制元素。w（P）量偏高易形成 P 共晶，降低材料强度，因而制动鼓生产中 w（P）量应0.05%为宜。合金元素中 Cu 是弱石墨化元素，但能细化和 稳定珠光体和石墨，提高强度和硬度；Sn 属于阻碍 石墨化的元素，减少或消除铁素体，稳定且细化珠光 体，显著提高强度和硬度；Cr 是强烈阻碍石墨化的 元

16、素，促进碳化物的形成，细化石墨，细化和稳定珠 光体，促进白口，降低可切削性。当 w（Cu）量大于0.5%时，再同时加入 Sn 和 Cr，会使基体组织产生大 量硬质相，影响切削性能。生产中 Cu 的适宜加入量（质量分数）为 0.30%0.50%，w（Cr）量一般控制在0.2%0.4%, w（Sn）量控制在 0.06%0.09%。Mo 和 V 是阻碍石墨化的元素，促进碳化物和 渗碳体的生成，细化珠光体，提高强度和硬度；Mo 不 影响石墨的形态，但可细化共晶团。Ni 是促进石墨 化的元素，其能力强于 Cu，含量增加能促进奥氏体 的生成，在生产中多用于对反石墨化元素的中和作 用，防止铸件的白口化倾向。

17、这三种元素含量的控制 范围一般为：w（Mo）0.250.45%，w（V）0.1%0.25%， w（Ni）0.1%。Nb 在灰铸铁中对石墨的细化作用显著，片状石 墨变得短小、弯曲、均匀，阻碍较长片状石墨的生长， 含量较低时无明显作用，含量较高时阻碍片状石墨 的生长。w（Nb）在 0.05%以下，作用不明显，硬度和 强度不易达到要求；w（Nb）0.14%以上，力学性能也 无明显改善，其含量控制在 0.1%左右为宜。RE 在灰铁生产中能提高铸件的力学性能和耐 磨性，改善断面敏感性和断面均匀性；RE 作为孕育 剂具有较强的抗衰退性，并减小白口，但加入过量的 RE 会增大白口。通常与 75FeSi 合金

18、做成复合孕育 剂，按 0.30.5%的量以孕育的形式加入。总之，合金元素应以其复合作用配合加入，切忌追求单一作用，而寻找合金元素间的最佳配方还有高碳制动鼓的化学成分控制243根据灰铸铁的特点，在灰铸铁组织中，片状石墨特别是 A 型石墨是导热散热最好的材料。 随着 w（C）量的增加，石墨含量也随之增加，通过变质处 理可得到细致均匀的 A 型石墨，但 w（C）量的增加 会导致强度降低，可通过合金化提高材料抗拉强度 和硬度，满足制动鼓“高强度、耐磨损”要求。在此着 重论证一下关于高碳制动鼓的生产。高碳制动鼓的 w（C）量一般控制在 3.503.90%， 其它常规元素的含量分别控制在：w（Si）1.7

19、%1.9%， w（Mn）0.7%0.9%，w（S）0.06%0.09%，w（P）0.05%； 合金化多采用 Cu、Cr、Mo、V、Ni、Nb、Sn 等元素。C 和 Si 是促进石墨化的元素，随着二者含量的 增加，石墨含量增加，强度和硬度随之下降，并伴随 着有粗大石墨产生，而且石墨的导热性良好。制动 鼓生产宜选取高 w（C）量，而 w（Si）量不宜偏高，Si/C 控制在 0.5 左右为宜。Mn 和 S 都是稳定珠光体、阻碍石墨化的元素， w（Mn）量增加提高强度和硬度，因为 Mn 不仅促进 碳化物的生成，还易与 S 结合形成高熔点的化合物 作为异质核心，细化晶粒。为此，S 在高牌号灰铁中 的使用

20、范围可加大，为了确保孕育效果，一般要求铸 件中的 w（S）量不少于 0.06。另外，w（S）量提高能 使石墨形态改善，细化共晶团，石墨长度变短，端部 变钝，形态变得弯曲，减弱石墨对基体的割裂破坏作 用，提高铸铁的性能。由于w（C）量偏高，必须加强 Mn的合金化作用，在制动鼓生产中 w（Mn）量选取在0.7%0.9%为宜，w（S）量选取在 0.06%0.09%为宜。P 在铸铁中属有害元素，除特殊材料要求外，P现代铸铁增刊2011 / 269问 题 与 对 策Problems and Countermeasures石墨漂浮引起的球铁凸轮轴表面缺陷及对策沈保罗，李莉，岳昌林，张 昊（成都金顶凸轮轴铸

21、造有限公司，四川 郸县 611732）摘要：分析认为 C14T 球铁凸轮轴的凸轮表面的磁痕现象是因石墨漂浮而引起的，提出预防措施为：严格控制碳当量、适当降低浇注温度、合理使用冒口和放置冷铁。关键词：球铁；凸轮轴；石墨漂浮；磁痕中图分类号：TG250.6文献标识码：B文章编号：10038345（2011）Z2007004DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2011.z2.011Graphite Floatation-Caused Surface Defect of Ductile Iron Camshaft and Its Prevention MeasuresSHEN B

22、ao-luo，LI Li，YUE Chang-lin，ZHANG Hao（Chengdu Jinding Camshaft Foundry Co. Ltd., Pixian 611732, China）Abstract: It was considered that the magnetic mark on the cam surface of C14T ductile iron was caused by the graphite floatation, and its prevention measures were proposed as follows: strict controll

23、ing the carbon equivalent, proper decreasing pouring temperature, rational using risers and setting chills.Key words: ductile iron; graphite floatation; magnetic marks过共晶铸铁142，无论它是过共晶灰铸铁3，4，7，9，13，14或是球铁（大部分碳当量都高于 4.5%）都容易在铸收稿日期：修定日期：2011-06-032011-1023作者简介：沈保罗（1945.2-），男，毕业于清华大学铸造专业，四川大学教授，博士生导师，长期

24、从事金属材料及其铸造工艺研究工作。!待铸造工作者们进一步摸索。随着生产工艺和相关新型合金材料的不断研发成熟，蠕墨铸铁制动鼓也会呈现上升的发展趋势。结束语4根据汽车制动鼓的工况条件和对制动鼓的性能要求，普通灰铸铁和球墨铸铁在日常生产中将会逐 渐退出，在目前的生产工艺条件下，高 w（C）量铸铁 生产在不断发展，球墨铸铁和蠕墨铸铁也可用于生 产制动鼓，但球墨铸铁的高温耐热疲劳性能不如蠕 墨铸铁，蠕墨铸铁的材料性能比较适合生产制动鼓。蠕墨铸铁具有高的常温强度，良好的导热性和 热疲劳性能，在汽车配件中已有应用，如发动机缸 体、缸盖、排气歧管等，但如何控制蠕化率仍旧是蠕 墨铸铁推广应用的关键。参考文献1中国机械工程学会铸造分会.铸造手册（第一卷）铸铁（第 2 版）M.北京：机械工业出版社，2006. 2刘伟，苏勇，王东岭，等.合金元素配比对缸体性能的影响J.铸造技术，2008，（12）：17121716. 3周文斌，征灯科，华勤，等.制动盘用高碳当量灰铸铁的铌合金化J.铸造，2010，（3）：320323. 4苏勇，叶天汉，李先芬，等.高性能汽车制动鼓的研究与生产J.汽车工艺与材料，2003，（12）：3133.（编辑：周亘，Email：zhougen_）现代铸铁增刊702011 / 2