汽車制動鼓失效原因分析及防止措施

1、汽車制動鼓失效原因分析及防止措施趙永啟 1，趙遠(yuǎn)明 2（1. 山東浩信集團機械有限公司 研發(fā)中心，山東 濰坊 261300；2. 圣泉集團股份有限公司，山東 濟南 250204）摘要：根據(jù)汽車制動鼓失效的各種現(xiàn)象分析制動鼓失效的原因和機理。從制動鼓設(shè)計和生產(chǎn)工藝兩方面提出相應(yīng)的改進措施，并著重就高 w（c）量鑄鐵在制動鼓生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞：鑄鐵；制動鼓；開裂中圖分類號：tg251.2文獻標(biāo)識碼：a文章編號：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汽車制動鼓是汽車的重要保安件，也是汽車日常檢修中首要檢查部件，根據(jù)公司三包件的反饋信 息，制動鼓失效主要有五種形式：開裂、龜裂、掉底、 磨損過大、非正常磨損。鑄件失效主要從兩個方面考慮，一是鑄件的材 料成分和自身的強度；另一個是在一定工況條件下， 材料組織的改變而引起的力學(xué)性能的改變。一般來 說，鑄件的力學(xué)性能主要取決于化學(xué)成分，又受外部 環(huán)境（溫度、冷卻速度等）的影響。來自蹄鐵的法向壓力，一個是因旋轉(zhuǎn)和蹄鐵離合片產(chǎn)生的切向力。當(dāng)去掉法向壓力，制動鼓和蹄鐵離 合片之間的切向力也就不存在了；制動鼓和離

5、合片 摩擦產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致制動鼓溫度升高，而離合片 和制動鼓的摩擦實際多是斑點狀接觸，接觸面因受 摩擦產(chǎn)生的熱使該處組織發(fā)生相變，產(chǎn)生相變應(yīng)力， 降低了該處的抗熱疲勞能力；同時，由于受熱的不均 勻，溫度高的部位發(fā)生了相變，溫度低的部位沒有變 化，而有的部位甚至尚未受到熱的影響；相變產(chǎn)生應(yīng) 力，受熱的不均勻也會產(chǎn)生應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力的存 在，使得力學(xué)性能不均勻，在頻繁的制動載荷作用 下，產(chǎn)生有一定規(guī)律的裂紋（見圖 1、圖 2），裂紋多呈 斷續(xù)或連續(xù)狀，從裂紋分布情況分析，裂紋主要是受 切向力產(chǎn)生的。切向力作用在制動面上，對基體有撕裂的作用，對基體造成內(nèi)應(yīng)力，降低了材料的熱疲制動鼓的失效分析1龜

6、裂的分析制動鼓在工作時主要受兩個方向的力，一個是1.1收稿日期：20110505修定日期：20110603作者簡介：趙永啟（1969.2-），男，山東菏澤人，畢業(yè)于山東機械學(xué)校鑄造專業(yè)，主要從事鑄鐵材料及工藝的鑄造技術(shù)工作。 題 與 對 策problems and countermeasures因也有兩個方面：一是制動鼓材料自身強度差；二是在不合理的非正常外力作用下造成制動鼓開裂。制動鼓在工作狀態(tài)下，在法蘭部位因摩擦作用 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，這個力通過螺栓聯(lián)結(jié)傳遞到車輪起到 剎車制動的作用。當(dāng)扭轉(zhuǎn)力超過材料所能承受的強 度時，制動鼓便在法蘭部位出現(xiàn)裂紋開裂，甚至掉底（圖 4、圖 5）。另一情況是在零部

7、件裝配時，因裝配配 合的不合理，造成局部應(yīng)力集中，該應(yīng)力的頻繁作用 造成該部位破裂失效。關(guān)于磨損過大的失效磨損過大的失效主要是指制動鼓的工作帶在頻1.4勞強度，便產(chǎn)生連續(xù)或不連續(xù)的裂紋，由于裂紋不是完全與制動鼓軸線平行的，隨著裂紋的不斷延伸，裂 紋相互交叉連接形成網(wǎng)狀，即通常說的龜裂，嚴(yán)重的 裂紋造成開裂。另一方面，灰鐵制動鼓在工作狀態(tài)下產(chǎn)生相變。 內(nèi)部組織的相變主要受溫度變化的影響，制動鼓工 作時產(chǎn)生的溫度最高可達 850 900 ，這個溫度 足以造成組織相變，主要發(fā)生的相變有：（1）在 800附近或略低于 800 ，共晶碳化物分解為石墨和鐵素體；（2）珠光體和鐵素體在 800 以上轉(zhuǎn)變?yōu)閵W

8、 氏體；（3）奧氏體在快速冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體1。關(guān)于制動鼓開裂的問題制動鼓開裂問題應(yīng)從兩個方面分析，一是在制 動狀態(tài)下，因材料自身強度差而受力破裂；二是在龜 裂出現(xiàn)后，制動鼓在熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的相互作用 下，由于組織相變局部引起強度降低，在制動外力頻 繁作用下，裂紋不斷延伸，最終造成制動鼓破裂。1.3掉底和沒有出現(xiàn)龜裂就形成的開裂 掉底和沒有出現(xiàn)龜裂就形成的開裂 （圖 3），原1.2現(xiàn)代鑄鐵增刊662011 / 2問 題 與 對 策problems and countermeasures繁的制動力作用下，致使制動鼓工作帶內(nèi)徑幾何尺寸變大，壁厚變薄，影響制動效果，甚至制動失效，這 主要是制動鼓的

9、工作帶硬度偏低造成的。隨著新型 耐磨材料的不斷研發(fā)，摩擦片的硬度也越來越高，對 制動鼓的要求（尤其是硬度要求）也相應(yīng)越來越高。制動鼓裂紋的失效形成多是在制動帶的工作面開始產(chǎn)生的，隨著頻繁的制動工作，裂紋從局部的應(yīng) 力點逐漸延伸，最后穿過加強帶造成制動鼓徹底開 裂，見圖 9。表 2 為返回三包件的失效原因分析結(jié)果。由表2 可以看出，制動鼓主要的失效形式有兩種：開裂和 龜裂，兩者約占 90%以上。筆者通過對三包件的跟表 1 裂紋位置統(tǒng)計非正常磨損的失效關(guān)于非正常磨損的失效，主要是指制動鼓工作 面在蹄鐵的堅硬物作用下，磨劃出的溝槽，見圖 6。 這種現(xiàn)象多是在蹄鐵摩擦片鉚合不合理的情況下造 成的，與制

10、動鼓的硬度也有一定的關(guān)系。1.6 去重孔和開裂失效的關(guān)系分析在三包件中，有部分開裂發(fā)生在校動平衡去重 孔上（見圖 7），有部分開裂并不在去重孔部位（見圖8）。為查明去重孔是否影響制動鼓的強度，筆者與三包件工作人員一起對返回的 395 件制動鼓三包件 進行了統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表 1?？梢钥闯?，裂紋 通過去重孔的約占 24%，而不通過去重孔的約占76%，因此可以認(rèn)為裂紋主要和鑄件的內(nèi)部應(yīng)力有 關(guān)，和去重孔沒明顯關(guān)系。1.5tab.1crack location statistics缺陷特征數(shù)量/件比例（）裂紋在去重孔處裂紋不在去重孔9330223.5076.50表 2制動鼓失效原因統(tǒng)計tab.2

11、 statistics of reasons causing failure of brake drum客戶廠家序號小計/件所占比率（）失效特征客戶 z 客戶 a 客戶 y 客戶 b 客戶 h 客戶 f開裂116 2083 775507820243786 8021 2411729062422 0715711 054214728093421272451765001 0866750184726 4925 7641 83194733013674.6316.205.162.670.930.382龜裂掉底34 無明顯失效5 非正常磨損磨損過大6現(xiàn)代鑄鐵增刊2011 / 267問 題 與 對 策probl

12、ems and countermeasures蹤了解，由于三包件工作人員的習(xí)慣性宏觀認(rèn)識，把因龜裂后延續(xù)形成的開裂一并歸納到開裂缺陷內(nèi)， 其實這一缺陷多是因首先龜裂而形成的，這種缺陷 約占其開裂的 80%以上，因此，關(guān)鍵是解決龜裂的 問題。而產(chǎn)生龜裂的直接原因是材料的強度降低； 根本原因是摩擦產(chǎn)生熱，無法散熱，溫度升高引起相 變造成的材料應(yīng)力集中。解決措施2改變形狀結(jié)構(gòu)和裝配配合部位根據(jù)根本原因可從兩個方面考慮，一是材料內(nèi) 部組織必須有利于導(dǎo)熱散熱；二是鑄件的外部結(jié)構(gòu) 形狀也必須有利于散熱。由于公司屬 oem 工廠，產(chǎn) 品形狀結(jié)構(gòu)不便做更改，曾嘗試與客戶溝通，針對某 制動鼓結(jié)構(gòu)進行小的改進（如

13、圖 10），借以增加結(jié)構(gòu) 強度。通過改變制動鼓和輪邊的配合方式及配合部 位，減小輪邊對制動鼓法蘭根部的作用應(yīng)力，減少該 部位（圖 11 中 a 處）的應(yīng)力集中，將輪邊與制動鼓 的配合部位改在制動鼓的法蘭盤內(nèi)圓上（圖 11 中 b 處），減少制動鼓的掉底失效缺陷。還可借鑒電機殼 原理，增加散熱筋條和散熱面。目前，某客戶新開發(fā) 的制動鼓外周增加 12 條豎筋（圖 12），既增加了散 熱面積和強度，又可在制動鼓運轉(zhuǎn)時促進空氣流通， 提高散熱效果，比較適用于如圖 9 所示的情況。這 種結(jié)構(gòu)形式鑄造工藝較容易實現(xiàn)；從力學(xué)的角度考 慮，加強筋做成螺旋狀或環(huán)形更合理，但其鑄造工藝 較前一種結(jié)構(gòu)有一定的難度。

14、2.2控制材料成分和凈化鐵液 要防止制動鼓高溫失效，須滿足三個條件：高強度、耐磨損、抗熱疲勞。因而從控制鑄件的原材料成分著手，并凈化鐵 液夾雜，提高材料的高溫力學(xué)性能、材料的導(dǎo)熱性和 抗熱疲勞性能。2.1主要是通過鐵液凈化和采用合理的化學(xué)成分來得到符合要求的力學(xué)性能。為了獲得純凈的鐵液，首 先，在熔煉過程中選用純凈的爐料，并做好精煉除 雜；選擇合理的鑄造工藝，避免鑄型內(nèi)進渣進氣，澆 注系統(tǒng)放置纖維過濾網(wǎng)或泡沫陶瓷過濾片的方式提 高進入型腔鐵液的純凈度，防止鑄件產(chǎn)生夾雜（渣） 缺陷。實踐表明，玻璃纖維過濾網(wǎng)的效果遠(yuǎn)不如泡沫 陶瓷過濾片的過濾效果，生產(chǎn)中采用圣泉公司的泡沫陶瓷過濾片，質(zhì)量穩(wěn)定，在

15、z148 線上生產(chǎn)的制動現(xiàn)代鑄鐵增刊682011 / 2問 題 與 對 策problems and countermeasures鼓每型使用一件，過濾塊安放在橫澆道上，在hws線上生產(chǎn)時每型兩件，過濾塊安放在橫澆道上，根據(jù) 過濾塊的規(guī)格不同，主橫澆道上安放一塊，或者在分 橫澆道上安放兩塊。在生產(chǎn)中都屬限制元素。w（p）量偏高易形成 p 共晶，降低材料強度，因而制動鼓生產(chǎn)中 w（p）量應(yīng)0.05%為宜。合金元素中 cu 是弱石墨化元素，但能細(xì)化和 穩(wěn)定珠光體和石墨，提高強度和硬度；sn 屬于阻礙 石墨化的元素，減少或消除鐵素體，穩(wěn)定且細(xì)化珠光 體，顯著提高強度和硬度；cr 是強烈阻礙石墨化的 元

16、素，促進碳化物的形成，細(xì)化石墨，細(xì)化和穩(wěn)定珠 光體，促進白口，降低可切削性。當(dāng) w（cu）量大于0.5%時，再同時加入 sn 和 cr，會使基體組織產(chǎn)生大 量硬質(zhì)相，影響切削性能。生產(chǎn)中 cu 的適宜加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 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 是阻礙石墨化的元素，促進碳化物和 滲碳體的生成，細(xì)化珠光體，提高強度和硬度；mo 不 影響石墨的形態(tài)，但可細(xì)化共晶團。ni 是促進石墨 化的元素，其能力強于 cu，含量增加能促進奧氏體 的生成，在生產(chǎn)中多用于對反石墨化元素的中和作 用，防止鑄件的白口化傾向。

17、這三種元素含量的控制 范圍一般為：w（mo）0.250.45%，w（v）0.1%0.25%， w（ni）0.1%。nb 在灰鑄鐵中對石墨的細(xì)化作用顯著，片狀石 墨變得短小、彎曲、均勻，阻礙較長片狀石墨的生長， 含量較低時無明顯作用，含量較高時阻礙片狀石墨 的生長。w（nb）在 0.05%以下，作用不明顯，硬度和 強度不易達到要求；w（nb）0.14%以上，力學(xué)性能也 無明顯改善，其含量控制在 0.1%左右為宜。re 在灰鐵生產(chǎn)中能提高鑄件的力學(xué)性能和耐 磨性，改善斷面敏感性和斷面均勻性；re 作為孕育 劑具有較強的抗衰退性，并減小白口，但加入過量的 re 會增大白口。通常與 75fesi 合金

18、做成復(fù)合孕育 劑，按 0.30.5%的量以孕育的形式加入。總之，合金元素應(yīng)以其復(fù)合作用配合加入，切忌追求單一作用，而尋找合金元素間的最佳配方還有高碳制動鼓的化學(xué)成分控制243根據(jù)灰鑄鐵的特點，在灰鑄鐵組織中，片狀石墨特別是 a 型石墨是導(dǎo)熱散熱最好的材料。 隨著 w（c）量的增加，石墨含量也隨之增加，通過變質(zhì)處 理可得到細(xì)致均勻的 a 型石墨，但 w（c）量的增加 會導(dǎo)致強度降低，可通過合金化提高材料抗拉強度 和硬度，滿足制動鼓“高強度、耐磨損”要求。在此著 重論證一下關(guān)于高碳制動鼓的生產(chǎn)。高碳制動鼓的 w（c）量一般控制在 3.503.90%， 其它常規(guī)元素的含量分別控制在：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 是促進石墨化的元素，隨著二者含量的 增加，石墨含量增加，強度和硬度隨之下降，并伴隨 著有粗大石墨產(chǎn)生，而且石墨的導(dǎo)熱性良好。制動 鼓生產(chǎn)宜選取高 w（c）量，而 w（si）量不宜偏高，si/c 控制在 0.5 左右為宜。mn 和 s 都是穩(wěn)定珠光體、阻礙石墨化的元素， w（mn）量增加提高強度和硬度，因為 mn 不僅促進 碳化物的生成，還易與 s 結(jié)合形成高熔點的化合物 作為異質(zhì)核心，細(xì)化晶粒。為此，s 在高牌號灰鐵中 的使用

20、范圍可加大，為了確保孕育效果，一般要求鑄 件中的 w（s）量不少于 0.06。另外，w（s）量提高能 使石墨形態(tài)改善，細(xì)化共晶團，石墨長度變短，端部 變鈍，形態(tài)變得彎曲，減弱石墨對基體的割裂破壞作 用，提高鑄鐵的性能。由于w（c）量偏高，必須加強 mn的合金化作用，在制動鼓生產(chǎn)中 w（mn）量選取在0.7%0.9%為宜，w（s）量選取在 0.06%0.09%為宜。p 在鑄鐵中屬有害元素，除特殊材料要求外，p現(xiàn)代鑄鐵增刊2011 / 269問 題 與 對 策problems and countermeasures石墨漂浮引起的球鐵凸輪軸表面缺陷及對策沈保羅，李莉，岳昌林，張 昊（成都金頂凸輪軸鑄

21、造有限公司，四川 鄲縣 611732）摘要：分析認(rèn)為 c14t 球鐵凸輪軸的凸輪表面的磁痕現(xiàn)象是因石墨漂浮而引起的，提出預(yù)防措施為：嚴(yán)格控制碳當(dāng)量、適當(dāng)降低澆注溫度、合理使用冒口和放置冷鐵。關(guān)鍵詞：球鐵；凸輪軸；石墨漂??；磁痕中圖分類號：tg250.6文獻標(biāo)識碼：b文章編號：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 controlling the carbon equivalent, proper decreasing pouring temperature, rational using risers and setting chills.key