高碳制動鼓摩擦磨損性能

元亞莎，王文焱，袁留偉，謝敬佩，許開輝

（1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

高碳制動鼓摩擦磨損性能

元亞莎1，王文焱1，袁留偉2，謝敬佩1，許開輝1

（1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

針對鑄鐵材料在汽車制動鼓應用中出現(xiàn)的失效情況，運用掃描電子顯微鏡和摩擦磨損試驗機，研究了在不同的摩擦磨損參數(shù)條件下HT250和高碳灰鐵的摩擦磨損性能；并結合其金相組織和力學性能，探討了材料微觀組織和性能的關系以及其摩擦磨損機理。研究結果表明：高碳當量的灰鑄鐵和HT250在石墨形態(tài)上相似，石墨均為A級，長條狀；抗拉強度分別為220 MPa和273 MPa。通過進行摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn)：在不同的摩擦磨損條件下，高碳灰鐵的耐磨性優(yōu)于HT250。

制動鼓；高碳；磨損；耐磨性

0 引言

制動鼓就是鼓式剎車系統(tǒng)的一部分，剎車時，活塞對兩對半月型的剎車蹄片施加壓力，使其貼緊鼓室內(nèi)壁，從而產(chǎn)生摩擦來停止車輪的旋轉(zhuǎn)［1］。中國是一個多山的國家［2］，道路大都是根據(jù)自然地理條件修筑，且很多道路修筑在崇山峻嶺之中［3］。受地形、地質(zhì)條件的限制，其中坡道占相當大比例［4－7］。引發(fā)交通事故的因素是多方面的，但車輛制動系統(tǒng)摩擦磨損性能降低是其中一個主要的原因。目前，制造制動鼓的材料主要是普通的灰鑄鐵，但隨著汽車向高速重載方向發(fā)展，普通灰鐵材質(zhì)制動鼓的耐磨性能逐漸不能滿足要求［8－10］。采用高碳當量灰鑄鐵維持鑄鐵的鑄造性能的同時，又設法提高高碳當量灰鑄鐵的摩擦磨損性能，是當前灰鑄鐵研究及生產(chǎn)領域的一個較活躍課題，高碳當量灰鑄鐵是指碳當量在共晶點附近的灰鑄鐵，高碳當量灰鑄鐵使這類灰鑄鐵擁有更好的鑄造工藝性能，但通常也降低了他的強度。本文就是從基本力學性能出發(fā)，研究高碳當量灰鑄鐵的摩擦磨損性能。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料是在某鑄造廠生產(chǎn)的制動鼓上直接切取鑄鐵試樣。試樣的化學成分通過直讀光譜儀分析記錄。本文選取的鑄鐵試樣有兩種，分別是高碳灰鐵和HT250。它們的化學成分如表1所示，通過鉬絲切割機將兩種材料各切3根相同的拉伸試樣（標準試樣），在SHIMADZU（島津）AG-I250KN精密萬能電子拉伸試驗機上對調(diào)質(zhì)后的試樣進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm／s；其次，通過對制動鼓實際工況的考察和模擬計算，對磨材質(zhì)為GCr15；半徑為80 mm，洛氏硬度在60HRC以上，設定試驗參數(shù)，對兩種材質(zhì)的鑄鐵銷試樣分組后在型號為MMS-1G高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機上做摩擦磨損試驗（試樣從試塊中取出，加工成銷（標準試樣））。試驗取定線速為20 m／s，改變加載載荷與加載時間，參數(shù)分別為：100 N，600 s；100 N，900 s；100 N，1 200 s；150 N，600 s。分別將拉伸后、摩擦磨損后的試樣在超聲波發(fā)生器中用酒精清洗，烘干，通過SM-5610LV掃描電子顯微鏡觀察其拉伸斷口形貌和摩擦磨損形貌。

表1 制動鼓化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2 試驗結果與討論

2.1 兩種鑄鐵材料的石墨形態(tài)

圖1是兩種鑄鐵材料在掃描電子顯微鏡（SEM）下放大100倍的顯微組織圖。從圖1中可以看出：HT250石墨為均勻分布的A型石墨（見圖1a），石墨長度約為0.10～0.25 mm，按石墨數(shù)量評定為6級；高碳灰鐵的顯微組織圖與HT250的大致相同，石墨為均勻分布的A型石墨，但石墨片較HT250更細化，片更長且尖（見圖1b）。

圖1 兩種鑄鐵的石墨形態(tài)圖

2.2 兩種鑄鐵材料的力學性能分析

由試驗得出HT250、高碳灰鐵的抗拉強度分別為273 MPa、220 MPa，延伸率分別為3.0%、1.7%。與HT250相比，高碳灰鐵的抗拉強度和延伸率稍有降低。對灰鑄鐵而言，高碳灰鐵的抗拉強度低于HT250。分析其原因，結合圖1各鑄鐵的石墨形態(tài)可知：灰鑄鐵的石墨形態(tài)為片狀，對基體割裂作用較其他形狀石墨大，與HT250相比，高碳灰鐵的石墨片更細長，對基體的割裂作用較大，所以其抗拉強度低于HT250。

圖2是兩種鑄鐵材料在SEM下放大200倍的拉伸斷口形貌圖。從圖2可以看出：兩種材料的宏觀斷口表面呈脆性斷裂，高碳灰鐵與HT250斷口顏色相似，呈暗灰色。HT250的顯微斷口形貌表現(xiàn)出明顯的脆性解理特征，解理面有在珠光體內(nèi)的穿晶解理，也有沿著條狀石墨表面的解理。由于有少量鐵素體存在，還可以看到一些因塑性變形產(chǎn)生的撕裂棱（見圖2a）；高碳灰鐵的斷裂也是脆性斷裂，中間稍有氧化（中間白色部分），其斷口形貌和HT250的類似，斷口中有河流花樣（見圖2b）。

圖2 兩種鑄鐵的拉伸斷口形貌圖

2.3 兩種鑄鐵材料的摩擦磨損性能分析

材料磨損質(zhì)量是材料抵抗磨損的一個性能指標，是用試樣質(zhì)量的減少量來衡量其耐磨性的優(yōu)劣［11］。顯然，磨損質(zhì)量值越小，材料耐磨性越好。

表2是試驗材料在固定轉(zhuǎn)速20 m／s、加載載荷100 N條件下，分別經(jīng)600 s、900 s、1 200 s不同磨損時間后的磨損質(zhì)量。從表2中可以看出：高碳灰鐵的磨損量小于HT250。

表3是試驗材料在固定轉(zhuǎn)速20 m／s條件下，分別經(jīng)100 N、150 N不同加載載荷磨損600 s后的磨損質(zhì)量。高碳灰鐵的磨損量小于HT250。

表2 兩種鑄鐵在20 m／s，100 N不同磨損時間條件下?lián)p失質(zhì)量 g

表3 兩種鑄鐵在20 m／s，600 s不同加載載荷條件下?lián)p失質(zhì)量 g

由表2和表3可知：與HT250相比，高碳灰鐵的耐磨性有所提高。結合抗拉強度值得出：高碳灰鐵通過稍微犧牲其抗拉強度以提高其耐磨性。

圖3～圖6反映了兩種鑄鐵材料在不同的摩擦磨損參數(shù)下，在SEM下放大500倍觀察到的磨損形貌，磨損機理基本上為磨粒磨損和黏著磨損。

當加載載荷為100 N，磨損轉(zhuǎn)速為20 m／s，改變加載時間，分別為600 s、900 s、1 200 s，就得到圖3、圖4和圖5所表現(xiàn)的磨損形貌。在加載600 s后，從圖3可以看出：HT250表面磨損較嚴重，磨損量較大，摩擦表面有大塊的剝落和碎裂，也有些微小的劃痕；高碳灰鐵的摩擦表面有少量大塊的剝落和碎裂，有磨損臺階，但其磨損程度比HT250要輕。當加載到900 s后，從圖4可看出：HT250和高碳灰鐵摩損表面都是大塊的剝落和碎裂，摩損表面都相對平整些，且高碳灰鐵有劃痕，HT250有少量氧化現(xiàn)象（圖4中呈白色的部分）。從圖5中可以看出：隨著磨損時間的增加，表面磨損愈加嚴重，剝落更加明顯，但相比普通灰鑄鐵，高碳灰鐵磨損表面相對平整，磨損程度相對較輕。

圖3 兩種鑄鐵在20 m／s，100 N，600 s下的磨損形貌

圖4 兩種鑄鐵在20 m／s，100 N，900 s下的磨損形貌

圖5 兩種鑄鐵在20 m／s，100 N，1 200 s下的磨損形貌

當保持加載時間（600 s）和摩擦速度（20 m／s）不變時，分別加載100 N、150 N時，就得到圖3和圖6所表現(xiàn)的磨損形貌。在圖6中，當載荷為150 N時，HT250摩擦磨損較為嚴重，高碳灰鐵表面趨于平整，但有少量犁溝。在灰鑄鐵中，高碳灰鐵的耐磨性高于HT250。

圖6 兩種鑄鐵在20 m／s，150 N，600 s下的磨損形貌

從圖3～圖6可知：在不同的摩擦磨損參數(shù)下，與HT250相比，高碳當量的灰鑄鐵耐磨性提高了。結合圖1和對應的抗拉強度值可知高碳灰鐵以稍犧牲其強度來提高其耐磨性。

3 結論

（1）高碳當量的灰鑄鐵和HT250在石墨形態(tài)上相似，石墨均為A級，長條狀；抗拉強度分別為220 MPa、273 MPa，由于高碳灰鐵的石墨片更細長，對基體的割裂作用增大，使得強度降低。

（2）由于高碳灰鐵以稍犧牲其強度來提高其耐磨性，使得在不同的摩擦磨損條件下，高碳灰鐵的耐磨性優(yōu)于HT250。

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TG156.1

A

1672－6871（2014）06－0001－04

河南省重大科技攻關基金項目（6020091020132－1）

元亞莎（1991－），女，河南周口人，碩士生；王文焱（1963－），男，河南洛陽人，教授，博士，博士生導師，主要從事金屬材料的分析.

2014－04－15