重卡車橋用蠕鐵制動鼓的研究

摘 要：汽車制動鼓在汽車制動時，汽車由高速降至低速或停車，使得汽車的動能轉化為熱能。在制動停車期間產生的熱能約90%以上為制動鼓吸收，使制動鼓工作表面溫度隨著制動的持續而升高，致使制動鼓工作表面機械性能和組織穩定性相對降低。根據公司的市場故障件統計分析，制動鼓的主要失效形式是熱機械疲勞開裂，表現為制動鼓內表面易產生龜裂和外表面的貫穿性裂紋，此次新研發的蠕鐵制動鼓將會很好地克服這一現象，為驗證蠕鐵制動鼓的可靠性，在實驗室進行了制動鼓的熱-力沖擊試驗及進行了市場的客戶裝車路試試驗，最終證明，蠕鐵制動鼓是目前重卡車橋所用制動鼓比較理想的方式。

關鍵詞：汽車制動鼓；蠕鐵制動鼓；制動鼓熱-力沖擊試驗

汽車制動鼓是汽車行駛系的一個重要零件，它屬于車橋總成的一部分，是車橋制動系統中主要的制動元件，因其性能可靠、制動功率大，是卡車和大中型客車最常見的制動裝置元件之一；汽車在制動時，由于制動摩擦片對制動鼓內表面存在較大的推力，使制動鼓內表面承受擠壓應力，同時在鼓壁截面上還將承受張應力，行車制動時，汽車由高速降至低速或停車，使得汽車的動能轉化為熱能。理論研究表明，在制動停車期間產生的熱能約90%以上為制動鼓吸收，制動鼓工作表面溫度隨著制動的持續而升高，致使制動鼓工作表面機械性能和組織穩定性相對降低，同時在工作表面產生較大的熱應力。特別是重載汽車制動鼓使用過程中承受著較大制動力和離心力，其綜合性能的優劣決定了整個制動系統的可靠性，進而直接影響重載車輛的行車安全。據了解，制動鼓的使用壽命因道路條件不同、超載與否、駕駛員操作習慣以及制造廠家不同有很大差異。一般而言，對卡車，特別是在礦區及重載卡車，其制動鼓使用壽命則大多在2.5萬公里以下（據公司售后服務制動鼓損壞統計），更甚至有不足1萬公里，頻繁地更換不僅浪費了大量的財力、物力，更可怕的是汽車行駛過程中制動鼓失效可能造成車毀人亡的惡性事故，因此，改善制動鼓的性能，提高其使用壽命和使用可靠性，應是車橋行業及鑄造企業義不容辭的責任。

通過公司的售后服務部門的統計，制動鼓的主要失效形式是熱機械疲勞開裂，在頻繁的制動、冷卻、反復交變載荷下使用的重卡車橋制動鼓其失效機制是熱機疲勞裂紋的萌生、擴展和斷裂，熱疲勞損壞是在遠低于靜強度載荷下發生的，因而制動鼓的熱疲勞破壞具有極大的危險性，因此，要求所使用的制動鼓擁有較高的強度、塑性，良好的導熱性、抗熱疲勞性能和耐磨性，較高的摩擦系數、較低的摩擦系數衰減率，以保證其在重載運行時不破裂、對制動蹄片的磨損較小，制動平穩、有效，有較長的使用壽命和較高的安全可靠性。目前國內外用于生產重卡車橋制動鼓的材料主要為三類鑄鐵材料：

（1）珠光體灰鑄鐵，主要特點是導熱性好，摩擦系數高且穩定。常采用HT250、HT300、釩鈦鑄鐵和低合金鑄鐵等；HT250、HT300、釩鈦鑄鐵的強度、塑性、耐磨性和抗熱疲勞性能較差，而低合金鑄鐵通常加入Cr、Mo、Cu、Ni、Sn等貴重合金元素，雖然在強度、耐磨性方面有一定提高，但抗熱疲勞性能沒有多少改善，且生產成本較高。同時由于珠光體灰鑄鐵強度、塑性和耐磨性相對較低，尤其是顯微組織中存在具有尖角的片狀石墨，割裂基體，引起應力集中，促進熱疲勞裂紋的萌生與擴展，導致制動鼓早期發生龜裂，甚至斷裂，使用壽命偏低，安全可靠性差。

（2）鐵素體球墨鑄鐵，其特點是強度、塑性、耐磨性較好，500℃以下抗熱疲勞性能尚可，但導熱性和抗變形能力差，摩擦系數較低且不穩定，其熱導率低、屈強比低，所生產的汽車制動鼓在重載、大制動力使用時變形嚴重，制動面開裂處向內凸起嚴重撕扯、磨損制動蹄片，制動的平穩性和可靠性差。

（3）珠光體蠕鐵（珠光體量大于85%，蠕化率大于80%）。蠕墨鑄鐵既有灰口鑄鐵所具有的高熱導率、高摩擦系數，也有球墨鑄鐵所具有的高強度、抗熱疲勞性和耐磨性，伸長率和彈性模量介于灰鐵和球鐵兩者之間，是制造高速重載汽車制動鼓的較佳備選材料。但由于追求高的蠕化率和高含量單一基體（蠕化率大于80%，珠光體量大于85%），故蠕化范圍窄，穩定控制難度大。

由于上述三種鑄鐵材料存在的不足常常使制動鼓由于熱裂紋擴展、疲勞剝落、開裂掉底、變形失圓及強韌性不足斷裂等而導致其失效，嚴重威脅到重載車輛的行駛安全，同時也給車輛維修、保養帶來了較大的經濟負擔。國內市場迫切需要一種強度高、導熱性好、抗熱疲勞、耐磨損、使用壽命長、安全可靠性好的新型制動鼓。

要改善鑄鐵組織中的石墨結構，以減輕應力集中現象，阻止裂紋的發生和擴展。由于高速制動時摩擦副表面溫度很高，材料應有高的高溫力學性能、導熱性能、低的彈性模量和膨脹系數等，使制動熱量迅速逸散，減小鼓體的變形，另外材料應有較高的熱疲勞強度以提高其壽命。基于此我們開發的是一種蠕蟲狀及球狀雙態石墨和鐵素體及珠光體混合基體的鑄鐵材料及由該材料制作的重載汽車制動鼓。蠕墨鑄鐵鑄鐵制動鼓材質牌號：RuT300，機械性能及金相組織：抗拉強度：σb≥300Mp，延伸率：δ≥1%，硬度：HB140-249，蠕化率：≥Ru55，珠光體：25%-75%。

蠕鐵制動鼓對生產過程的控制非常敏感，如果生產控制過程出現問題，其將對蠕鐵制動鼓產生致命損傷，因此，蠕鐵制動鼓生產過程的控制至關重要，下面我們簡要的說明蠕鐵制動鼓的鑄造過程中應該重點控制的部分。

（1）澆冒口設計：蠕鐵制動鼓在專門的造型線上生產，其澆冒口設計非常重要。（見圖1）

（2）鐵液成分的控制：按工藝要求進行配料，各種爐料、合金使用時準確稱量，最大限度減小稱量誤差，溶化后爐內鐵液成分需要進行微調，用紅外C-S儀檢測鐵液C、S含量以及光譜儀檢測其余成分含量，直到成分符合工藝要求，方可出鐵澆注。

（3）蠕化率控制：每包次蠕化及孕育處理的鐵液，均取樣分析成分，每包次蠕化及孕育處理的鐵液，上線澆注時均測溫，每包次澆注的剩余鐵水，全部澆成回爐鐵。在橫澆道局部位置，設計大小合適的附鑄試塊進行蠕化率檢測。抽取每包次有標識的試塊和每包次對應標識的制動鼓進行蠕化率對比，經過蠕化率對比驗證，試塊蠕化率與制動鼓本體蠕化率相差5%，生產時將試塊蠕化率替代制動鼓本體蠕化率的檢測。產品入庫前，質檢部門對制動鼓還隨機取樣進行本體蠕化率檢測。

造型時，每箱制動鼓鑄型均做標識號（爐次號、包次號），便于檢測到蠕化率不合格時產品隔離。

嚴格的過程控制，生產出了符合要求的蠕鐵制動鼓，其使用性能如何呢？為了驗證該制動鼓的可靠性，我們實驗室對現批量生產使用的灰鐵制動鼓與此次所設計的蠕鐵制動鼓進行了制動鼓的熱-力沖擊制動試驗（一種等扭矩制動試驗）對比，試驗方法是制動鼓隨車橋總成以85km/h速度運行，每次制動約45秒（平均溫升約300℃）后脫離制動，待制動鼓溫度降至50℃以下，開始下一次沖擊制動，反復循環，一直做到制動鼓內表面裂紋長度超過鼓制動面高度的三分之二或鼓外表面有穿透裂紋為止。

蠕鐵鼓與灰鐵鼓經過340次沖擊試驗后，根據實驗結果來看，蠕鐵制動鼓明顯優于現生產狀態的蠕鐵制動鼓內、外表面熱疲勞裂紋形貌，可見內表面疲勞開裂情況相近，而外表面差異很大。對于灰鐵鼓而言，外表面裂紋已貫穿整個截面，不能繼續試驗；而蠕鐵鼓外表面則完好無損。如圖3、4。

為了更好地驗證新開發的蠕鐵制動鼓情況，我們又對兩種形態的制動鼓進行整車路試試驗，采用同一臺橋上一邊裝配蠕鐵制動鼓，另一邊裝配灰鐵制動鼓，同時選擇11臺整車進行試驗，我們進行實地跟蹤實驗，制動鼓試驗跟蹤了9個多月，平均里程4.6萬公里，已經在用戶處行駛了10個月，試驗的22只鼓在11月初換下2只，中旬換下1只，其余仍在使用，用戶對此種制動鼓都很認可。實驗結果見表1。

通過實驗室的制動鼓的熱-力沖擊制動試驗以及市場整車的對比試驗來看，蠕鐵制動鼓的使用性能明顯優于灰鐵制動鼓，因此，我公司自2014年下半年開始批量生產使用蠕鐵制動鼓的車橋，現經過1年批量的使用，市場故障率明顯下降，公司市場索賠費用下降非常明顯。