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制动鼓在汽车运行时服役条件十分恶劣，要受到刹车片强大的压力及巨大的静或动摩擦力的综合作用。当汽车制动时，刹车片对制动鼓内表面沿茎向施加压力，使使其中产生周向张力；同时由于制动时刹车片与制动鼓内表面之间产生动或静摩擦力，在其内表面局部区域内拉应力；再加上由于频繁制动产生的热量使制动鼓内表面局部温度急剧上升，随即由于导热而迅速冷却，从而产生热疲劳应力。当这些应力相互叠加时很容易在局部区域产生超过材料的强度，由此产生裂纹，在随后应力的进一步作用下裂纹沿制动鼓轴向和径向继续发展，产生大量的轴向裂纹，最终，最终导致制动鼓开裂、断裂。特别是在山区地理环境和自然条件恶劣的地区，由于负载过大，常造成其过早失效，这对汽车行驶安全造成很大危害。
因此，公司决定提高制动鼓的碳当量且采用低合金化处理。
图1 制动鼓工艺图
图2为裂纹缺陷图片，用户使用一段时间后经常出现裂纹、失圆现象而报废（见图2）。
图2 裂纹缺陷
1铁水化学成分选定
铁液化学成分选定，根据汽车制动鼓的使用性能，技术条件以及切削加工性制定合理的Cr、Cu灰铸铁的化学成分。经生产实践验证，确定汽车制动鼓铸件的铁液化学成分为：C 3.4~3.7、Si 1.5~2.1、Mn 0.7~1.0、S≤0.12、P＜0.15、Cr 0.35~0.5、Cu 0.4~0.6。
铸件验收标准：单铸试棒抗拉强度>250Mpa，本体解剖抗拉强度要求220~300Mpa，制动面布氏硬度要求187~241，本体上不允许有莱氏体，游离碳化物＜1％；游离碳化物+磷共晶＜3％；细片状珠光体>95％，A型片状石墨均匀分布＞80％；石墨长度3~5级。
1.1 碳和硅
C和Si都是强烈促进石墨化的元素。C含量高，铸件组织中石墨数量也相应增多，对制动鼓这一特殊(耐热、耐磨)的铸件，组织中要求有一定数量的石墨即高的CE，由于石墨在铸铁中热传导性最好，随着C含量的增加，石墨含量也随之增加，这样有利于散热，从而减少珠光体发生转变的可能性。高C带来的强度下降由合金化解决。硅在一定含量时可制造耐热铸铁，因此，硅也是提高铸铁耐热性元素。现将硅定为1.5~2.1％，是根据我厂及国内同行业生产HT250对硅的要求及各厂的控制水平而制定的。按耐热性的需求，硅的上限还可以提高一些，如美国制动鼓应用实例中，硅的上限大多在2.1％以上，最高到2.75％。
1.2 锰、硫、磷
灰铸铁中Mn的作用主要是平衡S的不良影响，当Mn的含量大于1.75S+0.3时，有稳定珠光体的作用，故灰铸铁中Mn量较高。而因Cr的加入，基体得到强化，Mn的含量就相应减少。Mn>1.0％时，制动鼓加工表面容易出现白口层，使机加工困难；Mn<0.5％时，铸件硬度不易保证，因而Mn的含量为0.7％~1.0％。S是灰铸铁中得有害元素，使铸件有热裂纹倾向，含量应严格控制在0.12％以下。P使灰铸铁有冷裂的缺点，但因一定量的P能形成显微硬度高的磷共晶，提高铸件硬度，故灰铸铁中P含量略微偏高。磷常能增加铸铁的耐磨性，略改善导热性，耐热性和长大等性能。现在我们定的上限0.12％，而在美国制动鼓应用实例中，磷的上限大多在0.2％，最高到0.33％，有些还要求下限为0.15％。
1.3 铬和铜
Cr的加入基于提高和稳定制动鼓铸件硬度为目的。生产实践发现Cr>0.5％后，制动鼓加工表面白口层偏高，硬度偏高，机加工困难。所以，Cr的含量应控制在Cr0.35％~0.5％。Cu可细化组织，用来提高铸铁的耐磨性，抗磨性能，以及耐振性，因此适用于有滑动磨擦的零件，如制动鼓，与铬配合使用，含量0.4％~0.6％。美国制动鼓应用实例为1.0~1.5％。
2生产条件
灰铁生产采用5t／h双排距热风冲天炉，出水温度1400°C以上，在出水槽加0.3％~0.5的75Si-Fe进行随流孕育。熔炼过程元素变化率大致为C：+30％～50％、Si：-10％~20％、Mn：-15％~25％、Cr：-5％~10％，P基本不变，S：+40％~60％（”+”表示增加，”-“表示烧损）。炉前浇注150mmx40mmx20mm三角试块，同样的砂型中浇注30mmx250mm圆柱试棒用以切取金相试样、抗拉试棒和硬度测试试样。合金元素Cr是60％的高碳铬铁，加入形式从后炉与金属炉料一起加入，Cu元素是以电解铜形式放入炉前浇注包内冲入铁水熔化方法加入。金属炉料为废钢和球铁回炉料。
3生产要点
3.1 熔炼过程质量控制
各种炉料严格分类堆放，表面要清洁，称量下料要按工艺进行，熔炼过程中要根据炉况控制好风量、风压，以保证炉况的稳定和提高铁液的温度及冲天炉熔化率，要严格控制好炉后合金加入量，以避免铁液成分波动过大。
3.2 炉前控制
炉前检测是制动鼓铸件熔炼控制的最后环节，直接反应铁液质量，炉前每包铁液都检查三角试块要求白口宽度为1~4个。
4结果及分析
为了考察化学成分铸件机械性能的影响，通过5天试产，得出下列数据。
5实际效果
我公司从2011年开始采用此熔炼工艺后，原先存在的制动鼓失圆、裂纹现象得到大幅度改善，效益明显。
6结论
(1) 化学成分和合金元素对铸件力学性能影响很大，通过调整C含量并进行合金化处理(Cr-Cu)，可有效提高制动鼓材质的强度、硬度和抗热疲劳性进而提高制动鼓的使用寿命。但是要严格控制Cr、Cu的准确含量。
(2) 为了提高制动鼓的抗热疲劳性，必须提高制动鼓的散热性，也就必须提高制动鼓的C含量。
免责声明：文章来源《铸造》，作者：夏良山、刘治强，上汽依维柯红岩商用车有限公司铸造厂。我们旨在传播汽车底盘知识，商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处，如有侵权请联系小编删除，小编电话13501938921（微信同号）。
