高碳制动鼓摩擦磨损性能

元亚莎，王文焱，袁留伟，谢敬佩，许开辉

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；2.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471003）

高碳制动鼓摩擦磨损性能

元亚莎1，王文焱1，袁留伟2，谢敬佩1，许开辉1

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；2.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471003）

针对铸铁材料在汽车制动鼓应用中出现的失效情况，运用扫描电子显微镜和摩擦磨损试验机，研究了在不同的摩擦磨损参数条件下HT250和高碳灰铁的摩擦磨损性能；并结合其金相组织和力学性能，探讨了材料微观组织和性能的关系以及其摩擦磨损机理。研究结果表明：高碳当量的灰铸铁和HT250在石墨形态上相似，石墨均为A级，长条状；抗拉强度分别为220 MPa和273 MPa。通过进行摩擦磨损试验发现：在不同的摩擦磨损条件下，高碳灰铁的耐磨性优于HT250。

制动鼓；高碳；磨损；耐磨性

0 引言

制动鼓就是鼓式刹车系统的一部分，刹车时，活塞对两对半月型的刹车蹄片施加压力，使其贴紧鼓室内壁，从而产生摩擦来停止车轮的旋转［1］。中国是一个多山的国家［2］，道路大都是根据自然地理条件修筑，且很多道路修筑在崇山峻岭之中［3］。受地形、地质条件的限制，其中坡道占相当大比例［4－7］。引发交通事故的因素是多方面的，但车辆制动系统摩擦磨损性能降低是其中一个主要的原因。目前，制造制动鼓的材料主要是普通的灰铸铁，但随着汽车向高速重载方向发展，普通灰铁材质制动鼓的耐磨性能逐渐不能满足要求［8－10］。采用高碳当量灰铸铁维持铸铁的铸造性能的同时，又设法提高高碳当量灰铸铁的摩擦磨损性能，是当前灰铸铁研究及生产领域的一个较活跃课题，高碳当量灰铸铁是指碳当量在共晶点附近的灰铸铁，高碳当量灰铸铁使这类灰铸铁拥有更好的铸造工艺性能，但通常也降低了他的强度。本文就是从基本力学性能出发，研究高碳当量灰铸铁的摩擦磨损性能。

1 试样制备与试验方法

试验材料是在某铸造厂生产的制动鼓上直接切取铸铁试样。试样的化学成分通过直读光谱仪分析记录。本文选取的铸铁试样有两种，分别是高碳灰铁和HT250。它们的化学成分如表1所示，通过钼丝切割机将两种材料各切3根相同的拉伸试样（标准试样），在SHIMADZU（岛津）AG-I250KN精密万能电子拉伸试验机上对调质后的试样进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm／s；其次，通过对制动鼓实际工况的考察和模拟计算，对磨材质为GCr15；半径为80 mm，洛氏硬度在60HRC以上，设定试验参数，对两种材质的铸铁销试样分组后在型号为MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机上做摩擦磨损试验（试样从试块中取出，加工成销（标准试样））。试验取定线速为20 m／s，改变加载载荷与加载时间，参数分别为：100 N，600 s；100 N，900 s；100 N，1 200 s；150 N，600 s。分别将拉伸后、摩擦磨损后的试样在超声波发生器中用酒精清洗，烘干，通过SM-5610LV扫描电子显微镜观察其拉伸断口形貌和摩擦磨损形貌。

表1 制动鼓化学成分（质量分数） %

2 试验结果与讨论

2.1 两种铸铁材料的石墨形态

图1是两种铸铁材料在扫描电子显微镜（SEM）下放大100倍的显微组织图。从图1中可以看出：HT250石墨为均匀分布的A型石墨（见图1a），石墨长度约为0.10～0.25 mm，按石墨数量评定为6级；高碳灰铁的显微组织图与HT250的大致相同，石墨为均匀分布的A型石墨，但石墨片较HT250更细化，片更长且尖（见图1b）。

图1 两种铸铁的石墨形态图

2.2 两种铸铁材料的力学性能分析

由试验得出HT250、高碳灰铁的抗拉强度分别为273 MPa、220 MPa，延伸率分别为3.0%、1.7%。与HT250相比，高碳灰铁的抗拉强度和延伸率稍有降低。对灰铸铁而言，高碳灰铁的抗拉强度低于HT250。分析其原因，结合图1各铸铁的石墨形态可知：灰铸铁的石墨形态为片状，对基体割裂作用较其他形状石墨大，与HT250相比，高碳灰铁的石墨片更细长，对基体的割裂作用较大，所以其抗拉强度低于HT250。

图2是两种铸铁材料在SEM下放大200倍的拉伸断口形貌图。从图2可以看出：两种材料的宏观断口表面呈脆性断裂，高碳灰铁与HT250断口颜色相似，呈暗灰色。HT250的显微断口形貌表现出明显的脆性解理特征，解理面有在珠光体内的穿晶解理，也有沿着条状石墨表面的解理。由于有少量铁素体存在，还可以看到一些因塑性变形产生的撕裂棱（见图2a）；高碳灰铁的断裂也是脆性断裂，中间稍有氧化（中间白色部分），其断口形貌和HT250的类似，断口中有河流花样（见图2b）。

图2 两种铸铁的拉伸断口形貌图

2.3 两种铸铁材料的摩擦磨损性能分析

材料磨损质量是材料抵抗磨损的一个性能指标，是用试样质量的减少量来衡量其耐磨性的优劣［11］。显然，磨损质量值越小，材料耐磨性越好。

表2是试验材料在固定转速20 m／s、加载载荷100 N条件下，分别经600 s、900 s、1 200 s不同磨损时间后的磨损质量。从表2中可以看出：高碳灰铁的磨损量小于HT250。

表3是试验材料在固定转速20 m／s条件下，分别经100 N、150 N不同加载载荷磨损600 s后的磨损质量。高碳灰铁的磨损量小于HT250。

表2 两种铸铁在20 m／s，100 N不同磨损时间条件下损失质量 g

表3 两种铸铁在20 m／s，600 s不同加载载荷条件下损失质量 g

由表2和表3可知：与HT250相比，高碳灰铁的耐磨性有所提高。结合抗拉强度值得出：高碳灰铁通过稍微牺牲其抗拉强度以提高其耐磨性。

图3～图6反映了两种铸铁材料在不同的摩擦磨损参数下，在SEM下放大500倍观察到的磨损形貌，磨损机理基本上为磨粒磨损和黏着磨损。

当加载载荷为100 N，磨损转速为20 m／s，改变加载时间，分别为600 s、900 s、1 200 s，就得到图3、图4和图5所表现的磨损形貌。在加载600 s后，从图3可以看出：HT250表面磨损较严重，磨损量较大，摩擦表面有大块的剥落和碎裂，也有些微小的划痕；高碳灰铁的摩擦表面有少量大块的剥落和碎裂，有磨损台阶，但其磨损程度比HT250要轻。当加载到900 s后，从图4可看出：HT250和高碳灰铁摩损表面都是大块的剥落和碎裂，摩损表面都相对平整些，且高碳灰铁有划痕，HT250有少量氧化现象（图4中呈白色的部分）。从图5中可以看出：随着磨损时间的增加，表面磨损愈加严重，剥落更加明显，但相比普通灰铸铁，高碳灰铁磨损表面相对平整，磨损程度相对较轻。

图3 两种铸铁在20 m／s，100 N，600 s下的磨损形貌

图4 两种铸铁在20 m／s，100 N，900 s下的磨损形貌

图5 两种铸铁在20 m／s，100 N，1 200 s下的磨损形貌

当保持加载时间（600 s）和摩擦速度（20 m／s）不变时，分别加载100 N、150 N时，就得到图3和图6所表现的磨损形貌。在图6中，当载荷为150 N时，HT250摩擦磨损较为严重，高碳灰铁表面趋于平整，但有少量犁沟。在灰铸铁中，高碳灰铁的耐磨性高于HT250。

图6 两种铸铁在20 m／s，150 N，600 s下的磨损形貌

从图3～图6可知：在不同的摩擦磨损参数下，与HT250相比，高碳当量的灰铸铁耐磨性提高了。结合图1和对应的抗拉强度值可知高碳灰铁以稍牺牲其强度来提高其耐磨性。

3 结论

（1）高碳当量的灰铸铁和HT250在石墨形态上相似，石墨均为A级，长条状；抗拉强度分别为220 MPa、273 MPa，由于高碳灰铁的石墨片更细长，对基体的割裂作用增大，使得强度降低。

（2）由于高碳灰铁以稍牺牲其强度来提高其耐磨性，使得在不同的摩擦磨损条件下，高碳灰铁的耐磨性优于HT250。

［1］ 朱育权，马保吉，杜亚勤.制动盘（鼓）研究现状与发展趋势［J］.西安工业大学学报，2001，21（1）：16－18.

［2］ 张平二.金属材料的高温强度理论设计［M］.北京：科学出版社，1983：23－29.

［3］ 顾永田，惠鹏，郭鸿瑞，等.长大下坡持续制动温升试验研究［J］.北京汽车，2008，12（1）：3－5.

［4］ 杨宜科.金属高温强度厦试验［M］.上海：上海科学技术出版社，1986：39－42.

［5］Jancirani J，Chandrasekaran S，Tamilporai P.Design and Heat Transfer Analysis of Automotive Disc Brakes［J］. Proceedings of the 2003 ASME Summer Heat Transfer Conference，2003，3（6）：827－834.

［6］ 李莉，陈永泰，张方.重型载重车辆灰铸铁材质制动鼓失效分析［J］.铸造，2012，61（5）：539－542.

［7］ 惠鹏，顾永田，颜克亮.载重货车发动机制动和排气制动档位选择研究［J］.北京汽车，2008，13（4）：9－10.

［8］ 赵悟，杜木伟，刘晨敏，等.自助风冷型制动鼓制动性能试验研究［J］.汽车技术，2013（3）：25－28.

［9］ 徐晓峰，杨晓倩，杨正海.石墨含量对铜／石墨材料高速载流摩擦性能的影响［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2013，34（5）：1－4.

［10］ 鲁道夫.汽车制动系统的分析与设计［M］.北京：机械工业出版社，1985：4－6.

［11］ 李秀青，宋延沛.奥氏体化温度对高铬复合轧辊磨损性能的影响［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2011，32（2）：8－10.

TG156.1

A

1672－6871（2014）06－0001－04

河南省重大科技攻关基金项目（6020091020132－1）

元亚莎（1991－），女，河南周口人，硕士生；王文焱（1963－），男，河南洛阳人，教授，博士，博士生导师，主要从事金属材料的分析.

2014－04－15