刹车盘车削领域一种刹车盘失效原因分析 [复制链接]

前面的文章笔者讲到了刹车盘加工机床的选择以及PCBN刀具的选择，本文分享一些关于刹车盘灰铁失效原因的分析供读者学习。想了解刹车盘吧机床以及PCBN刀具的小伙伴可戳↓下方链接进入观看。

刹车盘车削加工工序高速车削灰铸铁HT材质刹车盘机床生产线及PCBN刀具加工案例

刹车盘又称为制动盘，是汽车制动系统中重要的零部件之一，汽车良好的制动性能一定离不开刹车盘与其配合偶件之间产生的摩擦。根据工况环境以及服役条件，首先刹车盘应具备一定的刚度以及强度，其次要有高而稳定的摩擦系数，受热后还应具备良好的耐热性、耐磨性以及散热性等。下面分享来自网络的一个案例，二维平面图如下，该刹车盘的最大轮廓尺寸为mm，中心部位高度为mm，内孔尺寸为mm。此刹车盘采用铸造性能良好的HT灰口铸铁铸造而成，其工艺流程为铸造→探伤→机械加工→检验入库，该材料具有良好的耐磨性、耐热性和良好的减振性，受热时自身的热变形较小。某型号30t重型卡车，摩擦卡片形状近似为mm*85mm*25mm的长方体，其材质为半金属摩擦材料，刹车片和刹车盘工作的制动力矩为2.6*10^4N·m，在多山地区行驶在刹车盘表面发现较多裂纹，对此进行分析。

失效概况

刹车盘外形轮廓类似于中央凸起的圆环状帽子。研究的刹车盘的表面有较多裂纹，裂纹垂直于摩擦力方向，裂纹宽度不一，忽宽忽窄，向内部扩展，部分裂纹呈网状分布，形成明显的龟裂纹，表面上有较多红褐色的锈蚀；且整个刹车盘的摩擦面上均有裂纹，而没有摩擦的地方则不存在龟裂，从而说明这种失效和摩擦有一定的关系。

失效原因分析

成本检验

用小型钻床钻取铁屑，利用化学滴定法对制动刹车盘的化学成本进行检测，相应的技术要求及检测结果如下，符合技术要求。

显微组织及硬度检验

对刹车盘表面开裂地方进行取样，用HB布氏硬度计对样块进行硬度测量，其值分别为HB和HB，同时在原始出厂的零件进行硬度测试，其硬度为HB，均满足GB/T-“灰铸铁件"中对HT规定的~HB的技术要求。以裂纹试样为例，经打磨、抛光、腐蚀，在奥林巴斯BX53光学显微镜观察石黑形态及显微组织，见下图，所取视场距刹车盘表面10mm，属于正常位置基体组织，保证基体组织不会受到表面摩擦磨损的影响；为了便于比较，在原始出厂的制动盘相同位置取样。图3a和图4a分别是失效件和原始件的石墨在扫描电镜下的微观形态，根据GB/T-9“灰特铁金相检验”的规定，两者的石墨形态均为A型石器+C型石器，其中A型石墨占比约90%，石墨长度可评为3级；下图一排右图与二排右二分别是失效件和原始件腐钟后的组织，均头珠光体+铁素体组织，珠光体含量%，符合技术要求。

石墨的组织变化

下图a长方框区域为刹车盘试样的磨损表面，可看出有较多的细小裂纹。对试样打磨、抛光，用基恩士VHX-数码显微系统观察，如下图b所示，图中方框区和图a中的方框区对应，可看出，表面方框区明显比芯部的椭园区要亮白，图c是对亮白区放大观察的照片，可看出裂纹形成以后，沿着石墨向芯部扩展，图d是图b白色区域放大x的显微组织，可看出石墨(箭头指示位置)四周明显变白，且有黑白相间的近似垂直于石墨的片层状组织、用EVO18扫描电镜(SEM)对片层状组织扫描，见图e，可知石墨周边的片层状组织是铁素体层+渗碳体层组成的珠光体。用VH维氏硬度计对石墨周围的层状珠光体硬度进行测定，硬度值为HB(维氏硬转化成布氏硬度下同)，而对基体组织(没有片层状珠光体的区域)进行测定，其硬度为HB在图f的芯部石墨四周进行测试，硬度为HB，和基体材料的硬度相近，说明该区域没有珠光体组织，在没有摩擦的表面进行测试，其维氏硬度为HB，说明硬度的高低只和摩擦部位产生组织变化有关系。图f是扫描电镜对刹车盘芯部正常位置图b的随圆区石墨的扫描照片，可看出正常位置石墨四周没有白色的珠光体，只有基体组织。

得出结论

对刹车盘进行理化检测，基本组织为珠光体+铁素体，其中珠光体含量≥98%；石墨形态为A型石墨+C型石墨，其中A型石墨占90%，石墨长度评定为3级，布氏硬度为HB，均符合技术要求。

在工件表面的石墨周围存在片层状的珠光体组织，硬度为HB，刹车盘工作时，表面温度较高且梯度较大，表面的材料进入塑性变形状态，在高温下形成了应力和应变集中，导致出现了疲劳裂纹并垂直摩擦力沿着石墨的方向朝工件纵深发展，这是刹车盘表面产生疲劳裂纹的根本原因。