وان استاپ بریکمجله آموزشی
جنس دیسک ترمز
جنس دیسک ترمز
دو عملکرد اصلی دیسک ترمز یا درام ترمز، انتقال نیروی مکانیکی قابل توجه و اتلاف گرمای تولید شده است که به معنای عملکرد در دماهای متوسط یا بالا است. از دیدگاه نظری، مواد متعددی می‌توانند این عملکردها را انجام دهند. در واقع، به دلایل پایداری عملکرد، هزینه مواد اولیه و سهولت تولید، چدن ماده‌ای است که به طور جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، مواد دیگری نیز برای کاربردهای خاص ترمز استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، مواد ماتریس کربن کامپوزیت در تولید دیسک‌های ترمز برای اتومبیل‌های مسابقه‌ای و هواپیماها به کار می‌روند، اگرچه سطح عملکرد و هزینه خاص آنها، استفاده از آنها را در وسایل نقلیه استاندارد نامناسب می‌کند. همچنین، آلیاژهای آلومینیوم حاوی کاربید سیلیکون را می‌توان در نظر گرفت زیرا باعث کاهش قابل توجه وزن می‌شوند، اگرچه عدم توانایی آنها در پشتیبانی از دماهای بالا به این معنی است
که ترمزها باید بزرگتر از اندازه واقعی باشند، عاملی که تا حدودی مزیت وزن را از بین می‌برد. بنابراین، چدن در یکی از اشکال متعدد آن، همچنان ماده ترجیحی است و بررسی فرآیند ساخت دیسک ترمز نشان می‌دهد چرا این ماده هنوز انتخاب اصلی در تولید انبوه است.
چدن خاکستری
چدن اولین محصولی است که در فرآیند فولادسازی هنگام ذوب سنگ آهن به دست می‌آید. این محصول حاصل کاهش اکسیدهای آهن تحت تأثیر کربن موجود در کک متالورژیکی است. چدن مذاب در واقع یک محلول کربن در آهن مذاب است. هنگامی که سرد می‌شود، بخش بسیار کمی از کربن در محلول آهن باقی می‌ماند در حالی که بخش عمده آن رسوب می‌کند و به شکل گره‌های کوچکی در سراسر ساختار فلز پراکنده می‌شود. معمولاً این چدن تصفیه نشده برای اکثر کاربردها مناسب نیست، اما باید تحت فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی قرار گیرد تا طیف وسیع و شناخته شده‌ای از آلیاژهای آهنی ایجاد شود. محصولات اصلی انواع مختلفی از فولاد ضد زنگ، چدن و فولادهای نرم هستند که محتوای کربن بسیار کمی دارند و به دلیل خاصیتی که می‌توانند با خم شدن و نورد شکل بگیرند، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. چدن به هر آلیاژی با محتوای کربن بیش از 2٪ تعریف می‌شود. در چدن‌های استاندارد، این مقدار همیشه از نظر وزنی بیش از 3٪ است. همین امر به این ماده ساختار خاصی می‌دهد، زیرا کربن – که در حالت جامد در آهن به سختی حل می‌شود – به اشکال مختلف رسوب می‌کند و با توجه به چگالی آن، بین 12 تا 15 درصد از حجم کل را تشکیل می‌دهد. این کربن بالا و مهمتر از همه گرافیت، رسانایی حرارتی خوبی به آلیاژ می‌دهد، اما همچنین شکنندگی خاصی را نیز به آن می‌بخشد.
سه خانواده گسترده از چدن را می‌توان شناسایی کرد. چدن سفید بسیار سخت است، به راحتی می‌شکند و کار با آن دشوار است. چدن خاکستری گره‌ای یا کروی، همانطور که از نامش پیداست، حاوی کربن رسوب شده به شکل گره‌های کوچک است. چدن خاکستری گرافیت لایه‌ای رایج‌ترین نوع است و برای تولید دیسک‌ها و درام‌ها در سیستم‌های ترمز استفاده می‌شود. همانطور که به راحتی در آنالیزهای میکروگراف مشاهده می‌شود، گرافیت به شکل صفحات کوچکی وجود دارد که مانند نخ به نظر می‌رسند، زیرا فقط در برش دیده می‌شوند. این چدن‌های مختلف همگی ترکیب نسبتاً مشابهی دارند و بنابراین اقداماتی که برای به دست آوردن ساختارهای مختلف در آنها انجام می‌شود شامل افزودنی‌ها و
مهمتر از همه، شرایط عملیات حرارتی در طول مراحل فرآوری و خنک‌سازی است. برای اینکه محصول برای تولید دیسک کیفیت خوبی داشته باشد، باید از نظر میکروگرافی همگن باشد. صفحات نازکی از گرافیت که در پرلیت پراکنده شده‌اند. پرلیت خود مجموعه‌ای از صفحات بسیار نازک سمنتیت (Fe,C) در داخل فریت، یعنی آهن بسیار خالص است. چدن‌هایی که حاوی آخال‌های بزرگی از فریت یا سمنتیت هستند، دور ریخته می‌شوند. در واقع، سمنتیت دارای درجه سختی بسیار بالایی است که برابر با بیش از 650 HV (مقیاس سختی ویکرز که معادل 750 HB در مقیاس برینل است) می‌باشد. وجود آن باعث ایجاد نقاط سخت موضعی می‌شود و آن را برای مواد اصطکاکی نامناسب می‌کند، زیرا این نقاط به عنوان یک ساینده قوی عمل می‌کنند. در مقابل، فریت دارای سختی حدود 100 HB است که بسیار کمتر از چدن است که حدود 200 HB است. عامل دیگری که در اصطکاک نقش دارد، ابعاد صفحات گرافیتی است که معمولاً بین 15 میکرومتر تا 500 میکرومتر متغیر است. چیدمان این صفحات باید به جای منظم بودن، تصادفی باشد. مورد اخیر می‌تواند در طول فرآیند تولید دیسک در صورت عدم کنترل صحیح خنک‌سازی رخ دهد. چدن شکننده می‌شود و دیسک‌های ساخته شده از آن برای استفاده مناسب نیستند.
چدن اختصاصی برای تولید دیسک ترمز
یک چدن را می‌توان با تعداد زیادی از پارامترهای شیمیایی و فیزیکی توصیف کرد. با این حال، برای کاربردهای دیسک ترمز، معمولاً فقط تعداد محدودی از این پارامترها در نظر گرفته می‌شوند و ارتباط نزدیکی با کاربرد آن دارند. چدن خاکستری، که شکنندگی کمتری نسبت به چدن سفید دارد، به اندازه کافی چکش‌خوار یا شکل‌پذیر نیست. خاصیت ارتجاعی آن حداقل است و به سرعت به نقطه شکست می‌رسد. مقدار مقاومت شکست بر اساس ترکیب و ساختار متفاوت است، این مقدار به صورت سیستماتیک بررسی می‌شود و برای استانداردسازی نیز ضروری است. همین امر را می‌توان در مورد سختی نیز گفت که اندازه‌گیری آن بسیار آسان‌تر است و بسیار بیشتر نمایانگر ساختار و همگنی است. در مورد چدن‌های خاکستری، مقادیر سختی برینل بین 170 تا 250 HB قرار دارد. سایر پارامترها به طور غیرمستقیم اندازه‌گیری می‌شوند: به عنوان مثال، خواص ریخته‌گری، ماشینکاری و فرزکاری، یا قابلیت میرایی ارتعاشات و در نتیجه سر و صدا. در واقع می‌توان مدول دینامیکی یانگ و ضریب میرایی را برای نمونه‌ها اندازه‌گیری کرد یا اندازه‌گیری‌های کلی را روی دیسک‌های تمام شده انجام داد. می‌توان اشاره کرد که برای هر نوع وسیله نقلیه و دیسک، استفاده از نوعی چدن با خواص خاص ضروری است. اگرچه این همیشه امکان‌پذیر نیست، اما بسته به ویژگی‌های خاص مورد نیاز، از کیفیت‌های مختلف چدن استفاده می‌شود. این انتخاب بخشی از دانش فنی طراح دیسک ترمز است.
یک چدن خاکستری معمولی بین ۹۳ تا ۹۴ درصد آهن در جرم دارد. این آهن، به علاوه سه افزودنی اصلی، بیش از ۹۹.۵ درصد از جرم کل را تشکیل می‌دهد، اگرچه این بدان معنا نیست که افزودنی‌های
باقیمانده نقشی ندارند. علاوه بر کربن – افزودنی اصلی در آلیاژ – سیلیکون را نیز پیدا می‌کنیم که محتوای آن باید به دقت کنترل شود زیرا اگرچه از یک طرف باعث بهبود خواص ریخته‌گری می‌شود، از طرف دیگر گرافیتی شدن را نیز تقویت می‌کند و شکنندگی را افزایش می‌دهد. متخصصان متالورژی معمولاً از نظر محتوای معادل کربن صحبت می‌کنند. برخی از افزودنی‌ها در واقع نقشی مشابه با افزایش محتوای کربن ایفا می‌کنند. در مورد کربن نشان داده شده در اینجا، میزان کربن ۳.۳۵٪ است در حالی که میزان معادل کربن ۴.۱٪ است. منگنز، که در نتیجه فرآیند متالورژیکی یافت می‌شود، باید فقط در مقدار بسیار محدودی وجود داشته باشد. در واقع، این عنصر با گوگرد ترکیب می‌شود تا سولفید منگنز (MnS) را تشکیل دهد که باعث ایجاد گرانول‌های بسیار سخت و ساینده می‌شود که علاوه بر این، ماشینکاری را بسیار دشوار می‌کند. حداکثر میزان سولفید منگنز ۱٪ است. سایر عناصر موجود در آلیاژ تقریباً همیشه نتیجه ناخالصی‌های موجود در سنگ معدن یا ترکیبات مورد استفاده در ریخته‌گری هستند. به ویژه نیکل، کروم و مس بر ساختار متالورژیکی و در نتیجه سختی تأثیر می‌گذارند. میزان آنها معمولاً از ۰.۲٪ تجاوز نمی‌کند، اگرچه برخی از چدن‌های غنی از نیکل یا مس برای برآورده کردن الزامات فنی خاص توسعه یافته‌اند. بسته به کیفیت چدن مورد نظر، حداکثر و حداقل مقادیر برای محتوای افزودنی باید در یک محدوده بسیار باریک قرار گیرند، در غیر این صورت باید بلافاصله از بچ مورد نظر صرف نظر شود؛ موضوعی که در بررسی دلایل فرسودگی و تعویض دیسک نیز اهمیت پیدا می‌کند.