En general, la fundición gris es un material adecuado para la fabricación de tambores de freno, pero debido a las condiciones de trabajo extremadamente duras de los tambores de freno, inevitablemente existen algunos requisitos especiales para la fundición gris utilizada.

1. Contenido de carbono y fracción volumétrica de grafito en la microestructura

Dado que la temperatura del tambor de freno aumenta instantáneamente durante el frenado, el calor generado debe ser disipado lo más rápidamente posible, y la conducción térmica es una propiedad extremadamente importante. Una alta conductividad térmica puede reducir el gradiente de temperatura en el tambor de freno, disminuyendo así el estrés térmico y evitando daños causados por este estrés térmico y la fatiga.

En condiciones de laboratorio, los resultados de pruebas realizadas con diferentes materiales sometidos al mismo cambio cíclico de temperatura muestran que la vida a fatiga térmica del hierro dúctil perlítico es superior a la del hierro fundido gris con una estructura matriz similar. Sin embargo, debido a la mayor conductividad térmica del hierro fundido gris, bajo las mismas condiciones de operación, la temperatura máxima alcanzada por el tambor de freno de hierro fundido gris es inferior a la del tambor de freno de hierro dúctil. Al mismo tiempo, el grafito en láminas también tiene el efecto de amortiguar la expansión de la estructura matriz, por lo que su vida útil real es superior a la del tambor de freno de hierro dúctil. Teniendo en cuenta el impacto de la aplicación práctica, generalmente se utiliza hierro fundido gris en lugar de hierro dúctil para los tambores de freno.

La conductividad térmica del hierro fundido está estrechamente relacionada con la fracción en volumen de grafito y el tamaño de los flóculos de grafito; es decir, cuanto mayor sea la cantidad de flóculos de grafito y más grandes sean estos flóculos, mayor será la conductividad térmica del hierro fundido gris. Bajo las mismas condiciones de operación, la microestructura puede lograrse disminuyendo la temperatura de la matriz, lo que reduce la tensión térmica global.

Para que la microestructura del hierro tenga más escamas de grafito y así garantizar una mayor conductividad térmica, el contenido de carbono de los tambores de freno para vehículos de pasajeros debe ser superior al 3,4%, superior al 3,5% para vehículos pesados y superior al 3,7% para tambores de freno de vehículos pesados. Esta es la principal exigencia de calidad. Bajo estas condiciones, la fracción en volumen de grafito en el hierro fundido es de aproximadamente el 11-13%, y la conductividad térmica del hierro fundido es aproximadamente el doble de la del material matriz.

En la actualidad, China aún no ha formulado normas nacionales ni normas industriales pertinentes. Algunos compradores de piezas fundidas no tienen requisitos claros sobre el contenido de carbono del hierro fundido gris utilizado para tambores de freno. Muchos fundidos solo necesitan cumplir con la categoría de hierro fundido gris y garantizar la resistencia a la tracción de la muestra.

Por supuesto, el contenido de carbono debe controlarse adecuadamente entre el 3,2% y el 3,3% para garantizar la resistencia calificada del hierro fundido. Sin embargo, esta práctica no puede garantizar los requisitos básicos de calidad de los tambores de freno y no está permitida.

2. Forma de distribución y longitud de las escamas de grafito

Las grietas en hierro fundido gris se desarrollan a lo largo del plano del grafito, y su dirección no se ve afectada por los límites de grano ni por la orientación de la perlita en la matriz metálica. La forma de distribución de las escamas de grafito corresponde al hierro fundido gris de tipo A; en la microestructura, las escamas de grafito son no direccionales, y las pequeñas grietas generadas en la etapa inicial de fatiga se distribuyen de manera dispersa, lo que confiere a este material una buena resistencia a las grietas por fatiga térmica. Por lo tanto, la morfología del grafito en la microestructura de las piezas fundidas para tambores de freno debe ser del tipo A. Los tipos B, D y E de grafito provocarán un deterioro del comportamiento frente a la fatiga térmica y también reducirán las propiedades mecánicas del hierro fundido.

Si la grafito en láminas es demasiado fino, la conductividad térmica del hierro fundido gris será baja, y el efecto amortiguador del grafito será deficiente cuando la matriz se expanda térmicamente. Por lo tanto, las láminas de grafito en la microestructura del hierro fundido gris utilizado para tambores de freno deben ser relativamente gruesas y no demasiado pequeñas, y la longitud del grafito debe ser de 2 a 4 o de 3 a 5.

En la norma ASTM A159 «Fundiciones de hierro gris para aplicaciones automotrices», se especifican en detalle la forma de distribución del grafito en láminas y la longitud de las láminas de grafito. La forma de distribución del grafito en láminas debe ser del tipo A. Para el hierro gris fundido con requisitos de resistencia más bajos, la longitud de las láminas de grafito corresponde a la categoría 2-4; para el hierro gris fundido con requisitos de resistencia más altos, la longitud de las láminas de grafito corresponde a la categoría 3-5.

3. Microestructura de la matriz

Debido a que la fracción en volumen de grafito en el hierro fundido es muy grande y las escamas de grafito son relativamente grandes, las propiedades mecánicas del hierro fundido son naturalmente bajas. Por lo tanto, las propiedades mecánicas del hierro fundido gris utilizado como piezas de freno no son muy elevadas. El valor mínimo de resistencia a la tracción suele ser de 175 MPa, 200 MPa o 250 MPa. Hasta ahora, ninguna marca exige una resistencia a la tracción superior a 300 MPa.