В целом, серый чугун является подходящим материалом для изготовления тормозных барабанов, однако из-за крайне тяжёлых условий эксплуатации тормозных барабанов к используемому серому чугуну неизбежно предъявляются некоторые специальные требования.

1. Содержание углерода и объёмная доля графита в микроструктуре

Поскольку температура тормозного барабана мгновенно повышается во время торможения, выделяющееся тепло необходимо отводить как можно быстрее, и теплопроводность является чрезвычайно важным свойством. Высокая теплопроводность позволяет снизить градиент температуры в тормозном барабане, тем самым уменьшая тепловое напряжение и предотвращая повреждения, вызванные тепловым напряжением и усталостью.

В лабораторных условиях результаты испытаний различных материалов с одинаковым циклическим изменением температуры показывают, что срок службы при тепловом усталостном разрушении перлитного ковкого чугуна выше, чем у серого чугуна с аналогичной структурой матрицы. Однако благодаря более высокой теплопроводности серого чугуна при одних и тех же условиях эксплуатации максимальная температура, достигаемая тормозным барабаном из серого чугуна, ниже, чем у тормозного барабана из ковкого чугуна. В то же время пластинчатый графит также способствует смягчению расширения матричной структуры, поэтому фактический срок службы такого барабана оказывается выше, чем у тормозного барабана из ковкого чугуна. С учётом практических условий применения серый чугун обычно используется вместо ковкого чугуна для изготовления тормозных барабанов.

Теплопроводность чугуна тесно связана с объёмной долей графита и размером пластинчатого графита: чем больше содержание пластинчатого графита и чем крупнее его пластинки, тем выше теплопроводность серого чугуна. При одинаковых условиях эксплуатации микроструктуру можно улучшить путём снижения температуры матрицы, что позволяет снизить общее тепловое напряжение.

Чтобы в микроструктуре чугуна было больше графитовых пластинок и тем самым обеспечить более высокую теплопроводность, содержание углерода в тормозных барабанах легковых автомобилей должно превышать 3,4%, для тяжёлых транспортных средств — 3,5%, а для тормозных барабанов тяжёлых транспортных средств — 3,7%. Это является основным требованием к качеству. При таких условиях объёмная доля графита в чугуне составляет примерно 11–13%, а теплопроводность чугуна примерно вдвое выше, чем у его матричного материала.

В настоящее время Китай ещё не разработал соответствующих национальных или отраслевых стандартов. Некоторые покупатели литых деталей не предъявляют чётких требований к содержанию углерода в сером чугуне, используемом для тормозных барабанов. Во многих случаях литым изделиям достаточно соответствовать марке серого чугуна и обеспечивать необходимую прочность на растяжение образца.

Конечно, содержание углерода должно быть соответствующим образом контролируемо в пределах от 3,2% до 3,3%, чтобы обеспечить требуемую прочность чугуна. Однако такая практика не может гарантировать основные требования к качеству тормозных барабанов и не допускается.

2. Форма и длина графитовых чешуек

Трещины в сером чугуне развиваются вдоль плоскости графита, и их направление не зависит от границ зерен или ориентации перлита в металлической матрице. Форма распределения пластинок графита соответствует серому чугуну типа А; пластинки графита в микроструктуре не имеют направленности, а мелкие трещины, возникающие на начальной стадии усталости, распределены рассеянно, что обеспечивает высокую стойкость к термической усталостной трещинообразованию. Поэтому морфология графита в микроструктуре отливок тормозных барабанов должна быть типа А. Графит типов B, D и E приведёт к ухудшению характеристик термической усталости и также снизит механические свойства чугуна.

Если чешуйчатый графит слишком мелкий, теплопроводность серого чугуна низкая, а амортизирующее действие графита при термическом расширении матрицы ухудшается. Поэтому чешуйки графита в микроструктуре серого чугуна, используемого для тормозных барабанов, должны быть относительно толстыми и не слишком мелкими; длина графита должна составлять 2–4 или 3–5.

В стандарте ASTM A159 «Чугунные отливки из серого чугуна для автомобильных применений» подробно указаны форма распределения пластинчатого графита и длина графитовых пластинок. Форма распределения пластинчатого графита должна соответствовать типу А. Для серого чугуна с более низкими требованиями к прочности длина графитовых пластинок составляет 2–4 класса; для серого чугуна с более высокими требованиями к прочности длина графитовых пластинок составляет 3–5 класса.

3. Микроструктура матрицы

Поскольку объёмная доля графита в чугуне очень велика, а пластинки графита относительно крупные, механические свойства чугуна естественно невысоки. Поэтому механические характеристики серого чугуна, используемого для тормозных деталей, не очень высоки. Минимальное значение предела прочности на растяжение обычно составляет 175 МПа, 200 МПа или 250 МПа. До сих пор ни одна марка не требует предела прочности на растяжение выше 300 МПа.