淺析鋅鋁涂層在制動(dòng)盤上的應(yīng)用

胡磊，董良，儲(chǔ)軍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺析鋅鋁涂層在制動(dòng)盤上的應(yīng)用

胡磊，董良，儲(chǔ)軍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

銹蝕不僅影響金屬零件的表面質(zhì)量，更影響零件的精度和性能，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。文章將對金屬零件的銹蝕機(jī)理，防銹的方法做一個(gè)粗淺的概述，同時(shí)結(jié)合鋅鋁涂層在某車型制動(dòng)盤上的應(yīng)用研究，可達(dá)到理想的耐腐蝕要求，并為后續(xù)類似零部件開發(fā)應(yīng)用提供參考。

銹蝕；防銹；鋅鋁涂層；制動(dòng)盤

CLC NO.:U465.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-194-04

引言

眾所周知，銹蝕在工業(yè)、交通、建筑和航空航天等與現(xiàn)代人民生活、工作的一切領(lǐng)域，都顯出了其不可低估的重要性[1]，在汽車領(lǐng)域，車輛裝備經(jīng)常處于露天擺放狀態(tài)，由于使用環(huán)境復(fù)雜，銹蝕是車輛常見的故障模式，一旦金屬產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕將會(huì)影響其使用性能，威脅我們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，給企業(yè)或者社會(huì)帶來巨大損失。

目前行業(yè)使用最多的汽車制動(dòng)盤由鑄鐵鑄造而成，其具有易加工、高強(qiáng)度、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車中，但也因其是最容易從外部觀察的金屬部件之一，當(dāng)遇上潮濕陰雨天氣時(shí)，加上長期的風(fēng)吹日曬，其表面很自然的就會(huì)生成一些氧化物銹跡，制動(dòng)盤銹蝕嚴(yán)重情況下會(huì)影響其使用性能，引發(fā)交通事故，因此防腐是制動(dòng)盤設(shè)計(jì)不可回避的問題，同時(shí)隨著我國汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們對金屬零件耐腐蝕性以及環(huán)保要求也越來越高。

本文以行業(yè)常用的鑄鐵材料制動(dòng)盤防腐作為研究對象，通過對金屬銹蝕機(jī)理、防銹方法做一個(gè)粗淺的概述，簡述鋅鋁涂層技術(shù)在汽車制動(dòng)盤防腐上的應(yīng)用研究。

1、腐蝕分類與機(jī)理

金屬的腐蝕從根本上來說就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物，一般可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。

化學(xué)腐蝕是金屬表面和環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)所引起金屬的變質(zhì)或者破壞。化學(xué)腐蝕中用量最大的金屬——鐵制品的腐蝕最為常見，鐵銹的成分比較復(fù)雜，通常簡略用Fe2O3·xH2O表示。所以鐵銹可以說是混合物，其反應(yīng)原理可歸納為：

電化學(xué)腐蝕則是金屬表面在環(huán)境介質(zhì)如潮濕空氣或者電解質(zhì)溶液等發(fā)生原電池作用而引起的銹蝕，主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成電解質(zhì)溶液，而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的，它們大多數(shù)沒有鐵活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽極為鐵，陰極為雜質(zhì)，由于鐵與雜質(zhì)緊密接觸，使得腐蝕不斷進(jìn)行[2]。其腐蝕的電池反應(yīng)可歸納為：

2、腐蝕防護(hù)方法

生產(chǎn)上常用的一些金屬防銹方法有有：隔離法，改善腐蝕環(huán)境法，電化學(xué)保護(hù)法。

隔離法：造成金屬腐蝕的重要原因是微電池作用，微電池的產(chǎn)生必須同時(shí)具備陰陽兩極。防止金屬腐蝕第一大對策就是要想辦法將金屬（陽極）和其介質(zhì)(陰極)隔離開來，使之構(gòu)不成電池。常見的隔離法有鈍化法、涂層法、和電鍍法。

改善腐蝕環(huán)境法：在金屬所處的環(huán)境中，加入少量的緩蝕劑，從而與金屬的表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀并覆蓋在金屬表面，形成的保護(hù)膜能夠延緩金屬材料的腐蝕。

電化學(xué)保護(hù)：其原理是添加外部電流，致使金屬內(nèi)部的電位發(fā)生變化，起到抑制或者延緩金屬腐蝕的作用。

3、制動(dòng)盤防腐應(yīng)用研究

圖1

制動(dòng)系統(tǒng)是汽車最重要系統(tǒng)之一，是為使高速行駛的汽車減速或停車而設(shè)計(jì)的[4]。汽車制動(dòng)系統(tǒng)是一套用來使四個(gè)車輪減速或停止的零件總稱。制動(dòng)盤裝在輪轂上，與車輪及輪胎一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)駕駛員進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，主缸的液壓力傳遞到盤式制動(dòng)器，液壓力推動(dòng)摩擦襯片到制動(dòng)盤上，阻止制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作原理如圖1。

當(dāng)對制動(dòng)踏板施加一個(gè)力Fp，制動(dòng)主缸便擴(kuò)展出來一個(gè)作用力。這個(gè)力均衡地作用在制動(dòng)管路及活塞等零部件上?；钊a(chǎn)生出制動(dòng)鉗夾持力Fc，并作用在摩擦片和相對著的制動(dòng)盤上。從制動(dòng)踏板經(jīng)摩擦片和制動(dòng)盤轉(zhuǎn)換來的摩擦力，單個(gè)車輪的制動(dòng)器摩擦力Fu為：

車輪制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)盤相對滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生摩擦力矩Tu,使制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速減慢下來，同時(shí)在車輪與地面接觸點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力 F，它使車輛減速。

圖2

Tu--制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)盤相對滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦力矩；

u--摩擦片摩擦系數(shù)；

R--制動(dòng)器有效制動(dòng)半徑；

r--輪胎滾動(dòng)半徑。[5]

由此可見，制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性是通過制動(dòng)盤與制動(dòng)摩擦片配合作用，來到達(dá)車輛減速或者停車，而汽車制動(dòng)盤銹蝕會(huì)影響摩擦系數(shù)，進(jìn)而影響汽車制動(dòng)性能，直接關(guān)系到交通安全，嚴(yán)重情況下，制動(dòng)盤銹蝕可能會(huì)危害車上的駕駛員和乘客人身安全，給企業(yè)或者社會(huì)帶來巨大損失，因此對汽車制動(dòng)盤防腐研究具有重要意義。

傳統(tǒng)制動(dòng)盤為由鑄鐵鑄造而成，目前多數(shù)制動(dòng)盤使用的防腐涂層有電鍍鋅涂層、熱鍍鋅涂層、環(huán)氧防腐涂層等，這些防腐涂料在低溫條件下具有很好的防腐效果，當(dāng)溫度超過120℃后，這些防腐涂層則不能夠滿足防腐要求，因此研究具有優(yōu)異防腐性能和高穩(wěn)定性的防腐涂料對于制動(dòng)盤防腐來說顯得非常重要。

圖3

現(xiàn)有的電鍍防腐蝕工藝存在鍍層防腐性差，電鍍過程中伴隨著大量含鉻、含鋅廢水、酸堿廢水和廢氣的污染排放，污染環(huán)境等缺陷。而鋅鋁涂層是近年來在鋅鉻涂層（即達(dá)克羅涂層[6]）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型環(huán)保型金屬表面處理技術(shù)，也稱為無鉻達(dá)克羅。 是一種新型金屬表面防腐蝕涂層技術(shù)，使用水性無鉻鋅鋁涂料，噴涂于產(chǎn)品表面，經(jīng)高溫烘烤后形成的以鱗片狀鋅為主要成分的無機(jī)防腐涂層。其生產(chǎn)工藝為如圖3。

表1

同時(shí)有金屬腐蝕試驗(yàn)研究顯示涂層壽命與涂層厚度有如下關(guān)系：

式中：

t----涂層使用厚度；

h---涂層總厚度；

D---H2O、O2在涂層中的擴(kuò)散系數(shù)；

t(PB,σn)---H2O透過后的涂層壽命，是內(nèi)部膨脹壓力（PB）和涂膜剝離層應(yīng)力（σn）的函數(shù)。

由于涂層的壽命與涂層厚度的平方成正比，提高涂層厚度能顯著地增加涂層的隔離能力，是提高涂層壽命的有效手段[8]。

但是對制動(dòng)盤而言，為了防止制動(dòng)噪音和制動(dòng)抖動(dòng)問題，制動(dòng)盤端面跳動(dòng)和厚度差是嚴(yán)格控制和保證的尺寸，制動(dòng)盤表面防腐時(shí)，其表面涂層厚度越厚，對涂裝工藝要求也越高，涂層也越容易出現(xiàn)裂紋，生產(chǎn)和制造成本相應(yīng)增加，同時(shí)，制動(dòng)過程是汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，制動(dòng)瞬間會(huì)使制動(dòng)盤等部件溫度急劇上升，因此對防腐涂層的厚度和高溫穩(wěn)定性要求也高。

應(yīng)用本文的方法，對2018年4月30日進(jìn)行的GPS車載定位實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用Novatel公司的雙頻商用接收機(jī)采集多組衛(wèi)星數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣頻率1 Hz。對于GPS載波相位數(shù)據(jù)，在大多數(shù)應(yīng)用情況下，選取0.001%的誤警率是可行的。而對于動(dòng)態(tài)情況下應(yīng)用的低成本接收機(jī)，相位噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1 cm。設(shè)置:PFA=10-5，PMD=10-4，σ=1 cm。針對設(shè)定的參數(shù)判斷各衛(wèi)星截止高度角下的可用性，結(jié)果如表1所示。

下面以某車型制動(dòng)盤防腐應(yīng)用為例，通過中性鹽霧試驗(yàn)比較鋅鋁涂層與常用涂層在不同溫度下的耐腐蝕性能，通過涂層劃痕腐蝕試驗(yàn)研究鋅鋁涂層在不同劃痕寬度下的耐腐蝕性能。

1）中性鹽霧試驗(yàn)研究

試驗(yàn)工件：材料為HT250的制動(dòng)盤成品

試驗(yàn)涂層：熱噴涂鋅鋁合金涂層、電鍍鋅涂層、熱鍍鋅涂層、環(huán)氧防腐涂層

試驗(yàn)設(shè)備：鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱

中性鹽霧試驗(yàn)：5%NaCl ，pH=6.5～7.2

表2

表3

從上述中性鹽霧試驗(yàn)可以看出，鋅鋁涂層的耐腐蝕性能遠(yuǎn)比電鍍鋅鈍化層或者環(huán)氧涂層好，且涂層厚度比較薄。

2）鋅鋁涂層劃痕試驗(yàn)：

試驗(yàn)工件：材料為HT250的制動(dòng)盤成品

試驗(yàn)涂層：熱噴涂鋅鋁合金涂層

試驗(yàn)條件：沿對角線劃叉形劃痕，劃痕處露出金屬底板

試驗(yàn)設(shè)備：鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱

中性鹽霧試驗(yàn)：5%NaCl，pH=6.5～7.2

表4

從表中可知，在涂層存在≤1mm劃痕的條件下，涂層耐中性鹽霧的性能與完好涂層幾乎相同，耐鹽霧時(shí)間均能達(dá)到2000h以上；當(dāng)劃痕寬度≥3mm時(shí)，涂層耐鹽霧的性能大幅降低，3mm劃痕涂層耐中性鹽霧的時(shí)間為720h,而5mm劃痕的涂層式樣耐中性鹽霧時(shí)間僅有350h。劃痕試樣主要是在劃痕處的基體發(fā)生腐蝕。

通過上述試驗(yàn)研究，表明與電鍍涂層和環(huán)氧涂層相比，鋅鋁涂層是一種優(yōu)良的耐腐蝕涂層，可滿足汽車制動(dòng)盤對防腐涂料的優(yōu)異防腐性能和高溫穩(wěn)定性的要求。

值得一提的是，汽車制動(dòng)盤外帽檐如若設(shè)計(jì)為鑄造后不再機(jī)加工藝，直接涂覆鋅鋁涂層的話，由于鑄造工藝自身的缺陷（表面粗糙，不均勻），在鑄造凸起尖點(diǎn)處，鋅鋁涂層溶液與金屬基體無法良好的結(jié)合，經(jīng)過涂覆烘烤后，無法形成較厚的鈍化膜，降低其防銹蝕能力，時(shí)間長久，該區(qū)域易產(chǎn)生銹蝕，影響制動(dòng)盤外觀乃至功能。制動(dòng)盤外帽檐如若設(shè)計(jì)為鑄造后機(jī)加工藝，再涂覆鋅鋁涂層，則可以避免該現(xiàn)象。

4、結(jié)束語

為了滿足市場對汽車安全、防腐、環(huán)保等要求，越來越多的環(huán)保技術(shù)被應(yīng)用在汽車工程領(lǐng)域。本文簡單的介紹了金屬的腐蝕機(jī)理，腐蝕發(fā)生的原因。再以某車型制動(dòng)盤防腐為例，研究鋅鋁防腐涂料的優(yōu)異耐腐蝕性，這對于延長零件壽命具有十分重要的意義，且可推廣到汽車行業(yè)類似零部件開發(fā)上應(yīng)用。

[1] 徐立光.淺論金屬銹蝕的影響與防止[J].工業(yè)技術(shù).2013,NO.05(下): 147.

[2] 楊吉才,宋茜,吳明君,范成平等.關(guān)于金屬的腐蝕與防護(hù)的研究以及防護(hù)措施[J].科技向?qū)?2014,第15期.

[3] 陶琦,李芬芳,邢健敏等.金屬腐蝕及其防護(hù)措施的研究進(jìn)展[J].湖南有色金屬.2007年4月,第23卷第2期.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(第2版)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004:282-310.

[5] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000: 71-102.

[6] 應(yīng)憲明.金屬表面防銹技術(shù)--達(dá)克羅涂覆[J].汽車工藝與材料.2002, (2):12-13.

[7] GB/T 26110-2010,鋅鋁涂層技術(shù)條件[S].

[8] 陳治良.現(xiàn)代涂裝手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2009:546-618.

更正聲明

《汽車實(shí)用技術(shù)》2016年第6期文章《緊急狀況下汽車油門防誤踩安全輔助裝置設(shè)計(jì)》作者強(qiáng)敏 ，李軍政， 陳昭君 ，楊躍 ，李滿 ，曹瑞玲，作者簡介原為：強(qiáng)敏，就讀于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院。

現(xiàn)改為：強(qiáng)敏（1994-），女，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，就讀于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院。

Analysis on application of zinc aluminum coating on brake disc

Hu Lei, Dong Liang, Chu Jun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Corrosion not only affects the surface quality of metal parts, but also affects the precision and performance of the parts, causing significant economic losses. In this paper, the corrosion mechanism of metal parts and the method of rust prevention is superficially proposed.Meanwhile, zinc aluminum coating in the application of a vehicle brake disc, can reach the ideal requirements of corrosion resistance, and to provide the reference for subsequent similar parts development and application.

Corrosion; Rust prevention; Zinc aluminum coating; Brake disc

U465.2

A

1671-7988(2016)07-194-04

李軍政（1978-），男，博士生，副教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田作業(yè)裝備及其自動(dòng)化技術(shù)。

《汽車實(shí)用技術(shù)》編輯部

胡磊，底盤設(shè)計(jì)工程師，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)。就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.061

特此聲明。