合金元素含量對(duì)制動(dòng)盤銹蝕的影響

李淼瑩，張晨強(qiáng)，李瑞斌

合金元素含量對(duì)制動(dòng)盤銹蝕的影響

李淼瑩，張晨強(qiáng)，李瑞斌

（長(zhǎng)安汽車北京公司，北京 102400）

制動(dòng)盤銹蝕對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)問題有較大影響，文章通過室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)法及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)法兩種方式，分析了不同合金元素含量對(duì)制動(dòng)盤耐蝕性的貢獻(xiàn)，并運(yùn)用六西格瑪質(zhì)量工具分析，最終確定了合適的合金添加量的比例。采用合金元素增加后的制動(dòng)盤售后制動(dòng)抖動(dòng)維修及客戶抱怨明顯降低，為后續(xù)類似零部件開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

制動(dòng)盤；制動(dòng)抖動(dòng)；銹蝕；合金元素

汽車品牌競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)歸根結(jié)底是對(duì)顧客的競(jìng)爭(zhēng)，而售后質(zhì)量帶給顧客的直接體驗(yàn)無疑是品牌的一張名牌，也越來越受到關(guān)注。

在售后市場(chǎng)，制動(dòng)抖動(dòng)問題一直屬于底盤專業(yè)客戶抱怨的重要問題，客戶感知度高、抱怨大。售后維修方式以更換制動(dòng)盤為主，打磨制動(dòng)盤及摩擦片為輔。制動(dòng)抖動(dòng)的產(chǎn)生因素有多種，輪胎動(dòng)平衡失衡、摩擦片異常磨損、制動(dòng)系統(tǒng)匹配等都會(huì)引起制動(dòng)抖動(dòng)。前期針對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的研究也有很多，大部分是從整車匹配、系統(tǒng)的固有頻率、摩擦片配方等方面進(jìn)行正向分析驗(yàn)證。本文選擇從售后返件出發(fā)，反向研究客戶抱怨，并從中找到突破點(diǎn)。

1 售后件解析

選取某款量產(chǎn)車型，通過對(duì)顧客抱怨及舊件信息進(jìn)行收集，發(fā)現(xiàn)更換制動(dòng)盤占制動(dòng)抖動(dòng)問題返件的90%以上。在分析初期，對(duì)售后177組制動(dòng)盤返件進(jìn)行外觀分類后，按照制動(dòng)盤表面有無銹蝕分組，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)81%的返件均有明顯銹蝕痕跡，其中黑銹占比56%，一般銹蝕占比25%。對(duì)上述制動(dòng)盤的薄厚差（Disc Thickness Variation, DTV）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)盤的DTV較出廠前明顯變差。

圖1 制動(dòng)盤售后返件外觀分類

圖2 制動(dòng)盤售后返件DTV分布

為進(jìn)一步確認(rèn)制動(dòng)盤銹蝕對(duì)制動(dòng)DTV的影響，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。先將全新制動(dòng)盤加速生銹，再開展除銹試驗(yàn)，并記錄在試驗(yàn)前、制動(dòng)5次、制動(dòng)200次、制動(dòng)400次等狀態(tài)下制動(dòng)盤DTV的變化。通過除銹期間DTV變化情況確認(rèn)制動(dòng)盤銹蝕和抖動(dòng)的關(guān)系。

從圖3可知，當(dāng)制動(dòng)盤嚴(yán)重銹蝕時(shí)，DTV明顯增大，在此期間制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)，引起顧客抱怨。隨著除銹次數(shù)的增加，制動(dòng)盤DTV逐漸降低至試驗(yàn)前的設(shè)計(jì)要求10 μm，制動(dòng)抖動(dòng)問題也有所改善。通過此試驗(yàn)，明確制動(dòng)盤銹蝕對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)問題的影響。

圖3 除銹過程中DTV變化

2 制動(dòng)盤銹蝕原理

制動(dòng)盤銹蝕是一種電化學(xué)腐蝕過程，主要是由制動(dòng)盤材質(zhì)決定的。目前市面上制動(dòng)盤主要成分為鑄鐵HT250，長(zhǎng)期在戶外停放，遇到下雨或大氣潮濕時(shí)，制動(dòng)盤表面會(huì)凝結(jié)一層水膜，形成電解液環(huán)境。當(dāng)制動(dòng)盤表面形成連續(xù)的電解液薄層后，就開始了電化學(xué)腐蝕過程。在反應(yīng)中，主要是依靠大氣中氧的去極化作用，使金屬失電子成為鐵離子，氧氣得電子成為氫氧根離子。此時(shí)的鐵銹主要成分為三氧化二鐵，為黃褐色。當(dāng)銹層干燥時(shí)，即外部大氣濕度降低時(shí)，銹層和底部基體金屬的局部電池成為開路，在大氣中氧的作用下重新氧化成三價(jià)鐵離子，形成四氧化三鐵，即為黑色鐵銹。此時(shí)銹蝕物很難祛除，甚至?xí)谀Σ梁螽a(chǎn)生硬點(diǎn)，附著在摩擦片表面，進(jìn)而劃傷制動(dòng)盤，造成工作面劃痕。這些均會(huì)導(dǎo)致售后返件中存在黑銹及溝槽現(xiàn)象[1]。

綜上所述，制動(dòng)盤銹蝕是因制動(dòng)盤材質(zhì)屬性引起的一種正?，F(xiàn)象，但由此引起的制動(dòng)抖動(dòng)問題需要整改。因此，制動(dòng)盤銹蝕問題需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行提升，降低制動(dòng)盤銹蝕速率。

3 制動(dòng)盤耐腐蝕性能提升

防止金屬大氣腐蝕的方法有很多，目前主流方式分為三大類：第一類通過改變金屬內(nèi)部組成，提高金屬的抗腐蝕能力；第二類使用有機(jī)、無機(jī)涂層及金屬涂層，在金屬表面形成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、鍍層，達(dá)到保護(hù)金屬的作用，涂層保護(hù)是防止大氣腐蝕最簡(jiǎn)便的方法，主要是由于涂層對(duì)水分和氧有屏蔽作用；第三類通過表面涂覆各類防銹劑達(dá)到暫時(shí)性保護(hù)，該方法主要用于保護(hù)儲(chǔ)藏和運(yùn)輸過程中的金屬制品[2]。

由于制動(dòng)盤的工作特性，車輛制動(dòng)時(shí)需要與制動(dòng)塊接觸磨損，在表面形成涂層及涂覆暫時(shí)性的防銹劑均不能達(dá)到長(zhǎng)期防銹。因此本文主要研究在制動(dòng)盤中增加不同合金元素，來增強(qiáng)制動(dòng)盤的抗腐蝕能力。

目前在用的方法中，在普通鑄鐵盤中加入少量合金元素，可在一定程度上提高制動(dòng)盤的耐蝕性，即形成低合金耐蝕鑄鐵。常用的合金元素有銅、錫、鉻、鎳等。本文主要驗(yàn)證在制動(dòng)盤中增加Cu、Sn兩種元素對(duì)制動(dòng)盤的耐大氣腐蝕性能提升的影響。

制動(dòng)盤耐大氣腐蝕性能的直接體現(xiàn)為制動(dòng)盤的銹蝕速率。銹蝕速率越低，代表制動(dòng)盤的耐大氣銹蝕性能越好。制動(dòng)盤銹蝕速率的研究方法目前主要有兩種，分別為室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)法和電化學(xué)腐蝕法。本文通過以上兩種方法驗(yàn)證制動(dòng)盤組分中增加Cu、Sn元素對(duì)制動(dòng)盤銹蝕速率的影響。在試驗(yàn)前，特制造兩種制動(dòng)盤，一種為普通制動(dòng)盤，制動(dòng)盤中Cu、Sn含量分別小于0.1%、0.01%，另外一種為合金制動(dòng)盤，制動(dòng)盤中Cu、Sn含量分別大于0.3%、0.04%。

3.1 室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)法

為驗(yàn)證制動(dòng)盤組分差異對(duì)制動(dòng)盤銹蝕速度的影響，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)步驟如下：

（1）浸泡：將制動(dòng)盤同時(shí)完全浸泡在5%的鹽水中，時(shí)間0.5 h；

（2）干燥：溫度為100 ℃，1 h；

（3）存放：溫度為20 ℃，濕度為65%，時(shí)間19.5 h；

（4）把（1）到（3）當(dāng)作一個(gè)循環(huán)步驟，重復(fù)循環(huán)，直到銹蝕厚度增長(zhǎng)到（0.15±0.01）mm（該銹蝕厚度是指兩面的總厚度平均值）；

（5）每2個(gè)循環(huán)進(jìn)行1次銹蝕觀察，根據(jù)銹蝕情況進(jìn)行厚度測(cè)量，用于對(duì)比銹蝕速度。

完成以上步驟，記錄兩種制動(dòng)盤材質(zhì)差異對(duì)銹蝕速度影響，具體如表1所示。

表1 合金盤、普通盤銹蝕速度比對(duì)

結(jié)果顯示合金制動(dòng)盤經(jīng)過8個(gè)循環(huán)后，銹蝕層厚度達(dá)到0.110 mm，普通制動(dòng)盤在經(jīng)過8個(gè)循環(huán)后，銹蝕層厚度即達(dá)到要求的0.15 mm，普通制動(dòng)盤銹蝕速率是合金制動(dòng)盤銹蝕速率的1.3倍左右，即普通制動(dòng)盤比合金制動(dòng)盤容易腐蝕。

3.2 電化學(xué)腐蝕法

金屬在介質(zhì)中的腐蝕電位是金屬腐蝕的基本參數(shù)之一。通過對(duì)合金盤、普通盤試塊進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，在無電流負(fù)載情況下，測(cè)量試塊電極與參比電極（電勢(shì)為0）之間的電位差，得到圖4兩種制動(dòng)盤的電位-時(shí)間曲線，從圖4中電位隨時(shí)間的變化曲線來看，兩種制動(dòng)盤開始時(shí)電位均較正，隨著腐蝕的進(jìn)行，電位由正變負(fù)；當(dāng)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，制動(dòng)盤表面形成穩(wěn)定的銹層后，反應(yīng)受阻，電位趨于穩(wěn)定。兩種制動(dòng)盤都經(jīng)歷了腐蝕-穩(wěn)定的過程。但合金盤（線2、線3）和普通盤（線1）相比，電位較正，說明合金盤腐蝕傾向相對(duì)普通盤小[3-4]。

圖4 合金盤、普通盤電化學(xué)腐蝕速率對(duì)比

通過以上兩種試驗(yàn)方法，確認(rèn)制動(dòng)盤中增加Cu、Sn元素后腐蝕速率比普通制動(dòng)盤有明顯降低。這是因?yàn)橥ㄟ^增加合金元素，可以改變銹層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成一層具有保護(hù)性的銹層，改善了制動(dòng)盤的大氣耐腐蝕性。

4 合金元素具體添加量確認(rèn)

合金元素的增加必然會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，因此，在制定制動(dòng)抖動(dòng)問題的整改方案時(shí)，需同時(shí)兼顧質(zhì)量因素和成本因素的影響，這就要求合金元素Cu、Sn含量的增加需控制在一定范圍內(nèi)。在此使用的量化方式為六西格瑪系統(tǒng)中的全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析法。主要是通過將所有因子的所有水平的所有組合都至少進(jìn)行一次試驗(yàn)，后通過MINITAB軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]。并結(jié)合質(zhì)量和成本因素，最終設(shè)定了合金元素的合理的比例。

第一步先明確制動(dòng)盤合金元素的增加的上下限，通過成本測(cè)算，目前制動(dòng)盤Cu含量最大可增加至0.4%，Sn含量最大可增加到0.07%。最小值不能低于目前的量產(chǎn)水平，Cu含量0.1%，Sn含量0.01%。即按照表2方式進(jìn)行，確定此次試驗(yàn)為制動(dòng)盤合金元素的2因子2水平分析。通過室內(nèi)加速銹蝕試驗(yàn)法得到各個(gè)因子組合對(duì)應(yīng)的銹蝕層厚度，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MINITAB系統(tǒng)中后，得出結(jié)論圖5。圖5顯示，Cu、Sn含量增加，與制動(dòng)盤耐蝕性成線性正比關(guān)系，當(dāng)Cu含量為0.4%、Sn含量為0.07%時(shí)，制動(dòng)盤銹蝕程度最慢，耐腐蝕性能越好。

表2 全因子分析制動(dòng)盤四種狀態(tài)

圖5 全因子分析結(jié)論

最終，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將制動(dòng)盤中Cu元素的含量增加至0.2%～0.4%，Sn元素的含量增加至0.03%～0.07%。并制作Cu、Sn元素上下限四種組合的制動(dòng)盤進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)（即Cu0.2%+ Sn0.03%、Cu0.2%+Sn0.07%、Cu0.4%+Sn0.03%、Cu0.4%+Sn0.07%），結(jié)果如圖6所示，得知在此范圍內(nèi)制動(dòng)盤腐蝕電位差異不大。

圖6 合金元素上下限對(duì)應(yīng)銹蝕速率

合金元素增加后對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，確認(rèn)合金盤不會(huì)對(duì)制動(dòng)盤噪音、溫升、熱變形、異常磨損及衰退強(qiáng)度等造成不利影響，可以滿足設(shè)計(jì)要求。且跟蹤措施實(shí)施后一年內(nèi)的售后表現(xiàn)，市場(chǎng)上制動(dòng)抖動(dòng)的維修及抱怨均顯著降低，改善效果明顯。

5 結(jié)束語

針對(duì)制動(dòng)盤銹蝕導(dǎo)致的制動(dòng)抖動(dòng)問題，采用室內(nèi)加速腐蝕法及電化學(xué)腐蝕法，確認(rèn)在普通制動(dòng)盤中增加Cu、Sn元素可以提升制動(dòng)盤的耐蝕性，并通過全因子分析得到Cu、Sn含量增加的合理方案，在解決售后制動(dòng)抖動(dòng)問題的同時(shí)，將零部件生產(chǎn)成本控制在可接受范圍內(nèi)。

[1] 楊德鈞,沈卓身.金屬銹蝕學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

[2] 王一建,王余高,黃本元,等.金屬銹蝕原理與暫時(shí)防銹[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2017.

[3] 李荻.電化學(xué)原理[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4] 曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[5] 馬逢時(shí),吳成鷗,蔡霞[M].基于MINITAB的現(xiàn)代實(shí)用統(tǒng)計(jì),北京:中國人民大學(xué)出版社,2009.

Influence of Alloy Element Content on the Rust of Brake Discs

LI Miaoying, ZHANG Chenqiang, LI Ruibin

( Changan Automobile Beijing Company, Beijing 102400, China )

The rust of brake discs has a great influence on the brake judder. Two methods including indoor accelerated corrosion test and electrochemical corrosion test were used in this paper. The contribution of different alloy element content to the corrosion resistance of brake discs was analyzed, and the appropriate proportion of alloy addition was determined by using Six Sigma quality tool. The after-sales brake judder maintenance and customer complaints of brake discs with increased alloying elements were significantly reduced, which could provide a reference for the development and application of similar parts.

Brake disc; Brake judder; Rust; Alloy element

O646.6

B

1671-7988(2022)23-165-04

O646.6

B

1671-7988(2022)23-165-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.030

李淼瑩（1990—），女，工程師，研究方向?yàn)榻饘偌冷P對(duì)整車影響，E-mail:limy2@changan.com.cn。