倪健健，田偉，王文龍，姜申野，賈文建

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

基于試驗(yàn)的微弧氧化鋁合金制動盤研究

倪健健1,2，田偉1,2，王文龍1,2，姜申野1,2，賈文建1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

為推進(jìn)某車型輕量化進(jìn)程，提出一種新型微弧氧化鋁合金制動盤。通過基于道路制動載荷譜的制動器臺架試驗(yàn)，對比不同微弧氧化陶瓷層的耐磨性能。因?yàn)殇X合金制動盤最大的缺點(diǎn)是熱變形較大，通過開展制動盤的熱變形試驗(yàn)，驗(yàn)證微弧氧化鋁合金制動盤的可行性。最后通過溫度對比試驗(yàn)，得出在相同工況下，HT250和微弧氧化鋁合金制動盤的溫度分別是550和350 ℃，為鋁合金制動盤的其他驗(yàn)證開發(fā)提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

微弧氧化；鋁合金制動盤；輕量化；試驗(yàn)

0 引言

在全球變暖的大背景下，對汽車行業(yè)的節(jié)能減排提出了更高的要求。根據(jù)各研究機(jī)構(gòu)調(diào)查：汽車整車質(zhì)量每降低10%，油耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%。而油耗每減少1 L，可以減少2.45 kg CO2排放量[1]。

減少汽車制動盤的質(zhì)量不僅能減少排放，還能增加動力性和操作穩(wěn)定性。目前，汽車用制動盤主要使用灰鑄鐵材料，其質(zhì)量較大。而鋁合金復(fù)合材料有密度小、質(zhì)量輕、比熱容大等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為制動盤輕量化的優(yōu)選材料。但由于鋁合金材料本身較軟、熱變形量大等特點(diǎn)，使得鋁合金不能直接作為制作制動盤的材料，需要做一些特殊處理，且不同鋁合金型號的機(jī)械性能有較大的差別。這就對鋁合金制動盤的開發(fā)提出了更高的要求。

崔世海等[2]建立了鋁合金復(fù)合材料制動盤及HT250制動盤的三維瞬態(tài)熱機(jī)耦合計(jì)算模型，通過仿真對比試驗(yàn)驗(yàn)證了鋁合金復(fù)合材料在制動盤上應(yīng)用的可行性。唐艷茹等[3]通過使用微弧氧化技術(shù)，在鋁合金表面制備具有自潤滑效果的微弧氧化陶瓷膜層，提高鋁合金材料的耐磨性和抗腐蝕性。戴振東等[4]研究了微弧氧化鋁合金在不同環(huán)境下的摩擦學(xué)行為。

文中針對某車用制動盤，使用先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，通過試驗(yàn)研究不同狀態(tài)下的微弧氧化鋁合金制動盤及HT250制動盤的性能，研究其作為車用制動盤材料的可行性。

1 微弧氧化鋁合金制動盤

微弧氧化是一種在有色金屬表面原位生長陶瓷層的表面處理技術(shù)[5]。這種陶瓷氧化膜和其鋁合金基體可以實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合，不易脫落。陶瓷層緊密度高、硬度大、耐磨性好，因此在做制動盤材料方面有較大的優(yōu)勢。

通過不同的電流強(qiáng)度、添加不同的催化劑及設(shè)置不同的氧化時間可以得到不同厚度的氧化膜陶瓷層。通過不同的氧化時間，得到了不同厚度的陶瓷層制動盤，如圖1所示。文中使用氧化陶瓷層厚度分別為15、45、80和100 μm的制動盤進(jìn)行制動盤臺架試驗(yàn)，檢測不同厚度陶瓷層制動盤的性能。

圖1 不同氧化時間下的陶瓷層厚度

2 微弧氧化陶瓷層耐磨性試驗(yàn)

通過整車制動數(shù)據(jù)采集設(shè)備LINK 3802S,采集整車耐久路試過程中的制動數(shù)據(jù)，如圖2所示，為某路段整車路試中制動管路壓力、制動初速度以及制動減速度等制動參數(shù)。經(jīng)過簡化、轉(zhuǎn)化處理，將此次采集的整車制動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為制動器臺架試驗(yàn)程序，對鋁合金制動盤進(jìn)行臺架試驗(yàn)，不僅可以模擬整車路試過程中的制動強(qiáng)度，還能加快試驗(yàn)進(jìn)度、節(jié)約試驗(yàn)資源。

圖2 某路段整車路試制動參數(shù)

1號盤(陶瓷層厚度15 μm)在臺架試驗(yàn)過程中，在高溫階段出現(xiàn)嚴(yán)重變形，制動過程中和制動鉗發(fā)生干涉，如圖3所示。

圖3 15 μm陶瓷層制動盤變形嚴(yán)重

2號盤(陶瓷層厚度45 μm)在經(jīng)過30輪臺架試驗(yàn)相當(dāng)于6 000 km整車路試后，制動盤陶瓷層出現(xiàn)多處陶瓷剝落現(xiàn)象，如圖4所示。陶瓷層厚度為80和100 μm的制動盤未出現(xiàn)陶瓷剝落現(xiàn)象。

圖4 45 μm陶瓷層制動盤陶瓷剝落

隨著氧化時間的增加，微弧氧化陶瓷層逐漸加厚，導(dǎo)致氧化電火花逐漸變得稀松，因此微弧氧化鋁合金制動盤表面會有一層疏松層。隨著疏松層的增加，陶瓷層的表面粗糙度會增加，硬度降低。

經(jīng)過檢測，微弧氧化鋁合金制動盤表面的初始表面粗糙度會隨著制動盤的表面磨損逐漸變小，經(jīng)過一段時間后達(dá)到一個穩(wěn)定的值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，微弧氧化鋁合金制動盤和普通摩擦片配合，只能得到較低的摩擦因數(shù)，所以摩擦片需要專門開發(fā)匹配。

3 微弧氧化鋁合金制動盤熱變形試驗(yàn)

分別使用80 μm陶瓷層微弧氧化鋁合金制動盤和HT250灰鐵制動盤開展制動盤熱變形制動器臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示?？梢钥闯觯弘m然微弧氧化鋁合金制動盤的熱變形結(jié)果不如HT250制動盤的熱變形理想，但是試驗(yàn)結(jié)果是合格的，80 μm微弧氧化盤熱變形結(jié)果符合要求。

表1 制動盤熱變形試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

4 制動拖磨溫度對比試驗(yàn)

因?yàn)殇X合金的比熱容比HT250大，且散熱性較好，故在相同制動的條件下，鋁合金制動盤的溫度比灰鐵制動盤的溫度低。

試驗(yàn)條件：車速80 km/h，制動減速度0.3g，風(fēng)速11 m/s。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，經(jīng)過75 s制動拖磨后，HT250制動盤最高溫度為550 ℃，微弧氧化鋁合金制動盤最高溫度為351 ℃。

圖5 制動盤拖磨溫度對比

在灰鑄鐵制動盤的制動器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，500 ℃通常被定義為高溫惡劣工況的試驗(yàn)條件，用于限制制動盤在試驗(yàn)中的最高溫度，是試驗(yàn)開展過程中高溫惡劣工況下，制動盤各項(xiàng)性能的關(guān)鍵限制因素。而針對微弧氧化鋁合金制動盤并沒有專門的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，此次溫度對比試驗(yàn)結(jié)果，對鋁合金制動盤臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建立有參考價值。

5 結(jié)論

為微弧氧化鋁合金制動盤的設(shè)計(jì)開發(fā)提供有效的臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象：

(1)通過試驗(yàn)確認(rèn)一個可用于汽車制動盤的微弧氧化鋁合金陶瓷層的厚度范圍以及對應(yīng)的電鍍時間；

(2)確認(rèn)80 μm厚度的微弧氧化鋁合金制動盤的熱變形試

驗(yàn)結(jié)果符合汽車制動盤熱變形的要求；

(3)通過對比試驗(yàn)，得出在HT250制動盤溫度達(dá)到550 ℃時，微弧氧化鋁合金制動盤溫度達(dá)到351 ℃，為鋁合金制動盤的制動盤臺架試驗(yàn)方法提供重要的參考；

(4)因?yàn)樘沾蓪觾?nèi)部致密，導(dǎo)致經(jīng)過磨合后，制動器摩擦因數(shù)偏低，普通摩擦片無法達(dá)到要求，需要針對微弧氧化鋁合金制動盤設(shè)計(jì)開發(fā)新型摩擦片。

【1】聶采順.汽車及零部件輕量化技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015(9):29-32.

【2】崔世海，袁健，李海巖,等.基于有限元的轎車用制動盤輕量化可行性研究[J].天津科技大學(xué)學(xué)報，2013,25(5): 56-60. CUI S H，YUAN J，LI H Y，et al.Research on Weight Reduction of Brake Discs of Cars by Using Finite Element Method[J].Journal of Tianjin University of Science & Technology，2013,25(5):56-60.

【3】唐艷茹，潘利華，常宇,等.微弧氧化提高鋁合金耐磨性能的研究[J].表面技術(shù)，2015,44(2):48-54. TANG Y R，PAN L H，CHANG Y，et al.Improving the Wear Resistance of Aluminum Alloy through the Micro-arc Oxidation Technology[J].Surface Technology，2015,44(2):48-54.

【4】戴振東，丁紅燕，王遠(yuǎn),等.微弧氧化鋁合金在不同環(huán)境下摩擦學(xué)行為研究[C]//第六屆全國表面工程學(xué)術(shù)會議，2006.

【5】夏伶勤，韓建民，崔世海,等.SiCp/A356復(fù)合材料微弧氧化陶瓷膜的生長規(guī)律與性能[J].材料工程，2016,44(1):40-46. XIA L Q,HAN J M,CUI S H,et al.Growth Law and Properties of Ceramic Coatings on SiCp/A356 Composite Fabricated by Micro-arc Oxidation[J].Journal of Materials Engineering,2016,44(1):40-46.

Research on Aluminum Brake Disc Fabricated by Micro-arc Oxidation Based on Testing

NI Jianjian1,2，TIAN Wei1,2，WANG Wenlong1,2,JIANG Shenye1,2,JIA Wenjian1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

In order to promote the process of automobile lightweight,a novel aluminum brake disc fabricated by micro-arc oxidation was put forward based on a certain model. Through brake bench experiments based on road load spectrum, the wear-resisting properties of the aluminum brake discs fabricated by micro-arc oxidation with different thickness ceramic layer were compared. Because the biggest defect of aluminum brake discs was large hot deformation, hot deformation tests of brake discs were carried out to verify whether aluminum brake disc fabricated by micro-arc oxidation was feasibility. In the same conditions, through conducting the temperature comparative experiments, the results are that the temperature of HT250 brake disc is 550 ℃ and aluminum brake discs fabricated by micro-arc oxidation is 350 ℃. It provides support for other researching and development of aluminum brake discs.

Micro-arc oxidation; Aluminum brake discs;Lightweight; Testing

2016-09-22

倪健健(1988—)，男，碩士，研究方向?yàn)槠嚨妆P產(chǎn)品開發(fā)及試驗(yàn)測試。E-mail：18531243251@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.009

U463.51+2

B

1674-1986(2017)01-037-03