李淼瑩，張晨強，李瑞斌

合金元素含量對制動盤銹蝕的影響

李淼瑩，張晨強，李瑞斌

（長安汽車北京公司，北京 102400）

制動盤銹蝕對制動抖動問題有較大影響，文章通過室內(nèi)加速腐蝕試驗法及電化學腐蝕試驗法兩種方式，分析了不同合金元素含量對制動盤耐蝕性的貢獻，并運用六西格瑪質(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盤售后制動抖動維修及客戶抱怨明顯降低，為后續(xù)類似零部件開發(fā)及應用提供參考。

制動盤；制動抖動；銹蝕；合金元素

汽車品牌競爭日益激烈，市場的競爭歸根結底是對顧客的競爭，而售后質(zhì)量帶給顧客的直接體驗無疑是品牌的一張名牌，也越來越受到關注。

在售后市場，制動抖動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盤為主，打磨制動盤及摩擦片為輔。制動抖動的產(chǎn)生因素有多種，輪胎動平衡失衡、摩擦片異常磨損、制動系統(tǒng)匹配等都會引起制動抖動。前期針對制動抖動的研究也有很多，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行正向分析驗證。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。

1 售后件解析

選取某款量產(chǎn)車型，通過對顧客抱怨及舊件信息進行收集，發(fā)現(xiàn)更換制動盤占制動抖動問題返件的90%以上。在分析初期，對售后177組制動盤返件進行外觀分類后，按照制動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%。對上述制動盤的薄厚差（Disc Thickness Variation, DTV）進行統(tǒng)計，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)制動盤的DTV較出廠前明顯變差。

圖1 制動盤售后返件外觀分類

圖2 制動盤售后返件DTV分布

為進一步確認制動盤銹蝕對制動DTV的影響，進行試驗驗證。先將全新制動盤加速生銹，再開展除銹試驗，并記錄在試驗前、制動5次、制動200次、制動400次等狀態(tài)下制動盤DTV的變化。通過除銹期間DTV變化情況確認制動盤銹蝕和抖動的關系。

從圖3可知，當制動盤嚴重銹蝕時，DTV明顯增大，在此期間制動會導致制動抖動，引起顧客抱怨。隨著除銹次數(shù)的增加，制動盤DTV逐漸降低至試驗前的設計要求10 μm，制動抖動問題也有所改善。通過此試驗，明確制動盤銹蝕對制動抖動問題的影響。

圖3 除銹過程中DTV變化

2 制動盤銹蝕原理

制動盤銹蝕是一種電化學腐蝕過程，主要是由制動盤材質(zhì)決定的。目前市面上制動盤主要成分為鑄鐵HT250，長期在戶外停放，遇到下雨或大氣潮濕時，制動盤表面會凝結一層水膜，形成電解液環(huán)境。當制動盤表面形成連續(xù)的電解液薄層后，就開始了電化學腐蝕過程。在反應中，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。此時的鐵銹主要成分為三氧化二鐵，為黃褐色。當銹層干燥時，即外部大氣濕度降低時，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鐵離子，形成四氧化三鐵，即為黑色鐵銹。此時銹蝕物很難祛除，甚至會在摩擦后產(chǎn)生硬點，附著在摩擦片表面，進而劃傷制動盤，造成工作面劃痕。這些均會導致售后返件中存在黑銹及溝槽現(xiàn)象[1]。

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

3 制動盤耐腐蝕性能提升

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、無機涂層及金屬涂層，在金屬表面形成化學轉化膜、鍍層，達到保護金屬的作用，涂層保護是防止大氣腐蝕最簡便的方法，主要是由于涂層對水分和氧有屏蔽作用；第三類通過表面涂覆各類防銹劑達到暫時性保護，該方法主要用于保護儲藏和運輸過程中的金屬制品[2]。

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

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。本文主要驗證在制動盤中增加Cu、Sn兩種元素對制動盤的耐大氣腐蝕性能提升的影響。

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

3.1 室內(nèi)加速腐蝕試驗法

為驗證制動盤組分差異對制動盤銹蝕速度的影響，設計對比試驗步驟如下：

（1）浸泡：將制動盤同時完全浸泡在5%的鹽水中，時間0.5 h；

（2）干燥：溫度為100 ℃，1 h；

（3）存放：溫度為20 ℃，濕度為65%，時間19.5 h；

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

（5）每2個循環(huán)進行1次銹蝕觀察，根據(jù)銹蝕情況進行厚度測量，用于對比銹蝕速度。

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

表1 合金盤、普通盤銹蝕速度比對

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

3.2 電化學腐蝕法

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。通過對合金盤、普通盤試塊進行電化學腐蝕試驗，在無電流負載情況下，測量試塊電極與參比電極（電勢為0）之間的電位差，得到圖4兩種制動盤的電位-時間曲線，從圖4中電位隨時間的變化曲線來看，兩種制動盤開始時電位均較正，隨著腐蝕的進行，電位由正變負；當腐蝕時間延長，制動盤表面形成穩(wěn)定的銹層后，反應受阻，電位趨于穩(wěn)定。兩種制動盤都經(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普通盤小[3-4]。

圖4 合金盤、普通盤電化學腐蝕速率對比

通過以上兩種試驗方法，確認制動盤中增加Cu、Sn元素后腐蝕速率比普通制動盤有明顯降低。這是因為通過增加合金元素，可以改變銹層的結構特點，形成一層具有保護性的銹層，改善了制動盤的大氣耐腐蝕性。

4 合金元素具體添加量確認

合金元素的增加必然會導致生產(chǎn)成本的增加，因此，在制定制動抖動問題的整改方案時，需同時兼顧質(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)中的全因子試驗設計分析法。主要是通過將所有因子的所有水平的所有組合都至少進行一次試驗，后通過MINITAB軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析[5]。并結合質(zhì)量和成本因素，最終設定了合金元素的合理的比例。

第一步先明確制動盤合金元素的增加的上下限，通過成本測算，目前制動盤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方式進行，確定此次試驗為制動盤合金元素的2因子2水平分析。通過室內(nèi)加速銹蝕試驗法得到各個因子組合對應的銹蝕層厚度，將數(shù)據(jù)導入MINITAB系統(tǒng)中后，得出結論圖5。圖5顯示，Cu、Sn含量增加，與制動盤耐蝕性成線性正比關系，當Cu含量為0.4%、Sn含量為0.07%時，制動盤銹蝕程度最慢，耐腐蝕性能越好。

表2 全因子分析制動盤四種狀態(tài)

圖5 全因子分析結論

最終，在試驗基礎上，將制動盤中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盤進行電化學腐蝕試驗（即Cu0.2%+ Sn0.03%、Cu0.2%+Sn0.07%、Cu0.4%+Sn0.03%、Cu0.4%+Sn0.07%），結果如圖6所示，得知在此范圍內(nèi)制動盤腐蝕電位差異不大。

圖6 合金元素上下限對應銹蝕速率

合金元素增加后對制動盤進行臺架試驗，確認合金盤不會對制動盤噪音、溫升、熱變形、異常磨損及衰退強度等造成不利影響，可以滿足設計要求。且跟蹤措施實施后一年內(nèi)的售后表現(xiàn)，市場上制動抖動的維修及抱怨均顯著降低，改善效果明顯。

5 結束語

針對制動盤銹蝕導致的制動抖動問題，采用室內(nèi)加速腐蝕法及電化學腐蝕法，確認在普通制動盤中增加Cu、Sn元素可以提升制動盤的耐蝕性，并通過全因子分析得到Cu、Sn含量增加的合理方案，在解決售后制動抖動問題的同時，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[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防銹[M].北京:化學工業(yè)出版社,2017.

[3] 李荻.電化學原理[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

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

[5] 馬逢時,吳成鷗,蔡霞[M].基于MINITAB的現(xiàn)代實用統(tǒng)計,北京:中國人民大學出版社,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，研究方向為金屬件防銹對整車影響，E-mail:limy2@changan.com.cn。