叶晓明,薛琼,陈智磊,侯鹏伟
(东风汽车公司技术中心,湖北,武汉,430058)
1研发背景
2011年东风公司某改进型越野车在山路试验中(山路里程约4200km,总里程约13500km)出现前制动盘出现贯穿性裂纹,后制动盘出现龟裂纹,且所有制动盘表面出现黑斑,有明显烧蚀痕迹。更换试验备件恢复山路试验,到里程约350km后,前制动盘再次出现贯穿性裂纹。制动盘失效情况如图1、图2所示。
图1 前盘失效情况 图2 后盘龟裂情况
理论研究表明[1],在制动停车期间产生的热能约90%以上被制动器吸收,在持续高温情况下制动盘表面性能和组织稳定性将大大降低。其中,珠光体相变产生的相变应力与盘面温度反复变化产生的热疲劳应力联合作用导致盘面出现微观裂纹,经反复制动最终放大成为宏观裂纹[2]。由于普通灰铸铁(HT250)制动盘的材料强度、硬度较低,易出现严重磨损或热疲劳裂纹,不能满足越野车高负荷、高速度及山区淋水的要求。因此,迫切需要研发一种新型的制动盘来满足越野车在山区行驶的抗热疲劳性与抗开裂性能要求。
2制动盘失效原因分析
2.1理化性能分析
针对制动盘失效情况,对失效件进行了金相分析、石墨形态及长度、材料成分分析、表面硬度测试等理化性能试验。具体地,中心在微观结构上观察分析样件的珠光体晶体的疏密程度和粗细,对应宏观失效形式分析影响制动盘抗热疲劳性和抗开裂特性。
(1)金相分析
对失效样件和同批其他样件制动盘进行显微组织下的金相分析,检测石墨类型含有A、C型,而同批其他样件石墨类型为A、E型。石墨长度均为4级,基体组织中珠光体含量均大于98%。金相分析结果显示石墨长度及基体组织中珠光体含量满HT250技术要求,但出现了禁用的C型石墨,C型石墨主要影响制动盘的摩擦系数,对盘体强度也有一定降低。制动盘晶相组织的具体形式见图3、图4。
图3 制动盘金相组织×100 图4 制动盘金相组织×400
(2)材料成分分析
化学成分分析结果(见表2),样件中C、Cr、Cu含量均较低,基本符合HT250的化学成分要求。化学成分中,石墨具有高的热传导性能,提高C元素的含量可以增加石墨数量,从而提高导热、散热能力。Cr含量的提高可以保证铸件珠光体的含量,而且使得铸件硬度处于相对稳定状态[3],但是Cr是反石墨化元素[4],在促进珠光体形成的同时,也有形成硬质碳化物的倾向,是铸件抗塑性冲击韧性大大降低。Cu是较温和的促进石墨化元素[5] ,它能细化石墨并使石墨均匀分布,亦能使珠光体细化,机械性能增强。而且可以有效的提高铸铁的耐磨性和耐蚀性,也可提高铁水的流动性,显著改善铸造性能。Mo也可以促进珠光体的生成,同时在高温下阻碍C从珠光体中扩散,细化和稳定珠光体,增加珠光体的热强度和热稳定性,使珠光体在更高的温度下才能分解,可提高制动盘在高温条件下的抗拉强度。
尽管失效制动盘的化学成分符合HT250要求,但HT250本身的技术要求中的C含量较低,导致盘体导热、散热能力不佳。
表2 制动盘(HT250)的化学成分分析报告
化学成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Mo |
技术要求 | 3.20 | 1.80 | 0.90 | 0.12~0.17 | 0.050~0.130 | - | - | - |
失效样件 | 3.10 | 2.40 | 1.00 | 0.080 | 0.100 | 0.2 | 0.100 | 0.040 |
同批样件 | 3.10 | 2.20 | 0.70 | 0.080 | 0.100 | 0.10 | 0.090 | 0.010 |
而且Cr、Cu、Mo含量较低,基体中的珠光体高温稳定性不足,制动盘热疲劳强度、抗热冲击能力低。因此,HT250制动盘材料本身抗热疲劳性与抗开裂性能是导致车辆山区行驶过程中频繁制动下产生高温裂纹甚至断裂的失效的直接原因。
(3)制动盘硬度测试
其中失效制动盘材料表面硬度与同批样件的硬度经检查均达到HB175~182,符合HT250要求,但据有关资料介绍[6]:当制动鼓的硬度满足190~210HB,金相组织为95%以上珠光体时,其摩擦磨损综合性能较理想。因此失效制动盘硬度较理想值低也会加剧制动盘的高温失效。
2.2制动系统负荷分析
该改进车型满载总质量,质心高度、前轴负荷与基型车相比均有所增大,经计算前制动盘负荷较基型车增加约10%。此外,根据整车数据结合行业推荐计算方法:即在制动减速度为0.6g,制动初速度100km/h的条件下制动使车速为零,本中心分别计算了两车型的制动摩擦片比能量耗散率e,基型车的比能量耗散率为6.37 w/mm2,改进型比能量耗散率为7.0,均已超过了行业推荐值(6.0 w/mm2 )。因此,由于车型提升承载能力带来的制动负荷的增大也是制动盘山区行驶频繁制动下抗热疲劳性能不强的原因之一。
3解决方案与新配方的配制
根据失效原因分析,可能的改善对策主要有三点:进一步加大制动盘直径,增加摩擦环宽度,增大散热面积,降低制动过程的盘体温升;进一步增大制动盘厚度,加宽通风风道,改善通风降温性能;调整化学成分配方,提升制动盘耐高温性能。由于改进型是变型车,零部件通用化率较高,在制动器沿用、制动盘布置形式不变的前提下,盘体已无进一步轴向、径向改型的可能。本失效问题的最佳处理方法确定为调整化学成分配方。
通过调整化学成分配方提升制动盘(鼓)高温性能的方法,国内外汽车企业均有一定研究,东风商用车检测的典型车型制动鼓化学成分如表3。
表3 各厂商制动盘配方对比数据
生产商 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Cu | Mo |
沃尔沃 | 3.50 | 1.70 | 0.70 | 0.090 | 0.040 | 0.30 | 0.20 | 0.30 |
东风 | 3.20 | 2.00 | 0.50 | 0.060 | 0.050 | 0.40 | 0.03 | 0.06 |
重汽 | 3.30 | 1.50 | 0.20 | 0.090 | 0.250 | 0.40 | 0.30 | 0.03 |
江淮 | 3.20 | 2.00 | 0.70 | 0.050 | 0.040 | 0.40 | 0.07 | 0.03 |
北汽福田 | 3.40 | 2.30 | 0.40 | 0.160 | 0.190 | 0.10 | 0.15 | 0.04 |
根据PSA集团对制动盘的化学成分要求的经验,针对高热负荷制动盘,提出的特殊化学成分配方。根据化学成分检测结果、化学成分作用分析,结合行业内的研究成果,初步调整制动盘化学成分要求(见表4)。通过成本分析,采用此种含Mo配方的制动盘成本会上升200%以上,根据化学成分的作用,适当降低C含量,提升Cr、Cu含量,在达到类似性能提升的同时,成本上升较前者低120%。
表4 初版、最终化学成分
化学成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Mo |
初版成分 | 3.57 | 1.61 | 0.87 | <0.1 | <0.1 | 0.33 | 0.35 | 0.49 |
终版成分 | 3.50 | 1.70 | 0.80 | <0.1 | <0.1 | 0.41 | 0.51 | - |
4新配方制动盘性能验证试验
4.1新配方制动盘理化性能检测
在新配方的指导下,对试制样件进行了化学成分分析,其中元素含量分别为C(3.50),Si(1.70),Mn(0.80),P(0.067),S(0.050),Cr(0.41),Cu(0.51)。珠光体含量大于95%,游离碳化物含量小于2%,A型石墨含量大于90%,B,E,C,D型石墨含量均接近零。相比HT250铸铁材料C含量提高了10%,并且对样件的机械性能也进行了检测硬度达到 HB190~230,抗拉强度270MPa符合大于225MPa的许用要求。
4.2制动盘高温性能试验
为了验证新配方下,制动盘的抗热疲劳性能和抗开裂性能,本中心对新制动盘进行了两种高温性能试验。分别对抗开裂特性和抗热冲击性能做了如下对比试验:
采用德国保时捷公司的制动盘抗开裂特性试验方法:在满载情况下,制动500次,在0.5g的制动减速度下,车速从90%Vmax减至20km/h,初始温度条件为80℃;
采用法国PSA集团的制动盘热冲击性试验方法:在满载情况下,,在0.6g的制动减速度下,车速从Vmax减至0km/h,每三次制动为一个循环,试验循环次数为50次,初始温度条件为80℃。试验结果如图5所示。
图5 采用新配方前后制动盘对比试验结果
5结论
(1)为提高制动盘的抗热疲劳性能,必须提高制动盘的散热量,因此必须针对性地提高制动盘铸件中C元素的含量约10%(相对HT250标准)
(2)为抵消由于C含量增加而带来的强度与硬度下降的问题,在综合考虑成本因素的前提下,需重新定义Cu、Cr化学成分的含量,才能保证珠光体不产生高温相变。
(3)新配方制动盘与老制动盘相比,高温性能大幅度提升(按PSA试验:提升100%,按保时捷试验:提升400%),同时成本增加少,具有较好性价比。