基于试验的微弧氧化铝合金制动盘研究

倪健健，田伟，王文龙，姜申野，贾文建

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

基于试验的微弧氧化铝合金制动盘研究

倪健健1,2，田伟1,2，王文龙1,2，姜申野1,2，贾文建1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

为推进某车型轻量化进程，提出一种新型微弧氧化铝合金制动盘。通过基于道路制动载荷谱的制动器台架试验，对比不同微弧氧化陶瓷层的耐磨性能。因为铝合金制动盘最大的缺点是热变形较大，通过开展制动盘的热变形试验，验证微弧氧化铝合金制动盘的可行性。最后通过温度对比试验，得出在相同工况下，HT250和微弧氧化铝合金制动盘的温度分别是550和350 ℃，为铝合金制动盘的其他验证开发提供重要的试验数据支持。

微弧氧化；铝合金制动盘；轻量化；试验

0 引言

在全球变暖的大背景下，对汽车行业的节能减排提出了更高的要求。根据各研究机构调查：汽车整车质量每降低10%，油耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%。而油耗每减少1 L，可以减少2.45 kg CO2排放量[1]。

减少汽车制动盘的质量不仅能减少排放，还能增加动力性和操作稳定性。目前，汽车用制动盘主要使用灰铸铁材料，其质量较大。而铝合金复合材料有密度小、质量轻、比热容大等优点，使得它成为制动盘轻量化的优选材料。但由于铝合金材料本身较软、热变形量大等特点，使得铝合金不能直接作为制作制动盘的材料，需要做一些特殊处理，且不同铝合金型号的机械性能有较大的差别。这就对铝合金制动盘的开发提出了更高的要求。

崔世海等[2]建立了铝合金复合材料制动盘及HT250制动盘的三维瞬态热机耦合计算模型，通过仿真对比试验验证了铝合金复合材料在制动盘上应用的可行性。唐艳茹等[3]通过使用微弧氧化技术，在铝合金表面制备具有自润滑效果的微弧氧化陶瓷膜层，提高铝合金材料的耐磨性和抗腐蚀性。戴振东等[4]研究了微弧氧化铝合金在不同环境下的摩擦学行为。

文中针对某车用制动盘，使用先进试验设备，通过试验研究不同状态下的微弧氧化铝合金制动盘及HT250制动盘的性能，研究其作为车用制动盘材料的可行性。

1 微弧氧化铝合金制动盘

微弧氧化是一种在有色金属表面原位生长陶瓷层的表面处理技术[5]。这种陶瓷氧化膜和其铝合金基体可以实现牢固的结合，不易脱落。陶瓷层紧密度高、硬度大、耐磨性好，因此在做制动盘材料方面有较大的优势。

通过不同的电流强度、添加不同的催化剂及设置不同的氧化时间可以得到不同厚度的氧化膜陶瓷层。通过不同的氧化时间，得到了不同厚度的陶瓷层制动盘，如图1所示。文中使用氧化陶瓷层厚度分别为15、45、80和100 μm的制动盘进行制动盘台架试验，检测不同厚度陶瓷层制动盘的性能。

图1 不同氧化时间下的陶瓷层厚度

2 微弧氧化陶瓷层耐磨性试验

通过整车制动数据采集设备LINK 3802S,采集整车耐久路试过程中的制动数据，如图2所示，为某路段整车路试中制动管路压力、制动初速度以及制动减速度等制动参数。经过简化、转化处理，将此次采集的整车制动数据转换为制动器台架试验程序，对铝合金制动盘进行台架试验，不仅可以模拟整车路试过程中的制动强度，还能加快试验进度、节约试验资源。

图2 某路段整车路试制动参数

1号盘(陶瓷层厚度15 μm)在台架试验过程中，在高温阶段出现严重变形，制动过程中和制动钳发生干涉，如图3所示。

图3 15 μm陶瓷层制动盘变形严重

2号盘(陶瓷层厚度45 μm)在经过30轮台架试验相当于6 000 km整车路试后，制动盘陶瓷层出现多处陶瓷剥落现象，如图4所示。陶瓷层厚度为80和100 μm的制动盘未出现陶瓷剥落现象。

图4 45 μm陶瓷层制动盘陶瓷剥落

随着氧化时间的增加，微弧氧化陶瓷层逐渐加厚，导致氧化电火花逐渐变得稀松，因此微弧氧化铝合金制动盘表面会有一层疏松层。随着疏松层的增加，陶瓷层的表面粗糙度会增加，硬度降低。

经过检测，微弧氧化铝合金制动盘表面的初始表面粗糙度会随着制动盘的表面磨损逐渐变小，经过一段时间后达到一个稳定的值。根据试验数据显示，微弧氧化铝合金制动盘和普通摩擦片配合，只能得到较低的摩擦因数，所以摩擦片需要专门开发匹配。

3 微弧氧化铝合金制动盘热变形试验

分别使用80 μm陶瓷层微弧氧化铝合金制动盘和HT250灰铁制动盘开展制动盘热变形制动器台架试验。试验结果对比如表1所示。可以看出：虽然微弧氧化铝合金制动盘的热变形结果不如HT250制动盘的热变形理想，但是试验结果是合格的，80 μm微弧氧化盘热变形结果符合要求。

表1 制动盘热变形试验数据 mm

4 制动拖磨温度对比试验

因为铝合金的比热容比HT250大，且散热性较好，故在相同制动的条件下，铝合金制动盘的温度比灰铁制动盘的温度低。

试验条件：车速80 km/h，制动减速度0.3g，风速11 m/s。试验结果如图5所示，经过75 s制动拖磨后，HT250制动盘最高温度为550 ℃，微弧氧化铝合金制动盘最高温度为351 ℃。

图5 制动盘拖磨温度对比

在灰铸铁制动盘的制动器试验标准中，500 ℃通常被定义为高温恶劣工况的试验条件，用于限制制动盘在试验中的最高温度，是试验开展过程中高温恶劣工况下，制动盘各项性能的关键限制因素。而针对微弧氧化铝合金制动盘并没有专门的试验标准，此次温度对比试验结果，对铝合金制动盘台架试验标准的建立有参考价值。

5 结论

为微弧氧化铝合金制动盘的设计开发提供有效的台架试验数据和试验现象：

(1)通过试验确认一个可用于汽车制动盘的微弧氧化铝合金陶瓷层的厚度范围以及对应的电镀时间；

(2)确认80 μm厚度的微弧氧化铝合金制动盘的热变形试

验结果符合汽车制动盘热变形的要求；

(3)通过对比试验，得出在HT250制动盘温度达到550 ℃时，微弧氧化铝合金制动盘温度达到351 ℃，为铝合金制动盘的制动盘台架试验方法提供重要的参考；

(4)因为陶瓷层内部致密，导致经过磨合后，制动器摩擦因数偏低，普通摩擦片无法达到要求，需要针对微弧氧化铝合金制动盘设计开发新型摩擦片。

【1】聂采顺.汽车及零部件轻量化技术现状及研究方向[J].汽车实用技术，2015(9):29-32.

【2】崔世海，袁健，李海岩,等.基于有限元的轿车用制动盘轻量化可行性研究[J].天津科技大学学报，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】唐艳茹，潘利华，常宇,等.微弧氧化提高铝合金耐磨性能的研究[J].表面技术，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】戴振东，丁红燕，王远,等.微弧氧化铝合金在不同环境下摩擦学行为研究[C]//第六届全国表面工程学术会议，2006.

【5】夏伶勤，韩建民，崔世海,等.SiCp/A356复合材料微弧氧化陶瓷膜的生长规律与性能[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，硕士，研究方向为汽车底盘产品开发及试验测试。E-mail：18531243251@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.009

U463.51+2

B

1674-1986(2017)01-037-03