汽车盘式制动器MPU现象研究

2020-09-04王增辉黄俍

汽车零部件 2020年8期

王增辉，黄俍

(南方天合底盘系统有限公司，重庆 402760)

0 引言

MPU现象是目前乘用车制动器行业特别突出的市场投诉。该现象可以描述为：金属粒子与其他元素粒子共同聚集成团或块，嵌入到制动片表面，在一段时间内稳定存在，导致摩擦副表面因制动而出现划痕或沟槽，虽然MPU不会导致任何安全问题，但影响用户视觉感知体验、并且有一定概率引发制动噪声或是制动抖动(特别在前制动器)，所以得到了汽车主机厂、制动器企业和摩擦材料企业的高度重视。本文作者首先结合MPU的研究现状，综述了MPU的产生机制，对开发过程中的两起MPU案例进行了研究，识别出关键影响因子并提出相应对策。

1 MPU机制分析

1.1 MPU的形态

汽车制动块中的MPU(金属聚集物)的形态可被描述为嵌入在摩擦材料中的金属团，其在摩擦面上具有平坦和光亮的片状外观，具有类似 “针形”、“V形”或“板形”的几何形状(图1)。在试验研究中发现，即使采用同样的制动器、同样的试验程序进行多轮试验，MPU呈现的外观类型具有随机性，极少数情况下，一片制动块上会同时出现2～3种外观形状。

图1 制动块MPU外观类型

1.2 MPU的来源

对上述实验中出现的MPU聚集物取样进行XRF能谱检测，发现聚集物是一块结构精致的铁块，分析表明聚集物中铁元素占绝对主要地位，同时存在铝、钛、铜、锡4种金属元素，明确铁元素的来源是产生MPU的重要基础条件。

之前研究中，人们发现MPU只会出现在低金属制动块和MAO制动块上，而钢纤维含量远高于前者的半金属制动块从未被报道过MPU案例[1]。 KNUKUMIZU等[2]使用不含铁成分的NAO摩擦材料进行试验，仍然再现了MPU现象。经过检测，MPU颗粒的硬度在HV400～515之间[3]，都比原灰铸铁制动盘的材料更硬。SANITATE和SCHMITT等[1]发现，在市场投诉的制动盘划痕面上有非常薄的游离金属颗粒，呈堆积状鳞片形态。团队通过制动模拟台架实验，在测试的制动盘上发现了非常类似于从被投诉刹车盘的制动表面上所发现的金属鳞片，并且该金属鳞片非常容易在制动过程中，被制动块从制动盘上磨掉进入制动盘与制动块的摩擦界面中。以上几个典型的研究报道从不同的维度证明，MPU聚集物中的铁元素不是来自于摩擦材料自身，而是来自于制动盘。

1.3 MPU产生环境

收集了过去十年投产项目MPU抱怨数据，如图2和图3所示。发现按行驶里程统计，MPU的产生没有明确的规律，既可能在没有任何特别外界状态行驶下，仅几公里的行驶和很少的制动之后就出现，例如新车下线，也存在行驶数万公里出现制动噪声抱怨的车辆上发现MPU现象。德国TMD公司报道了类似的情况，他们分类统计了在非MPU专项测试的50多个车辆检测时发现的MPU情况，这些车辆采用了多种不同的有机摩擦材料和灰铸铁制动盘。

图2 MPU案例对应的行驶里程

图3 月度索赔的MPU情况

虽然MPU的产生与车辆的驾驶条件和使用的材料之间没有明显的规律。然而，有两个趋势被注意到：同一车型，有更多和更大的金属聚集物抱怨出现在雨季或潮湿环境；更大程度暴露在外界环境中的外侧制动面和外侧制动块，相较于被防尘罩保护的内侧，外侧更容易出现划痕和金属聚集物。这两个趋势曾经被认为主要是由于制动盘表面锈蚀所导致，但随着进一步研究，SANITATE、DURANDO 等[1,3]提出潮湿或潮湿的环境是直接加速MPU产生的因素，而PASSARELLI等[4]通过试验证明水和盐对低金属摩擦材料的MPU产生有直接影响，NAO材料对其不敏感，NAO材料在高温干燥的环境下(比如制动拖拽)容易产生MPU，但当采用制动面开槽(豪华车、高性能车经常采用)的设计方案时(图4),MPU现象得到了极大的抑制，基本消失。

图4 开槽制动盘MPU测试

1.4 MPU产生机制

MPU通常分为湿式和干式两种模式，湿式是制动块通常在湿润或潮湿条件下发生的MPU问题，干式是制动块通常在干燥条件下产生的MPU。根据大量实验和经验，MPU产生的机制如下：

(1)汽车行驶中，轻踩刹车，制动盘与制动块以非常低的压力持续摩擦(拖拽行驶模式或噪声测试)。

(2)制动块和制动盘金属部件之间快速升温，在300 ℃以下，铁的迁移率随着温度上升而下降；当超过300 ℃，随着温度的逐步上升，铁的迁移率随之加快，导致制动盘上产生热槽。

(3)热槽和制动盘自身之间的热膨胀不同，有利于铁屑从制动盘中分离。

(4)此时，润滑降低，制动块的铜和制动盘的铁之间可能出现微型焊接。

(5)在制动块另一面，金属部件的高温可能烧蚀有机成分，产生收集铁屑的微孔。

(6)制动过程中，这些结块通过塑性应变被硬化，并且充当一个类似的机加刀具作用在制动块上。

(7)随之划伤制动盘，产生MPU，导致噪声。

(8)铁转移量被证明与制动块的材料硬度无关。

(9)金属剥离物是结构精细的铁块，具有氧化铁层作为制动块表面的界面，金属剥离物的一部分与制动块中的铜密切接触。

(10)转移到制动块上的铁量在很大程度上取决于温度，局部最高为300～400 ℃，转移的铁量增加与空隙体积的增加有关。

(11)用温度波动在测力计检测基材期间观察到制动块上铁分布变化，该项检测部分证明了金属剥离物的形成模型，表明铜与铁聚集有关。

2 MPU因素分析

MPU的形成是多方面因素(图5)造成的，是一个复杂的系统问题，通过大量的台架试验和整车路试，结合当前整车厂的要求，以及制动块企业的研究成果，文中给出了建议的标准和规范，当然不同产品的技术要求不同，仅供参考：

(1)环境规范：盐水浓度(5%，每个循环浇4次盐水)、温度(室温)。

(2)制动块规范：压缩率(180～120 μm)、热膨胀(<0.1)、密度(2.41～2.61 g/cm3)、孔隙率(13%±5%)、热传导(≤225 ℃)、烧蚀深度(0.01 mm)。

(3)制动盘规范：化学成分(C-3.2～3.65%、Si-1.95～2.35%、Mn-0.6～0.9%)、磨削纹路、铁素体含量(≤5%)、石墨含量(4～6级)、硬度(197～235HB)、表面粗糙度(≤Ra1.6 μm)。

图5 MPU鱼骨图

3 MPU改进措施

3.1 环境条件

盐水试验：指车辆在试验场行驶时，制动减速后，通过3%～5%浓度的盐水槽或盐水坑，通过外观考察车辆底盘件的耐腐蚀能力。

但是盐水不仅腐蚀零部件，对制动过程中的MPU也有贡献，制动后制动盘和制动块温度快速升高，浸泡时间越长、盐水浓度越大，越容易诱发MPU，通过试验摸底，国家规定一般试验盐水浓度不超过5%。

3.2 制动盘

(1) 石墨(C)

对于制动盘表面的润滑具有根本性的作用，因此，石墨越多，减少Fe成分脱落的机会，但是制动盘硬度减弱，磨损加快，反之亦然。所以，在保证产品性能的基础上，石墨含量多少对MPU发生概率有重要影响。图6为不同C含量的金相组织；图7为不同C含量制动盘的MPU试验结果。

图6 不同C含量的金相组织

图7 不同C含量制动盘的MPU试验结果

(2)粗糙度

粗糙度：指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，是由加工方法和设备因素决定的，粗糙度越小，越光滑。

粗糙度的好坏直接影响MPU，越粗糙的制动盘在制动过程中，受力不均匀，局部受力过大，与制动块发生过度摩擦，温度升高易诱发MPU。表1为粗糙度和MPU的关系。

表1 粗糙度和MPU的关系

3.3 制动块

(1)配方

配方：不同制动块供应商，根据企业的技术参数，台架和整车试验结果，固化的一种制动块原材料配比和工艺方案。

为了满足不同的整车性能要求，制动块厂家会根据不同的整车参数和客户偏好，提供不同配方，不同的配方侧重点不同，性能指标也不同，因此，要选择合适配方。图8为不同配方、同一制动盘的MPU试验结果

(2)孔隙率

孔隙率：制动块材料中连通空隙体积和材料总体积之比。

孔隙率越大的制动块，含水量可能就大，在制动过程中，由于高压高温，制动盘的Fe3C与制动块中水分解后的氧气和氢气发生化学反应，生成Fe和甲烷，部分Fe会转移至制动块表面，进而造成MPU。所以，制动块中水分的含量对MPU有贡献，含水多(孔隙率大)的制动块发生MPU的概率大一些。图9为同一制动盘，不同孔隙率制动块的MPU试验结果。

图8 不同配方、同一制动盘的MPU试验结果

图9 同一制动盘，不同孔隙率制动块的MPU试验结果

(3)热重分析

热重分析，亦称热引力分析或热重量分析(Thermo Gravimetric Analysis，TGA)：是一种随着温度(等加热速率)的增加改变物质物性及化性。

TGA温度越低，有机物分解越快，在融化分解过程中形成溶液，将制动盘与制动块相互磨损的粉末形成堆积颗粒，导致MPU的发生，如图10所示。

图10 TGA曲线表

(4)压缩变形

压缩变形：指材料受压缩时，其压缩负荷大小与材料变形的关系。

压缩变形大，那么制动的时候与制动盘接触面积大，单位面积承受的压力就变小。如果压缩变形小，说明制动块致密度高，材料更加紧实，在制动过程中，不均匀的受压导致局部受力大，制动块中的ZrO2(二氧化锆) 高硬度的原材料容易使制动盘的Fe 脱落，造成MPU问题。如图11所示。

图11 压缩变形与MPU的关系

4 案例分析

4.1 干式MPU

某车型A在台架试验和1 000 km路试出现金属转移导致的MPU。经更换不同供应商、不同配方的制动块、改变制动块烧蚀程度、调整制动盘的多种化学成分和表面粗糙度等措施，依然无法解决。通过多种摸索分析，变更了制动盘的磨削砂轮(从石英石变为金刚石)，在湿磨削、保证砂轮转速不变的方式下，调整了磨削纹路，从而彻底解决了该问题，分析结果见表2。

表2 制动盘磨削方案和MPU结果

4.2 湿式MPU

某车型B在路试中，个别车辆制动块出现鱼鳞状亮斑的MPU问题。由于该车是改款车型，底盘及整车参数几乎未作调整，且前期大量路试和台架试验并未发现此问题，全面排查制动块和制动盘的过程管控，未发现异常点。通过检验路试场的汽车涉水盐水池，发现盐水浓度严重超标(10%的浓度)导致。而且路试车辆在进入盐/泥水坑之前刚好有3次模拟ABS工况的重度制动，制动完成后不超过100 m，车辆进入水坑。路试工况的制动盘温度为180 ℃，在如此工况下进行急冷(特别是盐水)，完全契合MPU产生的理论机制。表3为盐水浓度和MPU结果。