轻型越野车高热负荷制动盘的研发
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摘要：针对越野车制动盘在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模式，通过对失效制动盘进行金相分析、材料成分、表面硬度测试等试验数据的分析，提出了制动盘一种新的化学成分配方。该配方重新定义了C、Cu、Cr等成分的含量。最后，通过制动盘抗开裂特性试验以及制动盘热冲击试验对比分析，新配方制动盘高温性能大幅度提升（按抗热冲击试验：提升100%，按抗开裂特性试验：提升400%），同时成本增加较少，具有较高的性价比。
关键词：制动盘；抗热疲劳性；抗开裂特性
中图分类号：U463.5 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）03-0044-04
某改进型越野车在山路试验中（山路里程约4 200 km，总里程约13 500 km）出现前制动盘贯穿性裂纹，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，复试里程约350 km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。
理论研究表明[1]，在制动期间产生的热能约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。
1 制动盘失效原因分析
1.1 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，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。
1.1.1 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，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足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。失效制动盘晶相组织的具体形式见图3和图4。
1.1.2 材料化学成分分析
1.1.3 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175～182 HB，符合HT250要求，但据有关资料介绍[6]：当制动鼓的硬度达到190～210 HB，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。
1.2 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0.6 g，制动初速度100 km/h的条件下制动使车速为零，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。
2 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。综合考虑零部件通用化及空间布置情况等因素。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，典型的国内外制动（盘）鼓化学成分如表2。
根据在制动盘（鼓）化学成分方面研究工作的经验，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，完成新版制动盘化学成分配方定义及样件试制。在配方定义过程中，通过适当降低C含量，提升Cr、Cu含量的手段，在满足性能要求的同时，保证了制造成本。
3 新配方制动盘性能验证试验
3.1 新配方制动盘理化性能检测
对新配方试制的样件进行了化学成分分析。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270 MPa，符合大于225 MPa的要求。
3.2 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，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。
采用制动盘抗开裂特性试验方法：在满载情况下，制动若干次，在一定的制动减速度下，车速从特定高车速减至特定低车速，初始温度条件为80℃。
采用制动盘抗热冲击性试验方法：在满载情况下，在一定的制动减速度下，车速从Vmax减至0 km/h，每几次制动为一个循环，经若干次试验循环，初始温度条件为80℃。试验结果如图5所示。
3.3 制动盘整车性能及耐久性能试验
新配方制动盘装车20余辆，进行制动性能专项试验，分别依据企业标准、国家标准等进行了0型、Ⅰ型、AMS等试验项目，制动效能与常规配方制动盘无明显差异；进行整车耐久性能试验，分别经历高原、越野路、山路等试验工况，累计里程一万多公里，制动盘未出现龟裂、断裂等失效模式，无不良问题反馈。
4 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（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）新配方制动盘与常规配方制动盘相比，高温性能大幅度提升（按制动盘热冲击性试验：提升100%，按制动盘抗开裂特性试验：提升400%），同时成本增加少，具有较好性价比。
参考文献：
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