淺析鋅鋁涂層在制動盤上的應用

胡磊，董良，儲軍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺析鋅鋁涂層在制動盤上的應用

胡磊，董良，儲軍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

銹蝕不僅影響金屬零件的表面質量，更影響零件的精度和性能，造成重大的經濟損失。文章將對金屬零件的銹蝕機理，防銹的方法做一個粗淺的概述，同時結合鋅鋁涂層在某車型制動盤上的應用研究，可達到理想的耐腐蝕要求，并為后續類似零部件開發應用提供參考。

銹蝕；防銹；鋅鋁涂層；制動盤

CLC NO.:U465.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-194-04

引言

眾所周知，銹蝕在工業、交通、建筑和航空航天等與現代人民生活、工作的一切領域，都顯出了其不可低估的重要性[1]，在汽車領域，車輛裝備經常處于露天擺放狀態，由于使用環境復雜，銹蝕是車輛常見的故障模式，一旦金屬產生嚴重銹蝕將會影響其使用性能，威脅我們的生命和財產安全，給企業或者社會帶來巨大損失。

目前行業使用最多的汽車制動盤由鑄鐵鑄造而成，其具有易加工、高強度、耐熱性好等優點，而被廣泛應用于汽車中，但也因其是最容易從外部觀察的金屬部件之一，當遇上潮濕陰雨天氣時，加上長期的風吹日曬，其表面很自然的就會生成一些氧化物銹跡，制動盤銹蝕嚴重情況下會影響其使用性能，引發交通事故，因此防腐是制動盤設計不可回避的問題，同時隨著我國汽車行業的高速發展，人們對金屬零件耐腐蝕性以及環保要求也越來越高。

本文以行業常用的鑄鐵材料制動盤防腐作為研究對象，通過對金屬銹蝕機理、防銹方法做一個粗淺的概述，簡述鋅鋁涂層技術在汽車制動盤防腐上的應用研究。

1、腐蝕分類與機理

金屬的腐蝕從根本上來說就是金屬單質被氧化形成化合物，一般可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。

化學腐蝕是金屬表面和環境介質進行氧化還原反應所引起金屬的變質或者破壞。化學腐蝕中用量最大的金屬——鐵制品的腐蝕最為常見，鐵銹的成分比較復雜，通常簡略用Fe2O3·xH2O表示。所以鐵銹可以說是混合物，其反應原理可歸納為：

電化學腐蝕則是金屬表面在環境介質如潮濕空氣或者電解質溶液等發生原電池作用而引起的銹蝕，主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成電解質溶液，而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的，它們大多數沒有鐵活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽極為鐵，陰極為雜質，由于鐵與雜質緊密接觸，使得腐蝕不斷進行[2]。其腐蝕的電池反應可歸納為：

2、腐蝕防護方法

生產上常用的一些金屬防銹方法有有：隔離法，改善腐蝕環境法，電化學保護法。

隔離法：造成金屬腐蝕的重要原因是微電池作用，微電池的產生必須同時具備陰陽兩極。防止金屬腐蝕第一大對策就是要想辦法將金屬（陽極）和其介質(陰極)隔離開來，使之構不成電池。常見的隔離法有鈍化法、涂層法、和電鍍法。

改善腐蝕環境法：在金屬所處的環境中，加入少量的緩蝕劑，從而與金屬的表面發生物理化學反應，生成沉淀并覆蓋在金屬表面，形成的保護膜能夠延緩金屬材料的腐蝕。

電化學保護：其原理是添加外部電流，致使金屬內部的電位發生變化，起到抑制或者延緩金屬腐蝕的作用。

3、制動盤防腐應用研究

圖1

制動系統是汽車最重要系統之一，是為使高速行駛的汽車減速或停車而設計的[4]。汽車制動系統是一套用來使四個車輪減速或停止的零件總稱。制動盤裝在輪轂上，與車輪及輪胎一起轉動，當駕駛員進行制動時，主缸的液壓力傳遞到盤式制動器，液壓力推動摩擦襯片到制動盤上，阻止制動盤轉動，其工作原理如圖1。

當對制動踏板施加一個力Fp，制動主缸便擴展出來一個作用力。這個力均衡地作用在制動管路及活塞等零部件上。活塞產生出制動鉗夾持力Fc，并作用在摩擦片和相對著的制動盤上。從制動踏板經摩擦片和制動盤轉換來的摩擦力，單個車輪的制動器摩擦力Fu為：

車輪制動器摩擦片與制動盤相對滑動時，產生摩擦力矩Tu,使制動盤轉速減慢下來，同時在車輪與地面接觸點處產生一個制動力 F，它使車輛減速。

圖2

Tu--制動器摩擦片與制動盤相對滑動時產生摩擦力矩；

u--摩擦片摩擦系數；

R--制動器有效制動半徑；

r--輪胎滾動半徑。[5]

由此可見，制動系統的制動性是通過制動盤與制動摩擦片配合作用，來到達車輛減速或者停車，而汽車制動盤銹蝕會影響摩擦系數，進而影響汽車制動性能，直接關系到交通安全，嚴重情況下，制動盤銹蝕可能會危害車上的駕駛員和乘客人身安全，給企業或者社會帶來巨大損失，因此對汽車制動盤防腐研究具有重要意義。

傳統制動盤為由鑄鐵鑄造而成，目前多數制動盤使用的防腐涂層有電鍍鋅涂層、熱鍍鋅涂層、環氧防腐涂層等，這些防腐涂料在低溫條件下具有很好的防腐效果，當溫度超過120℃后，這些防腐涂層則不能夠滿足防腐要求，因此研究具有優異防腐性能和高穩定性的防腐涂料對于制動盤防腐來說顯得非常重要。

圖3

現有的電鍍防腐蝕工藝存在鍍層防腐性差，電鍍過程中伴隨著大量含鉻、含鋅廢水、酸堿廢水和廢氣的污染排放，污染環境等缺陷。而鋅鋁涂層是近年來在鋅鉻涂層（即達克羅涂層[6]）基礎上發展起來的一種新型環保型金屬表面處理技術，也稱為無鉻達克羅。 是一種新型金屬表面防腐蝕涂層技術，使用水性無鉻鋅鋁涂料，噴涂于產品表面，經高溫烘烤后形成的以鱗片狀鋅為主要成分的無機防腐涂層。其生產工藝為如圖3。

表1

同時有金屬腐蝕試驗研究顯示涂層壽命與涂層厚度有如下關系：

式中：

t----涂層使用厚度；

h---涂層總厚度；

D---H2O、O2在涂層中的擴散系數；

t(PB,σn)---H2O透過后的涂層壽命，是內部膨脹壓力（PB）和涂膜剝離層應力（σn）的函數。

由于涂層的壽命與涂層厚度的平方成正比，提高涂層厚度能顯著地增加涂層的隔離能力，是提高涂層壽命的有效手段[8]。

但是對制動盤而言，為了防止制動噪音和制動抖動問題，制動盤端面跳動和厚度差是嚴格控制和保證的尺寸，制動盤表面防腐時，其表面涂層厚度越厚，對涂裝工藝要求也越高，涂層也越容易出現裂紋，生產和制造成本相應增加，同時，制動過程是汽車動能轉化為熱能的過程，制動瞬間會使制動盤等部件溫度急劇上升，因此對防腐涂層的厚度和高溫穩定性要求也高。

應用本文的方法，對2018年4月30日進行的GPS車載定位實測數據進行處理。利用Novatel公司的雙頻商用接收機采集多組衛星數據，設置采樣頻率1 Hz。對于GPS載波相位數據，在大多數應用情況下，選取0.001%的誤警率是可行的。而對于動態情況下應用的低成本接收機，相位噪聲的標準偏差為1 cm。設置:PFA=10-5，PMD=10-4，σ=1 cm。針對設定的參數判斷各衛星截止高度角下的可用性，結果如表1所示。

下面以某車型制動盤防腐應用為例，通過中性鹽霧試驗比較鋅鋁涂層與常用涂層在不同溫度下的耐腐蝕性能，通過涂層劃痕腐蝕試驗研究鋅鋁涂層在不同劃痕寬度下的耐腐蝕性能。

1）中性鹽霧試驗研究

試驗工件：材料為HT250的制動盤成品

試驗涂層：熱噴涂鋅鋁合金涂層、電鍍鋅涂層、熱鍍鋅涂層、環氧防腐涂層

試驗設備：鹽霧腐蝕試驗箱

中性鹽霧試驗：5%NaCl ，pH=6.5～7.2

表2

表3

從上述中性鹽霧試驗可以看出，鋅鋁涂層的耐腐蝕性能遠比電鍍鋅鈍化層或者環氧涂層好，且涂層厚度比較薄。

2）鋅鋁涂層劃痕試驗：

試驗工件：材料為HT250的制動盤成品

試驗涂層：熱噴涂鋅鋁合金涂層

試驗條件：沿對角線劃叉形劃痕，劃痕處露出金屬底板

試驗設備：鹽霧腐蝕試驗箱

中性鹽霧試驗：5%NaCl，pH=6.5～7.2

表4

從表中可知，在涂層存在≤1mm劃痕的條件下，涂層耐中性鹽霧的性能與完好涂層幾乎相同，耐鹽霧時間均能達到2000h以上；當劃痕寬度≥3mm時，涂層耐鹽霧的性能大幅降低，3mm劃痕涂層耐中性鹽霧的時間為720h,而5mm劃痕的涂層式樣耐中性鹽霧時間僅有350h。劃痕試樣主要是在劃痕處的基體發生腐蝕。

通過上述試驗研究，表明與電鍍涂層和環氧涂層相比，鋅鋁涂層是一種優良的耐腐蝕涂層，可滿足汽車制動盤對防腐涂料的優異防腐性能和高溫穩定性的要求。

值得一提的是，汽車制動盤外帽檐如若設計為鑄造后不再機加工藝，直接涂覆鋅鋁涂層的話，由于鑄造工藝自身的缺陷（表面粗糙，不均勻），在鑄造凸起尖點處，鋅鋁涂層溶液與金屬基體無法良好的結合，經過涂覆烘烤后，無法形成較厚的鈍化膜，降低其防銹蝕能力，時間長久，該區域易產生銹蝕，影響制動盤外觀乃至功能。制動盤外帽檐如若設計為鑄造后機加工藝，再涂覆鋅鋁涂層，則可以避免該現象。

4、結束語

為了滿足市場對汽車安全、防腐、環保等要求，越來越多的環保技術被應用在汽車工程領域。本文簡單的介紹了金屬的腐蝕機理，腐蝕發生的原因。再以某車型制動盤防腐為例，研究鋅鋁防腐涂料的優異耐腐蝕性，這對于延長零件壽命具有十分重要的意義，且可推廣到汽車行業類似零部件開發上應用。

[1] 徐立光.淺論金屬銹蝕的影響與防止[J].工業技術.2013,NO.05(下): 147.

[2] 楊吉才,宋茜,吳明君,范成平等.關于金屬的腐蝕與防護的研究以及防護措施[J].科技向導.2014,第15期.

[3] 陶琦,李芬芳,邢健敏等.金屬腐蝕及其防護措施的研究進展[J].湖南有色金屬.2007年4月,第23卷第2期.

[4] 陳家瑞.汽車構造(第2版)[M].機械工業出版社,2004:282-310.

[5] 余志生.汽車理論（第3版）[M].北京:機械工業出版社,2000: 71-102.

[6] 應憲明.金屬表面防銹技術--達克羅涂覆[J].汽車工藝與材料.2002, (2):12-13.

[7] GB/T 26110-2010,鋅鋁涂層技術條件[S].

[8] 陳治良.現代涂裝手冊[M].北京:化學工業出版社.2009:546-618.

更正聲明

《汽車實用技術》2016年第6期文章《緊急狀況下汽車油門防誤踩安全輔助裝置設計》作者強敏 ，李軍政， 陳昭君 ，楊躍 ，李滿 ，曹瑞玲，作者簡介原為：強敏，就讀于湖南農業大學工學院。

現改為：強敏（1994-），女，機械設計與制造專業，就讀于湖南農業大學工學院。

Analysis on application of zinc aluminum coating on brake disc

Hu Lei, Dong Liang, Chu Jun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Corrosion not only affects the surface quality of metal parts, but also affects the precision and performance of the parts, causing significant economic losses. In this paper, the corrosion mechanism of metal parts and the method of rust prevention is superficially proposed.Meanwhile, zinc aluminum coating in the application of a vehicle brake disc, can reach the ideal requirements of corrosion resistance, and to provide the reference for subsequent similar parts development and application.

Corrosion; Rust prevention; Zinc aluminum coating; Brake disc

U465.2

A

1671-7988(2016)07-194-04

李軍政（1978-），男，博士生，副教授，主要研究方向為農田作業裝備及其自動化技術。

《汽車實用技術》編輯部

胡磊，底盤設計工程師，畢業于安徽工業大學機械設計及其自動化專業。就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.061

特此聲明。