Криогенное упрочнение тормозных дисков

Функциональная надежность и долговечность дисковых и барабанных тормозов имеет критическое значение системы безопасности транспортных средств. Около 90% кинетической энергии транспортного средства поглощается тормозными дисками или барабанами в виде тепла, при этом барабаны и диски должны мгновенно рассеивать энергию в окружающую среду и иметь равномерный износ на протяжении всего срока эксплуатации. Поэтому вопросы обеспечения равномерного износа и мгновенного рассеивания тепловой энергии тормозными дисками и барабанами являются актуальными с точки зрения безопасности дорожного движения.

Решение задачи обеспечения равномерного износа и мгновенного рассеивания тепла позволит повысить ресурс и функциональную надежность барабанных и дисковых тормозов и как следствие обеспечить безопасность транспортного средства.

Решение данной задачи возможно технологическими методами путем оптимизации химического состава и структуры материала тормозных дисков и барабанов. В качестве основного конструкционного материала тормозных дисков и барабанов применяется серый чугун как в отечественной, так и зарубежной практике. Серый перлитный чугун по сути является композиционным материалом, состоящим из металлической (стальной) основы и графитного наполнителя (включений), оптимально технологичным и экономичным конструкционным материалом. Теплофизические, механические и эксплуатационные свойства чугуна обусловлены его структурой и, главным образом, графитной составляющей. За счет смазывающего действия графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна и улучшает его обрабатываемость резанием.

Для реализации задачи обеспечения равномерного износа и оптимизации теплопроводности проведено исследование влияния криогенной обработки на повышение ресурса автомобильных тормозных дисков отечественного и зарубежного производства.

В результате криогенного воздействия наблюдается прирост абразивной износостойкости на всех исследуемых тормозных дисках, как при истирании в условиях мелкозернистого, так и в условиях крупнозернистого абразива. Средний прирост износостойкости тормозных дисков в результате криогенного упрочнения составил 55% при испытаниях в условиях мелкого абразивного зерна и 33% при изнашивании крупными зернами абразива.

Исследованиями установлено, что повышение абразивной износостойкости серого чугуна объясняется произошедшими структурнофазовыми изменениями в исследуемом материале в результате криогенного воздействия. На рис. 1 представлена зависимость влияния размера включений графита в структуре чугуна тормозных дисков на абразивный износ.

До криогенной обработки исследуемые тормозные диски имели уровень износа, соответствующий размеру включений графита, равному 90 мкм. В результате криогенного воздействия на всех исследуемых чугунах размер включений графита вырос до 180 мкм. С увеличением размера включений графита износ исследуемых чугунов уменьшился.

Рис. 1 – Влияние размера включений графита в структуре чугуна на абразивную износостойкость

Криогенная обработка отечественных дисков (В, С и D ) позволяет достичь и превзойти уровень износостойкости зарубежного аналога (диск А) в исходном состоянии.

Отдельно хотелось обратить внимание на тот факт, что диски В, С и D имеют точку пересечения прямых износа (рис. 1), соответствующую размеру включений графита примерно равному или большему 155-160 мкм. И примерно при этом уровне структурно-фазовых изменений в отечественных чугунах они становятся конкурентоспособными с зарубежным аналогом по критерию износостойкости.

В процессе эксплуатации тормозной системы меняются условия износа в зависимости от времени года и размера абразива тормозной колодки. Размер абразивного материала колодки оказывает существенное влияние на интенсивность износа материала тормозных дисков. Чем больше размер абразивного материала, тем выше интенсивность износа.

Проведено исследование повышения износостойкости в результате криогенной обработки при различных размерах абразивного материала. В экспериментах использовали мелкоразмерный (Р400) и крупноразмерный (Р240) абразивный материал. Результаты исследований представлены в виде графиков на рисунке 2.

Испытания на абразивный износ тормозных дисков в исходном состоянии показали, что разность значений износа при крупном и мелком размере абразивного материала составляет 10%, а в упрочненном криогенной обработкой состоянии разность составила 5%. Разность значений износа в зависимости от размеров абразивного материала колодки в результате криогенной обработки уменьшилась вдвое. Таким образом, установлено сближение значений износа упрочненного криогенной обработкой тормозного диска при испытании на крупном и мелком размере абразивного материала тормозной колодки.

Рис. 2 – Влияние размера включений графита в структуре чугуна на сопротивление абразивному износу в зависимости от размера абразивного материала

Аналогичные результаты можно ожидать в результате криогенной обработки тормозных барабанов, изготавливаемых из серого чугуна.

Таким образом, в результате проведенных исследований возможность решения задачи обеспечения равномерного износа и мгновенного рассеивания тепла позволяет повысить ресурс и функциональную надежность барабанных и дисковых тормозов и как следствие обеспечить безопасность транспортного средства.

В ходе сравнительных эксплуатационных испытаний передних тормозных дисков автомобиля «Газель» установлено увеличение ресурса дисков с криогенной обработкой в среднем с 70 000 до 120 000 км.