Aluminium MMC bromsskivor

Text av Anders Jarfors, Jönköping University

Aluminium MMC bromsskivor

Lösningen för att få stopp på utsläpp

Den kommande Euro 7-förordningen, kommer att innehålla krav inte bara på s.k. ”tailpipe” utsläpp utan även krav på partikelutsläpp från bromsskivor. Luftburna partiklar från bidrar den ständiga strävan efter lättviktslösningar för att förbättra fordonsprestanda och bränsleeffektivitet Att detta är så beror på att viktminskning inte bara bidrar till minskade utsläpp från förbränning utan även till vägslitage. Ett typ-exempel på partikelutsläpp är just det som kommer från bromsskivor och bromsbelägg. Vi har alla svurit åt att fälgarna blir svarta. Mycket av detta svarta kommer från grafiten i de bromsskivor som är gjorda av gjutjärn.

Al-baserade MMC har undersökts i stor utsträckning i litteraturen som ett alternativt material för fordonsbromsskivor. Friktions- och slitageprestandan hos SiC-partikelförstärkt MMC är direkt relaterad till fordonets säkerhet. Flera olika faktorer påverkar kompositmaterialens slitageprestanda. De viktigaste är SiC-partikelstorlek och fraktion, bromsbelägg, belastning, temperatur, bearbetningsväg, glidhastighet samt grund materialets kemiska sammansättning

I ett nytt arbete från Jönköping i samarbete med China Academy of Machinery Science of Technology och University of Science and Technology Beijing har ett nytt material tagit fram för att kunna användas som material i bromsskivor för både höghastighetståg och i bilar. Huvudsyftet i den nu publicerade i studien var att förstå hur man kan få ett kompositmaterial med hög friktionskoefficient, lämplig för bromsskiveapplikation, och låg slitage både för komposit och bromsbelägg.

Bromsskiva bestod av en Al-Si legering med Mg tillsatt för att underlätta tillsatsen av SiC partiklarna. Det var flera typer av materia som testades men fokus var på storlek och blandning av SC partiklar där olika tillsatser av partiklar med 10, 23 och 50µm storlek provades. Utöver nötning och friktion så är temperaturbeständighet av intresse då ventilering av MMC promsskivor är svårt. En modifierad legering med Mn, och Ce samt La provades med. De partiklar som styr friktion och hårdhet i bromsbelägg och bromsskiva finns i tabellen. Al och Al-Si eutektikumet är de mjuka delarna medan övriga faser skall matchas för att rätt balans av abrasiv och adhesiv kontakt skall erhållas. Abrasiv kontakt skyddar de material som har den hårda fasen och nöter motparten. För att få friktion är det viktigt att de mjuka delarna kan interagera medvarandra genom adhesiv nötning och utbyte av material.

Slitaget av bromsskivan var direkt relaterad till mängden av Fe som fördes från bromsbelägget till bromsskiva genom adhesiv nötning. Friktion och nötning var därför en balans mellan den adhesiva kontakten som genererar friktion genom att Fe förs över till de mjuka Al delarna i mikrostrukturen. För bromsskivan är det SiC som ger nötningsbeständigheten men även driver abrasiva kontakten som kan leda till kraftig nötning och täta byten av bromsbelägg och även skivor om partiklarna blir så stora att de hindrar uppbyggnaden av Fe-skiktet.

I ett försök att minska beroendet av att behöva föra Fe från bromsbelägget och att öka temperaturbeständigehten tillsatter Ni, Ce la och Mn . Detta för så att Al11(La,Ce)3 bildas. Denna partikel kan minska bromsbeläggets grad av kontakt med Al-matrisen direkt, vilket hindrar Fe-överföringen till kompositens slitna yta. Det Fe-baserade triboskiktet skyddade båda ytorna, kompositen och bromsbelägget, från ytterligare slitage och därmed minskar slitaget av både bromsskiva och bromsbelägg.

Slutsats

De viktigaste slutsatserna var:

• Abrasiv nötning är en faktor under alla förhållanden

• Ett Fe-innehållande tribolayer utvecklat under slitage, vilket skyddar kompositen från ytterligare slitageskador, med mycket låga förslitningshastigheter, särskilt i kompositer med små SiC-partiklar, från 10 till 23 μm.

• Närvaron av stora SiC-partiklarna, 50 μm stora, hindrade överföring av Fe från bromsbelägget till Al-matrisen, vilket resulterade i ett kraftigt slitage av både skiva och belag

• Tillsats av s.k. sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetallelement tillsattes till Al-Si-matrislegeringen för att öka den mekaniska prestandan och öka matrishårdheten.

• Matrislegeringens hårdhet hade ett begränsat inflytande på utvecklingen av ett Fe-baserat tribolayer och följaktligen slithastigheten.

• Materialet med 10 μm SiC-partiklar uppvisade den lägsta friktionskoefficienten, 0,37, men också de lägre värdena för slitage både för kompositen och bromsbelägget, vilket tyder på att detta material skulle vara en bra lösning för bromsskivor med tanke på partikelutsläpp och livscykel.

Kunskapen från denna aktivitet arbetas intensivt med för att skapa nya och bättre bromsskivor som kommer att fungera bättre för elbilar.