Hodnocení opotřebení a změn tribologických vlastností brzdových kotoučů Vedoucí práce: Doc. Ing. Milan Honner, Ph.D. Konzultant: Doc. Dr. Ing. Antonín Kříž Bc. Roman Voch
Obsah 1) Cíle diplomové práce 2) Požadavky na brzdové kotouče 3) Rešerše materiálového výzkumu 4) Chemické složení (metoda GD-OES) 5) Vzorky brzdových kotoučů a jejich zpracování 6) Penetrační zkouška, hodnocení stavu povrchu 7) Metalografický rozbor a hodnocení mikrostruktury 8) Měření tvrdosti 9) Tribologická analýza,metoda PIN-on-DISC 10) Diskuze výsledků
Cíle diplomové práce Rešerše materiálového výzkumu v oblasti používaných brzdových materiálů Provedení experimentu zatěžování brzdových kotoučů na brzdovém stendu Hodnocení stavu povrchu a změn mikrostruktury opotřebených brzdových kotoučů Měření součinitele tření metodou PIN-on-DISC 1/21
Požadavky na brzdové kotouče přeměna kinetické energie automobilu na energii tepelnou odolnost proti teplotním šokům odolnost proti opotřebení,tepelná vodivost pevnost, obrobitelnost, hmotnost, ekonomické hledisko Provozní podmínky provozní teplota krátkodobě až 800 C velmi rozdílné teploty mezi povrchem a jádrem disku (až 500 C) Obr.1 Brzdový stend 2/21
Rešerše materiálového výzkumu Používané materiály: Šedá litina -použita u většiny osobních automobilů Al-MMC slitiny -zadní nápravy osobních automobilů, motocykly,vlaky Karbonové kompozity - závodní automobily, formule1, letadla, raketoplány 3/21
Šedá litina, Al-MMC, Karbonové kompozity Materiál Hustota [g/cm 2 ] Tepelná vodivost [W/m.K] Součinitel tepelné roztažnosti [*10 6 K -1 ] Šedá litina (3,7%C) 7,8 62 10-13 Al-MMC 2,7 182 18-25 Karbonový kompozit 1,7 300 0,1-1,5 Tab.1: Porovnání materiálů používaných k výrobě brzdových kotoučů. Obr. 2: Karbonový kotouč. Obr.3: Al-MMC kotouč. 4/21
Chemické složení analyzovaných kotoučů (metoda GD-OES) Prvek C Si Mn Ti Mo Cr Ni S P Množství [%] 3,54 1,46 0,59 0,14 0,13 0,09 0,084 0,075 0,015 Tab. 2: Chemické složení brzdového kotouče ve stavu po výrobě. 5/21
Vzorky brzdových kotoučů a jejich zpracování -cílem bylo simulovat režimy ohřevu a ochlazování ke kterým může dojít v provozu brzdového kotouče -byly zvoleny 2 extrémní režimy ochlazování: ochlazování do vody ochlazování na vzduchu Obr.5: Typ brzdového kotouče použitého pro analýzy. Obr. 4: Schématické znázornění způsobů tepelného zpracování. 6/21
Vzorky brzdových kotoučů a jejich zpracování 900 800 Ochlazování do vody Ochlazování na vzduchu 1000 900 T( C) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 t(sec.) Obr. 6: Průběh teploty kotouče č.4 při ochlazování ve vodě. T( C) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 3 5 7 8 10 12 14 15 17 19 20 22 24 t(min.) Obr. 7: Průběh teploty kotouče č.3 při ochlazování na vzduchu. 7/21
Vzorky brzdových kotoučů a jejich zpracování Opotřebování na brzdovém stendu Brzdový stend je zařízení, které umožňuje provádět experimenty a simulaci brzdění automobilu v laboratorních podmínkách. Obr.9 Obr.8 : : Fotografie brzdového kotouče č.10 na v průběhu konci zátěžového testu testu na na brzdovém stendu. 8/21
Penetrační zkouška, hodnocení stavu povrchu - Prováděna za účelem zjištění případných trhlin po tepelném zpracování Obr. 10 : Povrch kotouče po nanesení penetrantu. Obr. 11: Povrch kotouče po nanesení vývojky. -U testovaných kotoučů nebyly zjištěny žádné povrchové trhliny 9/21
Metalografický rozbor (stav po výrobě) Obr. 13 14 Mikrostruktura 15 Mikrostruktura kotouče kotouče č.5 č.5 (stav (stav po po výrobě), výrobě), leptáno leptáno fotografie Nital pořízena 3% Obr. 12 výrobě),grafit Nital 3% řádkovacím elektronovým mikroskopem. 10/21
Metalografický rozbor (ochlazovaný voda) Obr.16 Obr.17 Mikrostruktura kotouče č.9 (ochlazovaný voda), s leptáno popisem Nital fází. 3% 11/21
Metalografický rozbor (ochlazovaný vzduch) Obr.18 Obr.19 Mikrostruktura Detail mikrostruktury kotouče kotouče č.3 (ochlazovaný č.3 (ochlazovaný vzduch), vzduch) při zvětšení s popisem 200x, fází, leptáno zvětšení 500x, leptáno Nital 3% Nital 3%. 12/21
Metalografický rozbor (brzdový stend) Obr.21 Obr.20 Detail Mikrostruktura mikrostruktury kotouče kotouče č.10 (brzdový č.10 (brzdový stend) stend) s popisems popisem fází, zvětšení fází, zvětšení 50x, 500x, leptáno Nital Nital 3%. 3%. 13/21
Měření tvrdosti -Pro měření tvrdosti byla zvolena metoda podle Brinella, neboť umožňuje změřit průměrnou tvrdost v relativně velkém objemu materiálu Tab. 3: Porovnání tvrdostí brzdových kotoučů. Stav po výrobě Žíhaný Ochlazovaný voda Ochlazovaný vzduch Brzdový stend Tvrdost HB 188±2 200±5 400±23 185±1 195±3 Obr. 22: Brinellova lupa při měření vtisků na brzdovém kotouči. 14/21
Tribologická analýza, metoda PIN-on-DISC Prováděna za účelem simulace styku skutečných částí brzdového systému tj.brzdové destičky a brzdového kotouče. Metoda PIN-on-DISC umožňuje určit koeficient tření a velikost a charakter poškození jednotlivých částí systémů. Parametry zkoušky: r=4mm, v=10 cm/s, F=10N, PIN tělísko (ball) WC. Obr.23 Opotřebení brzdového kotouče a brzdových destiček 15/21
0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Tribologická analýza, metoda PIN-on-DISC Obr.24 Porovníní průběhů koeficientů tření. 16/21 0,014 0,021 0,028 0,035 0,042 0,049 0,056 0,063 0,070 0,077 0,084 0,091 0,097 0,104 0,111 0,118 0,125 Dráha [km] Ochlazovaný voda Žíhaný Stav po výrobě Ochlazovaný na vzduchu 0 0,007 Koeficient tření
Hodnocení tribologické stopy Obr. 26: Tribologická stopa kotouče č.5 (stav po výrobě). Obr. Obr. Obr.25 28: 27Tribologická Tribologická stopa stopa kotouče kotouče č.3 č.2 č.4 (ochlazovaný-vzduch). (žíhaný). (ochlazovanývoda). Stav Stav po po výrobě výrobě Žíhaný Žíhaný Ochlazovaný voda Ochlazovaný vzduch Tvrdost HB 188±2 188±2 200±5 200±5 400±23 185±1 Šířka stopy [μm] 600±30 600±30 540±30 540±30 300±10 560±40 Tab. 4 Porovnání šířek tribologické stopy a tvrdostí jednotlivých kotoučů 17/21
Měření opotřebení Vyhodnocení opotřebení Obr.29 Rovnice pro výpočet opotřebení Tvrdost HB 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Ochlazovaný voda Stav po výrobě Žíhaný Ochlazovaný vzduch W koeficient opotřebení [mm/n.m] V.opotřebovaný objem [mm 3 ] F přítlačná síla [N] s odjetá dráha [m] Opotřebovaný objem V byl změřen na konfokálním laserovém mikroskopu LEXT OLS3000. 1,00E-04 9,00E-05 8,00E-05 7,00E-05 6,00E-05 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00 Koeficient opotřebení W Tvrdost HB Koeficient opotřebení Obr.30: Porovnání tvrdosti a koeficientu opotřebení u jednotlivých vzorků. 18/21
Diskuze výsledků Při extrémním režimu ochlazování (do vody) dochází ke změně struktury z původní perlitické na martenzitickou a také ke změně tvrdosti brzdového kotouče z původních HB 200±20 na HB400±30 Martenzitická struktura má vliv na velikost a charakter opotřebení. U brzdového kotouče ochlazovaného do vody byla naměřena nejnižší hodnota koeficientu opotřebení W=3,16 *10-6 [mm 3 /Nm]. Martenzitická struktura je u brzdových kotoučů nežádoucí, snižuje houževnatost a způsobuje vnitřní pnutí, které by při opakovaných tepelných cyklech mohlo překročit mez pevnosti materiálu a tím dojít ke křehkému porušení brzdového kotouče. Tvrdost brzdového kotouče má vliv na koeficient opotřebení a také na charakter opotřebení. U kotoučů ochlazovaných do vody se vyskytuje kromě adhezivního opotřebení také abrazivní opotřebení. U kotoučů ve výchozím stavu a žíhaných převládal adhezivní mechanismus poškození, kde docházelo k adheznímu vytrhávání částí materiálu a jejich následnému ulpívání a tvorbě transferového filmu. 19/21
Diskuze výsledků Výsledek kapilární zkoušky potvrdil odolnost brzdového kotouče proti teplotním šokům. Koeficienty tření jsou u brzdových kotoučů ve výchozím stavu, ochlazovaných do vody a žíhaných téměř shodné. Výjimku tvoří brzdový kotouč ochlazovaný na vzduchu u kterého došlo ke snížení koeficientu tření. Tato skutečnost může být způsobena přítomností volného feritu v základní matrici. Ferit se vyskytuje v těsné blízkosti grafitických lupínků. Grafit je snadněji vytrháván a způsobuje pokles koeficientu tření. Při ochlazování na vzduchu dochází při teplotě cca 700 C k perlitické přeměně a ochlazovací křivka protíná také pás feritické přeměny. Výsledná struktura brzdového kotouče je pak tvořena perlitem, lupínkovým grafitem a volným feritem, který je vyloučen v těsné blízkosti grafitických lupínků. Přítomnost volného feritu způsobuje nerovnoměrnost struktury. 20/21
Děkuji za pozornost
Jaká je souvislost mezi tepelnou vodivostí litiny (45-52W/m.K pro LLG) a mezi vodivostí v hlavní a vedlejší rovině (293-419 W/m.K resp 84W/m.K)? Tepelná vodivost grafitu v ose: Y je λ= 84 [W/m.K] X je λ= 293-419 [W/m.K] Tepelná vodivost perlitické matrice: λ= 30 [W/m.K] Tepelná vodivost šedé litiny λ= 45 52 [W/m.K]
Co přesně udává poměrná odolnost proti opotřebení a jak přesně souvisí s koeficientem opotřebení? Poměrná odolnost proti opotřebení udává odolnost materiálu proti odstraňování nebo přemisťování částic z povrchu materiálu při působení zatížení. Odolnost proti opotřebení je výsledkem souboru vlastností, zejména tvrdosti, houževnatosti, Youngova modulu pružnosti, únavové pevnosti. W koeficient opotřebení [mm/n.m] V.opotřebovaný objem [mm3] F přítlačná síla [N] s odjetá dráha [m]
Lze obecněji charakterizovat podmínky vzniku volného feritu ve struktuře, které způsobují poměrně výrazné změny tribologických vlastností? ARA diagram nelegované litiny
Lze na základě dosažených výsledků diskutovat užitné vlastnosti brzdového disku, např. brzdnou účinnost apod.? Brzdná účinnost souvisí s koeficientem tření mezi brzdovým kotoučem a destičkou. S rostoucí tvrdostí brzdového kotouče bude klesat jeho koeficient opotřebení a budou se tedy přednostně opotřebovávat brzdové destičky.