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汽车刹车盘涂覆石墨烯水性涂料的工艺及性能

黄平1,唐长林2*,范梅梅1,范正清2

(1.重庆长安汽车股份有限公司,重庆 401120;2. 宁波墨西科技有限公司,浙江 宁波 315000)

摘要:介绍了刹车盘涂覆石墨烯水性涂料的工艺,与现有其它表面处理的刹车盘相比,具有无法比拟的优点,如:极强薄层抗腐蚀性(耐中性盐雾试验NSS≥240h)、无氢脆、高渗透性、耐热性强、耐化学介质稳定性强等,大大增强了刹车盘的防锈和抗磨的性能,延长了刹车盘的使用寿命。该研究技术具有自主知识产权,实现了刹车盘批量化涂覆加工,将促进新型环保水性涂层技术的发展,加快中国石墨烯产业化应用。

关键词:刹车盘;石墨烯;水性涂料;耐腐蚀

1 前言

在汽车行业,零部件金属防腐一直是困扰性难题。随着汽车使用年限及行驶里程的增长,防腐欠缺的金属部件会出现严重锈蚀,行驶过程中将会引起安全隐患。汽车金属部件的腐蚀,不仅会降低其品质和其使用寿命,而且因其腐蚀异常而损坏的零部件极易引发交通事故,甚至造成车毁人亡的惨剧。世界各国对汽车的防腐蚀处理证明:涂料涂层防腐蚀是最有效﹑最经济﹑应用最普遍的抗腐蚀方法。

汽车刹车盘作为汽车制动系统中的关键部件,其防腐蚀处理也至关重要。在使用过程中,同轮毂装配在一起,通过与制动衬片进行干摩擦,产生巨大的摩擦力,降低车轮转速从而减速制动。在高速行驶时,汽车从时速100km/h开始刹车,到完全停下来仅需要十几秒甚至更短,刹车盘承受着巨大的的磨损,以及磨损中产生的热能(温度高达300℃)。刹车盘的材质多由高碳量的灰铸铁构成,存在很多铸造砂眼、孔隙等缺陷,表面粗糙,防腐难度大。制动盘工作环境恶劣,直接和泥水接触,行驶中有碎石冲击,制动时需耐局部高温,经常出现大面积锈蚀。实践证明,传统防腐漆远不能满足制动盘的耐腐蚀要求。

针对于汽车行业的耐腐蚀及无铬化环保等要求,1997年,美国金属涂层国际公司(Diamond Shamrock Corp Metal Coatings Dio)研究开发出“水性无铬有机硅锌铝涂料与涂装技术”(一种无铬锌铝涂料技术)。目前此技术已被汽车制造行业普遍认可和接受。制动盘的防腐也通常采用涂覆这类无铬锌铝涂料。目前市场份额80%以上都由欧美日的无铬锌铝涂料厂商垄断性占有,如日本的水性Geomet(久美特)、美国的油性Magni(美加力)涂料,且采购价格高。国内科研机构及部分企业为了打破国外的垄断局面,近年来在无铬锌铝涂料的性能提升上也做了大量的研究,如通过使用钼的氧化物作为腐蚀抑制剂的水性涂层, 或者通过纳米分散液处理过的有机硅纳米粉体进行改性, 或者通过二氧化锰粉末来替代铬酸盐氧化金属粉末形成氧化膜,都对涂层的耐腐蚀性能等有部分的提升。不足之处在于:或者防腐性能有限,仅为国外同类产品的50%左右,难以满足汽车刹车盘在恶劣工况下的防腐要求;或者稳定性欠缺,难以满足产品的批量化生产需求,

石墨烯涂料是一种国产新型环保水性无铬锌铝涂料,在无铬锌铝涂料体系中复配纳米级的片状石墨烯,采用先进的分散研磨工艺,将体系中的锌铝片完全包覆,起到有效的屏蔽作用而限制腐蚀介质的侵入;另一方面,有序分散的石墨烯微片显著地松弛了涂层在固化成型或使用过程中温差变化时所产生的残余应力,避免残余应力的破坏腐蚀失效,从而进一步提高耐腐蚀性能,并同时提高涂层的耐磨性,显著减小摩擦系数。

2 试验

2.1 试验样件

涂覆加工采用精加工的汽车刹车盘(材质HT250)。

2.2 涂覆工艺

汽车刹车盘在长安公司某配套供应商自动涂覆生产线上加工(图1),主要工序为:先清洗刹车盘及磷化处理,然后喷涂石墨烯涂料,最后烘烤固化。其具体工艺流程为:上件—热水洗—预脱脂(15min~30min)—超声波脱脂(10min~15min)—热水洗—超声波水洗—表调—磷化(30℃~50℃,10min~15min)—脱水干燥—进喷房—自动喷涂(石墨烯涂料A、B 组分按1:1(质量比)比例混合)—预烘(180℃×15min.)—高温烧结固化(340℃~360℃,30min~40min)—冷却—检验—包装。

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2.3 性能测试

采用日本电子株式会社的JSM-6700F扫描电镜(SEM)观察刹车盘石墨烯涂层的断面形貌。

采用MM6金相显微镜测试刹车盘石墨烯涂层的厚度。

采用电热干燥箱和SQ-500-S盐雾试验箱测试刹车盘石墨烯涂层的耐热冲击腐蚀性能。

采用401恒温水浴箱测试刹车盘石墨烯涂层的耐水、耐机油、耐汽油、耐柴油和耐防冻油性能。

3 结果与讨论

3.1 断面形貌

研究发现,在无铬锌铝涂料体系中使用片状材质,可通过层状排列与强化的空间屏蔽效果而对涂层的耐腐蚀性有显著提升。石墨烯是世界上最薄的、柔软的片状材料,在防腐涂料中,石墨烯呈层状堆叠状,可有效阻止腐蚀物质侵蚀基材,大大延长耐腐蚀时间。图2采用JSM-6700F扫描电镜观察某无铬锌铝涂层和石墨烯涂层的断面形貌对比照片     

图2 某无铬锌铝涂层和石墨烯涂层断面形貌对比照片

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(a) 无铬锌铝涂层 (b) 石墨烯涂层

3.2涂层厚度

对图3所示刹车盘上制动面和小圆立面采用MM6金相显微镜测量石墨烯涂层的厚度值,分别测量5个位置的厚度,取其平均值。

图3 石墨烯涂层刹车盘照片及各主要表面示意图

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(a)石墨烯涂层刹车盘 (b) 刹车盘各主要表面示意图

经测量,刹车盘石墨烯涂层厚度较均匀,见表1,上制动面涂层平均厚度13.8μm,小圆立面涂层平均厚度6.6μm。

表1 刹车盘石墨烯涂层厚度

测量位置

涂层厚度测量值,μm

涂层厚度平均值,μm

上制动面

1314131514

13.8

小圆立面

67686

6.63.3 耐热冲击腐蚀性

将某无铬锌铝涂层刹车盘和石墨烯涂层刹车盘放置在300℃电热干燥箱下1h,然后空冷1 h,再放入SQ-500-S盐雾试验箱中对比测试耐中性盐雾腐蚀试验。经240h中性盐雾腐蚀试验后,某无铬锌铝涂层刹车盘表面有40%面积的锈蚀,而石墨烯涂层刹车盘表面只有2%面积的锈蚀,见图4。     

图4 某无铬锌铝涂层刹车盘和石墨烯涂层刹车盘耐热冲击腐蚀后对比照片

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(a) 某无铬锌铝涂层刹车盘 (b) 石墨烯涂层刹车盘

3.4耐液体介质性能

采用401恒温水浴箱测试刹车盘石墨烯涂层的耐水、耐机油、耐汽油、耐柴油和耐防冻油性能,结果见表2。

表2 刹车盘石墨烯涂层耐液体介质

测试项目

测试条件

测试结果

耐水

25℃±2℃水里浸渍240h

试验后涂层无剥落、起皱、起泡等现象

耐机油

60℃±2℃机油里浸渍1h

试验后涂层无气泡或呈现严重的软化或色彩变暗

耐汽油

在汽油里浸渍24h

试验后涂层无气泡或呈现严重的软化或色彩变暗

耐柴油

23℃±2℃柴油里浸渍24h

试验后涂层无气泡或呈现严重的软化或色彩变暗

耐防冻油

在防冻油里浸渍1h

试验后涂层无气泡或呈现严重的软化或色彩变暗

4 结论

(1)涂覆石墨烯的刹车盘与现有其它表面处理的刹车盘相比,具有无法比拟的优点,如:极强薄层抗腐蚀性(耐中性盐雾试验NSS≥240h)、无氢脆、高渗透性、耐热性强、耐化学介质稳定性强等,大大增强了刹车盘的防锈和抗磨的性能,延长了刹车盘的使用寿命。

(2)该技术具有自主知识产权,并实现了汽车刹车盘的批量化涂覆加工,有望在汽车紧固件上推广应用,将为新型环保水性涂层技术的发展提供基础,也将会加快中国石墨烯产业化应用。

参考文献:

[1] 彭德豹,孙泽涛.汽车发动机构造与维修[M].武汉:华中科技大学出版社,2010:113-118.

[2] 张广安,王鹏,陈友明,等.中频磁控溅射沉积含铝类金刚石碳膜结构及其摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2008(2):118.

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