Повышения износостойкости пары "Тормозной диск - колодка" автомобилей ВАЗ: взаимосвязь состава, структуры и эксплуатационных свойств материалов пары трения

Для изготовления тормозных дисков в ОАО «АВТОВАЗ» используется серый перлитный чугун Gh190, соответствующий по механическим свойствам и микроструктуре марке СЧ25 (ГОСТ 1412-85). В импортных (альтернативных) аналогах также используются серые чугуны перлитного класса, соответствующие отечественным маркам СЧ25 и СЧ15. Однако тормозные диски зарубежных изготовителей отличаются более высокими эксплуатационными свойствами. Это обусловлено рядом их характерных отличий по химическому составу, структуре и свойствам от чугуна Gh190, а также работающим с ним в паре материалом контртела. Фрикционные материалы, используемые в накладках тормозных колодок импортных и отечественных изготовителей, различаются как по компонентному составу, так и по размеру и дисперсности структурных составляющих, что оказывает влияние на их изнашивающую способность и коэффициент трения пары.

Нами было проведено комплексное исследование чугунов тормозных дисков и фрикционных материалов тормозных колодок различных производителей, применяемых для разных автомобилей. Оценивалось влияние состава и структуры материала тормозных дисков на его износостойкость, а также влияние материала колодок на коэффициент трения пары и износ тормозных дисков.

Триботехнические испытания образцов из материалов исследуемой пары трения (не менее 6 испытаний на каждый вариант) проводили на универсальной машине для испытаний на трение и износ по схеме «ролик - пластина». Из материалов тормозных колодок были изготовлены образцы в виде пластин, а из чугунов - образцы в виде роликов. Режим испытаний: нормальная нагрузка – 36 Н, линейная скорость – 6,23 м/с, время проведения одного испытания - 10 минут. Износ чугунных образцов определялся весовым способом (средняя величина износа определялась при доверительной вероятности 80%). В конце испытания определялся коэффициент трения пары.

Путём металлографического и химического анализов, а также механических испытаний получены следующие результаты.

1. Основное отличие материалов-аналогов тормозных дисков по сравнению с чугуном Gh190 сводится к тому, что они содержат в 2–8 раз больше серы (до 0,080%). Это соответствует наличию в структуре чугунов сульфидов MnS глобулярной формы от 0,06 до 0,22%. В структуре чугуна Gh190 сульфидов практически нет. Помимо этого в некоторых аналогах имеет место повышенное (до уровня легирующих элементов) содержание молибдена - до 0,32%, который, растворяясь в металлической матрице, повышает износостойкость материала в процессе трения за счёт изменения его исходной микроструктуры, и ванадия - до 0,02%, являющегося достаточно сильным карбидообразователем.
2. В структуре некоторых материалов-аналогов присутствует феррит, количество которого варьируется от следов до 15%. Исследованные образцы чугуна Gh190 имели чисто перлитную структуру.
3. Имеются отличия по типу графита. В исследованных образцах чугуна Gh190 и некоторых чугунах-аналогах преобладает графит типа А, а также может присутствовать графит типов B, D, а иногда - Е.
4. Все материалы-аналоги по сравнению с чугуном Gh190 имеют существенно меньшую величину временного сопротивления, что обусловлено повышенным содержанием серы, оказывающей охрупчивающее воздействие. Причём по величине временного сопротивления s_В материалы-аналоги соответствуют как марке чугуна СЧ15 (по ГОСТ 1412-85, s_В ^3150 МПа), так и марке СЧ25 (по ГОСТ 1412-85, s_В ^3250 МПа).
5. Средняя твёрдость по Бринелю чугунов-аналогов в целом ниже, чем у чугуна Gh190.
6. Материал фрикционных накладок всех исследованных тормозных колодок представляет собой композит, состоящий из фракций различной степени дисперсности и химического состава, включающего 7-9 элементов, связанных наполнителем.

По результатам триботехнических испытаний необходимо отметить следующее:

1. Наличие сульфидов в структуре чугунов-аналогов (за счёт повышенного содержания серы) приводит к повышению износостойкости по сравнению с чугуном Gh190 в 1,1…1,8 раза. Однако этот эффект частично подавляется за счёт снижения твёрдости. В заданных условиях испытаний чугун Gh190 показал наихудшие триботехнические свойства при испытаниях со всеми типами тормозных колодок.
2. Величина износа всех исследованных чугунов при работе с импортными фрикционными материалами в 2,5 и более раз ниже, чем при работе с фрикционными материалами отечественного производства.
3. Коэффициент трения пары составляет 0,32…0,53 для всех исследованных вариантов.

Таким образом, имеются реальные предпосылки для повышения износостойкости пары трения «тормозной диск – тормозная колодка» за счёт оптимизации состава и структуры материалов этой пары трения.