汽车制动器金属材料的热物理性能翻译.doc

汽车制动盘金属材料的热物理性能 S. W. Kim K. Park S. H. Lee K. H. Kang K. T. Lim摘要 温度分布、热变形和汽车制动盘的压力与汽车安全有很密切的关系；在这一领域进行了许多研究，由于没有充分的认识到制动盘材料与温度有关的热物理性能，因而，也还未得出令人满意的结果。在研究中，包括铁合金系列的三种制动盘材料：FC250、FC170、和FCD50；铝合金系列的两种制动盘材料：铝MMC和A356，测量这两个系列从室温升到500范围内的热物理属性能的变化（热扩散率、比热、热系数膨胀），使用测量得到的热扩散率和热传导率来计算比热容和密度。正如预期的那样，结果表明两个系列的材料在热物理性能上表现出明显差异，同时，铝合金具有的高导热和电导率以及铁合金的低热膨胀率的性能有益于减少刹车盘的热变形。关键词：制动盘；比热容；热导率；热扩散系数；热膨胀系数1引言 对于汽车的安全设计来说，制动盘和汽车制动系统的垫片是重要的零配件，因为他们能吸收汽车的动能。汽车刹车系统的发展目标是为了实现高性能，高稳定性，低噪音低振动。如图1即制动盘出现问题时的表现：表面温度上升、裂缝、热变形、异常振动、磨损、弯曲、噪音等，这些问题是由制动盘、垫片、卡尺及他们的组合引起的。为了分析这些现象，必须对制动盘系统因摩擦引起的温度上升进行研究2 3。 长期连续制动引起的温度上升导致制动盘表面出现不规则的马氏体，这是导致制动系统异常振动的原因之一。制动器的热变形和热压领域里进行着许多研究，然而，制动盘材料中与温度有关的的热物理性能还未得到充分的认识，因此，还未得到成功且令人满意的结果2。在这项研究中，用激光闪光、差示扫描量热计（DSC）和推杆膨胀计装置，分别测量了从室温到500的温度范围内三种铁合金：FC250，FC170，FCD20和两类铝合金：AIMMC和A356制动盘材料的热扩散率、热比热容、CTE（热膨胀系数），并使用测得的热扩散率和热传导率计算比热容、密度。2 实验表明2.1 热扩散率的测量 用激光闪光法对热扩散系数进行测量（Sinku-Riko.TC-7000VH/L）温度高达500，对热扩散率进行分析，使用帕克法4。在样品背面使用碲镉汞红外传感器进行温度测量，并对测量结果进行计算，得到最大温升时间的一半时样品背面的热扩散系数。此外，用钨网加热器控制温度，在真空中维持10-5托。为了在样品中得到一致的热能，样品正反面都喷洒石墨。热扩散系数数据用阿祖米和高桥法纠正以减少有限宽度脉冲的影响。该方法是用五个测量热扩散率计算出平均值。此外，从室温到1300测量石墨热扩散率的标准偏差估计值约3%。 图2-1制动系统的运行状态和制动状态2.2 测量比热容6 比热容(Cp)是通过DSC(Perkin-Elmer，Pyris 1)从室温到500温度范围内，以5k/min的升温速率在流速50ml/min的氮气气氛中测量。NIST是合成蓝宝石的标准参考材料，SRM720作为参考。比热容的测量标准偏差估计约2%，控制温度过程如下：l 等温范围的基线足够稳定的基础上确定时间间隔l 确定初始和结束的温度l 确定持续增长的温度变化 用上述方法得到的比热容值的数据被集成在所有增加的温度范围内，其平均比热容值是从每个范围中得到的。2.3 测量热膨胀系数7 在室温到500温度范围内，在真空中以恒定的加热速度5K/minj，用线性差动变换传感器通过推杆式膨胀计装置(DIL 402C, Netzsch)测量制动盘金属材料在轴向方向的热膨胀，膨胀计试验中，标准材料氧化铝标准偏差约3%。3 结果讨论 图2-1是一个金属制动盘，其内径和外径分别是192mm和314mm。样品用激光切割成2mm厚、10mm的直径，DSC切成2mm厚、直径5mm、10mm长，表1对样品材料成分进行了分析。 图3-1汽车金属制动盘 5个样品的热扩散率的测量值如图3-1所示，所有数据点分别对应代表五个平均测量值，因为金属中的导热介质基本上为电子，随着温度的增加热扩散阻力也随之增加，所有样品的热扩散率随着温度增加而慢慢减小；同时也显示出铝合金的该值比铁合金大两到三倍。它也是各种合金系列有着明显差别的地方，如在表1中所显示铝合金和铁合金的主要不同点，纯铝的热扩散率比纯铁的大,FC170和A356的热扩散率比其他铁合金和铝合金系列的材料的值都更大，铜区别于其他元素，它的热扩散率更高，在微观结构上对热量流动的影响显示出细微差别。表2列出了热扩散率值。 表3-1典型的的样本组合物（以质量计) 图3-2激光闪光装置测得制动盘材料的热扩散系数值 表3-2热扩散系数的测量值（10-5ms-1） 图3-3和表3-3得到的平均比热容。温度升高，比热容值增大，铁合金的比热值比铝合金的大两倍。模型得出的结果也可以显示出不论是在铁合金还是铝合金中，比热容都是主要影响因素，铝的热容量大于铁的9，所有的铁合金比热值基本相同，与铝合金的差异不是很明显，这表明少量辅助材料对比热容值的影响不大，需要用对样品的微观结构研究来解释这点。 图3-3通过DSC装置测量制动盘材料的比热容值表3-3测量比热容值（Jg1K1）用热扩散率、恒压下的比热容、测量出的样品密度计算出导热系数（k）。样品的测量密度如表4，表中显示铁合金的密度大于铝合金2.5倍。图5示出了计算出的样品的热传导率和纯的铝和铁的热导电值的推荐值11。随着温度升高样品的导热系数与热扩散系数相似，并且也可以用相同的方式说明如图3。纯金属值要比推荐的测量值小，因为加入了少量添加材料，因此增加了纯金属的强度和硬度，用作作为制动盘的材料。为了防止摩擦生热引起制动盘变形，高导热材料更适合快速冷却和刹车盘的热损耗，因此，如表5所示，当它成为主要考虑因素时，铝合金成为汽车安全驾驶使用的首选材料。 表3-4测量密度值（103 kg m3) 表3-5计算值的热导率（Wm-1K-1），使用测得的热扩散率（a），在恒定压力下的比热容量为（Cp），测得样品的密度（） CTE实验值与纯铝纯铁的推荐值都显示在图6中。类似热扩散率的结果，CTE值显示了铝合金与铁合金系列的明显差异；然而，与样品的微观结构联系，该值与纯金属值也并非完全不同。为了减少刹车系统的热变形，CTE值比较低的材料比较合适；因此，当考虑该因素为主时，推荐铁合金材料。表3-6 测得的热膨胀系数（106 K1) 图3-4测得样品的热扩散率，比热容，和密度计算出的热导电值 图3-5用推杆装置测得的热膨胀系数实验值4 结论 测量铁合金系列的三种制动盘材料：FC250、FC170、和FCD50，铝合金系列的两种制动盘材料：AIMMC和A356，这两个系列在温度从室温升到500范围内的热物理属性能的变化（热扩散率、比热、热系数膨胀）。实验结果表明两种合金的热物理性质有显著的差异，其中铝合金材料的制动盘有较低的热变形、较高的导热系数以及铁合金具有的较低的热膨胀系数是值得推荐的，获得的数据适用于用有限元法分析预测温度分布和作为制动盘热分析的输入数据。 参考文献1.F. Bergman, M.M. Eriksson, S. Jacobson, Wear 225229, 621 (1999)2.A. Yevtushenko, E. Ivanyk, Wear 189, 159 (1995)3.M. Naji, M. AL-Nimr, Int. Commun. Heat Mass Trans. 28, 835 (2001)4.W.J. Parker, R.J. Jenkins, C.P. Butler, G.L. Abbott, J. Appl. Phys. 32, 1679 (1961)5.T. Azumi, Y. Takahashi, Rev. Sci. Instrum. 52, 1411 (1981)6.S.W. Kim, S.H. Hahn, J.C. Kim, D. Chi, J.H. Kim, Ungyong mulli (Korean J. Appl. Phys.) 7, 46(1994) 7.Y.S. Touloukian, R.K. Kirby, R.E. Taylor, P.D. Desai, Thermophysical Properties of Matter:Thermal Expansion-Metallic Elements and Alloys, vol. 12 (IFI/Plenum, NewYork,Washington, 1982)8.Y.S.Touloukian,C.Y.Ho,Thermophysical Properties of Matter: Thermal Diffusivity, vol. 10(IFI/Plenum, New York, Washington, 1973)9.Y.S.Touloukian,C.Y.Ho,Thermophysical Properties of Matter:Specific Heat Metallic Elements and Alloys, vol. 4 (IFI/Plenum,New York, Washington, 1970)1232188 Int J Thermophys (2008) 29:2179218810.S.H. Lee, J.C. Kim, J.M. Park, C.K. Kim,