Мировые тенденции в производстве тормозных суппортов

Возможность визуального осмотра деталей тормозной системы и увеличение срока гарантии на современные легковые автомобили заставило отрасль уделить больше внимания сохранению декоративных и функциональных свойств на протяжении всего срока службы. В связи с этим появилась необходимость в высококачественных коррозионностойких покрытиях. Потребовалось улучшение стандартного цинкового покрытия с пассивацией и дополнительным уплотнением.

ВВЕДЕНИЕ

Ранние конструкции колес автомобилей не предполагали, чтобы тормозная система была полностью видна. Как правило, детали тормозной системы устанавливались за колпаком колеса (рисунок 1). Поэтому обработка таких деталей не была приоритетной в автомобильной промышленности. За последние пару лет конструкция колеса стала более открытой, а детали тормозной системы стали привлекать больше внимания покупателей (рисунок 2).

Рисунок 1. Конструкция колеса старого образца с колпаком, скрывающим элементы тормозной системы.

Рисунок 2. Современная конструкция колеса с большей визуальной доступностью элементов тормозной системы.

Возможность визуального осмотра деталей тормозной системы и увеличение срока гарантии на современные легковые автомобили заставило отрасль уделить больше внимания сохранению декоративных и функциональных свойств на протяжении всего срока службы. В связи с этим появилась необходимость в высококачественных коррозионностойких покрытиях. Потребовалось улучшение стандартного цинкового покрытия с пассивацией и дополнительным уплотнением.

Это привело к переходу отрасли от цинковых покрытий к более усовершенствованным гальваническим технологиям. Применяется несколько вариантов покрытий: пассивные барьерные покрытия, покрытия с катодной защитой и сочетание этих вариантов.

Элитные спортивные автомобили зачастую оснащены тормозными системами с толстым барьерным слоем порошкового покрытия, которое представлено в разнообразной цветовой гамме. Однако заводская себестоимость таких порошковых покрытий в 5-10 раз выше электрохимических покрытий. Поэтому тормозные суппорты с порошковыми покрытиями до сих пор остаются небольшим сегментом рынка.

Гораздо более жизнеспособная альтернатива, обеспечивающая повышение коррозионной стойкости и долговременное сохранение внешнего вида, – это использование покрытий из цинк-никелевых сплавов в сочетании с подходящим пассивирующим слоем и герметиком в качестве дополнительного барьерного слоя. В отличие порошковых покрытий, защитные слои обеспечивают коррозионную защиту, даже когда они повреждены, например, от ударов камней или других механических воздействий.

ПОКРЫТИЕ НА ЧУГУНЕ

Для максимально эффективной коррозионной защиты широко применяются покрытия из цинк-никелевых сплавов. Цинк-никелевые покрытия хорошо зарекомендовали себя в качестве «жертвенного» слоя (рисунок 3). Технические эксперименты с цинк-никелевыми покрытиями и покрытиями другими цинковыми сплавами показали, что максимальная защита от коррозии достигается при включении в сплав 12-16 вес. % никеля. Включения никеля и других легированных металлов в различных объемах показали минимальную коррозионную характеристику [1].

Рисунок 3. Время до возникновения коррозии железа в зависимости от толщины цинковых покрытий и покрытий разными цинковыми сплавами при испытании в нейтральном солевом тумане в соответствии со стандартом ASTM B117. Дополнительная обработка не применялась.

На рисунке 3 показана зависимость времени до появления красной ржавчины от толщины покрытия низкоуглеродистой стали чистым цинком в сравнении со сплавами цинк-железо и цинк-никель [1]. Данные были получены путем нанесения отдельных покрытий на пластины из низкоуглеродистой стали разной толщины без последующей дополнительной обработки. Все пластины подвергались испытаниям в нейтральном солевом тумане в соответствии со стандартом ASTM B117.

Зависимость характеристик коррозионной защиты от добавления никеля выводилась путем оценки коррозионной стойкости испытательных пластин к красной ржавчине. На пластины наносились покрытия одинаковой толщины 5 мкм с добавлением разного количества никеля. Количество γ-фазы цинк-никелевого сплава было определено с помощью рентгеновской дифрактометрии при максимальном значении (600). Затем пластины подвергались испытанию в нейтральном солевом тумане в соответствии со стандартом ASTM B117 для оценки коррозионной защиты [2].

Рисунок 4. Концентрация y-фазы ZnNi, определенная через интенсивность рефлексов (600) при рентгенодифракционном анализе (синяя линия), и характеристики коррозионной защиты покрытий цинк-никелевыми сплавами в соответствии со стандартом ASTM B117 (красная линия) при постоянной толщине. Обе кривые демонстрируют резкий подъем до максимального значения при 12 – 16 вес. % Ni.

На рисунке 4 представлен полученный график. Кривая концентрации γ-фазы цинк-никелевого сплава и кривая коррозионной защиты демонстрируют резкий подъем до максимального значения при содержании никеля около 12 – 16 вес. %.

В этом диапазоне наблюдается максимальная концентрация γ-фазы и максимальная характеристика коррозионной защиты. Таким образом, можно сказать, что γ-фазу цинк-никелевого сплава следует осаждать для получения максимально возможной коррозионной защиты, которая проявляется при содержании никеля в диапазоне 12 – 16 вес. %.

При нанесении любого гальванического покрытия из водного раствора всегда протекает две конкурирующие катодные реакции. Первая реакция – это электролитическое разложение воды на катоде:

2H2O + 2e- = 2OH- + H2↑ (1)

Вторая реакция (в данном случае цинк-никель) – это:

Zn2+ + 2e- = Zn↓ (2)

Ni2+ + 2e- = Ni↓ (3)

Все три реакции протекают параллельно, но в разном соотношении.

Соотношение между электролитическим разложением воды (1) и реакциями осаждения сплава (2, 3) определяется типом электролита.

Наиболее распространены два типа электролитов, применяемых для осаждения цинк-никелевых сплавов: щелочные и кислотные.

Одно из важнейших свойств чугуна – это большое количество углерода в составе основного материала (рисунки 5, 6).

Рисунок 5. Поперечное сечение чугуна; черные пятна – это шаровидный графит в составе чугуна.

Рисунок 6. Вид сверху поверхности чугуна; темные пятна – включения графита.

Некоторые аспекты, обусловленные присутствием углерода:

  • примеси в подложке, например, углерод способствует выделению водорода;
  • выделение водорода будет происходить еще легче в щелочных цинк-никелевых электролитах;
  • по мере увеличения выделения водорода будет уменьшаться эффективность осаждения металла при заданном токе. Из-за присутствия углерода равновесие указанных выше конкурирующих реакций 1, 2 и 3 в щелочных электролитах в значительной степени смещается в сторону выделения водорода, а не осаждения металлического сплава.

В кислотных электролитах равновесие смещается в большей степени в сторону осаждения металла (2) и (3) и значительно меньше в сторону выделения водорода (1).

Одним из вариантов получения надлежащего цинк-никелевого покрытия на чугуне является так называемое двухслойное покрытие, сочетание осаждения цинка из кислотного электролита с последующим процессом нанесения цинк-никелевого покрытия из щелочного электролита на втором этапе. С одной стороны, такое сочетание слоев решает проблему прямого нанесения покрытий на чугун из щелочных растворов, но, с другой стороны, этот метод также сопряжен с некоторыми проблемами:

  • Слабая адгезия двух разных слоев между собой из-за адсорбированных компонентов ванны или недостаточной промывки между стадиями процесса.
  • Измерение толщины осажденного слоя и состава сплава обычно выполняется методами рентгенофлуоресцентного анализа. При сочетании слоев цинка и цинк-никеля количество никеля и толщина слоя не поддаются непосредственному измерению. Рентгенофлуоресцентный спектрометр одновременно фиксирует сигналы цинк-никелевого слоя и цинкового слоя, что фактически дает более низкое значение содержания никеля в итоговом покрытии. Для характеристик коррозионной защиты наиболее важное значение имеет содержание никеля в верхнем слое (γ-фаза), а не фактическое среднее значение для обоих слоев.
  • Для нанесения двухслойных покрытий требуется два разных электролита и соответствующее оборудование, что предполагает более высокие затраты по сравнению с использованием одного электролита.

Во избежание описанных выше проблем было разработано и внедрено прямое нанесение покрытий на чугунные поверхности с применением кислотных цинк-никелевых электролитов. Благодаря кислотным цинк-никелевым электролитам нового поколения стал возможен прямой процесс нанесения покрытий на чугун с однородным включением никеля в осажденный слой цинк-никелевого сплава во всех областях с различной плотностью тока. Это также применяется в отношении электролитов, не содержащих аммоний и борную кислоту.

Рисунок 7. Твердость по Виккерсу покрытий из цинка и цинк-никелевого сплава со структурой y-фазы, осажденных из кислотного раствора (Zinni 210) и щелочного раствора (Reflectalloy ZNA).

Наряду с высокой коррозионной защитой цинк-никелевый слой со структурой γ-фазы также обеспечивает и другие преимущества по сравнению со стандартным цинковым покрытием:

  • Цинк-никелевый сплав обладает более высокой твердостью, которую можно выразить в твердости по Виккерсу (HV). Слой γ-сплава, содержащий 14 вес. % никеля, обладает твердостью выше 500 HV, тогда как твердость чистого цинка составляет всего 60 HV (рисунок 7). Такая высокая твердость делает покрытие более износостойким, например, при ударах камней, обеспечивая долговременную защиту даже в жестких условиях эксплуатации.
  • В связи с требованиями к снижению веса конструкции современные тормозные системы зачастую содержат компоненты, изготовленные из алюминия. Цинк-никелевый сплав может использоваться в контакте с алюминиевыми компонентами благодаря очень низкой гальванической коррозии по сравнению с покрытиями из чистого цинка.
  • Благодаря высокой термостойкости цинк-никелевый сплав можно использовать в зонах с повышенной температурой, например, моторный отсек или тормозные системы.

ПОСЛЕДУЮЩАЯ ОБРАБОТКА

Стандартная последующая обработка тормозных суппортов включает в себя сочетание пассивации и герметизации (рисунок 8).

Рисунок 8. Схематическое изображение сочетания слоя цинк/цинковый сплав с пассивирующим и герметизирующим слоем сверху в качестве барьерного покрытия.

Современные пассиваторы – это конверсионные покрытия на основе хрома (III) / не содержащие хром (VI), образующие пленку на основе Cr(III) поверх слоя цинка или цинк-никеля.

Нанесение цинк-никелевого покрытия на компоненты тормозных суппортов и пассивация завершается применением реактивного, неорганического герметика, совместимого с тормозной жидкостью, что обеспечивает качественную защиту от коррозии. При испытании в нейтральном солевом тумане согласно стандарту ASTM B117 детали выдерживают >120 ч до появления белой ржавчины и >720 ч до появления красной ржавчины. Для цинк-никелевых покрытий обычно используется пассиватор Unifix® Ni/Fe 3-10 L или EcoTri® HC2 в сочетании с герметиком Sealer 300 W.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Из-за ужесточения требований к содержанию аммония в сточных водах повышается спрос на электролиты, не содержащие аммоний. Кроме того, существенно возрастает спрос на электролиты, не содержащие борную кислоту, поскольку Европейский союз классифицирует борную кислоту как токсин, воздействующий на репродуктивную систему. Компания Atotech производит электролиты на основе цинка и цинк-никеля, не содержащие аммоний и борную кислоту.

Такие электролиты обладают высокой кроющей способностью, особенно в зонах с низкой плотностью тока, обеспечивают соблюдение всех требований автомобильной промышленности и облегчают очистку сточных вод. Применение во всем мире доказало эффективность этих процессов.

Кроме того, кобальт находится в центре внимания природоохранительного законодательства и вскоре может быть запрещен в Европейском союзе, а позже и в других странах. Было разработано несколько бескобальтовых пассиваторов, которые уже успешно применяются.

ВЫВОДЫ

Благодаря своим превосходным механическим и термическим свойствам чугун идеально подходит для производства деталей тормозной системы автомобилей. Тщательно подобранное катодное защитное покрытие обеспечивает износостойкость и сохраняет функциональные свойства компонентов.

Катодная защита идеально подходит для деталей тормозной системы. Основная задача состоит в сохранении внешнего вида и функциональных свойств на протяжении постоянно увеличивающихся гарантийных периодов в автомобильной промышленности с учетом экономических конкурирующих процессов. Это достигается нанесением покрытий на основе цинк-никелевых сплавов со структурой γ-фазы с содержанием никеля 12-16 вес. %.

Из-за большого количества углерода в составе чугуна процесс нанесения покрытия из щелочных электролитов вызывает существенные затруднения. Поэтому раньше использовались так называемые двухслойные покрытия для нанесения цинк-никелевого сплава со структурой γ-фазы на детали тормозной системы путем нанесения чистого цинкового покрытия из кислотного электролита с последующим нанесением цинк-никелевого покрытия из щелочного электролита. При этой последовательности нанесения покрытий также возникали определенные проблемы.

Поэтому был разработан прямой процесс нанесения покрытий, позволяющий избежать возможных дефектов двухслойного покрытия.

Было продемонстрировано, что процесс прямого нанесения можно выполнить с использованием не содержащих аммоний, кислотных цинк-никелевых электролитов нового поколения Zinni 210 (Atotech).

Рисунок 9. Тормозной узел, покрытый в кислотном цинк-никелевом растворе Zinni 210, Unifix® Ni/Fe 3-10 L, Sealer 300 W (все продукты компании Atotech). Деталь выдержала 1000 ч испытания в нейтральном солевом тумане в соответствии со стандартом ISO 9227 (аналог стандарта ASTM B117).

Цинк-никелевый сплав непосредственно наносится на чугун с получением однородного покрытия со структурой γ-фазы, которое обладает максимально высокими защитными свойствами. Процессы экологически безопасны, не содержат аммоний и борную кислоту.

Финишная обработка выполняется с применением пассиватора на основе трехвалентного хрома и реактивного неорганического герметика, совместимого с тормозной жидкостью, что обеспечивает высокую коррозионную защиту и соблюдение всех требований автомобильной промышленности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Б. Соннтаг, К. Том, Н. Дамбровский, Б. Дингверт, журнал Galvanotechnik, 7(100)2009, 1499-1513
  2. Константин Том, дипломная работа, Берлинский технический университет, Германия, 30.05.2005

Доктор Маттиас Хош, Atotech Deutschland GmbH. Германия

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Покрытия для водородной технологии
Покрытия для водородной технологии
Немецкий поставщик покрытий, компания Holzapfel Group (Зинн, Гессен, Германия), разрабатывает покрытия для технологий производства водорода…
04.10.2022
47
Отверждение электропокрытий при пониженных температурах
Отверждение электропокрытий при пониженных температурах
Последние инновации в технологии электроосаждения покрытий позволяют использовать более широкий диапазон отверждения различных подложек различной…
Вивек Бадаринараяна
16.11.2022
40
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Если толщина покрытия больше заданной, это влияет на внешний вид и долговечность покрытия.
Джозеф Субда
16.11.2020
393
Значение покрытий, полученных методом вакуумного напыления, для медицинских изделий
Значение покрытий, полученных методом вакуумного напыления, для медицинских изделий
Нанесение покрытий на медицинские изделия методом вакуумного напыления обеспечивает как эстетические, так и функциональные преимущества.…
Дерек Корн
30.06.2020
1099
Заключительная обработка анодированных покрытий.
Заключительная обработка анодированных покрытий.
Для заключительной обработки анодированных покрытий обычно применяется две технологии: уплотнение в горячей воде при температуре…
П. Волк, К. Вейгельт
19.10.2020
339
Конверсионные покрытия: фосфат или цирконий
Конверсионные покрытия: фосфат или цирконий
У каждого есть свои преимущества, но цирконий быстро становится предпочтительным вариантом с точки зрения предварительной…
Серджио Манчини
24.08.2020
1488
Исключение шестивалентного хрома из процесса предварительной обработки алюминиевых прутков и листов
Исключение шестивалентного хрома из процесса предварительной обработки алюминиевых прутков и листов
Успешная замена традиционного хроматного конверсионного покрытия на цикл обработки на основе трехвалентного хрома
28.11.2022
21
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Сравнение процесса катодно-механического нанесения покрытий с процессом гальванохонингования демонстрирует существенное принципиальное различие между этими процессами…
Жеско Ю.Е.
09.07.2019
1062
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Процессы гальванической металлизации являются неотъемлемой частью производства печатных плат (ПП) и от качества их выполнения…
Терешкин В. А., к.т.н. (Мир гальваники 2008)
17.07.2018
1981