《Surface and Coatings Technology》：Influence of corrosion on wear and brake particle emissions of alumina-coated and uncoated cast iron brake discs
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刹车片颗粒排放与腐蚀-磨损循环关系研究。通过三次腐蚀-摩擦磨损循环测试，比较铝氧化物涂层与未涂层铸铁刹车盘的腐蚀性能、磨损和颗粒排放。结果显示涂层刹车盘腐蚀层厚度比未涂层小80%，颗粒浓度降低80%，摩擦系数稳定，证实等离子电解铝化涂层可有效抑制腐蚀、减少磨损及颗粒排放。
Ran Cai|Xueyuan Nie|Yezhe Lyu|Jens Wahlstr?m
温莎大学机械、汽车与材料工程系，401 Sunset Avenue，温莎，安大略省，N9B 3P4，加拿大
摘要
可以在铸铁制动盘上施加硬质涂层，以提高耐磨性和耐腐蚀性，并减少制动颗粒的排放。本研究首先探讨了摩擦磨损对腐蚀性能的影响，然后通过比较氧化铝涂层和未涂层表面，研究了腐蚀对铸铁制动盘制动颗粒排放的影响。在三个腐蚀-摩擦测试周期中，每个周期都有六个制动盘在雨雪条件下暴露24小时或72小时，之后使用销-盘摩擦测试仪结合空气颗粒排放测量系统进行摩擦测试。对应的销材由商用低钢（LS）制动片加工而成。收集了颗粒浓度、尺寸分布和总磨损量（制动盘和制动片）的数据，并使用扫描电子显微镜（SEM）分析了磨损痕迹、摩擦转移层和磨损后的制动片表面。结果表明，未涂层制动盘在24小时或72小时的腐蚀暴露后形成了厚度达10微米或30微米的可见锈层，且腐蚀程度随暴露时间的增加而加剧；而氧化铝涂层制动盘则没有出现腐蚀现象。摩擦测试的早期阶段迅速去除了锈层，导致未涂层制动盘的颗粒排放量急剧增加。PEA涂层使颗粒浓度降低了80%，制动盘重量损失几乎减少50%。这些发现展示了PEA涂层在冬季条件下减少磨损和排放的潜力。
引言
灰铸铁（GCI）由于其良好的导热性、高阻尼能力和成本效益，是汽车制动盘最常用的材料[1,2]。然而，GCI的耐腐蚀性较差，尤其是在寒冷潮湿的环境中，道路盐分、积雪和雨水会加速锈蚀的形成。腐蚀产物如氧化铁会损坏制动盘表面并增加制动颗粒的生成。制动颗粒被认为是非尾气颗粒排放的主要来源[3,4]。据估计，大约40-50%的制动颗粒会进入空气中[5]。这些颗粒通常根据其直径被分为不同的类别，例如PM2.5（直径<2.5微米）和PM10（直径<10微米）。制动颗粒含有多种金属成分，尤其是铁，会对环境和人类健康产生不良影响，包括氧化应激和呼吸道炎症[[6], [7], [8], [9], [10]]。
为了解决GCI制动盘耐腐蚀性差、磨损严重和颗粒排放过多的问题，许多原始设备制造商（OEM）及其供应商开始探索不同的表面处理和涂层技术，包括铁素体氮碳共渗（FNC）[11]、激光熔覆[12,13]和热喷涂技术[14,15]。一种基于碳化物的多层表面涂层通过高性能激光熔覆技术应用于铸铁制动盘，显示出减少磨损率和制动颗粒排放的潜力[13]。硬质碳化钨涂层已在汽车领域得到有限应用，与普通铸铁制动盘相比，可显著减少80-90%的制动颗粒[16]。然而，这些激光熔覆和热喷涂涂层含有重金属（如Cr、Ni和W），如果制动颗粒来自涂层表面，可能会造成问题。合金化和溶胶-凝胶方法也被用于提高铸铁的耐磨性和耐腐蚀性[17,18]。一种环保的氧化铝基陶瓷涂层可以沉积在铸铁制动盘上。该涂层采用等离子体电解氧化（PEA）工艺制备，这是等离子体电解氧化（PEO）的一种改进技术[[19], [20], [21], [22], [23]]。先前的研究表明，PEA涂层应用于铁基金属时，可以提高硬度、耐磨性和耐腐蚀性[[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。本研究首先在室内干燥条件下进行了摩擦测试和腐蚀测试，随后在室外雨雪环境中进行了腐蚀测试，以研究实际冬季腐蚀对制动磨损和颗粒排放的影响。目的是评估PEA涂层是否能够有效抑制腐蚀、减少磨损并减轻制动颗粒排放，与传统未涂层铸铁制动盘相比。
在这项工作中，通过重复循环测试研究了腐蚀对未涂层和PEA涂层GCI制动盘的摩擦行为和颗粒排放性能的影响。循环测试包括三个腐蚀-摩擦测试周期，每个周期的腐蚀暴露时间为24小时或72小时，然后在室外雨雪环境下进行销-盘摩擦测试，使用商用低钢（LS）制动片作为对应销材。使用带有两个颗粒排放测量装置的销-盘摩擦测试仪监测空气中的颗粒。记录了摩擦系数（COF）、磨损量、颗粒浓度（PNC）和颗粒尺寸分布。使用扫描电子显微镜（SEM）分析了未磨损制动盘的表面和横截面以及磨损痕迹，以观察腐蚀行为、涂层完整性和转移层的形成。
实验细节
六个制动盘由GCI棒材加工而成，直径为100毫米，厚度为6毫米。GCI材料的成分包括2.60-3.75%的碳（C）、0.60-0.95%的锰（Mn）、1.80-3.00%的硅（Si）、<0.12%的磷（P）和剩余的铁（Fe）。其中三个制动盘样品采用了PEA涂层工艺。PEA工艺的电解液中含有15-20克/升的铝酸钠和1-5克/升的磷酸钠作为缓冲剂。涂层过程中使用了脉冲直流电源（1000赫兹），电压达到
涂层表征
使用SEM研究了GCI制动盘上PEA涂层的表面和横截面形态。如图2a所示，涂层表面具有独特的凹坑状纹理，这是由于涂层过程中局部等离子体放电事件造成的，导致约18%的孔隙率。图2b显示，PEA涂层制动盘的横截面显示出密集的陶瓷微观结构，其中穿插着孔隙。涂层厚度范围为18至25微米。对图中标记区域的EDX分析显示
结论
本研究首先在室内干燥条件下进行了摩擦测试和电化学腐蚀测试。随后在室外环境中引入了腐蚀测试，以研究实际冬季腐蚀对制动磨损和颗粒排放的影响。主要结果如下：
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电化学测试证实PEA涂层具有优异的耐腐蚀性。
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未涂层制动盘在24小时的腐蚀后形成了厚度达10微米的可见锈层
作者贡献声明
Ran Cai：撰写初稿、可视化处理、方法设计、数据分析、数据整理。Xueyuan Nie：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。Yezhe Lyu：撰写、审稿与编辑、软件使用、资源调配、方法设计、概念构思。Jens Wahlstr?m：撰写、审稿与编辑、软件使用、资源调配、方法设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。
