汽车制动盘行业发展动态

栏目:新闻 来源:中国金融观察网 时间:2019-11-07

(一)行业发展概况

我国制动盘行业自20世纪90年代初期开始以国内生产为主,受气候因素影响,国内制动盘生产基地主要分布在山东、河北、山西等地区(见图12)。

12 主要省份制动盘产量 

目前,国内生产制动盘上规模的企业主要有胜地、海盟、三力、隆基、鲁达等企业,2016年制动盘产量超过700万片(见图13)。

13 2016年制动盘主要生产厂家产量

我国制动盘生产主要以出口为主,国内主机厂配套量占比较低。自2010年开始,我国制动盘出口量不断增长。截至2016年,我国制动盘出口量增至17540万片,占制动盘总产量份额高达73%;而主机厂配套量仅为6400万片,占制动盘总产量份额仅为27%(见图14、图15)。

14 近几年我国制动盘出口量 

15 2016年我国生产厂商出口量、主机配套量分布

(二)技术进展

1.技术发展现状及趋势

盘式制动器中的核心部件之一——制动盘,其所采用的材料有灰铸铁材料、碳纤维材料、陶瓷材料等。

1)普通灰铸铁制动盘

灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁,因断裂时断口呈暗灰色,故称为灰铸铁。主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷,是应用最广的铸铁,其产量占铸铁总产量的80%以上。灰铸铁制动盘是目前车辆上使用最广泛的制动盘。选用灰铸铁制动盘的主要原因:一是灰铸铁是最经济的材料之一,从原材料到生产制造工艺都体现出其成本优势;二是生产制造较容易、生产环节少、便于质量控制、成品率高、易于实现机械化生产;三是本身的性能特征与制动盘的使用性能要求相近,通过合金化等手段可以使材料性能有较大的改善,从而满足制动盘的一些特殊性能要求,但是它也具有质量大和热稳定性较差等缺点。

目前灰铸铁制动盘以普通灰铸铁材料为主,如中国多采用HT250、美国多采用G3000(相当于中国的HT200)、德国多采用GG20(相当于中国的HT200)等。

灰铸铁制动盘的生产主要分为铸造生产和机械加工两大部分。

①铸造。

单就制动盘的铸造生产来讲,在20世纪90年代初期主要采用冲天炉熔炼铁水加摆地摊式手工造型,只能通过三角试片来粗略地判断铁水质量,而且对操作者的要求很高,铁水质量主要凭经验来保证。在90年代末开始使用炉前快速分析仪对C和Si进行监测,铁水质量得到了提高。然而采用人工造型人工浇注形式,其材料品质不稳定,生产效率也很低。到了2000年初,一些规模较大的制动盘生产企业开始引进半自动造型生产线(造型单机加冷却线的形式),以冲天炉和电炉实现双联熔炼铁水并开始引进光谱仪进行铁水质量的实时控制,产品品质和生产效率得到较大提高,工人劳动强度得到降低。随后的10年是制动盘行业飞速发展的阶段,劳动力短缺也越来越明显,大部分企业开始引进全自动造型浇注生产线,其中以日本新东静压水平造型线为最广,另外也有使用日本光洋线及东久线,少量使用垂直造型的迪砂线,但其使用并不成熟也未完全成功。造型线的使用带动了砂处理设备的使用,实现造型砂的重复利用,减少了废砂对环境的污染。熔炼设备大量采用电炉并使用了自动加配料系统,减少了劳动力的投入。清理设备由滚筒、吊钩式抛丸清理设备向摇床、连续履带式自动清理设备转变,清理工作也由单件生产向自动化转变。

②切削加工。

制动盘是一个形状较为规则的盘类零件,由于壁厚较薄,所以加工起来较为复杂,并且有的加工对形状位置精度要求较高,因此一般先通过铸造的形式铸造出规定形状的毛坯,再对毛坯进行相应的加工,得到所需的部件。

灰铸铁制动盘的机械加工目前较为主流的是组线式生产,以全机能数控车床、数控加工中心、制动盘专用数控车磨床及动平衡机等设备组成一字型加工生产线,这种组线式生产能够达到易于控制产品加工品质及使车间美观和便于客人参观等效果。

制动盘是制动系统中的一个重要零件,好的制动盘制动稳定,没有噪音,不抖动。所以对加工要求较高,具体如下。

第一,制动盘属于铸造产品,表面要求不能存在砂眼、气孔等铸造缺陷,保证制动盘的强度和刚度,防止在外力的作用下发生意外。

第二,盘刹刹车时利用的是两个刹车面,所以刹车面精度要求较高,另外还要保证一定的形状位置精度。

第三,制动盘的径向尺寸较大,轴向相对较小,属于薄壁盘类零件,部分工序在车床卡盘的夹紧力下会发生夹紧变,需要考虑专用夹具。

第四,由于汽车在刹车时会产生很高的温度(300~500℃),制动盘中间设计有风道,便于散热。

第五,制动盘中间的孔,是装配的主要基准。因此加工孔的工序就显得尤为重要,要在夹具设计中充分考虑,保证达到此孔的精度及对粗糙度的要求。

③涂装。

随着整车车型技术的不断提高,无论是世界市场还是国内市场对零部件产品的安全性、环保性和技能性等方面要求都不断提高,顾客对产品的需求趋向个性化(磷化、镀锌、电镀、电泳、局部喷漆)、多样化。达克罗技术于20世纪60年代开始进入了工业领域,应用新型的环保金属防腐涂层,具备环保和高抗腐性能,且涂料绿色、施工环保卫生和涂层使用无害化,其已形成标准化和系列化。目前已逐步成为镀锌、磷化等有严重污染的传统表面处理技术的部分替代工艺。

随着汽车行业的迅速发展,其配套的表面处理技术也在不断更新,达克罗涂层也好,无铬涂层也好,都是刚刚起步的新型产业,完善现有的达克罗涂液及涂覆设备技术,让锌基涂层防腐技术在汽车制动盘上得到更广泛的应用,是现在达克罗涂覆企业要做的。

2)高碳合金材料制动盘

随着对汽车制动性能的要求不断提高,传统的灰铸铁材料已经越来越难以满足其需求,高碳盘灰铸铁材料因其良好的减振性、耐磨性和抗热裂性而在国外的高端市场被广泛应用,目前国内外中高档轿车制动盘,其制动盘的碳当量在4.4%~4.5%,随着碳当量提高,特别是C提高到3.6%~3.8%甚至更高的范围,机械性能将急剧下降,在普通灰铸铁材料中加入少量合金元素如Cu、Cr、Mo、Ni等可以有效改善制动盘的性能和提高其质量稳定性。然而,仅依靠添加合金不会取到预期的效果,反而会因为合金的不合理加入降低铁水流动性,增加铁水收缩倾向;同时采取的灰铁孕育工艺,在CE>4.0%时,难以提高强度,反而会引起裂纹、缩孔等铸造缺陷。所以,在国内高碳盘材料没有被广泛生产,只有少数生产厂家能够掌握其生产工艺,如江苏的恒力、莱州三力等。在2012年前国内高碳盘材料没有被广泛生产,而目前随着欧洲高端客户到中国采购制动盘规模的扩大,高碳盘材料产品产量日益增加,生产技术也开始成熟,成本得到有效降低。目前,低合金铸铁制动盘广泛用于国内OEM市场,在普通灰铸铁材料中加入少量的合金元素如Cu、Cr、Mo、Ni等可以有效改善制动盘的性能和提高其质量稳定性,在国产品牌汽车中已开始关注并尝试使用高碳材料制动盘产品。

同样的化学成分,熔炼工艺不同、配料不同,铁液的冶金质量完全不同。国外较先进的工厂生产灰铸制动盘使用合金的不多,但材料的强度都很高,切削加工性能也很好;而我国,虽然加入了大量合金,材料的性能却达不到他们的水平,其根本的原因在于熔炼技术和工艺的落后。

增碳剂的选用是全废钢熔炼的关键。采用全废钢熔炼工艺,必须解决增碳技术,增碳剂就成为增碳工艺中最重要的环节。增碳剂质量的好坏决定了铁液技术的好坏。增碳工艺能否获得良好的石墨化效果,减少铁液收缩倾向,提高材料性能也主要取决于增碳剂的品质高低。一定要采用经过高温石墨化处理的增碳剂,只有经过高温石墨化处理,C原子才能从原来的无序排列状态过渡到片状石墨的有序排列状态,这样的片状石墨才能成为石墨型核的最好核心,从而促进石墨化过程。要实现高碳低合金高强度灰铁制动盘、毂生产,需要从熔炼技术、合理设计合金比例、选用适当的孕育处理方法三个方面进行努力。

3)碳纤维材料制动盘

碳纤维材料制动盘是辉门公司推出的一款制动盘,与普通材料的制动盘相比,这种碳纤维材料的制动盘性能更加稳定,还比较轻便,由于生产成本较高,目前主要用于航空飞机、竞赛用汽车上,例如F1赛车。碳纤维制动盘能够承受2500℃的高温,而且具有非常优秀的制动稳定性和卓越的减速性能。

碳纤维制动盘是采用碳纤维为增强材料制成的一类摩擦材料,其充分利用碳纤维在物理性能上具有的强度大、密度低、耐高温、导热快、模量高、耐摩擦、节能环保等特点;特别是碳纤维织物复合摩擦材料,其动摩擦系数比静摩擦系数大得多。而且当碳纤维织物用作汽车制动系统摩擦材料时,碳纤维摩擦材料在使用过程中不会抱死、无热衰退、使用寿命长等优点,使其成为各类型摩擦材料中性能最好的一种。在碳纤维摩擦材料组分中,除了碳纤维外,还使用石墨碳,即碳的化合物。组分中的有机黏结剂也要经过碳化处理,故碳纤维摩擦材料也称为碳摩擦材料或碳基摩擦材料。碳纤维制动盘起初仅用于F1赛车上,它能够在50m的距离内将赛车的速度从300km/h降低到50km/h,此时制动盘的温度会升高到1000℃以上,制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500℃的高温,而且高温环境中具有非常优秀的制动稳定性。

4)陶瓷材料制动盘

陶瓷制动盘与铸铁制动盘相比也具有明显的优势。但是,目前陶瓷制动盘的价格仍然很高,因为制造所需的时间很长,目前多用于军工航天领域,在民间只有极少数车型采用了陶瓷制动盘,如德国大众的A8轿车。

通过以上描述我们可以发现:在未来很长一段时间内,灰铸铁材料制动盘仍将占主导地位,而非铸铁制动盘只能在小范围内被应用。而灰铸铁制动盘将慢慢以高碳材料制动盘为主流发展。

2.技术专题研究

1)制动盘产品技术专题

灰铸铁制动盘的生产主要分为铸造生产和机械加工两大部分。中国制动盘的铸造生产在20世纪90年代初期主要采用冲天炉熔炼铁水,仅使用炉前快速分析仪对C和Si进行控制,铁水质量主要凭经验来保证,然后采用人工造型人工浇注完成,其材料品质不稳定,生产效率也很低。到了2000年初,一些规模较大的制动盘生产企业开始引进半自动造型生产线,以冲天炉和电炉实现双联熔炼铁水并开始引进光谱仪进行实时的控制铁水质量,产品品质和生产效率得到较大提高。随后的十几年是制动盘行业飞速发展的阶段,大部分企业开始引进全自动造型浇注生产线,其中以日本新东静压水平造型线为最广,另外也有使用日本光洋线及东九线,少量使用垂直造型的迪砂线,但其使用并不成熟也未完全成功。而近两年由于环保的因素,冲天炉已很少在制动盘行业采用,取而代之的是纯电炉熔炼铁水,铁水质量稳定性得到有效控制。

灰铸铁制动盘的机械加工目前较为主流的是组线式生产,以全机能数控车床、数控加工中心、制动盘专用数控车磨床及动平衡机等设备组成一字型加工生产线,这种组线式生产虽然能达到易于控制产品加工品质及使车间美观和便于客人参观等效果,但由于现在大多工厂都是订单驱动式生产,多品种小批量的产品生产特点及产品各工序节拍的不匹配带来了设备利用率及生产效率低的问题,这些问题有待于生产企业进一步优化改进。近两年,随着国家对智能制造的大力推广,制动盘全自动加工生产线已开始被生产厂家引进和使用,国内此类生产线已有约100条被使用。

2)制动盘生产装备专题

制动盘生产装备经历了由普通加工设备为主到数控设备为主、由通用设备到专业设备的一个过程,随着社会的发展,目前已经由单机设备为主向自动化设备为主的阶段发展。铸造生产也由传统的冲天炉熔炼发展到了电炉熔炼,手工砂箱造型发展到了自动造型、自动浇注、自动清砂。

第一阶段:普通车床应用阶段。

第一阶段主要使用普通车床及液压半自动车床,其特点是效率低、产品稳定性差。

第二阶段:数控卧车应用阶段。

随着数控卧车技术的应用,部分先知先觉的企业认识到使用数控机床所带来的效率提高、产品质量提高的好处,开始使用液压半自动粗车及数控卧车精车的加工工艺。其中的烟台胜地为重要代表,胜地公司在1996年初创时即全部采用数控设备加工,并在十年左右的时间内成为制动盘行业的领跑者之一,同时山东隆基等企业也进行了大规模的技术改造,每月产量达到1000个柜以上。但使用数控卧车也有弊端,比如工人劳动强度较大、用工较多,随着近年来出现的大盘逐渐增多和用工成本直线上涨,大量年轻人不愿意从事又脏又累的机加工工作,以上两个弊端也越来越在企业中凸显出来。

第三阶段:数控立车应用阶段。

数控立车对于尺寸较大、重量较重的工件有着减少工人劳动强度、提高工件定位精度的优点,行业中一些领先企业如胜地、隆基、海盟等开始较大范围的应用,但其并未解决劳动力成本增加的问题。同时原始投资成本却有了较大提高,企业效益并没有明显提升,因此近年虽有些应用但并未普及,这一阶段只是一个过渡性阶段。

第四阶段:自动线阶段。

进入21世纪,国内经济飞速发展,工人工资直线上升,同时出于就业机会较多,年轻人不愿意从事繁重的体力劳动等原因,大量制动盘生产企业面临着一方面工资总额大幅度提升,另一方面却因为招工难、人员流动性大而带来了废品率提升、员工培训费用增大、机床损坏增多等诸多问题。

发达国家也遇到了同样问题。由于劳动力成本极高,早在20世纪八九十年代即开始了少人甚至无人的自动化生产,国内某些大型国企也曾尝试引进生产线,如长春一汽曾花1600多万元引进一条德国生产线,但出于各种原因始终没有形成生产能力。国外自动线造价高、投入产出比差、适应性差等问题使这一类设备在国内的应用很少。

3)环保、能耗专题

近些年,由于受能源、环境因素和劳动力价格的影响,西方发达工业国家的铸铁件产量减少,逐渐转向发展中国家采购一般铸件。当前,经济全球化进程的加速为我国铸造行业的发展提供了机遇,也带动了汽车制动盘行业的快速发展,然而,包括制动盘在内很多企业并没有摆脱“傻大黑粗”的传统印象,仍处于高能耗、高污染、低质量、低效率的状态。

在国内,随着汽车保有量的不断增长,我国所面临的能源与环境压力将越来越大。为此,国家相关部委制定出台了“到2020年乘用车综合油耗标准要达到5升/100公里”等一系列新规定。汽车生产企业要降低油耗,除了采用新能源技术,车身轻量化也是一项十分重要的措施,而车身轻量化势必要求每个零部件尽可能轻量化。瞄准这一发展趋势,我国南北两家企业通过自主研发,开发出了“铝合金复合材料制动盘创新技术”与“用于铝合金摩擦盘的制动器衬片”。据介绍,这种新型制动盘重量减轻了40%以上,配合使用特制的制动摩擦片后,摩擦系数稳定,制动性能良好,制动距离缩短,制动舒适感提高,制动盘温升大幅降低。在辽宁省凌源市举行的“2014年中国汽车零部件轻量化论坛”上中国汽车工业协会制动器分会、车桥分会、客车委员会、摩擦材料协会等专业会员单位以及东北大学、吉林大学、上海泛亚技术中心等科研院所的技术专家参观了相关生产线,并对安装了新型制动器的车辆进行了驾乘体验,认为这项由我国汽车零部件企业自主研发的技术和产品具有广阔的应用前景。

为节约能耗,汽车轻量化是一个发展大趋势,目前市场上制动盘在工作摩擦面材料上仍以灰铸铁材料为主,而为配合轻量化的要求,市场上开始出现复合型制动盘,即工作摩擦面仍采用灰铸铁而其他部位换成强度更高、重量更轻的铝合金材料,目前这种制动盘在高端品牌中被广泛应有。

4)标准化专题

2012年10月,国家标准化管理委员会立项批准起草汽车用制动盘标准,由国家机动车配件产品质量监督检验中心牵头,莱州三力汽车配件有限公司、烟台美丰机械有限公司等主导成立起草小组,实施标准的研制工作。本标准2016年6月已提交国家标准化管理委员会审批。

①标准编制的原则。

积极采用国际标准和国外先进标准中制动盘的技术和安全使用要求,确保国标的先进性和完整性,同时要具有可操作性和经济性,有利于促进技术进步,提高产品质量,保护消费者利益,规范生产和安全使用等。标准的编排格式按照GB/T1.1-2009要求编制。

②主要内容。

标准起草主要参考以下标准:a.E/ECE/324/Add.89/Regulation No.90,2012年2月17日(Uniform Provisions Concerning the Approval of Replacement Brake Lining Assemblies,Drum Brake Linings and Discs and Drums for Power-driven Vehicles and Their Trailers《关于机动车辆及其挂车制动组件、鼓制动组件、制动盘和鼓替换件的统一规定》);b.SAE J431-2000-12 Automotive Gray Iron Castings SURFACE VEHICLE STANDARD;c.ISO 185;Grey Cast Irons — Classification,2005年8月15日;d.GB/T 9439 -2010 灰铸铁件;e.国内外知名汽车主机厂、零部件公司的制动盘技术标准,参考其材质、形位公差、平衡、台架试验及检测方法。

③关于标准的适用范围。

该标准仅适用于汽车用制动盘,其他制动盘可参照本标准执行。该标准主要讨论的是灰铸铁制动盘,随着技术的发展,制动盘材料种类很多,目前市场上主流材料是灰铸铁,而且从发展趋势看,将来主流材料也是灰铸铁。灰铸铁优点:有良好的加工性和铸造性能;良好的导热性和阻尼性(吸振、吸音);热疲劳性能;耐磨性;比热容性能,随着温度的升高而增大;良好的经济性。本标准关注制动盘的安全性、舒适性、使用性能及经济性。

④关于制动盘的分类。

国标有机动车辆分类标准《GB/T 15089-2001机动车辆及挂车分类》《GB/T 3730.1-2001汽车及挂车类型的术语和定义》,欧洲R90也按照这个标准分类,为保证标准中各项参数指标的延续性和一致性,按使用车型分类。

⑤关于制动盘的外观。

铸造面粗糙度要求不大于Ra100,用砂型机械造型,铸造面粗糙度一般在Ra50~Ra100,外观、使用以及经济性都是比较合理的。产品表面不应有飞边、毛刺:安装安全性考虑;制动面不允许有锈蚀,会引起制动问题;铸件应无裂纹、冷隔、弯曲变形,制动盘是一个安全件,裂纹和冷隔会导致断裂,冷隔、变形会影响制动性能,筋条冷隔严重,会造成刹车拖滞力导致异常磨损,弯曲变形影响制动性能;不允许修补,制动盘是安全件,修补会掩盖缺陷,存在安全隐患。

⑥关于制动盘的材质。

分为5个牌号标准,HT150HC、HT200、HT200HC、HT250等,基本覆盖了目前市场上制动盘的材质需求。编号参考了国标GB/T 5612-2008灰铁牌号的编号原则和GB/T 9439及ISO 185的灰铸铁材料等级;参考国内外制动盘的材质标准要求,牌号基本处于HT150-250之间;制动盘性能要求及国内外高碳盘的应用越来越多,尤其是高端车型的制动盘,广泛使用高碳材质,增加了HT200HC高碳材质;参考欧洲R90的材质分类,R90、SAE J431Automotive Gray Iron Castings/德国DIN1561/ISO185性能、硬度等级及与本体取样与壁厚之间的对应关系,确定制动的材质、性能等级。化学成分、金相要求结合多年的实践经验以及市场的反馈,成分、金相影响制动盘的安全性能和使用性能。

⑦机械性能的规定。

楔压强度/抗拉强度、楔压强度与拉力有线性关系,制动盘属于薄壁件(抗拉强度试棒本体不易获取,检验的准确性受影响,一个试棒只能拉断一次;楔压强度样本在制动盘本体易获取,同一试棒可以连续切断多次,检测结果较可靠)。该类检验方式与对材料的抗拉强度直接检测方式相比具有快速、成本低廉的特征。GB/T 9439、VDG P340有定义,楔压检验是针对易碎、难以成形的材料,如灰口铸铁的检验方式。

硬度:影响摩擦性能和制动舒适性,参考国标GB/T 9439,ISO185、SAE J431以及国外制动盘标准,及多年的制动盘经验数据。

拉力性能指标参照GB/T 9439-2010灰铸铁件标准,拉力与壁厚有关,99.65%制动盘型号的壁厚为≤20mm的本体壁厚强度作为最低拉力要求。

楔压强度根据客户标准确定,结合本体拉力性能的数值确定的标准,硬度参照GB/T 9439/ISO185及客户的要求,结合我们的实际检验的数据情况确定;成分、金相主要参照BMW、GM、TRW及工厂检验数据的积累。

⑧关于制动盘的尺寸要求。

主要项目和参数的确定,从安装、加工基准和使用特性的角度,公差及形位公差参考R90及国内外客户的图纸要求确定的特性参数。

⑨剩余不平衡量。

影响抖动,参考GB/T9239.1-2006恒态刚性转子平衡品质要求 第1部分 规范与平衡允差的检验制动盘选用G40等级。参考GCT标准,按大外圆直径和盘的结构划分,不平衡去重方法;准确,国际制动盘技术标准的通用的做法。

⑩关于制动盘的使用极限。

制动盘要标识极限厚度,磨损到该厚度时,必须强制性更换,这是影响制动安全的指标。

⑾关于台架测试。

台架测试要求及判定:制动盘的热疲劳和强度,影响到制动盘的使用安全性,制动盘是安全件,裂纹、断裂是不允许的,制动盘的热疲劳测试、强度制动测试应符合要求。测试标准等效采用ECE R90,参考美国SAE2928标准。

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