Review study for engineering application of aluminium alloys to heat resistant component : the case of lightweight brake discs

Abstract Disc brakes are exposed to large thermal stresses during routine braking and extraordinary thermal stresses during hard braking. High-g decelerations typical of passenger vehicles are known to generate temperatures as high as 300○C in a fraction of a second. These large temperature excursions have two possible outcomes„ thermal shock that generates surface cracks, and or large amounts of plastic deformation in the brake rotor. In the absence of thermal shock, a relatively small number of high-g braking cycles are found to generate macroscopic cracks running through the rotor. Thermal cracking is commonly observed in disc brake rotors following high-g braking events. The cracks fall into two broad categories„ a series of heat cracks that partially penetrate the surface of the discs and thru-cracks that completely pass through the disc wall. Though it is well known that thermal cracks do arise from hard braking, there is no formal treatment of the problem of thru cracks. Disc brakes are fabricated from grey cast iron. Grey cast iron is chosen for its relatively high thermal conductivity, high thermal diffusivity and low cost. The brake rotor consists of a hat, or hub, which is connected to the wheel and axle, and an inboard and outboard braking surface. The outboard braking surface is attached directly to the hat, while the inboard braking surface is attached to the outboard unit by a series of cooling vanes. A small groove is machined around the periphery of the hat-rotor attachment site to relieve the stress concentration associated with the change in section. To overcome the problem of thermal cracks in discs Grey cast Iron can be replaced with the Al-Si alloys strengthened with Cobalt (Co), Nickel (Ni) and Strontium (Sr), This report reviews thermal analysis of disc brakes and various experiments done by various researchers regarding increasing of mechanical properties of Al-Si alloys at high temperatures which can be used in place of grey cast iron.

Astratto I freni a disco sono esposti a forti sollecitazioni termiche durante le frenate di routine e a sollecitazioni termiche straordinarie durante le frenate brusche. È noto che le decelerazioni ad alto g tipiche delle autovetture generano temperature fino a 300 ° C in una frazione di secondo. Queste grandi escursioni di temperatura hanno due possibili esiti: “shock termico che genera crepe superficiali e / o grandi quantità di deformazione plastica nel rotore del freno. In assenza di shock termico, si è riscontrato che un numero relativamente piccolo di cicli di frenatura ad alta gravità genera crepe macroscopiche che attraversano il rotore. Il cracking termico è comunemente osservato nei rotori dei freni a disco a seguito di eventi di frenata ad alta gravità. Le crepe si dividono in due grandi categorie “una serie di fessure da calore che penetrano parzialmente nella superficie dei dischi e fessure passanti che attraversano completamente la parete del disco. Sebbene sia ben noto che le crepe termiche derivano da una frenata brusca, non esiste un trattamento formale del problema delle crepe passanti. I freni a disco sono fabbricati in ghisa grigia. La ghisa grigia viene scelta per la sua conducibilità termica relativamente elevata, per l'elevata diffusività termica e per il basso costo. Il rotore del freno è costituito da un cappello, o mozzo, collegato alla ruota e all'asse, e una superficie frenante interna ed esterna. La superficie frenante del fuoribordo è fissata direttamente al cappello, mentre la superficie frenante interna è fissata all'unità fuoribordo da una serie di alette di raffreddamento. Una piccola scanalatura viene lavorata attorno alla periferia del sito di attacco del rotore del cappello per alleviare la concentrazione di sollecitazioni associata al cambio di sezione. Per ovviare al problema delle crepe termiche nei dischi la ghisa grigia può essere sostituita con le leghe Al-Si rinforzate con Cobalto (Co), Nichel (Ni) e Stronzio (Sr), Questo rapporto esamina l'analisi termica dei freni a disco e vari esperimenti effettuati da vari ricercatori sull'aumento delle proprietà meccaniche delle leghe Al-Si ad alte temperature che possono essere utilizzate al posto della ghisa grigia.