少金属或无金属摩擦材料研究

少金属(无金属)无石棉摩擦材料的研究

2006-11-21 15:25:24 (已经被浏览870次)

少金属(无金属)无石棉摩擦材料的研究

焦成安 李志强 陈和发

(武汉市祥龙摩擦材料设备模具有限公司,武汉430034)

摘要：本文介绍了少金属（无金属）无石棉摩擦材料的配方、生产工艺、研究过程，产品性能国内及

国外检测结果，并进行简要的分析，目的在于促进我国少金属（无金属）无石棉摩擦材料的生产加速产品更新换代。

关键词：少金属无石棉摩擦材料研究

Abstract：The articl introduces and analyzes the recipe,production process,product performan

ce,and testing results of low-metallic(non-metallic)non-asbestos frivtion materials,in order to promote the development of such a type of product and drive the innovation.

Keywords：Low metallic Non-asbestos Friction material Research

1、 概述

汽车工业的发展，为汽车摩擦材料提供了巨大的发展空间。目前国内摩擦材料企业面临着两方面的挑

战，其一是国家环保部门要求，从2003年开始，为大型汽车制造厂配套的摩擦材料生产企业，必须提供无石棉系列产品；其二是欧美发达国家在摩擦材料生产企业集团，先后进入中国，建立独资、合资企业，生产技术含量高的高端产品，占领大部分配套市场。加入WTO为我国产品进入国际市场创造了条件，但是，进入国际市场的产品，必须是符合环保要求的。总之，我国摩擦材料行业必须借鉴外资企业先进的技术、装备及管理模式，尽快开发出符合国情和环保要求的无石棉摩擦材料，在汽车工业的发展中，求得自己的生存和更大的发展，并为同发达国家一起参与国际市场的竞争创造条件。汽车购买使用者对于汽车的要求，主要是安全性、耐久性、舒适性、价格基本合理。摩擦材料是汽车站保证安全的关键性零部件，对于摩擦材料生产企业来说，必须按照国家标准规定的稳定摩擦系数、耐高温、无衰退、恢复性能好、低磨耗、无裂纹、无噪音（低噪音）、制动平稳，不伤及对偶摩擦副、耐腐蚀的可靠产品。

为使我国摩擦材料行业更多生产企业参与国际市场竞争，努力打造全新型的摩擦材料生产企业（集

团），武汉市祥龙摩擦材料设备模具有限公司组织了一批摩擦材料行业的工艺配方研究人员、测试技术人员以及相关企业的技术人员，对无石棉摩擦材料，从工艺配方的研究、产品生产工艺设备、测试设备及手段、测试结果分析到产品装车路试及使用前景评估，作了相当长时间前瞻性的开发研究，研究工作产足于我国国情，利用国有资源包括材料、道路、技术手段、技术设备、制造能力、人力资源以及已拥有的国外技术资料等，取得了一定的进展。粗浅的研究，目的是抛砖引玉，以便于改进我们的研究工作，为我国汽车工业的发展，尽绵薄之力。

2、 配方

2．1基础研究

根据相关资料介绍，少金属（无金属）无石棉摩擦材料按下列方法分类： 1半金属摩擦材料：金属含量大于40%以上，其中铁纤维为15%以上； 2低金属摩擦材料：金属含量小于40%，其中铁纤维小于是15%； 3无石棉有机摩擦材料（NAO）：金属含量小于10%，且不含铁纤维； 4石棉摩擦材料：含石棉40%以上。 我们研究设计的配方介于2、3类之间。

根据已拥有的大量国外同行的技术资料，认真分析了国外许多优势企业的少金属（无金属）无石棉摩

擦材料的配方特点，以及国内合资企业、大型主机配套企业提供的配方特点，结合我国原材料资源情况，以及专家们推荐的相关资料，确空了几种主要的替代材料，如钢纤维、海泡石纤维、FKF纤维、芳纶（Ke

vlar）纤维、玻璃纤维、水镁石、硅灰石纤维、蛭石、人造石墨粒、焦炭粉、锆英石粉等相关原材料。 2．2配方设计

根据研究目标及材料资源设计A、B、C三大类型，A类为半金属摩擦材料，B类为少金属无石棉摩擦

材料，C类为无石棉摩擦材料，各类摩擦材料选择不同的材料组合设计四组配方，每组配方制作试样三种。

1试样组城如下：

2试验研究，将各种试样首先采用定速摩擦材料试验机进行小样筛选试验,然后进行正式分析研究,优选出具有最佳性能,且重复性好，稳定可靠的配方，然后采用Chase试验机进行检测，Krauss试验机验证试验、实际跑车环境适应性验证。

2．2．1A类配方各材料组成成份（如表1）。

材料 配比 重量百分比（%） 钢纤维、芳纶纤维等 填充料 粘接剂 摩擦性能调节剂 18~28 30~40 7~20 25~35 2．2．2．B类配方各材料组成成份（如表2）。

材料 配比 重量百分比（%） 钢纤维、芳纶纤维等 填充料 粘接剂 20~30 30~40 7~20 摩擦性能调节剂 2．2．3C类配方各材料组成成份（如表3）

材料 配比 25~35 重量百分比（%） FKF纤维、水镁石 填充料 粘接剂 摩擦性能调节剂 35~45 25~35 15~25 20~30 2．3有机粘接剂

配方中我们采用腰果油改性树脂和丁腈橡胶粉，作为粘结剂。

2．4纤维材料

无石棉摩擦材料配方重点是筛选增强纤维材料，替代石棉纤维。经过多种配方对比研究测试，选定的

A类配方纤维材料以芳纶纤维、钢纤维为主，辅以其他增强材料；B类配方以钢纤维、海泡石纤维为主，辅以其他纤维增强材料；C类配方（鼓式片），以FKF纤维、水镁石、纲纤维为主，辅以其他增强材料，用于鼓式制动蹄片摩擦材料。试验证明这些材料的增强性能达到设计要求。 2．5摩擦性能调节剂、填料

不同摩擦性能调节剂，不同用量的有机、无机填料，对摩擦材料的制动效率、磨损率的大小，恢复性

能的高低、热衰退性能、制动噪间、摩擦系数的稳定性都有影响。增摩材料选用了铁黑铬铁矿粉、氧化铝等；减摩材料选用了人造石墨、金属粉等。 3、 生产工艺

3．1结合我国原材料资源，技术装备资源，现有技术人员素质及其他可利用资源，从小样的试验到装车路试样品的制造，采用的是干法生产工艺，并且是按照批量生产的方案进行的，目的在于考核配方、生产工艺设备能否保证配套产品的质量、供货能力等。取消了树脂与橡胶的辊炼工序，采限从供应商购进高细度（200目以上）树脂粉直接投料，分步混合的混绒方式，制备冷型塑压料。分步的方式是将亲和力差的纤维材料及相关的材料，先投入混合机内，混合适当的时间，根据物料其余物料全部投入，再混料10分钟，然后将其余物混合均匀，达到生产工艺要求。

3．2三种系列的产品生产工艺条件基本相同，在155℃~170℃温度下，20MPa压力下成型，压制时间根据品种而定，后处理在烘箱中，自然升温至130℃然后分段升温恒温，升温至170℃以上时恒温保数小时，然后自然冷却至室温。 3．3生产过程的控制

生产过程的控制，重点控制犁耙式混料机混料的质量，预成型压制片重理均恒，热压半成品的厚薄差，

热处理的升温速度、恒间时间，半成品磨削，烧蚀表面处理等。鼓式片与盘式片的生产过程控制区别在于内外弧的磨削加工，钻孔的精度控制等。对于盘式片及鼓式片粘接片的粘结问题主要是对粘接各工序的控制。这些工序的控制，既要有理论知识的指导，又要靠操作者的技能及实践经验，还要采用可靠的设备作保证。

4、 样品的测试

根据国家标准GB5763-98试验要求，对产品进行测试。

4．1摩擦性能测试

4．1．1定速测试数据见表4，表5，表6。

表4 A类（盘式片）配方测试数据：

温度（℃） μ v 100 0.46 0.11 150 0.52 0.13 200 0.54 0.29 250 0.49 0.58 300 0.40 0.62 350 0.41 0.65 降温（μ） 0.48 0.52 0.53 0.51 0.42 -- 表5 B类（盘式片）配方测试数据：

温度（℃） μ v 降温（μ） 100 0.36 0.13 0.35 150 0.43 0.19 0.42 200 0.48 0.31 0.49 250 0.47 0.27 0.49 300 0.44 0.42 0.43 350 0.40 0.34 -- 表6 C类（鼓式片）配方测试数据：

温度（℃） μ v 降温（μ） 4．2摩擦性能分析

4．2．1类配方系列：钢纤维含量为15%以上，芳纶纤维适量，蛭石适量，采用腰果油改性树脂，该配方用于盘式片。

定速试验机测试数据见表4。

100 0.33 0.4 0.37 150 0.37 0.18 0.42 200 0.48 0.32 0.46 250 0.50 0.57 0.48 300 0.42 0.60 -- 350 -- -- -- 试验表明：该配方摩擦性能相当稳定，摩擦系数较高，达到了GG级，该产品制动平顺，无噪音，高

温时磨耗稍大，恢复性能较好。增强纤维用量较大，并加入适量的芳纶纤维，摩擦材料的摩擦性能明显提高，由于芳纶的价格较贵，芳纶用量控制在1~3%，钢纤维用量控制15~18%，摩擦系数最稳定，热恢复良好，磨耗较小，蛭石用量有8~12%时，摩擦性能较佳，这说明几种增强材料，按适量的比例加入时，生产的产品摩擦性能比较理想，适用于生产盘式片，因为原材料中加入了芳纶，成本高于B系列产品，其他一些原材料也稍优于B系列的原材料。

A类配方的原材料，除芳纶纤维需进口，价格比较贵以外，其他原材料，全部立足于本国原材料资源，

价格低廉，是生产盘式片首选的配方系列。但由于钢纤维含量稍高，密度较大，有待进一步深入研究，降低钢纤维含量。

由于课题研究的重点在于石棉的替代材料，重点筛选的是纤维增强材料，当然调整增强材料配方时，

摩擦性能调节剂，粘接剂，填充材料也必须根据配方原材的物理、化学性能进适当的调整。

4．2．2B类配方系列：B类配方系列钢纤维含量在10~14%，适量的芳纶纤维及其他纤维，适量蛭石，它也适用于盘式片。

定速试验机测试数据见表5。

从B类系列配方的摩擦性能来看，性能比较稳定，制动比较平顺，无噪音，高温时磨耗也不大。实验

表明，随钢纤维用量的增加，摩擦系数略有上升，用量在10%左右时性能较佳。海泡石纤维用量增加，摩擦性能略有变化，当海泡石用量处于10~15%时，刹车片的性能处于较好状态，蛭石对刹车片的性能影响也不太显著，蛭石片平行于摩擦方向排列且均匀分布于基体中，蛭石的用量多少与纤维材料（钢纤维、海泡石等）以及填充料，摩擦性能调节剂的配比有关，选定一个适宜的配比范围，才能真正提高摩擦材料的强度和摩擦性能，B类系列摩擦材料中蛭石的用量选定为8~12%时效果较好。

当然，在大批量生产过程式中，必须严格控制原材料进货渠道，并对材料质量事严格控制，按照配方

比例准确投料，严格执行工艺文件，才有可能保证大批量产品的质量、性能等技术指标的稳定性。 4．2．3C类配方系列用于鼓式片。金属含量在10%以下，加入的增强材料主要有FKF混合棉、水镁石纤维等，树脂含量为10~15%，增强纤维总量大约为35~45%，摩擦性能调节剂、填充材料等全部原材料立足于国产原材料，价格低廉。选定配方的摩擦产品测试数据见表6。

试验表明，C类系列配方低温时摩擦系数偏低，当温度上升时，摩擦系数明显上升，并且非常稳定。

当温度达到一定值时，刹车片内部化学成份、结构进一步行到调整、完善，使制动性能达到最佳状态。主

要是该配方中金属用量很少，因而导热性能差，在热压及后处理过程中，温度未达到最佳状态。当温度升高到相应值时，刹车片的表面磨粒与摩擦付摩擦表面发生镶嵌现象，摩擦阻力加大，摩擦系数自然增大。

C类配方产品摩擦系数比较稳定，制动平顺，无噪音，高温磨耗稍为偏大。该配方系列，生产工艺与

石棉质产品基本相同，仅仅是混料时，有些亲和力差的部分原料共混适当的时间，这个时间的长短，根据混料量的多少来确定；混料机改由犁耙式混料机。

C类配方加入了适量的蛭石，这主要是根据载重车的动力特性，道路路况比较复杂，使用条件恶劣等

因素，刹车片体积较大，为改善刹车片的密度，增加强度而设计的，蛭石含量一般在5~12%之间为最佳。 4．3CHASE试验机

4．3．1CHASE试验机在国际上已发展成测量摩擦性能很好的仪器，美国车辆行政管理协会（AAMVA）所认可的证书及编码（EDGECODES），即根据该设备所测试的结果来判定，试验程序是依据美国汽车协会SAE标准J-661实施。虽然它并不能精确预测摩擦材料在实际刹车片中的表现，但是为目前刹车片材料性能分级的主要依据；依据J-661测试结果，对刹车片依摩擦系数分等编号如下： C：μ≤0.15 D：0.15<μ≤0.25 E：0.25<μ≤0.35 F：0.35<μ≤0.45 G：0.45<μ≤0.55 H：μ>0.55

4.3.2因考虑到摩擦材料生产企业要与主机厂配套，研究人员对依B类配方生产的无石棉刹车片，进行CHASE试验，试验结果报告见图7。