陶瓷基剎車片的研制及應(yīng)用

徐子勤 楊智榮 馬 亮

(咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712021)

前言

汽車、工程機(jī)械的制動(dòng)剎車片是一種摩擦材料，主要的功能是通過(guò)同金屬對(duì)偶起摩擦作用來(lái)吸收動(dòng)能使車輛安全可靠地工作，它應(yīng)具有良好的摩擦性能和耐磨損性能，同時(shí)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。按剎車片材料構(gòu)成成分分為：石棉(asbestos)剎車片、半金屬剎車片、NAO(無(wú)石棉有機(jī)摩擦材料)剎車片、陶瓷基剎車片。石棉剎車片現(xiàn)已禁止生產(chǎn)使用；半金屬剎車片摩擦后飛逸到空氣中的灰塵與金屬粉末，對(duì)人體、環(huán)境都造成危害；NAO剎車片沒有良好的耐熱性和高溫下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性；陶瓷基剎車片具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較好的熱穩(wěn)定性及良好的耐磨性，不含金屬成分，使用壽命是其它剎車片的一倍多，綜合性能優(yōu)越，是清潔環(huán)保型產(chǎn)品，將會(huì)逐步廣泛應(yīng)用到市場(chǎng)。

1 陶瓷基剎車片的組分

陶瓷基剎車片組分主要由增強(qiáng)纖維、礦物填料，摩擦性能調(diào)節(jié)劑和粘結(jié)劑組成，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)加工而制成的產(chǎn)品。其組分配方(質(zhì)量%)為：增強(qiáng)纖維25～40，填料10～30，粘結(jié)基體15～30，摩擦性能調(diào)節(jié)劑10～20，抗磨潤(rùn)滑劑15～30，彈性增韌劑5～10。

1.1 陶瓷基剎車片中的增強(qiáng)纖維及作用

表1 陶瓷纖維性能參數(shù)

纖維在陶瓷基剎車片中作為增強(qiáng)骨架材料，對(duì)剎車片的強(qiáng)度、摩擦性能和耐磨損性起著重要作用。陶瓷基剎車片常用的增強(qiáng)纖維有硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、碳纖維、氧化鋯纖維，初始多選用硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維，后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)氧化鋯纖維比氧化鋁纖維和硅酸鋁纖維具有更優(yōu)越的性能，其抗氧化、耐腐蝕、熱傳導(dǎo)率低，高溫性能更好，是較佳的增強(qiáng)纖維材料。陶瓷基剎車片所用增強(qiáng)纖維是上述纖維按比例優(yōu)配的混雜纖維，比單一纖維具有更好的增強(qiáng)作用。幾種陶瓷纖維性能參數(shù)見表1。

1.2 陶瓷基剎車片中的礦物填料及作用

陶瓷基剎車片中礦物填料可改善剎車片的物理力學(xué)性能(如導(dǎo)熱性、熱脹率、密度、強(qiáng)度、剛度及硬度等)，還可調(diào)節(jié)摩擦性能和產(chǎn)品成本。填料分為減摩填料、增摩或摩阻填料。減摩填料能提高剎車片的耐磨性、降低摩擦系數(shù)、減少制動(dòng)噪聲；增摩或摩阻填料可改善剎車片的物理力學(xué)性能、增加摩擦阻力、穩(wěn)定摩擦系數(shù)和提高耐磨性。

為了提高剎車片的綜合性能，減摩填料和增摩填料將根據(jù)使用要求按一定配比混合使用。陶瓷基剎車片所用礦物填料主要有：重晶石、膨脹蛭石、海泡石、剛玉、鋯石、石墨、滑石、硅灰石、沸石、硅藻土、水鎂石、類水滑石等。

重晶石能提高和穩(wěn)定摩擦系數(shù)，還能降低磨損和制動(dòng)噪音，在高溫下能夠形成相對(duì)穩(wěn)定的摩擦界面，可防止摩擦對(duì)偶表面的擦傷，使摩擦副表面更加光潔，是增摩調(diào)控材料。

膨脹蛭石有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，可減少剎車片表面的靜電粘結(jié)物，降低產(chǎn)品密度和制動(dòng)噪聲，并增加其彈性，是調(diào)控降噪、減震的填料。

海泡石是纖維狀硅酸鹽礦物，在剎車片中加入海泡石膠體作增強(qiáng)基料，具有韌性好，抗拉、抗彎強(qiáng)度大，沖擊強(qiáng)度高，抗高溫磨損小，高溫衰退性好。

剛玉和鋯石的硬度大，屬硬質(zhì)填料，添加鋯石或剛玉，就可發(fā)揮良好的增摩效果，制動(dòng)噪聲較低。

石墨是減摩調(diào)控材料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑，有良好的導(dǎo)熱性能，可降低磨損率，能穩(wěn)定摩擦系數(shù)，還可以加速分散剎車片表面的摩擦熱，提高剎車片的熱穩(wěn)定性。

滑石是層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，是起到減摩作用調(diào)控填料，與粘結(jié)劑有良好的粘合能力，可提高剎車片的強(qiáng)度。

硅灰石具有針狀特性及低熱膨脹性、優(yōu)良的抗熱沖擊性，可提高摩擦系數(shù)并降低磨損率，有助于剎車片形成光滑的接觸面，減少磨損。

沸石和硅藻土具有優(yōu)異的吸附性能，可以充分吸收剎車片在高溫下分解的小分子物質(zhì)、摩擦副表面產(chǎn)生的熱量以及制動(dòng)噪音，是摩擦性能調(diào)控填料。

水鎂石含有一定量的結(jié)晶水，板狀晶形的結(jié)構(gòu)在發(fā)生畸變時(shí)變成纖維狀的水鎂石纖維，具有撓性和柔性，耐高溫，抗堿性能優(yōu)。

類水滑石具有優(yōu)異的熱失重和吸熱性，可以吸收摩擦熱，高溫下發(fā)生相變，逐漸向尖晶石類礦物轉(zhuǎn)變，對(duì)剎車片的物理力學(xué)性能具有增強(qiáng)作用，是潤(rùn)滑減摩、修復(fù)調(diào)控的材料。

1.3 陶瓷基剎車片中的粘結(jié)劑及作用

粘結(jié)劑對(duì)增強(qiáng)纖維、填料等各組分有良好的浸潤(rùn)性能，將這些材料粘合在一起，與其形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，是剎車片的基體。陶瓷基剎車片所用的粘結(jié)劑為酚醛類樹脂(改性樹脂)和合成橡膠粉，以酚醛類樹脂為主，在一定加熱溫度下，先呈軟化而后進(jìn)入粘流態(tài)產(chǎn)生流動(dòng)，并均勻分布在陶瓷基剎車片成形材料中，而后通過(guò)樹脂固化、硫化作用，把增強(qiáng)纖維和填料粘結(jié)在一起，形成質(zhì)地致密、有一定機(jī)械強(qiáng)度且能滿足剎車片摩擦性能要求的產(chǎn)品；橡膠粉可改善產(chǎn)品的柔軟性，降低其硬度。

陶瓷基剎車片制動(dòng)工作時(shí)處于200～500 ℃的高溫條件下，在此溫度范圍內(nèi)，無(wú)機(jī)類的增強(qiáng)陶瓷纖維和填料性能穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生熱分解，有機(jī)類的粘結(jié)劑酚醛樹脂和橡膠進(jìn)入熱分解區(qū)域，因此選擇耐熱性好的粘結(jié)劑對(duì)剎車片性能具有非常重要的作用。

2 陶瓷基剎車片的試驗(yàn)

2.1 原料配方試驗(yàn)

表2 原料配方基本參數(shù)

續(xù)表2

陶瓷基剎車片摩擦性能主要取決于原材料的選擇、配方配比和生產(chǎn)工藝，在試驗(yàn)過(guò)程中，需要解決纖維均勻分散，物料計(jì)量準(zhǔn)確，混料均勻，壓制成形過(guò)程的控制，摩擦系數(shù)穩(wěn)定等問題。通過(guò)試驗(yàn)、分析得到了許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定一種較優(yōu)配方的基本參數(shù)，其結(jié)果見表2。

2.2 制備工藝試驗(yàn)

2.2.1 混料

投料量5 kg，混料機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為180 r/min，鉸刀轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，混合時(shí)間為210 s。

2.2.2 壓制成形

模腔內(nèi)投料量200 g±2 g，壓力分別為3.0 MPa、4.0 MPa、5.0 MPa排氣，排氣時(shí)間為3.0 s，模具排氣升起距離為3.0 mm，排氣停留時(shí)間為3.5 s，保壓壓力為5.0 MPa，保壓時(shí)間為180 s，真空度為0.4 MPa，試樣厚度為11.5 mm±0.2 mm。

2.2.3 熱處理

試樣烘箱保溫時(shí)間為140 ℃/1 h，160 ℃/1 h，180 ℃/1 h，200 ℃/2 h，210 ℃/3 h，升溫速度為1 ℃/10 min。

2.3 摩擦系數(shù)測(cè)定

用XD-MSM定速摩擦試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 5763-2008檢驗(yàn)方法檢測(cè)試樣的摩擦系數(shù),其摩擦系數(shù)參數(shù)見表3。

表3 試樣測(cè)試摩擦系數(shù)

3 陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝及特性

3.1 陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝流程

陶瓷基剎車片主要由增強(qiáng)陶瓷纖維、礦物填料、粘結(jié)劑組成，其生產(chǎn)工藝如圖1所示。

原料→稱重配料→混合→預(yù)成形(模具)→燒結(jié)→磨削→開槽(鉆孔)→噴涂→修飾→檢驗(yàn)→噴碼→包裝

圖1陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝流程

3.2 陶瓷基剎車片的特性

陶瓷基剎車片具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、有較好的熱穩(wěn)定性和較低的熱傳導(dǎo)率、良好的耐磨性。在剎車制動(dòng)過(guò)程中由于摩擦產(chǎn)生熱量，工作溫度增高，一般的剎車片隨著工作溫度的升高，摩擦系數(shù)開始下降，摩擦力降低，從而降低了制動(dòng)作用。陶瓷基剎車片在工作溫度高達(dá)到650 ℃時(shí)摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定在0.45～0.50，能夠承受較大的壓力與剪切力，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能，適合各種高性能制動(dòng)材料的要求，滿足剎車片制動(dòng)高速化、安全化、高耐磨性能。

半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片由于材料的原因，沒有好的解決方法；陶瓷基剎車片增強(qiáng)纖維渣球含量低，增強(qiáng)性好，不含金屬物，可大大降低剎車片的對(duì)偶磨損和制動(dòng)噪音。陶瓷基剎車片摩擦系數(shù)高于半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片，熱衰減性低，可提升制動(dòng)性能和安全性，制動(dòng)時(shí)剎車片與對(duì)偶間的非正常摩擦?xí)r產(chǎn)生噪音，3種剎車片的圖片見圖2。

半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片的使用壽命在60 000 km以下，而陶瓷基剎車片的使用壽命在100 000 km以上，使用壽命提高50%以上，環(huán)保綜合性能優(yōu)越的陶瓷基剎車片克服了傳統(tǒng)剎車片的材料和工藝上的缺陷，是最先進(jìn)的制動(dòng)剎車片產(chǎn)品。

(a)半金屬剎車片 (b)NAO剎車片 (c)陶瓷基剎車片

圖2剎車片圖片

4 結(jié)語(yǔ)

陶瓷基剎車片采用陶瓷纖維材料制備新技術(shù)，配料品質(zhì)和質(zhì)量穩(wěn)定，不含金屬成分，摩擦性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，是清潔環(huán)保型各項(xiàng)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，廣泛推廣應(yīng)用提高企業(yè)形象和品牌價(jià)值，為產(chǎn)品升級(jí)轉(zhuǎn)型及高質(zhì)量發(fā)展起到重要作用。