汽車剎車片金屬陶瓷復合材料制備及摩擦性能

宋真玉

(陜西工業職業技術學院 汽車工程學院，陜西 咸陽 712000)

剎車片即剎車皮，是汽車剎車系統中最為關鍵的安全控制零部件，直接決定著汽車剎車效果的好壞，因此好的剎車片是人與汽車安全的最佳保護載體。剎車片主要有鋼板、粘接隔熱層、摩擦塊共同構成，鋼板通過涂裝進行防銹處理，以SMT-4爐溫跟蹤儀進行涂裝溫度分布狀態檢測，以有效確保質量；隔熱層則基于不傳熱材料所構成，作用是有效隔熱；摩擦塊則由摩擦材料、黏合劑共同構成，汽車剎車時，被擠壓于剎車盤或者剎車鼓上生成摩擦力，以實現車輛減速目的。長期受摩擦力作用，摩擦塊逐漸被磨損，通常成本越低，剎車片就越易于磨損，因此就剎車片來講，如何選擇摩擦塊材料才是最主要的，其直接決定著剎車片的制動性能[1]。

傳統汽車剎車片大多以半金屬摩擦材料、石棉材料為主，但是其很容易出現噪聲過大、振動太強、磨損率偏高、使用壽命較短等不良現象。相對于一般半金屬材料，陶瓷材料在摩擦性能層面更具優勢，不僅熔點高，硬度大，且磨損率較低，化學性質穩定，耐腐蝕，比重小，因此在摩擦材料中倍受青睞，已成為了當前研究的重點對象。目前，我國有專利設計了汽車剎車片用高分子復合材料，其由100份橡膠、30～58份石墨與焦炭混合物、15～20份玻璃纖維、15～27份鋼棉、15～2份樹脂黏結劑、1～2份氧化鈣、7～10份二硫化鉬、5～9份金屬鈷、0.2～0.5份滑石粉構成。此高分子材料基于各組分共同作用，構成特定結構，在吸熱性與散熱性方面獨具優勢，可在增加摩擦系數的基礎上，強化摩擦系數穩定性與可靠性[2]。在此基礎上，本文制備了汽車剎車片金屬陶瓷復合材料，并詳細分析了其摩擦性能。

1 陶瓷剎車片分析

所謂陶瓷剎車片是通過礦物纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維所生成的，顏色較淡、清潔干凈，但是成本較高。在汽車制動時，可在摩擦表層產生約800～900 ℃高溫，甚至還會更高，此時便會出現燒結，以促使制動片更具穩定性與可靠性。傳統剎車片制動時，不會發生燒結現象，因此制動性能相對較差。據此可知，陶瓷剎車片具有其自身獨特優勢特性，即不會產生噪聲，摩擦系數穩定，抗熱衰退性良好，抗拉強度與抗壓強度較強，安全性高，剎車距離短，質量非常輕，需與陶瓷剎車盤共同使用，這樣才可有效發揮其最佳性能[3]。

2 材料制備

2.1 原 料

為對比分析汽車剎車片純銅基材料與基于不同質量分數Al2O3的汽車剎車片金屬陶瓷復合材料摩擦性能的顯著差異，面向四種不同質量分數Al2O3剎車片金屬陶瓷復合材料與純銅基剎車片陶瓷復合材料進行試驗比較[4]。第一組剎車片以青銅材料作為基礎粉末，其他四組剎車片則添加質量分數分別為0.5%、1.5%、2.5%、4%的Al2O3金屬陶瓷粉末。青銅基粉末直徑約0.1～70 μm，Al2O3粉末直徑為3～110 μm。青銅化學成分具體如表1所示。

表1 青銅化學成分 %

2.2 制 備

為制備所需要的剎車片樣本，先于TurbulaT2C設備內混合粉末，再將混合物分別于300、450、600 MPa液壓力下壓制成型，并以初步測試獲取最佳壓力值，最后將定型后剎車片傳送于燒結爐進行加熱燒結。為獲取最佳燒結溫度，試驗溫度設定為700、750、800、850 ℃。基于測試并詳細記錄汽車剎車片于不同溫度狀態時的性能狀況，最終明確最佳燒結溫度，并以最佳溫度為前提進行燒結。汽車剎車片金屬陶瓷復合材料燒結工藝過程[5]具體如圖1所示。

圖1 復合材料燒結工藝過程

由圖1可知，不同材料所制備剎車片樣本在燒結過程中一共持續約80 min。其中10～35 min段為預熱階段，預熱溫度約450 ℃，負責充分全面細化晶粒，去除制備中產生的礦物油質。然后溫度逐步上升到850 ℃，開展25 min燒結，最后取出放置于空氣中自然冷卻。

2.3 方 法

以JB3680-84試驗法基于MM-1000型摩擦試驗機開展試驗工作，溫度控制在60～400 ℃，樣本為25 mm×25 mm×7mm的長方體。以測試不同材料制成的剎車片樣本在實際運轉時的摩擦系數、磨損量等相關參數，深入探究分析剎車片金屬陶瓷復合材料的摩擦性能[6]。

3 結果分析

3.1 密度與硬度結果分析

基于不同質量分數Al2O3的金屬陶瓷復合材料燒結前后密度具體如表2所示。

表2 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復合材料燒結前后密度 %

由表2可知，燒結前與燒結后剎車片金屬陶瓷復合材料的密度會受Al2O3含量影響，隨著含量增加，密度逐步減小，并且燒結之后，整體密度都明顯比燒結前密度低，這就代表金屬陶瓷復合材料經過燒結之后，壓縮性能發生了巨大變化，而壓縮性能與材料硬度密切相關。

基于不同質量分數Al2O3的金屬陶瓷復合材料燒結前后硬度具體如表3所示。

表3 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復合材料燒結前后硬度 Hv

由表3可知，燒結之前，剎車片金屬陶瓷復合材料受Al2O3含量影響，其硬度隨之增加，這主要是由于Al2O3陶瓷粉末硬度相對于青銅材料較大，在整體上增加了材料硬度；燒結之后，剎車片金屬陶瓷復合材料的整體硬度直接增大到105 Hv，硬度提高了約99.8%，這主要是由于燒結工藝很容易對加工金屬形成加工硬化作用，急劇增加其硬度，且對于陶瓷材料的影響非常小。然而陶瓷復合材料硬度過大，會導致汽車剎車時生成巨大摩擦噪聲，且會損壞剎車片，而添加Al2O3陶瓷粉末，可確保剎車片硬度值保持于平緩狀態，維持于合理的硬度范圍內，如此便可延長剎車片使用壽命，強化剎車片疲勞強度[7]。

3.2 摩擦系數結果分析

基于不同質量分數Al2O3的金屬陶瓷復合材料摩擦系數具體如表4所示。

表4 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復合材料摩擦系數

由表4可知，溫度控制在80～350 ℃時，不添加Al2O3的剎車片摩擦系數值在0.21～0.27浮動；添加0.5%Al2O3的剎車片摩擦系數于0.15～0.16浮動，系數最小；添加1.5%Al2O3的剎車片摩擦系數于0.17～0.23間浮動；添加2.5%Al2O3的剎車片摩擦系數于0.25～0.30浮動；添加4%Al2O3的剎車片摩擦系數于0.34～0.40浮動，由此可以看出，隨著Al2O3含量增加，金屬陶瓷復合材料的摩擦系數隨之變大。而剎車片金屬陶瓷復合材料摩擦系數隨溫度增加，呈現略微的下降形態[8]。

3.3 磨損量結果分析

基于不同質量分數Al2O3的金屬陶瓷復合材料磨損量具體如表5所示。

表5 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復合材料磨損量 %

由表5可知，不添加Al2O3的剎車片磨損量約24.2%；添加0.5%Al2O3的剎車片磨損量約17.1%；添加1.5%Al2O3的剎車片磨損量約15.6%；添加2.5%Al2O3的剎車片磨損量約15.2%；添加4%Al2O3的剎車片磨損量約14.4%。由此可以看出，隨著Al2O3含量增加，剎車片金屬陶瓷復合材料磨損量逐步減小，而添加Al2O3陶瓷粉末與不添加Al2O3陶瓷粉末的剎車片磨損量差值約10%。這就表明，Al2O3陶瓷粉末可有效抑制汽車剎車片金屬陶瓷復合材料運行時的磨損，還可延長汽車剎車片使用壽命[9]。

4 結 論

綜上所述，本文制備了汽車剎車片金屬陶瓷復合材料，并深入探究了其摩擦性能。得出結論，燒結工藝可有效改善剎車片金屬陶瓷復合材料密度與硬度，而添加Al2O3陶瓷粉末可有效改善剎車片金屬陶瓷復合材料整體硬度，確保硬度值處于合理變化范圍之內，可延長使用壽命；隨著溫度增加，汽車剎車片表層摩擦系數變小，而隨Al2O3陶瓷粉末含量增加，表層摩擦系數變大，于4%Al2O3陶瓷粉末含量時，摩擦性能最佳；Al2O3陶瓷粉末可有效抑制剎車片金屬陶瓷復合材料的磨損，可延長剎車片使用壽命。