CN101205457B

CN101205457B - 摩擦热自烧结耐磨擦材料

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Publication number: CN101205457B
Application number: CN2007101148646A
Authority: CN
Inventors: 翟玉生; 王爱国; 刘峰; 王艳冰; 张金中; 翟文雷
Original assignee: XINYI CO
Current assignee: XINYI CO
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: CN101205457A

Abstract

本发明属于交通运输机械、各种工程作业机械摩擦制动装置的摩擦材料领域，涉及一种摩擦热自烧结耐磨擦材料，包括：原材料的组成和重量百分比是：粘合剂为10～16％、改性骨架材料为8～20％、摩擦稳定剂为10～20％、增韧纤维为10～25％、各类助剂为5～15％、烧结材料3～13％、增摩剂8～18％、短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、焦炭粉4～16％。本发明的特点是利用摩擦表面的热量实现类陶瓷转化成低熔点化合物，这种转化致使颗粒细化、致密，分布更均匀。试验结果表明，本摩擦材料磨擦系数稳定，波动小，偏差不大于±0.035，磨耗小，使用寿命长，制动是无噪音，无烟火，无粉尘，其突出特点是不损伤刹车鼓(盘)。

Description

摩擦热自烧结耐磨擦材料

技术领域：

本发明属于交通运输机械、各种工程作业机械摩擦制动装置的摩擦材料领域，是低熔点化合物、工业废料和耐高温树脂在摩擦材料中的应用技术。本发明是利用摩擦热实现摩擦材料的二次固化，该项技术包括摩擦材料配方和压制工艺参数。

技术背景：

汽车的安全行驶和舒适驾驶已经成为现代汽车评价的重要指标。要达到制动系统的制动能力和车辆的行驶的安全性，对摩擦材料的基本要求是，必须具有足够大的摩擦系数，保证在安全刹程内平稳制动，同时具有足够的使用寿命。随着车辆速度的提高，其表面温度会达到300-500℃以上，这样，摩擦材料就必须具备很高的耐温性。

目前制动和传动装置中的摩擦衬片已形成四种类型：石棉基摩擦衬片、半金属摩擦制动衬片、无石棉摩擦制动衬片和金属基烧结摩擦制动衬片。

由于石棉是世界公认的强致癌物质，所以从上世纪七十年代开始，就出现了各种新型摩擦材料，这就是“半金属”和半金属混合型摩擦材料。

半金属型刹车片主要是采用粗糙的钢丝绒作为加固纤维，这种钢纤维的加入往往会使摩擦材料具有一定的锈蚀和磁性。钢纤维的强度和导热性，使得半金属型刹车片同传统的石棉型刹车片有着不同的制动特性。半金属型刹车片能承受较高的制动温度，同时它们在刹车时将热量从其表面上散发出去，这些摩擦热也会使刹车液受热而温度上升，对制动钳的活塞密封圈及回位弹簧产生一定的影响，会加快这些组件老化。半金属刹车片的最大缺点是材料中的高金属含量会损伤制动盘(鼓)的表面磨损，同时会产生较大的噪音。半金属摩擦材料中的大量金属纤维和金属颗粒，会使刹车鼓(盘)产生磨砺磨损和犁削。通过试验已经证明，这种刹车片对大型重载作业设备和运输设备的钢制刹车鼓(盘)是不合适的，其耐磨性及制动效果是以牺牲刹车鼓(盘)的寿命为代价的。

无石棉刹车材料可以用于鼓式或盘式制动器，就性能而言，无石棉刹车材料刹车片更接近石棉刹车片，它不像半金属刹车片那样具有良好的导热性和良好的高温可控性。无石棉刹车片的性能已经超过了石棉刹车片的性能，这主要是在抗摩性能及噪音等方面。石棉替代物主要有玻璃纤维、芳香族纤维、碳纤维、陶瓷纤维以及其他有机合成纤维等，制品的性能主要取决于纤维的类型及其它添加物。无石棉刹车片已基本完全达到相关标准规定的技术指标，正在逐步的扩大应用。目前已经出现了各种各样的无石棉刹车片，新型“环保剑麻纤维增强汽车刹车片”研制成功，碳碳复合摩擦材料在航天航空制动装置上成功的应用都为摩擦材料家族增添了新成员，但是由于其价格偏高难以在摩擦材料市场上推广应用。

制动摩擦材料是由粘合剂和多种添加剂组成的混合物，而刹车片的制动效能、使用寿命、耐温性主要取决于材料组分的科学组成及其相对比例。

石棉摩擦材料的主要成分是石棉、粘合剂(树脂或改性树脂)、调整剂、着色剂等。调整剂主要有：陶土、重晶石、硫酸钡、铬铁矿粉、玻纤、丁腈胶粉、氧化锌、硅灰石、石墨等。着色剂主要有：铁红、铁黑、铁黄、炭黑等。

无石棉摩擦材料除了石棉以外的上述材料外，是以大量的金属纤维和还原铁粉颗粒为主，对于高档摩擦材料还加入适量的碳纤维、芳伦纤维、聚氨酯纤维、二硫化钼、铜纤维、锡粉、铝粉、硫化锑等。

目前摩擦材料的压制温度一般为150-160℃，压制压力为18兆帕，后处理温度为150-180℃，后处理时间试制品的几何尺寸不同，一般在4-12小时以内。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，利用摩擦材料二次固化的特性，确定可进行二次固化的粘合剂和能够进行陶瓷转化的低熔点化合物，而提出一种环保、无噪音的摩擦热自烧结耐磨擦材料。

本发明的技术方案包括：

原材料的组成和重量百分比是：粘合剂为10～16％、改性骨架材料为8～20％、摩擦稳定剂为10～20％、增韧纤维为10～25％、各类助剂为5～15％、烧结材料3～13％、增摩剂8～18％、短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、焦炭粉4～16％。

其中粘合剂是纳米技术改性酚醛树脂，其热分解温度为460℃。在本发明中的改性骨架材料是指经过表面活化的工业废料中的漂珠，其化学组成为SiO₂≥45％，Mg≥5％，作为填充骨架，其作用是消音纳屑，改善制品的摩擦磨损性能。摩擦稳定剂是一种多元复合材料，其组成为石墨或金属硫化物以及芳伦纤维、预氧丝、补强剂和人造纤维或不含石棉的天然矿物纤维；所述金属硫化物包括钼或锑、铝、锡、铅、锌的硫化物。增韧纤维的化学组成为SiO₂≥40％，Al₂O₃≥15％，Fe₂O₃≤5％，纤维长度1-8mm，纤维直径30-60μm，密度为1.5-2.4g/cm³，增韧纤维可以增强制品韧性，提高制品强度。烧结材料包含锡粉50～80％，硫化剂20～50％。增摩剂的化学组成为SiO₂≥75％，Al₂O₃≥15％，MgO≥3％，Fe₂O₃≤0.8％，增大磨擦系数。本发明中的各类助剂包括防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂和着色剂等。

摩擦热自烧结摩擦材料刹车片的制造工艺如下：

首先对粉料进行活化处理，混料，然后将模具加热到140℃～190℃，放入粉料，在18～28Mpa的压力下保温，出模后在160℃～220℃的温度下，保温2～3小时，对产品进行后处理。

1.本发明的理论基础是摩擦材料的二次固化原理

本发明中的二次固化是指利用摩擦热，在制动过程中使摩擦材料实现二次固化，同时烧结材料烧结后产生类陶瓷产物，从而得到陶瓷摩擦材料。摩擦材料二次固化的理论是本次发明的依据。

依据克拉盖尔斯基的观点，单纯靠使用高价格的原材料来提高摩擦材料的使用性能是不经济的，利用摩擦材料在制动过程产生的热量可以使摩擦材料进行二次固化，得到更加有益的使用性能。这样在压制产品进行后处理的时候可以选用较低的后处理温度和较短的后处理时间，在本发发明中采用的后处理温度为160-220℃；后处理时间为2-8小时。

低熔点化合物的熔点在300-600℃。利用摩擦温度，这种低熔点合金可以在高温下产生烧结，与烧结陶瓷材料相类似，烧结后形成第二粘合剂。

从显微照片可以看出，在不加入烧结材料(图1)时，无石棉摩擦材料的组织粗大有团聚，加入烧结材料(图2)后，使得材料的颗粒细化、致密，颗粒的分布更加均匀，从而提高了材料的结合强度。试验表明加入烧结材料后，可以减小磨擦系数的热衰退、降低制品的磨损和刹车噪音。

2.新型烧结材料的选择及其制备。

通常，摩擦表面的平均工作温度在400-700℃，微突起处的温度最高可达到800℃以上。本发明的目的就是让摩擦材料在工作过程中，利用摩擦材料的工作温度使烧结材料进行烧结，以达到类似陶瓷烧结的效果，实现颗粒的重新分布、细化和进一步的粘结。

本发明所说明的烧结材料可以是锑、铝、锡、铅、锌的硫化物。

本发明以锡的硫化物为例，发明的特点是利用摩擦热得到硫化锡，而不是利用现成的硫化锡。

由于硫化锡是一种云母鳞片状结构，因此，硫化锡的形成有利于摩擦材料综合性能的提高。

在普通摩擦材料配方中加入重量比为0.5％-9％的锡粉和适量的硫磺，经均匀搅拌混合，在模压和后处理过程中利用压制温度和后处理温度，在有氧氛围中使锡粉初步氧化，在制动过程中利用摩擦热使氧化锡硫化形成硫化锡，得到鳞片状硫化锡。当摩擦表面的温度达到356℃时，达到硫化锡的烧结的烧结温度，从而使鳞片状硫化锡被烧结形成类陶瓷烧结材料，得到如图2所示的细密的烧结摩擦材料。

3.采用多元纳米复合改性树脂形成的空间网状结构作为摩擦材料粘合剂，提高摩擦材料的韧性，以得到适中的摩擦磨损性能，是本发明的第三项内容。

增韧粘合剂的改造。在摩擦材料生产中，以酚醛树脂作粘合剂，酚醛树脂的缺点是脆性断裂，所以通常使用纤维(如石棉等矿物纤维和人造纤维)作为骨架材料来补强，纤维含量在30～70％左右。由于本发明是以漂珠代替石棉，而漂珠是小直径空心微粒，如何提高粘合剂材料的韧性就是本发明要解决的关键课题之一。

目前生产摩擦材料用的粘合剂是以2123酚醛树脂为主，有些厂家则利用桐油、腰果壳油和橡胶粉或胶乳等对2123树脂进行改性。但是用此种树脂来生产大尺寸的重负荷刹车片时，其脆性断裂就成为刹车片的一大缺点。

由于酚醛树脂和橡胶有优良的相容性，二者可以实现充分的相互分散，树脂对橡胶又有补强作用，从而使橡胶与合成树脂并用体具有一定的柔韧性和耐热性。高分子弹性体的改性共混有机械熔融共混法、溶液沉积法、溶液共混法以及近年来出现的粉末高分子共混法，后二者工艺复杂、设备投资高，一般很少采用。以上四种方法总称为物理共混法。

化学反应改性共混是在化学反应下的共混改性。采用弹性体和低分子物的机械熔融共混，充分利用在反映过程中所产生的力-化学反应，生成一定的接枝或嵌段共聚物。本发明中利用橡胶和树脂的优良的相容性，通过纳米技术实现熔融共混，形成有接枝和嵌段组成的均匀分散的两相体系，该技术改性的酚醛树脂的热分解温度达到400℃以上，从而达到了降低树脂硬脆性、增加柔韧性，提高产品的弹性、耐温性和强度的目的。

有益效果：

与国内外现有摩擦材料相比，本发明所使用的原材料不含石棉，含有少量软金属，含有类陶瓷材料。本发明的特点是，以二次固化理论依据，利用摩擦表面的热量实现类陶瓷转化成低熔点化合物，这种转化的过程致使颗粒细化、致密，分布更加均匀。试验检测结果表明，本发明的摩擦材料磨擦系数稳定，波动小，偏差不大于±0.035(国内产品的偏差为±0.05～±0.1以上)，磨耗小，使用寿命长，制动是无噪音，无烟火，无粉尘，其突出特点是不损伤刹车鼓(盘)。

具体实施方式：

本发明中的各类助剂包括防老剂、硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂和着色剂等，均为已有摩擦材料所使用的。

实施例1：中摩擦系数试用配方如下表：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												材料名称	增韧纤维	多元纳米改性树脂	增摩剂	硫磺+锡粉	耐磨炭黑	氧化锌	硫酸钡	摩擦稳定剂	氢氧化铝	改性漂珠	硬脂酸锌
比例％	15	16	14	9	1.6	2.5	8	8.4	8.5	14	3

实施例2：高摩擦系数试用配方如下表：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												材料名称	增韧纤维	多元纳米改性树脂	增摩剂	硫磺锡粉	耐磨炭黑	氧化锌	硫酸钡	摩擦稳定剂	氢氧化铝	改性漂珠	硬脂酸锌
比例％	10	14	16	10.5	2.5	3	5	10.5	9.5	16	4

按上述配方和工艺制作了不同性能的刹车片，对上述样品进行了摩擦磨损试验验检测，测试结果符合国家标准及有关行业标准的要求。结果如下表：

中摩擦系数材料

盘温/℃		100	150	200	250	300	350
								摩擦系数	升温	0.35	0.39	0.41	0.39	0.39	0.38
降温	0.36	0.37	0.41	0.42	0.43
							磨损率		0.10	0.10	0.10	0.16	0.18	0.25

高摩擦系数材料

盘温/℃		100	150	200	250	300	350
								摩擦系数	升温	0.406	0.429	0.465	0.481	0.478	0.412
降温	0.505	0.564	0.501	0.430	0.425
							磨损率		0.109	0.159	0.192	0.160	0.297	0.338

利用本技术加工的石油钻机刹车块在胜利油田试用的结论是：本产品的使用寿命是石棉或半金属刹车片的4-6倍，对轮毂无损伤，不产生烟雾、粉尘，无火星，无刺激性气味。在胜利桩134井试用结论是：本技术生产的刹车片寿命长，是石棉或半金属刹车片的2倍以上，烟尘和火花轻微，不损伤刹车鼓，司钻称这是以前没有遇到过的材料，是一种新型的环保型产品。利用本技术加工的汽车刹车片在国产奇瑞2.0东方之子汽车上装车试用，经过翻越太行山、王屋山、秦岭、武当山和冀北山地，长途在冰雪封冻的普通公路上的行驶过程，累计行程100000公里，测量磨损厚度为2.50mm。生产的汽车刹车片制动平稳无冲击，无噪音，有渐进感，无粉尘和火花。

Claims

1.一种摩擦热自烧结耐磨擦材料，其特征是：原材料的组成和重量百分比是：粘合剂为10～16％、改性骨架材料为8～20％、摩擦稳定剂为10～20％、增韧纤维为10～25％、各类助剂为5～15％、烧结材料3～13％、增摩剂8～18％、短切玻纤2～8％、石油焦3～16％、焦炭粉4～16％；所述的粘合剂是纳米技术改性酚醛树脂，其热分解温度为460℃；所述的改性骨架材料是指经过表面活化的工业废料中的漂珠，其化学组成为SiO₂≥45％，Mg≥5％；所述的摩擦稳定剂是一种多元复合材料，其组成为石墨或金属硫化物以及芳伦纤维、预氧丝、补强剂和人造纤维或不含石棉的天然矿物纤维，其中的金属硫化物包括钼或锑、铝、锡、铅、锌的硫化物；所述的增韧纤维的化学组成为SiO₂≥40％，Al₂O₃≥15％，Fe₂O₃≤5％，纤维长度1-8mm，纤维直径30-60μm，密度为1.5-2.4g/cm³；所述的烧结材料包含锡粉50～80％，硫化剂20～50％；所述的增摩剂的化学组成为SiO₂≥75％，Al₂O₃≥15％，MgO≥3％，Fe₂O₃≤0.8％。

2.根据权利要求1所述的摩擦热自烧结耐磨擦材料，其特征是：所述的助剂包括防老剂和/或硫化剂、促进剂、脱模剂、阻燃剂、消烟剂、着色剂。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦热自烧结耐磨擦材料，其特征是摩擦热自烧结摩擦材料制备工艺是：首先对粉料进行活化处理，混料，然后将模具加热到140℃～190℃放入粉料，在18～28MPa的压力下保温，出模后在160℃～220℃的温度下，保温2～3小时，对产品进行后处理。