CN101633832B

CN101633832B - 高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法

Info

Publication number: CN101633832B
Application number: CN2009100746266A
Authority: CN
Inventors: 徐东耀; 郝海金; 李文荣; 于妍; 董永师; 李应平; 胡包生
Original assignee: Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co Ltd
Current assignee: Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co Ltd
Priority date: 2009-05-31
Filing date: 2009-05-31
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-05-31
Also published as: CN101633832A

Abstract

本发明涉及一种车辆用刹车材料的制备方法，具体为一种高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法。解决高硫无烟煤资源的深加工利用的问题。选取浮选过的高硫无烟煤原煤与摩擦材料中其余成分之比是4∶23-3∶22，摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂10-20、基体及增强材料40-60、研磨剂10-20、润滑剂15-25、填料10-20。本发明使用了高硫无烟煤作为制造刹车材料的主要原材料之一，代替了传统加工工艺中使用的石墨。生产得到的刹车材料性能完全达到国家规范要求，为高硫无烟煤寻找到了一条充分利用的途径，提高了高硫无烟煤的应用价值。

Description

高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法

技术领域

本发明涉及一种车辆用刹车材料的制备方法，具体为一种高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法。

背景技术

我国汽车工业近年来迅速发展，随着我国的汽车保有量不断增加，汽车用摩擦材料消耗量逐年递增，摩擦材料的市场不断增大。车用摩擦材料主要用来生产离合器片和刹车瓦。传统制造工艺中，车辆上使用的摩擦材料是由多种粘合剂和树脂等添加剂组成的混合物，并在其中添入纤维以提高其强度，起加固作用。刹车片制动的最终效果、抗磨损能力、抗温能力及其它性能将取决于不同成分间的相对比例。人们发现这种由石棉和树脂制成的摩擦材料在使用过程中，在离合器片和刹车瓦工作过程中会产生大量细小的石棉纤维向空气中扩散，并有可能致癌；在雨雪天，用此材料制成的刹车片可能打滑导致交通事故发生。因而，目前的发展趋势是用金属基摩擦材料替代由石棉和树脂制成的摩擦材料，制备刹车瓦或离合器片，以克服上面提及的缺点。

如“半金属”混合物型刹车摩擦材料和无石棉有机物型(NAO)刹车片。金属基摩擦材料主要以金属右金属氧化物粉、高纯炭粉和硫磺粉末为原料，经粉末冶金工艺制得。各种原料加入比例根据人们对摩擦材料的摩擦系数大小及该系数可接受的变化范围、磨损性能之要求而变化。通常，高纯炭粉和硫磺的加入量在3％--15％。典型的粉末冶金工艺是：首先将这些粉末混合均匀；然后在液压机械上成型；最后，将具有一定形状的摩擦材料压坯在还原气氛下烧结，获得离合器片或刹车瓦。从该特点工艺可知，尽管采用的粉末原料是很纯的，但在烧结过程中，这些粉末间会发生反应，生成硫化物等物质。因此生产金属基摩擦材料对原料粉高纯要求必需高。这种要求导致生产金属基摩擦材料的成本提高。无石棉有机物型刹车材料主要使用玻璃纤维、芳香族聚酷纤维酷或其它纤维(碳、陶瓷等)来作为加固材料，其性能主要取决于纤维的类型及其它添加混合物。该材料使用只是在试验阶段。

我国有丰富的高硫无烟煤资源。以往这些高硫煤作为燃料或工业煤气化原料主要用于民用和气化。随着人们环保意识的增强和气化工艺的改进，人们对使用高硫煤引起的环境问题越来越重视，治理二氧化硫污染的成本越来越高，导致高硫煤的市场不断萎缩，价格也相应下降。因此，高硫无烟煤资源的开发利用的重要性和紧迫性也愈发明显。

高硫无烟煤中富有有机、无机硫和碳元素，无机硫主要以黄铁矿形式存在。而黄铁矿在摩擦材料中具有润滑和减少刹车过程中摩擦副出现的烧蚀现象发生。当挥发份和灰份都比较低时，用高硫无烟煤替代高纯炭粉和硫磺粉末生产金属基摩擦材料，在还原气氛下进行烧结，从化学原理上看，这些硫同样会与铁粉进行反应，生成相应的硫化物等物质。所以，如果我们能开发出用高硫无烟煤替代高纯的炭粉和硫磺粉末生产金属基摩擦材料的技术，必将降低生产金属基摩擦材料的成本。因而，所生产的摩擦材料在汽车配件市场上必有强大的竞争优势。同时，使高硫无烟煤资源得到高附加值地利用。

专利申请号为901040193公开了一种新型制动摩擦衬片的制作方法，在该专利申请中公开了各种组分的配比，粘结剂、SP、摩擦调整剂、各类助剂。粘结剂为酚醛树脂和橡胶，调整剂为碳酸钙、硫酸钡，铁矿粉末，石墨，陶土、铜屑的混合物等，SP是指工业燃烧煤炉中的工业废料，其主要成分为二氧化硅、氧化镁、碳酸钙等。然后将原料混合，160-180℃压合即可。

发明内容

本发明为了解决高硫无烟煤资源的深加工利用的问题而提供了一种高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法。

本发明是由以下技术方案实现的，一种高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法，首先选取高硫无烟煤原煤，然后对其进行浮选，得到灰分小于6％、硫分高于2％、挥发分低于13％的低灰高硫煤粉，低灰高硫煤粉与摩擦材料中其余成分之比是4∶23-3∶22，摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂10-20、基体及增强材料40-60、研磨剂10-20、润滑剂15-25、填料10-20。

其中的粘合剂为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕，铁粉和铜粉及陶瓷纤维和芳纶浆粕之间的比例根据用户使用需要情况调整；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝，之间的比例根据用户使用需要情况调整；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母，之间的比例根据用户使用需要情况调整；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁，之间的比例根据用户使用需要情况调整。浮选工艺和设备是现有技术，通过设定指标来控制煤粉的挥发份和灰分指标是常规浮选工艺很容易实现的。

所述摩擦材料的制备工艺是：按重量比例称取原料混合均匀，放入热模中，在温度为160-180℃，系统压力为15MPa，背压压力为11MPa，保压时间为40-60秒/毫米厚的条件下压制，将压制好的摩擦材料产品放入烘箱中，在温度为180℃的条件下烘烤3小时后取出冷却至常温。

与现有技术相比，本发明使用了高硫无烟煤作为制造刹车材料的主要原材料之一，代替了传统加工工艺中使用的石墨。生产得到的刹车材料性能完全达到国家规范要求，为高硫无烟煤寻找到了一条充分利用的途径，提高了高硫无烟煤的应用价值。

附图说明

图1为高硫无烟煤的显微照片之一，

图2为菌落状黄铁矿直径20微米左右(块煤)照片

图3为微粒系分散状黄铁矿(块煤)照片

图4为晶体较好的黄铁矿约10微米左右(碎煤)照片

具体实施方式

实施例1，首先选取好高硫无烟煤原煤。然后，对原煤进行工业和元素分析，得到原煤的灰分、挥发分、硫分和固定碳等基本数据；对原煤的灰分进行成分分析。然后对原煤进行浮选，得到质量合格的低灰(灰分通常要求小于6％)、高硫(硫分通常要求高于2％)、无烟煤(挥发分通常要求低于13％)的煤粉。

接下来，按照摩擦材料的配方取原料。然后用粉末冶金的方法(主要有烧结法和粘结法)生产出性能合格的摩擦材料。最后，用该摩擦材料通过机加工方法生产出用户要求的刹车片或离合器片等产品。

具体步骤为以下所述：

1、准备原煤：以山西晋城蓝焰煤业股份有限公司15^#高硫无烟煤块煤作为原煤。

2、对原煤及煤灰进行分析测试：对原煤进行工业和元素分析；对煤灰进行成分分析，主要结果为：

原煤的工业分析结果

表1原煤的工业分析结果

煤种	Mad，％	Vad，％	Aad，％	F.Cad，％	St，d％	Q_GW，V，kJ/kg
							山西晋城块煤	4.56	11.51	8.56	75.37	2.06	30680

煤灰成分分析结果

表2煤灰成分分析结果

煤灰	SiO₂，％	Al₂O₃，％	Fe₂O₃，％	CaO，％	MgO，％	Na₂O，％	K₂O，％
								山西晋城块煤煤灰	43.67	24.84	13.31	5.51	0.41	0.07	0.73

从表中可以看出，两种煤样的灰分在8％以上，硫分在2％以上。根据制备刹车瓦的通常要求，这样的煤由于灰分过高，不能直接作为制备刹车瓦的原料，必须对煤样降灰后，才能用作原料。

这种高硫无烟煤不能直接作为摩擦材料的原料，需要进行浮选，使获得的精煤能满足摩擦材料对原料的基本要求。

3、对原煤进行浮选：

3.1浮选工艺：

将原煤粉碎到100目至200目，添加如下试剂进行浮选：捕集剂以煤油为主要成分，用量在3-10KG/吨煤、起泡剂以异辛醇为主要成分，用量控制在1-4KG/吨、乳化剂以16烷基溴化胺为主要成分，用量是捕集剂的千分之五以内。通过浮选获得精煤。煤浆浓度10％，1吨煤约消耗0.3吨水。

3.2精煤的主要煤质指标：

表3浮选经济指标

精煤灰分，％	精煤收率，％
		3.79-5.85	40.95-93.24

表4精煤主要煤质指标

煤种	Mad，％	Vad，％	Aad，％	F.Cad，％	St，d％
						精煤	3.82	10.11	5.56	79.36	2.01

灰分含量达标，并不等于这样的煤就可用于制备刹车瓦，还需对灰分的成分进行分析，以便确定其中是否含有对刹车瓦性能有害的组分。为此，我们又开展了对精煤灰分的成分分析，结果煤样的灰分没有非常有害的成分，所以，从灰成分角度看，块煤精煤完全可以作为制备刹车瓦的原料。

用本矿15#煤作为制备刹车瓦原料，除了利用它的高含碳量之特色外，还考虑到了利用它的高硫分的可能性。它的高硫分特点能否被利用，关键看它的硫分含量和赋存方式能否符合要求。为此，我们重点开展了煤样硫分和硫分赋存方式的实验研究，并对精煤样进行了煤岩组分分析，实验结果见附图中的图1-4的所示意的显微照片。从上述结果可以看出，块煤精煤中的硫分中的无机硫分布比较均匀，大小也比较细小，完全可以部分替代制备刹车瓦时添加的纯硫磺。也就是说，由于煤中存在硫分，当用该煤作为制备刹车瓦的原料时，可以少加或不加纯的硫磺。经过上述实验研究，15#煤的块煤经过浮选降低灰分后，研磨至适当的粒度，完全可以替代石墨和硫磺，作为制备刹车瓦的原料。

4、确定摩擦材料的配方：

4.1确定高硫无烟煤的添加量：

通过实验确定低灰高硫无烟煤的添加量为：低灰高硫煤(A组分)与摩擦材料中其余成分(B组分)之比(A∶B重量比)是4∶23。摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂10份、基体及增强材料60份、研磨剂10份、润滑剂25份、填料10份。

其中的粘合剂主要为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕，铁粉、铜粉、陶瓷纤维、芳纶浆粕之间的质量比例是1∶4∶1∶6；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝，氧化铁、氧化镁、三氧化二铝之间的质量比例为1∶1∶1；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母，高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母之间的质量比例为1∶3∶1；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁，高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁按照1∶2∶3的质量比例组合使用。

5、摩擦材料的制备工艺：

5.1混料

按比例称取原料，先进行人工混合，然后放入搅拌装置中搅拌5-10分钟，充分混合均匀。

5.2热压

制备刹车片时，按每件产品的重量称取定量的上述原料，放入热模中，在温度为160-180℃，系统压力为15MPa，背压压力为11MPa，保压时间为40-60秒/毫米厚的条件下压制成品。

5.3热处理

将压制好的摩擦材料产品放入烘箱中，在温度为180℃的条件下烘烤3小时后取出冷却至常温。

6、该摩擦材料的主要摩擦性能：摩擦系数为0.387(国家规范要求：0.25～0.65)：磨损率为0.01×10^-7，可用于制备日产汽车：尼桑2031UGB型汽车的前碟刹车片、后刹车碲片。

对磨擦材料而言，除了磨擦系数、磨损率符合要求外，还必须做到刹车瓦工作过程中磨擦系数保持稳定。通常情况下，刹车瓦在工作过程中所受压力、刹车鼓性能等都基本保持不变，只有温度随着刹车时间延长而升高。为此，我们进行了温度对磨擦系数的影响规律研究。对样品在100℃、200℃、300℃时的磨擦系数进行测定，随着温度变化磨擦系数波动较小(100℃时磨擦系数为0.4；200℃时磨擦系数为0.4；300℃时磨擦系数为0.38。而国家规范要求磨擦系数波动范围：±0.08)，达到国家规范要求。

实施例2，

首先选取好高硫无烟煤原煤。然后对原煤进行浮选，得到质量合格的低灰(灰分通常要求小于6％)、高硫(硫分通常要求高于2％)、无烟煤(挥发分通常要求低于13％)的煤粉。

低灰高硫煤(A组分)与摩擦材料中其余成分(B组分)之比(A∶B)是3∶22。摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂20、基体及增强材料40、研磨剂20、润滑剂15、填料20。

其中的粘合剂为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕，铁粉、铜粉、陶瓷纤维、芳纶浆粕之间的比例是1∶1∶6∶1；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝，氧化铁、氧化镁、三氧化二铝之间的比例为1∶3∶6；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母，高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母之间的比例为3∶1∶3；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁，高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁按照5∶2∶1的比例组合使用。

摩擦材料的制备工艺同上实施例：经过检测，该摩擦材料的主要摩擦性能：摩擦系数为0.454：磨损率为0.02×10^-7。

实施例3，

低灰高硫煤(A组分)与摩擦材料中其余成分(B组分)之比(A∶B)是4∶22。摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂15、基体及增强材料50、研磨剂15、润滑剂20、填料15。

其中的粘合剂为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕，铁粉、铜粉、陶瓷纤维、芳纶浆粕之间的比例是4∶1∶1∶1；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝，氧化铁、氧化镁、三氧化二铝之间的比例为7∶3∶1；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母，高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母之间的比例为3∶1∶3；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁，高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁按照4∶2∶1的比例组合使用。

摩擦材料的制备工艺同上实施例：经过检测，该摩擦材料的主要摩擦性能：摩擦系数为0.399：磨损率为0.016)×10^-7。

实施例4，

低灰高硫煤(A组分)与摩擦材料中其余成分(B组分)之比(A∶B)是3∶23。摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂18、基体及增强材料45、研磨剂12、润滑剂23、填料14。

其中的粘合剂为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉，；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕，铁粉、铜粉、陶瓷纤维、芳纶浆粕之间的比例是1∶2∶3∶1；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝，氧化铁、氧化镁、三氧化二铝之间的比例为1∶2∶2；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母，高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母之间的比例为2∶1∶2；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁，高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁按照3∶2∶5的比例组合使用。

摩擦材料的制备工艺同上实施例：经过检测，该摩擦材料的主要摩擦性能：摩擦系数为0.414：磨损率为0.012)×10^-7。

Claims

1.一种高硫无烟煤制备车用摩擦材料的方法，其特征在于：首先选取高硫无烟煤原煤，然后对其进行浮选，得到灰分小于6％、硫分高于2％、挥发分低于13％的低灰高硫煤粉，低灰高硫煤粉与摩擦材料中其余成分之比是4∶23-3∶22，摩擦材料中的其余成分按以下重量比组成：粘合剂10-20、基体及增强材料40-60、研磨剂10-20、润滑剂15-25、填料10-20，所述摩擦材料的制备工艺是：按重量比例称取原料混合均匀，放入热模中，在温度为160-180℃，系统压力为15MPa，背压压力为11MPa，保压时间为40-60秒/毫米厚的条件下压制，将压制好的摩擦材料产品放入烘箱中，在温度为180℃的条件下烘烤3小时后取出冷却至常温；

粘合剂为酚醛树脂；基体为铁粉和铜粉；增强材料为陶瓷纤维和芳纶浆粕；研磨剂为氧化铁、氧化镁、三氧化二铝；润滑剂包括高硫无烟煤粉末、二硫化钼、云母；填料是高硫无烟煤粉末、碳酸钙、氧化镁。