CN102971550B - 用于制动衬片的无铜摩擦材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的、用于制动衬片的大致无铜摩擦材料，其包括按体积计形成约8-18%的粘结剂、按体积计形成5-14%的纤维、按体积计形成高达6%的至少一种润滑剂、按体积计形成10-27%的至少一种研磨剂、按体积计形成36-51%的至少一种碳内容物组分、以及按体积计形成6-21%的至少一种填充剂；本发明涉及包括新摩擦材料的制动衬片。

Description

用于制动衬片的无铜摩擦材料

技术领域

本发明涉及低碳钢摩擦材料，并尤其涉及用于车辆的盘式制动器的盘式制动衬片的摩擦材料。在没有任何铜基材料的情况下形成摩擦材料，同时维持含铜低碳钢摩擦材料的跨较宽温度范围的优良摩擦性能和高机械强度。

背景技术

传统上使用石棉基的摩擦材料来制造诸如制动衬片的摩擦材料。随着与石棉的使用相关联的某些负面因素变得众所周知，许多制造商转向非-石棉基的摩擦材料。对盘式制动衬片而言，钢纤维也用于摩擦材料，从而改进基体强度（matrixstrength）。

低碳钢摩擦材料中的铜提供许多有用的属性和性能特征，如同在高温下增强的摩擦系数和优良的热传递属性。另外，铜提供了摩擦材料的寿命的改进，并降低了制动器灰尘（brakedust）。

虽然铜和铜合金提供了许多用于低碳钢盘式制动衬片时的积极属性，但出于经济原因在摩擦材料中限制铜的使用是有益的。铜是最重要的工业金属之一。其用于电力电缆、数据电缆、电子设备、汽车散热器、冷却和制冷管、热交换器等。由于铜是有限资源，铜的价格基于经济条件、根据铜的消费需求戏剧性波动。

同样有益的是，限制铜从摩擦材料排放到环境中。铜对海水环境和淡水环境中的许多水生生物是有毒的；例如其损害鲑鱼的感觉系统，降低它们躲避捕食者的能力并阻碍它们返回产卵流。至于在圣弗朗西斯科湾的水研究中，铜泄漏到水生环境中后潜在的有害影响已经得到了很好的证明。

尽管每件摩擦材料仅放出小量的铜，但由于路面上和工业应用中绝对数量的车辆都使用这种摩擦材料，管理机构一直在寻找降低将铜输入到环境中的方式。因此，希望生产没有使用铜或其合金的低碳钢盘式制动衬片，该衬片具有与含铜基金属和合金的制动衬片相似的属性和积极品质。

发明内容

本发明涉及没有铜和铜合金的摩擦材料。当前发明公开了摩擦材料的组合物，其含行业用语中通常被称为低碳钢的钢纤维和其他基体加强材料。这一发明中描述的组合物的独特之处在于，其提供与使用铜基材料的传统衬片相同水平的摩擦特征、衬片寿命特征、噪音特征和其他性能特征，但其不采用铜和含铜材料。当使用建议比例如所描述般适当混合时，本文描述的复合成分提供一家族的材料（familyofmaterials），其在没有使用铜和铜合金的情况下、提供与含铜材料的全部性能方面匹配的杰出摩擦材料。

根据本发明的第一方面，提供制动衬片的摩擦材料，其包括：

-按体积计形成约8-18%的粘结剂；

-按体积计形成5-14%的纤维；

-按体积计形成高达6%的至少一种润滑剂；

-按体积计形成10-27%的至少一种研磨剂；

-按体积计形成36-51%的至少一种碳内容物（carboncontent）组分；以及

-按体积计形成6-21%的至少一种填充剂；

其中，该摩擦材料大致无铜。

根据示范性实施例，所述粘结剂包括：

改性酚醛树脂，

未改性（unmodified）酚醛树脂，

非-酚醛树脂，

酚醛树脂和非-酚醛树脂的混合物，或

一个或多个不做修饰的（straight）酚醛树脂系统或改性酚醛树脂系统的混合物，所述不做修饰的酚醛树脂系统或改性酚醛树脂系统包含未改性酚醛树脂、硅改性树脂、NBR改性树脂、磷改性树脂和硼改性树脂。

根据示范性实施例，所述纤维选自包含聚丙烯酰胺、PAN、

纤维素纤维和

钢纤维的群组。

优选地，纤维是钢纤维。出于环境原因，该纤维摆脱了芳纶纤维家族。

根据示范性实施例，所述润滑剂包含金属硫化物、有机润滑剂和金属润滑剂的至少一种。替代性地，润滑剂包含金属硫化物复合物。仍然进一步的是，润滑剂可选自包含硫化锡、硫化锌、硫化铁、硫化钼、锡粉和锌粉的群组。

优选地，出于环境原因，润滑剂摆脱了三硫化二锑和三氧化锑。

根据示范性实施例，所述研磨剂选自包含

矿物纤维、

氧化锆、

锆石、

硅酸锆、

云母、

矾土、

陶瓷纤维、

硅酸钙镁、

硅酸钙镁锆（calciummagnesiumzirconiumsilicate）、

硅酸钙铝镁（calciummagnesiumaluminumsilicate）、

硅酸铝镁、

合成矿物纤维的群组；所述合成矿物纤维例如硬棉（hardwool）、渣棉和岩棉、硅石、二氧化硅、沙、碳化硅、氧化铁、铬铁矿（ironchromite）和氧化镁。

该摩擦材料还包含研磨剂。研磨剂典型地按其摩氏硬度来分类。

碳内容物包含天然石墨、合成石墨、石油焦、去硫石油焦和炭黑。

摩擦材料可包含按材料体积计形成约6-21%的填充剂。填充剂可包含选自以下群组的至少一种材料，所述群组包含：石灰、氧化钙、氢氧化钙、滑石、碳酸钙、硅酸钙、重晶石、橡胶（例如橡胶粉或再生橡胶碎屑）和各种类型的摩擦灰尘。

附图说明

图1是包含有根据本发明实施例的摩擦材料的示范性制动衬片的主视图。

具体实施方式

本发明是用于盘式制动衬片的新摩擦材料和其他制动材料，其包含粘结剂、纤维、至少一种润滑剂、研磨剂、碳组分和可选地其他材料。制动材料大致上没有铜或铜的合金（例如黄铜和青铜）。

本发明涉及摩擦材料，并尤其涉及用于车辆和其他应用的、大致上无铜的盘式制动衬片。摩擦材料是由粘结剂、纤维、润滑剂、研磨剂或摩擦改性剂、和其他材料形成的低碳钢材料。

用于盘式制动衬片的摩擦材料在宽范围的操作条件下必须具有一致且可靠的性能。由于车辆的盘式制动衬片在经受极端条件和苛刻条件的同时需要可靠的止动器（stop）和长寿命，制造商一贯地已经尝试去改进其制动衬片的性能。同时，归因于新规则或预期规则，制动衬片制造商试图从制动衬片去除铜和铜合金。虽然一些制造商已试图部分地去除了铜或铜合金，但他们不能在维持足够性能和特征的同时，成功地完全取代铜并因此去除铜；所述足够性能和特征包含止动能力、优良的高温抗性、最小的高温衬片磨损、最小的转子磨损、和在较高使用温度（servicetemperature）下优良的衬片完整性。

如上所述，盘式制动衬片或摩擦材料由具有粘结剂、纤维、润滑剂、研磨剂、碳组分和可选的其他材料的材料形成。无铜低碳钢制动材料也大致上无石棉、锑、黄铜、青铜和铜合金。

摩擦材料通常包含诸如酚醛树脂的粘结剂，所述酚醛树脂可能是不做修饰的酚醛树脂或改性酚醛树脂。改性粘结剂的实例可包含硅树脂、丙烯酸、环氧树脂和亚硝酸盐改性粘结剂。粘结剂按体积计通常形成约8-18%的最终组合物。粘结剂典型地用于产生将摩擦材料内的所有其他成分固定在一起的基体。许多制造商混合各种粘结剂来改进性能特征。粘结剂系统也可包含两种类型的系统的混合物，其至少一种是酚醛类型的粘结剂。

摩擦材料也包含钢纤维，其按体积计通常形成约5-14%的最终的摩擦材料组合物。纤维典型地用于在摩擦材料内提供完整性和结构强度。许多制造商混合各种纤维和纤维长度来改进摩擦材料的制动特征的性能。出于环境原因，使用的纤维没有芳纶材料。

摩擦材料也包含至少一种润滑剂。摩擦材料中包含有润滑剂，从而在服务过程中降低衬片和圆盘的磨损。摩擦材料包含按体积计的、最终的摩擦材料组合物的约小于或等于6%。润滑剂可包含金属硫化物、金属润滑剂或其组合。金属硫化物的实例包含但不限于硫化锡、硫化锌、硫化铁、硫化钼。金属润滑剂的实例包含锡粉和锌粉。各种金属硫化物复合物在市场中也是可使用的，其典型地含作为其中一种主要成分的锡硫化物。出于环境原因，润滑剂没有三硫化二锑和三氧化锑。

摩擦材料还包含研磨剂。研磨剂按体积计通常形成约10-27%的最终的摩擦材料组合物。研磨剂典型地按其摩氏硬度来分类。研磨剂的实例包含矾土、氧化镁、硅酸锆、硅石、二氧化硅、沙、碳化硅、多铝红柱石、云母、铬铁矿、复合矿物硅酸盐（例如，硅酸钙镁、硅酸钙镁锆、硅酸钙铝镁和硅酸铝镁）。

硬研磨剂—在摩氏硬度尺度内具有较高值的那些—通常按低浓度使用，而柔和研磨剂—在摩氏硬度尺度内具有较低值的那些—典型地按较高浓度使用，从而实现相同的所需摩擦水平。

摩擦材料内包含的其他成分通常形成了约42-72%的最终的摩擦材料的组合物。其他成分通常用作填充剂或改性剂，从而创造出特定的性能特征。例如，其他成分通常提供该配方的主要部分（bulk）、降低成本、提供降低的噪声、以及有助于采用均匀传递层涂覆转子表面。

其他成分的实例为碳内容物和填充剂，所述碳内容物包含石墨、石油焦、去硫石油焦，所述填充剂包含石灰、氧化钙、氢氧化钙、硅酸钙、硫酸钡、橡胶（包含各种粉末橡胶和再生橡胶）和各种类型的摩擦灰尘（包含棕色、黑色、不做修饰的、改性的或其他级别的摩擦灰尘）。

以下实例1提供了使用本发明的、具有足够性能特征的一些示范性摩擦材料。该实例评估了混合、按压、物理压缩、成本和在室温下粘合到背板。为简明起见，以下描述的组合物的量已经四舍五入为一最接近的数。

实例1

实例1的混合物的各成分通常在标准混合器下制备约10分钟，接着将其按压到加压硫化模具（presscuremould）中，并随后如本领域众所周知的那般进行烘烤。就全部的以上所需特征而言，发现这一实例1中的以上摩擦材料组合物具有良好的全面特征。使用以上配方制造的材料具有与其内典型包含铜或铜合金的摩擦配方可比的性能特征。

无铜摩擦材料的属性

性能

采用总体性能测试进度表时，无铜摩擦材料具有与传统摩擦配方可比的性能，所述传统摩擦配方其内典型地包含铜或铜合金。新材料具有更好的速度灵敏度、特别是在高温下。无铜配方的压缩弹性模量非常高（见表1），其对刹车系统的功能而言是重要的。

表1，压缩E-模量比较

	无铜配方	具有铜的配方
			压缩E模量MPa	750-1100	～590

磨损

在100-300℃的温度范围内，无铜摩擦材料具有良好的衬片磨损特性和圆盘磨损特性。在不同工作条件下的车辆上，无铜摩擦材料具有与典型含铜或铜合金的摩擦配方相同水平的衬片使用寿命，同时具有更好使用寿命的制动圆盘。

圆盘开裂

制动衬片的较低压缩性通常导致受损的圆盘开裂。新材料与其内典型包含铜或铜合金的摩擦配方保持相同水平的圆盘开裂，但具有较低的压缩性。较低压缩性对诸如气压盘式制动器的功能而言是积极因素。

Claims (17)

1.一种用于制动衬片的低碳钢摩擦材料，其特征在于，包含：

-按体积计形成8-18％的粘结剂；

-按体积计形成5-14％的钢纤维；

-按体积计形成高达6％的至少一种润滑剂；

-按体积计形成10-27％的至少一种研磨剂；

-按体积计形成36-51％的至少一种碳内容物组分；以及

-按体积计形成6-21％的至少一种填充剂；

其中，所述摩擦材料无铜。

2.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述粘结剂包含改性酚醛树脂。

3.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述粘结剂包含不做修饰的酚醛树脂系统的混合物、改性酚醛树脂系统的混合物、或至少一个不做修饰的酚醛树脂系统和至少一个改性酚醛树脂系统的混合物。

4.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述粘结剂不是酚醛树脂。

5.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述粘结剂是酚醛树脂和非-酚醛树脂的混合物。

6.根据权利要求1、2或5所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述粘结剂包括一个不做修饰的酚醛树脂系统或一个改性酚醛树脂系统。

7.根据权利要求6所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述改性酚醛树脂系统包含硅改性树脂、NBR改性树脂、磷改性树脂和硼改性树脂。

8.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述润滑剂包括金属硫化物、有机润滑剂和金属润滑剂的至少一种。

9.根据权利要求8所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述润滑剂为金属硫化物复合物。

10.根据权利要求8所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述润滑剂选自包括硫化锡、硫化锌、硫化铁、硫化钼、锡粉和锌粉的群组。

11.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述研磨剂选自包括矿物纤维、氧化锆、锆石、硅酸锆、云母、矾土、陶瓷纤维、硅酸钙镁、硅酸钙镁锆、硅酸钙铝镁和硅酸铝镁的群组。

12.根据权利要求11所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述研磨剂为合成矿物纤维。

13.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述研磨剂选自包括氧化锆、锆石、硅酸锆、云母、矾土、陶瓷纤维、硅酸钙镁、硅酸钙镁锆、硅酸钙铝镁、硅酸铝镁、二氧化硅、沙、碳化硅、氧化铁、铬铁矿和氧化镁的群组。

14.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述碳内容物组分包括选自包括天然石墨、合成石墨、石油焦、和炭黑的群组的至少一种。

15.根据权利要求14所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述碳内容物组分为去硫石油焦。

16.根据权利要求1所述的低碳钢摩擦材料，其特征在于，所述填充剂本质上包括氢氧化钙、石灰、硫酸钡和摩擦灰尘的混合物。

17.一种制动衬片，其特征在于，包括背板和根据权利要求1-16中任一权利要求所述的低碳钢摩擦材料。