CN103821852B - 一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片 - Google Patents
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Abstract
一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片，是由腈纶浆粕、莫来石陶瓷纤维、水镁石纤维、纳米锡粉、硫化锌、棕刚玉、硫化锑、纤维素纤维、铁黑、碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、钛酸钾、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、鳞片铝粉、丁腈橡胶粉、酚醛树脂、纳米氢氧化锰、二硫化钼。本发明通过对多种成分进行合理的搭配,确保各种材料的优点在摩擦材料中得到充分的发挥。如多种新纤维材料的合理复合，不仅能相互弥补其各自性能的不足，还会因相互牵扯作用而产生高性能。本发明抗高温热衰退性能好，使用寿命长，并且耐磨性能良好，摩擦系数稳定，对环境非常友好。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车刹车片，尤其是涉及一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片。
背景技术
现在我们使用的汽车刹车片所使用的摩擦材料中含有很多重金属物质，包括铜、铬、镉、铅金属等。汽车在每次刹车过程中，就有少量的重金属粉尘释放并积累在环境中造成危害。如镉化合物经呼吸被体内吸收积存于肝或肾脏中，对人体肾脏、肝脏造成危害。含铜粉尘进入环境后可以对大马哈鱼等的鱼类造成生物毒害，据有关资料显示，环境中30%的铜污染是由汽车刹车片造成的。因此汽车刹车片对环境造成的影响，我们必须加以重视。目前，世界各国正研究如何克服此类现象蔓延。比如美国华盛顿州州长克里斯格力高尔在该州2010年第61届立法会上签署并通过了SB6557号法案，该法案旨在逐渐在汽车刹车片中禁止使用铜，并对违反者给予严厉惩罚。其规定是：自2014年1月1日起，汽车摩擦材料的制造商，批发商，零售商，经销商在华盛顿州内销售或者销往华盛顿的摩擦材料含有的以下物质不得超过限量：1、石棉纤维，不得超过总重量的1%；2、镉及其化合物不得超过总重量的0.01%；3、铬盐不得超过总重量的0.1%；4、铅及其化合物不得超过总重量的0.1%；5、汞及其化合物不得超过总重量的0.1%。自2021年1月1日起，汽车摩擦材料的制造商，批发商，零售商，经销商在华盛顿州内销售或者销往华盛顿的摩擦材料含有的铜不得超过总重量的5%。同时，工业，安全，环境专家成立了咨询委员会，研究和评估在未来将铜的含量限制在0.5%的可行性。
无独有偶，同样是在2010年，加州州长斯瓦辛格（Schwarzenegge）签署并通过了SB346号法案，要求所有的汽车刹车片制造商减少所有在加州出售的刹车片摩擦材料中铜的用量，到2021年不能超过5%，到2025年不能超过0.5%。
随着现代汽车工业的发展和社会环保意识的提高，目前汽车摩擦材料在材质、制造工艺等方面都取得了重大的进展，出现了很多陶瓷刹车片，它具有使用寿命长、 无锈蚀、摩擦系数高、噪音低等优点。但目前国外公司均将陶瓷刹车片的配方视为商业机密，而国内已公开的刹车片的配方设计还不够完善，主要表现为：性能不够稳定，很多刹车片在高温时，其摩擦系数易衰退、甚至出现摩擦材料膨胀，摩擦表面有裂纹等严重技术问题。
发明内容
本发明提供一种刹车噪音低、热传导效果好、含铜量少的摩擦材料的微晶组合物刹车片，解决现有汽车刹车片中的铜等重金属物质含量超标，刹车时噪音较高，对环境危害较大，摩擦系数易衰退、甚至出现摩擦材料膨胀，摩擦表面有裂纹等技术问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片，由下列重量份的组分配比制成：
腈纶浆粕8～10份、莫来石陶瓷纤维12～18份、水镁石纤维3～5份、纳米锡粉4～8份、硫化锌10～12份、棕刚玉5～6份、硫化锑6～8份、纤维素纤维8～10份、铁黑3.5～5份、碳酸钙晶须5～8份、硫酸钙晶须8～10份、钛酸钾10～14份、鳞片石墨5.5～7份、煅烧石油焦碳6～8份、鳞片铝粉3～5份、丁腈橡胶粉2～4份、酚醛树脂6～10份、纳米氢氧化锰0.8～1.2份、二硫化钼6～10份；
制作上述采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片的方法是：按重量比将腈纶浆粕、莫来石陶瓷纤维、水镁石纤维、纳米锡粉、硫化锌、棕刚玉、硫化锑、纤维素纤维、铁黑、碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、钛酸钾、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、鳞片铝粉、丁腈橡胶粉、酚醛树脂、纳米氢氧化锰、二硫化钼倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
本发明中，腈纶浆粕内部微孔丰富，表面具有大量的极性基团，与基体的界面黏合性能很好，加工过程中不会产生大量粉尘，而且腈纶浆粕会提高刹车片在高温时的摩擦稳定性。
莫来石陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点。
水镁石纤维[Mg(OH)2]是一种纤维状的氢氧镁石，可用作增强材料和填料。
纳米锡粉（粒径50nm）是一种无毒环保的摩擦材料，能替代有污染的铜质原料。
硫化锌能均匀的与其他摩擦材料混合，具有散热均匀的效果，能够提高摩擦系数，起到增摩效果。
棕刚玉具有纯度高，结晶好，流动性强，线膨胀系数低，耐腐蚀的特点，可作为摩擦材料的骨料和填充料。
硫化锑是由辉锑矿经过精选和化学提纯而得，为黑色固体粉末。它的熔点比较低，能防止高温时材料的氧化燃烧，保持材料的摩擦稳定性，提高材料的抗烧蚀性能；还能降低有机粘合剂在高温时的分解速度，提高材料的使用寿命，起到了高温无机粘合剂和润滑摩擦调整剂的作用。此外硫化锑以及在摩擦过程中高温反应的硬度都比较低，可以减少摩擦材料制动时产生的噪音和震动。
纤维素纤维分散性好，比重小、气孔率高，应用于摩擦材料科改善摩擦性能，降低刹车噪音。
铁黑能提高制品的摩擦性能有利并有着色作用。
硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外线反射性良好、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。碳酸钙晶须是一种新型无机填充料，无毒无气味，具有优良的机械强度，能使摩擦材料在使用过程中能减振、降噪，摩擦系数高，耐磨性能和耐热性能好，摩擦性能稳定，热衰退和热恢复性能好，再加上其成本低廉易得，可降低摩擦材料的成本。
钛酸钾可用作绝热材料，与石棉相比，摩擦力约减少50%，磨耗量约减少32%。
鳞片石墨(60～80目)用于摩擦材料能减小摩擦材料的热衰退，稳定摩擦材料的摩擦系数。
摩擦材料中加入一定比列的煅烧石油焦碳（20～30目）能使摩擦材料具有完美的综合性能，有利于防止金属粘着，提高摩擦性能。另外，该焦碳的气空率较高，可以提高摩擦材料的摩擦系数，减少制动噪音，减轻高温时摩擦材料的热衰退。
鳞片铝粉采用纯度高的熟铝为原料加工而成，在摩擦材料中起到稳定摩擦系数和降低磨损的作用。在摩擦过程中金属铝的熔化吸收了大量的热能，起到了散热的作用；金属铝比较柔软用于摩擦材料不易伤轱、伤盘，可延长刹车系统的使用寿命。此外铝比重较轻，能降低材料的重量，铝在摩擦材料的表面分布很均匀，令摩擦材料的表面美观漂亮。
丁腈橡胶粉和酚醛树脂，可作为粘结剂，具有优良的粘结性能。
纳米氢氧化锰的分散稳定性好，纳米级的氢氧化锰粉末会沉积在表面凹处起到润滑作用，减少摩擦材料的磨耗。
二硫化钼本身具有润滑作用，它能形成抗磨转移膜，改变摩擦接触的形式，从金属与高聚物复合材料的干摩擦接触，变为高聚物与高聚物接触，因而提高了摩擦材料的摩擦耐磨性能和承载能力，保护了价格昂贵的对偶部件，还可减轻摩擦震颤和噪音。
本发明通过对多种成分进行合理的搭配,确保各种材料的优点在摩擦材料中得到充分的发挥。如多种新纤维材料的合理复合，不仅能相互弥补其各自性能的不足，还会因相互牵扯作用而产生高性能。本发明不使用含铜、铬等重金属原料，不会造成重金属污染，因此对环境非常友好。同时在使用过程中，可以形成优异的摩擦层和转移膜，试验表明，本发明抗高温热衰退性能好，使用寿命长，并且耐磨性能良好，摩擦系数稳定。应用本发明后，汽车刹车灵敏，制动平稳，无制动尖叫声，舒适性能较好，并且对偶盘无损伤。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：按重量比将腈纶浆粕8份（每份100克，下同）、莫来石陶瓷纤维12份、水镁石纤维3份、纳米锡粉4份、硫化锌10份、棕刚玉5份、硫化锑6份、纤维素纤维8份、铁黑3.5份、碳酸钙晶须5份、硫酸钙晶须8份、钛酸钾10份、鳞片石墨5.5份、煅烧石油焦碳6份、鳞片铝粉3份、丁腈橡胶粉2份、酚醛树脂6份、纳米氢氧化锰0.8份、二硫化钼6份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例2：按重量比将腈纶浆粕10份、莫来石陶瓷纤维13.5份、水镁石纤维3.5份、纳米锡粉5份、硫化锌11份、棕刚玉5.25份、硫化锑6.5份、纤维素纤维8.5份、铁黑4.6份、碳酸钙晶须6份、硫酸钙晶须9.5份、钛酸钾13.3份、鳞片石墨6.5份、煅烧石油焦碳7份、鳞片铝粉4份、丁腈橡胶粉4份、酚醛树脂9份、纳米氢氧化锰1.1份、二硫化钼9份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例3：按重量比将腈纶浆粕9份、莫来石陶瓷纤维15份、水镁石纤维4份、纳米锡粉6份、硫化锌11份、棕刚玉5.5份、硫化锑7份、纤维素纤维9份、铁黑4.25份、碳酸钙晶须7份、硫酸钙晶须9份、钛酸钾12份、鳞片石墨6.3份、煅烧石油焦碳7份、鳞片铝粉4份、丁腈橡胶粉3份、酚醛树脂8份、纳米氢氧化锰1份、二硫化钼8份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例4：按重量比将腈纶浆粕9份、莫来石陶瓷纤维16.5份、水镁石纤维4.5份、纳米锡粉7份、硫化锌11.5份、棕刚玉5.75份、硫化锑7.5份、纤维素纤维9.5份、铁黑4.3份、碳酸钙晶须8份、硫酸钙晶须9.5份、钛酸钾13份、鳞片石墨6.3份、煅烧石油焦碳7.5份、鳞片铝粉4.5份、丁腈橡胶粉3.5份、酚醛树脂9份、纳米氢氧化锰1.1份、二硫化钼9份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例5：按重量比将腈纶浆粕10份、莫来石陶瓷纤维18份、水镁石纤维5份、纳米锡粉8份、硫化锌12份、棕刚玉6份、硫化锑8份、纤维素纤维10份、铁黑5份、碳酸钙晶须8份、硫酸钙晶须10份、钛酸钾14份、鳞片石墨7份、煅烧石油焦碳8份、鳞片铝粉5份、丁腈橡胶粉4份、酚醛树脂10份、纳米氢氧化锰1.2份、二硫化钼10份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
对比例（陶瓷摩擦片）：按重量比将芳纶纤维9份、7份喷胶硅酸铝纤维（长度为5-6mm ）、8份竹碳纤维、三氧化二铬2份、7份海泡石纤维 、16份陶瓷纤维、3份紫铜纤维（长度为2—4mm ）、8份超细氧化铁粉、3份磁铁矿粉、2份丁腈橡胶粉（100—150目）、12份酚醛树脂、10份重晶石粉（500—600目）、7份石墨颗粒、4份鳞片石墨（80目）、2.5份锆英石粉（280—320目）、3份氮化硼粉、0.5份氧化锌放入高速分散机内，搅拌成粉末状后取出，放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
为了验证本发明的效果，按中国GB5763-1998国家标准，对实施例1～5和对比例制备的刹车片分别进行惯性台架试验，其结果如下：
同时对以上实施例制得的刹车片按照美国SAE J2522标准进行试验，各实施例100℃—400℃的摩擦系数均在0.35～0.38之间，即使在500℃时，摩擦系数仍然大于0.2，磨损率也较现有市售产品低。
验证结果表明：本发明中没有加入铜、铬等重金属的使用，不会造成重金属污染，环保效果显著。通过对配方的合理设计，使得本发明配方制备的刹车片的摩擦磨损性能和抗高温热衰退性能优良，在500℃时摩擦系数仍然在0.2以上，因此性能非常可靠。
将本发明制备的刹车片安装在宝马X5suv车上,反复制动后表明：本发明刹车灵敏,制动平稳，同时无噪音，脚感舒适。
Claims (2)
1.一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片，由下列重量份的组分配比制成：
腈纶浆粕8～10份、莫来石陶瓷纤维12～18份、水镁石纤维3～5份、纳米锡粉4～8份、硫化锌10～12份、棕刚玉5～6份、硫化锑6～8份、纤维素纤维8～10份、铁黑3.5～5份、碳酸钙晶须5～8份、硫酸钙晶须8～10份、钛酸钾10～14份、鳞片石墨5.5～7份、煅烧石油焦碳6～8份、鳞片铝粉3～5份、丁腈橡胶粉2～4份、酚醛树脂6～10份、纳米氢氧化锰0.8～1.2份、二硫化钼6～10份；
制作上述无铜微晶摩擦材料的环保刹车片的方法是：按重量比将腈纶浆粕、莫来石陶瓷纤维、水镁石纤维、纳米锡粉、硫化锌、棕刚玉、硫化锑、纤维素纤维、铁黑、碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、钛酸钾、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、鳞片铝粉、丁腈橡胶粉、酚醛树脂、纳米氢氧化锰、二硫化钼倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，然后与钢背复合后放入平板硫化机于高温270℃，压力为18MPa的条件下，保持15分钟，然后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
2.根据权利要求1所述的一种采用无铜微晶摩擦材料的环保刹车片，其特征是所述刹车片的配方为：腈纶浆粕9份、莫来石陶瓷纤维15份、水镁石纤维4份、纳米锡粉6份、硫化锌11份、棕刚玉5.5份、硫化锑7份、纤维素纤维9份、铁黑4.25份、碳酸钙晶须7份、硫酸钙晶须9份、钛酸钾12份、鳞片石墨6.3份、煅烧石油焦碳7份、鳞片铝粉4份、丁腈橡胶粉3份、酚醛树脂8份、纳米氢氧化锰1份、二硫化钼8份。
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