CN103881657A

CN103881657A - 一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103881657A
Application number: CN201410110210.6A
Authority: CN
Inventors: 刘城; 鲁燕
Original assignee: YANTAI SHENGRUI BRAKE SYSTEM Co Ltd
Current assignee: YANTAI SHENGRUI BRAKE SYSTEM Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明公开了一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料及其制备方法，其特征在于以重量计其包括以下组分：酚醛树脂6-12%，陶瓷纤维2-10%，有机纤维2-8%，橡胶2-10%，石墨4-12%，钛酸钾片晶10-25%，矿物纤维3-15%，金属硫化物复合物4-20%，増磨剂：6-20%，填料：5-20%。该发明制得摩擦材料具有优异的摩擦磨损性能，较高的导热性能，优良的抗高温衰退性能，摩擦系数稳定，噪音性能优异。

Description

一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料及其制备方法，属于摩擦材料技术领域。

背景技术：

当今世界随着科技进步，更多的新技术应用于汽车制造领域，也使得汽车朝着高速高载方向发展；同时人们也对舒适性提出了特别高的要求。对制动技术要求的提高，也不仅仅是表现在保证安全方面。摩擦材料产品应在满足制动要求的基础上还应满足低噪音，高寿命，低粉尘，不攻击对偶等要求。

随着各个国家环境保护意识的增强，对环境保护的力度越来越大，纷纷推出各自的法规要求，对摩擦材料的组成提出限制。如欧洲REACH法规对铅及其化合物，六价铬及其化合物，镉及其化合物，汞及其化合物等重金属以及提出了限制要求；鉴于摩擦材料中的铜为环境中铜污染的重要来源，美国加利福尼亚州通过法规对铜提出了限用要求，2021年摩擦材料中铜含量需要低于5%，2025年摩擦材料中铜含量低于0.5%。摩擦材料在满足性能和舒适性的基础上，同时也要满足各个国家提出的越来越严力的环境法规要求。

这就对制动材料提出更加苛刻的要求，在某些工况下，盘式制动器制动时瞬时温度可达到200〜400摄氏度，在高速运动模式下频繁制动，温度高达600摄氏度以上，如何能够使在停刹间隙把积聚的热量快速散发出去，这就需要摩擦材料具有较高的导热系数，与此同时材料还需有良好的摩擦磨损性能，这样才能提高制动材料的使用寿命。

铜及其合金材料黄铜和青铜制作而成的粉或者纤维成为一种常规的摩擦材料的添加剂。主要是利用铜质材料质软，具有自润滑特性，同时还具有良好的导热性，导热系数高，利于摩擦产生的热量快速地散去，且有利于形成摩擦转移膜面，同时铜纤维具有增强效果。但其同石棉一样，作为摩擦材料添加组分，尽管有优异的性能，也因为新的环保法规的要求，将要退出历史舞台。

纵观摩擦材料使用历程，乘用车制动材料材料发展经历了半金属，低金属，陶瓷基摩擦材料的历程。半金属配方具有良好的导热性和耐高负荷性，强度高，成本低，技术成熟等特点被广泛应用。但也存在硬度高，易攻击对偶，容易产生噪音，容易锈蚀，速度敏感性差等问题。低金属配方摩擦性能高，制动反应灵敏，具有较好的压缩性，因金属含量较半金属低，硬度较低，不易攻击对偶。但也存在磨损大，落粉严重以及噪音等缺陷。陶瓷基摩擦材料耐高温、热衰退好、耐磨性能优异、具有较好噪音和振动性能，非常适合高性能乘用车的制动要求。但现有陶瓷基刹车片性能不够稳定，很多刹车片在高温时，其摩擦性能易衰退、容易出现抱死或拖磨现象。同时由于组分搭配不合理，出现金属镶嵌现象。有时甚至出现摩擦材料膨胀，摩擦表面裂纹等严重质量问题；同时由于对铜使用的限制，传统的含铜摩擦材料竟不能够满足新的环保要求。

因此急需开发一种无铜、无金属环保、具备多孔性结构原料，在各种极端工况条件下仍然具有稳定的摩擦性能，驾驶舒适性好、制动噪音小、耐磨性能好、对摩擦对偶磨损小的陶瓷基摩擦材料。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种导热性能优异，抗热衰退性能好，低磨损，摩擦系数稳定，低噪音或无噪音，具备较长使用寿命和舒适性的无铜无金属的高性能环保型陶瓷基摩擦材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于以重量计其包括以下组分：酚醛树脂6-12%，陶瓷纤维2-10%，有机纤维2-8%，橡胶2-10%，石墨4-12%，钛酸钾片晶10-25%，矿物纤维3-15%，金属硫化物复合物4-20%，増磨剂：6-20%，填料：5-20%。

为了进一步实现本发明的目的，所述的酚醛树脂为纯酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂，硼改性树脂或者丁腈橡胶中的至少一种。

为了进一步实现本发明的目的，所述的有机纤维为纤维素纤维、芳伦浆粕、PAN浆粕，碳纤维中的至少一种。

为了进一步实现本发明的目的，所述的橡胶为丁腈胶粉，丁苯胶粉，回收橡胶粉与摩擦粉中的至少一种。

为了进一步实现本发明的目的，所述的矿物纤维为荷兰Lapinus公司生产的RB系列矿物纤维。

为了进一步实现本发明的目的，所述的金属硫化物复合物为硫化铜、硫化铁、硫化锰、硫化锌，硫化锡，二硫化钼中的至少两种。

为了进一步实现本发明的目的，所述的増磨剂为氧化铁，氧化镁，氧化锌，氧化铝，氧化锆，硅酸锆，碳化硅，氮化硅中的至少一种。

为了进一步实现本发明的目的，所述的填料为硫酸钡，碳酸钙，萤石，氢氧化钙中的的至少一种。

一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）材料混合：

a、取酚醛树脂、橡胶共混；

b、取金属硫化复合物，石墨与矿物纤维进行共混；

c、称取填料重量的50%与有机纤维共混，对有机纤维进行预开松；

d、取剩余的填料、陶瓷纤维、钛酸钾片晶、増磨剂，与步骤a、b、c中的混合物料搅拌混合；

（2）热压：将上述混合物料采用正模压制，设置温度为:顶板175摄氏度，模腔为160摄氏度，模芯为160摄氏度；压制力为200-300kgf/cm2,压制4-6分钟；

（3）后处理：将热压后的材料在200〜230°C下保温3〜5小时，然后降温，得到无铜无金属的高性能环保型陶瓷基摩擦材料。

金属硫化复合物具有良好的低温润滑，抗热衰退性能以及高温粘结性能，能够保证产品的高温高速性能并有效降低产品磨损。另外实验表明加入金属复合硫化物可以明显改善有机纤维及其他矿物纤维的力学性能，在制动过程中还能吸收部分制动过程的制动噪音，无疑这种材料是理想的摩擦材料。这种材料粉末状结构，是一种无毒无害的物质，不存在可吸入纤维，因此不会对工作环境有利的影响。

有机纤维是一种高模量高强度的纤维，质轻。它耐高温，在高温段不发生无蠕变，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，具有较高的导热性能，在制动过程中更加有利于热量的散失。金属硫化复合物的加入能进一步改善有机纤维的导热性，并能提高其他矿物纤维的导热性。从而能达到很好的抗热衰退性能。并能很好的降低磨损。

本发明在不使用铜、无金属的条件下，用金属硫化复合物对矿物纤维进行改性和表面处理，两者的协同效应既能发金属硫化物良好的摩擦磨损性能，又能发挥矿物纤维良好的力学骨架性能。使得本发明所述的摩擦材料在高温情况下有相对稳定的摩擦系数，从而具有舒适的制动减速感，并且有磨损率较小、力学性能好的特点，属于一种环境友好型材料。由于这几种材料配合后具有较高的导热性能，使得制得的摩擦材料具有较高的导热系数，在摩擦制动过程，及时的散去了摩擦产生的热量，使得摩擦表面的温度有效的降低，摩擦磨损性能也得到了明显的提高。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：

1、本发明具有优异的导热性能，保证了摩擦材料在高温，高负荷工况下摩擦材料的稳定，提高了摩擦材料的抗热衰退性能，在各种工况下，特别是高速，高温，高负荷情况下提供良好稳定的制动力输出，具备较长使用寿命和舒适性。

2、在无铜无金属环境下，金属硫化物复合物对矿物纤维进行改性，使得摩擦产生的热量能够按照纤维径向传导，达到良好的散热效果。两者的协同，依然能够保持使摩擦材料保持良好的摩擦性能，两者的存在有效的补足了含有铜的陶瓷型刹车片中铜的作用。

3、本发明的摩擦材料，因为金属硫化物的添加以及集中金属硫化物的协同效应，使得摩擦过程中更容易产生转移膜，稳定了摩擦系数，降低了磨损量，同时提高了刹车片的耐热性。

具体实施方式：下面对本发明的具体实施方式做详细说明：

实施例1：原料按重量百分比配方如下：

纯酚醛树脂4%、有机硅改性酚醛树脂5%、陶瓷纤维8%、纤维素纤维3%、碳纤维3%、丁腈胶粉2%、丁苯胶粉4%、回收橡胶粉2%、石墨12%，钛酸钾片晶18%、荷兰Lapinus公司生产的RB210矿物纤维6%、硫化铁3%、硫化锰3%、硫化锡4%、氧化锆10%、硅酸锆、硫酸钡3%、萤石2%。

制备方法：

（1）材料混合：

a、取纯酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、丁腈胶粉、丁苯胶粉、回收橡胶粉共混；

b、取硫化铁、硫化锰、硫化锡、石墨与荷兰Lapinus公司生产的RB210矿物纤维进行共混；

c、称取硫酸钡重量的50%、萤石重量的50%与纤维素纤维、碳纤维共混，对纤维素纤维、碳纤维进行预开松。

d、取剩余的硫酸钡和萤石、陶瓷纤维、钛酸钾片晶、氧化锆、硅酸锆，与步骤a、b、c中的混合物料搅拌混合；

（2）热压：将上述混合物料采用正模压制，设置温度为:顶板175摄氏度，模腔为160摄氏度，模芯为160摄氏度。压制力为200-300kgf/cm2,压制4-6分钟；

（3）后处理：将热压后的材料在200〜230°C下保温3〜5小时，然后降温，得到无铜无金属的高性能环保型陶瓷摩擦材料。

实施例2：原料按重量百分比配方如下：

硼改性树脂7%、陶瓷纤维10%、芳伦浆粕3%、丁腈胶粉4%、摩擦粉2%、石墨8%、钛酸钾片晶25%、荷兰Lapinus公司生产的RB250矿物纤维8%、硫化铜3%、硫化锰2%、硫化锌2%、硫化锡3%、二硫化钼2%、氧化锆8%、硅酸锆8%、硫酸钡5%。

制备方法：

（1）材料混合：

a、取硼改性树脂、丁腈胶粉、摩擦粉共混；

b、取硫化铜、硫化锰、硫化锌、硫化锡、二硫化钼，石墨与荷兰Lapinus公司生产的RB250矿物纤维进行共混；

c、称取硫酸钡重量的50%与芳伦浆粕共混，对芳伦浆粕进行预开松。

d、取剩余的硫酸钡、陶瓷纤维、钛酸钾片晶、氧化锆、硅酸锆，与步骤a、b、c中的混合物料搅拌混合；

实施例3：原料按重量百分比配方如下：

纯酚醛树脂4%、硼改性树脂2%、丁腈橡胶6%、陶瓷纤维2%、纤维素纤维2%、丁腈胶粉6%、丁苯胶粉4%、石墨5%、钛酸钾片晶10%、荷兰Lapinus公司生产的RB220矿物纤维15%、硫化锌2%、硫化锡2%4%、氧化铁8%、氧化镁5%、氧化锌4%、氧化铝3%、硫酸钡14%、碳酸钙6%。

制备方法：

（1）材料混合：

a、取纯酚醛树脂、硼改性树脂、丁腈橡胶、丁腈胶粉、丁苯胶粉共混；

b、取硫化锌、硫化锡、石墨与荷兰Lapins公司生产的RB220矿物纤维进行共混；

c、称取硫酸钡重量的50%、碳酸钙重量的50%与纤维素纤维共混，对纤维素纤维进行预开松。

d、取剩余的硫酸钡和碳酸钙、陶瓷纤维、钛酸钾片晶、氧化铁、氧化镁、氧化锌、氧化铝，与步骤a、b、c中的混合物料搅拌混合；

实施例4：原料按重量百分比配方如下：

有机硅改性酚醛树脂6%、陶瓷纤维10%、芳伦浆粕5%、PAN浆粕3%、丁腈胶粉2%、石墨4%、钛酸钾片晶25%、荷兰Lapinus公司生产的RB205矿物纤维3%、硫化铜4%、硫化铁6%、硫化锰7%、二硫化钼3%2、碳化硅6%、碳酸钙6%、氢氧化钙10%。

制备方法：

（1）材料混合：

a、取有机硅改性酚醛树脂、丁腈胶粉共混；

b、取硫化铜、硫化铁、硫化锰、二硫化钼、石墨与荷兰Lapinus公司生产的RB205矿物纤维进行共混；

c、称取碳酸钙重量的50%、氢氧化钙重量的50%与芳伦浆粕、PAN浆粕共混，对芳伦浆粕、PAN浆粕进行预开松。

d、取剩余的碳酸钙和氢氧化钙、陶瓷纤维、钛酸钾片晶、碳化硅，与步骤a、b、c中的混合物料搅拌混合；

对比例：

采用以上实施例1、2制备的摩擦材料制成刹车片，经过1：1惯量台架试验机进行试验，试验结果如下：

表1 ：采用实施例1、2制备的摩擦材料制成刹车片与大众途安OEM原装刹车片摩擦系数对比

表2 ：采用以上实施例1、2制备的摩擦材料制成刹车片与大众途安刹车片磨损性能对比表-

表3：采用以上实施例1、2制备的摩擦材料制成刹车片与大众途安原装刹车片噪音各频率比例对比表

从对比例和实施例比较来看，在无铜无金属组分下，用金属硫化复合物改性有机纤维和矿物纤维的摩擦性能，明显高于大众途安的OEM片的性能，含有用金属硫化复合物改性有机纤维和矿物纤维的摩擦材料，其摩擦磨损性能有了很大的提升，摩擦系数在第一次衰退段相比较OEM产品高了将近 60%，磨损率也低了近20%，抗高温高速衰退性能更加明显。两者的搭配效果，有效的结合了两者的优势，协同增强了摩擦材料的摩擦磨损性能。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于以重量计其包括以下组分：酚醛树脂6-12%，陶瓷纤维2-10%，有机纤维2-8%，橡胶2-10%，石墨4-12%，钛酸钾片晶10-25%，矿物纤维3-15%，金属硫化物复合物4-20%，増磨剂：6-20%，填料：5-20%。

2.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的酚醛树脂为纯酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂，硼改性树脂或者丁腈橡胶中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的有机纤维为纤维素纤维、芳伦浆粕、PAN浆粕，碳纤维中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的橡胶为丁腈胶粉，丁苯胶粉，回收橡胶粉与摩擦粉中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的矿物纤维为荷兰Lapinus公司生产的RB系列矿物纤维。

6.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的金属硫化物复合物为硫化铜、硫化铁、硫化锰、硫化锌，硫化锡，二硫化钼中的至少两种。

7.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷摩擦材料，其特征在于所述的増磨剂为氧化铁，氧化镁，氧化锌，氧化铝，氧化锆，硅酸锆，碳化硅，氮化硅中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，其特征在于所述的填料为硫酸钡，碳酸钙，萤石，氢氧化钙中的的至少一种。

9.一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）材料混合：

a、取酚醛树脂、橡胶共混；

b、取金属硫化复合物，石墨与矿物纤维进行共混；