CN105086935A - 摩擦材料 - Google Patents

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Abstract

一种摩擦材料，如那些属于NAO或LS种类的摩擦材料，其基本上无铜并且包括粉末和/或纤维形式的非球形颗粒，各个非球形颗粒均由优选地铁质金属芯以及由所述芯的至少部分涂层构成，至少部分涂层至少部分地或全部由锡和/或锡化合物、优选地基于Fe-Sn金属间化合物形成。

Description

摩擦材料
技术领域
本发明涉及摩擦材料，该摩擦材料将用于制造用于摩擦元件(诸如制动元件(例如用于车辆的制动闸片或制动闸瓦)和/或离合器盘)的摩擦层，所述摩擦材料无石棉并且更一般而言优选地属于被称为NAO(“无石棉有机摩擦材料”)和LS(“少钢型摩擦材料，LowSteelfrictionmaterial”)的摩擦材料种类。
具体而言，本发明涉及以下摩擦材料，该摩擦材料能够减少布置在摩擦元件(制动元件或离合器盘)上的摩擦层的磨损、以及特别是待制动的元件(例如，车辆的制动盘或制动鼓)或与摩擦元件配合使用的元件(在技术术语中定义为“摩擦伙伴”)的磨损而同时维持良好的特性(诸如对于摩擦伙伴的配合表面的敏感度，该敏感度使得能够避免配合表面上的刮伤)和足够的制动能力(特别当温度高时的摩擦稳定性)。
背景技术
以上类型的摩擦材料包括五类成分：纤维材料基体、粘合剂和填料、一种或更多种润滑剂或摩擦改进剂、一种或多种磨料。过去在很大程度上使用石棉作为纤维材料，然而该材料存在相当大的环境问题并且对人类健康造成众所周知的毒性作用，并且鉴于该原因很长时间以来已经被法律所禁止。因此，这种材料被其他材料所取代，其他材料是无机材料(如岩棉、硅灰石和玻璃纤维)和有机材料(如芳纶纤维和碳纤维)两者、以及金属材料(如铜、锡、铁、铝和钢的粉末或纤维以及其他金属或金属合金如青铜和黄铜)。粘合剂通常是例如基于酚醛树脂的热固性聚合物。使用各种材料：作为填料，如重晶石(硫酸钡)、碳酸钙、滑石、氧化镁、蛭石；作为磨料，硅酸锆、氧化锆、氧化铝、碳化硅、云母；作为摩擦改进剂，金属硫化物(如二硫化钼、硫化铁)、铜、锡、石墨和/或焦炭。随后以较小百分比添加其他种类的材料，例如粉末或小颗粒形式的橡胶、“摩擦粉尘”、其他有机材料。
EP0151185教导了由至少部分地包覆有锡的铁粉末构成的材料及其制造工艺，该材料旨在通过烧结生产用于电气装置的磁芯。
US8536244涉及摩擦材料、特别涉及用于产生摩擦层的混合物或共混物，该混合物或共混物包括金属粉末和/或纤维、填料、润滑剂和有机化合物，其中以占0.5％至50％的百分比的锡、锡合金或锡化合物(通常是氧化物)以及占0.001％至约5％的百分比的铜的组合存在。此外，锡颗粒或粉末的表面积必须为1m2/g至5m2/g并且锡可以作为整体或部分地由施加在铁制成的圆形(球形)金属芯上的表面涂层构成。在实践中，该文件建议使用圆形颗粒的摩擦材料组合物，所述颗粒具有铁芯以及由锡或其合金与一定含量的铜(可能仅以痕量存在)组合的壳。
然而，为了保护环境并避免对人类健康的可能损害，越来越多的许多国家和国际规范不仅要求使用无石棉和重金属的摩擦材料，还要求使用铜含量减少或零铜含量的摩擦材料。
此外，根据US8536244的摩擦材料的制造非常昂贵。
因此，本领域中需要提供一种摩擦材料，该摩擦材料无石棉、无重金属(如镉或锑)和铜；具有良好的性能、降低的制造成本并且能够减少由其制成的摩擦元件以及特别是与摩擦元件配合的元件(“摩擦伙伴”)(特别是当这些元件由铸铁或钢制成时)的磨损。
发明内容
本发明的目的是提供一种摩擦材料，特别是属于被称为NAO和LS的摩擦材料种类，该摩擦材料能够克服现有技术的上述缺点并且制造起来不太昂贵。
因此，本发明涉及一种无石棉的摩擦材料，特别是如权利要求1中所限定的属于被称为NAO和LS的摩擦材料种类。
具体来说，根据本发明的摩擦材料由组合物或混合物或共混物形成，所述组合物或混合物或共混物包括至少一种纤维基体(包括无机纤维和/或有机纤维或金属纤维)、至少一种填料和至少一种有机粘合剂，该组合物或混合物或共混物基本上无铜(铜可能至多作为杂质存在)并且包括例如粉末和纤维两种形式的非球形颗粒，所述颗粒由具有不对称(具体来说非球形)形状并且至少部分地包覆有锡或锡化合物的层的金属(优选地为铁质)芯构成。
根据本发明的一个方面的由至少部分地包覆有锡或锡化合物的层的不对称形状的金属芯构成的非球形颗粒具有0.2微米至600微米(优选地0.2微米至250微米)的粒度和小于1m2/g(特别是0.1m2/g至0.3m2/g)的表面积，对于小于63微米的粒度部分而言，表面积在约0.2m2/g附近波动。
此外，每个颗粒的不对称形状的金属芯进而这些颗粒本身具有海绵状构造；芯优选地由铁或钢(铁碳合金)构成；颗粒的体密度(bulkdensity)为约2g/cm3左右并优选地等于2.34g/cm3。
根据本发明的另一个方面，由至少部分地包覆有锡或锡化合物的层的不对称形状的金属芯构成的粉末和纤维形式两者的非球形颗粒包括在涂层内的在锡与构成芯的金属之间的金属间化合物。尤其是，金属芯由铁或钢构成，并且锡以FexSny(其中1≤x≤5，1≤y≤3)型(例如FeSn和FeSn2)的铁锡金属间化合物的形式存在于部分或完全包覆芯的涂层内。
以上提及的具有部分地或完全包覆有锡和/或锡化合物的层并且所述层优选地含有Fe-Sn金属间化合物的金属(优选地为铁质)芯的非球形颗粒以0.5％至50％(优选地占3％至20％)的体积百分比存在于本发明的组合物或混合物或共混物中，并且颗粒的Sn含量以所存在的颗粒量的重量计为20％至30％。
用以形成本发明的摩擦材料的摩擦材料组合物可以包括按体积计0.001％至10％的固体润滑剂，例如锡的硫化物，如SnS和SnS2。
还期望在组合物中包括石墨和/或焦炭。
石墨可以是通常用于摩擦材料中的任意已知石墨。
石墨(和/或焦炭)以适当选定的量添加，优选地按总摩擦材料组合物的体积计为2％至15％。
用以形成本发明的摩擦材料的摩擦材料组合物可以包括FeMeSn三元金属间化合物(其中Me是不同于Fe的金属)。
优选地，本发明的摩擦材料除了基本上无铜之外，还包括粉末和/或纤维形式的非球形颗粒，各个所述非球形颗粒均由不对称形状的铁质(铁或钢)芯以及由至少部分地或者全部由Fe-Sn金属间化合物形成的、芯的至少部分涂层构成。
本发明最后还涉及存在由以上描述的摩擦材料制成的摩擦材料层的摩擦元件，特别是制动闸片或制动闸瓦。
本发明进一步涉及一种制动系统，该制动系统包括待制动元件和至少一个制动元件，所述待制动元件通过由铸铁或钢构成制动盘或制动闸瓦构成，所述至少一个制动元件通过设计成借助摩擦与待制动元件配合的制动闸片或制动闸瓦构成，其中制动元件存在旨在与待制动元件配合并且使用上述摩擦材料制成的摩擦层。
本发明的摩擦材料组合物的其他成分可以是本领域中已知的用于摩擦材料中的成分。
具体来说，纤维基体可以是不同于石棉的任意有机纤维或无机纤维，或者是常用在摩擦材料中的金属纤维的部分。示例性实施方案包括：无机纤维，如玻璃纤维、岩棉、硅灰石、海泡石和绿坡缕石；和有机纤维，如碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚酰胺纤维、酚醛纤维、纤维素和丙烯酸类纤维或PAN(聚丙烯腈)；金属纤维，例如钢纤维、不锈钢、锌、铝纤维等。
纤维基体可以以短纤维或粉末的形式使用。
本领域中已知许多材料可以用作有机填料或无机填料。说明性实例包括碳酸钙沉淀物、硫酸钡、氧化镁、氢氧化钙、氟化钙、熟石灰、滑石和云母。
这些化合物可以单独使用或者以其中两种或更多种的组合形成使用。这些填料的量优选为基于摩擦材料的总组合物按体积计2％至40％。
粘合剂可以是通常用于摩擦材料中的任意已知粘合剂。
适合的粘合剂的说明性实例包括酚醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂；各种改性酚醛树脂，如环氧改性酚醛树脂、油改性酚醛树脂、烷基苯改性酚醛树脂和丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)。
可以使用这些化合物中的任一种、或者两种或更多种的组合。以优选基于摩擦材料的总组合物的按体积计2％至30％的量包括粘合剂。
根据本发明的摩擦材料组分通常如下：
●粘合剂
●填料
●润滑剂/摩擦改进剂
●磨料
●纤维(无机/有机/金属)
●金属粉末
●包覆有Sn和Sn化合物(优选地Fe-Sn金属间化合物)的非球形金属颗粒。
通常通过将上述的特定量的纤维基体、粘合剂和填料在适合的混合器(诸如亨舍尔(Henschel)或罗地格艾氏(LoedigeEirich)混合器)中均匀地混合来制造本发明的摩擦材料。
用于本发明中的优选地不对称形状并且优选地至少部分地包覆有Sn和/或Sn化合物(优选地Fe-Sn金属间化合物)层的非球形铁质金属颗粒是市售的用于其他目的的并且通过将已经具有粒度和形状的期望特性的Fe粉末与液相锡反应来制造，或者它们可以根据EP0151185中描述的方法来制造。
注意，例如由http://thelibraryofmanufacturing.com/powder_processes.html所证明的，金属粉末天然存在本领域技术人员熟知的可变且不对称形状，从球形或简单的圆形到如海绵状、有角的、弓形、圆柱形、针状或立方体的形状变化。
在本发明中，不同于用于US8536244中的昂贵且难以获得的球形形状，非球形的不对称形状的铁质金属颗粒由于其减少的表面积并且因为该形状更容易获得两个原因，所以是优选的。
在150Kg/cm2至1800Kg/cm2的压力下在60℃至200℃的温度下执行制动闸片的压制3分钟至10分钟的持续时间，或者在模具内执行混合并且随后在150Kg/cm2至500Kg/cm2(14.7MPa至49MPa)的压力下在130℃至180℃的温度下压制3分钟至10分钟的持续时间。
通常借助持续时间达10分钟至10小时的150℃至400℃的热处理来对所得的经压制的制品进行后固化，该经压制的制品随后被喷涂或粉涂、窑干并且在制造最终产品必要的情况下可能进行机加工。
本发明的摩擦材料可以用于诸如用于汽车、卡车、有轨车辆和其他各种类型的车辆和工业机器或离合器盘中的盘片、制动闸瓦和内衬的应用中。
附图说明
现在将参照以下实际的实施例并且参照附图的图1至5来更详细描述本发明，附图示出：
-图1和3示出如根据本发明使用的用锡和其化合物包覆的金属颗粒的衍射和SEM(扫描电子显微镜)分析的结果；
-图2示出用于本发明中的颗粒的SEM图像，该图像突出显示其海绵状外观；以及
-图4和5给出制动效率测试的曲线图形式的结果。
具体实施方式
本文以说明的方式来报告实施例和比较例，并且实施例和比较例无意于限制本发明。
实施例
根据以下表格，以字母O、A和B标记所制备三种制剂。
表1
成分/类型 O B A
有机纤维 2.3 3.6 3.6
粘合剂 16.2 19.3 19.3
橡胶 2.3 2.3 2.3
石墨 6.5 7.6 7.6
氟化合物 3.1 3.1 3.1
氧化钡 4.4
强磨料 8.4 6.7 6.7
Sn硫化物 7.6
金属硫化物 5 5
氧化镁 5.1 5.1 5.1
铬铁矿 4.1 4.1 4.1
焦炭 20.5 20.5 20.5
柔和磨料 4.5 4.5 4.5
蛭石 3.2 3.2 3.2
钢纤维 10.9 10.9 10.9
SN粉末 3.2
金属粉末 0.9 0.9 0.9
包覆有Sn的非球形金属颗粒 3.2
总计 100 100 100
表1中示出的指示混合物/共混物的总体积的体积百分比值的成分在罗地格混合器中均匀地混合并且在160℃的温度下在20吨的压力下在模具中压制3分钟，从而通过在400℃下的热处理10分钟来固化，由此产生在字母“B”下指示的根据本发明的摩擦材料和在字母“O”下指示的根据现有技术的材料以及在字母“A”下指示的仅含有粉末形式的Sn的比较材料。
如所描述制造的制动闸片经受以下测试：
效率测试包括：在制动下运行、在不同流体压力下的制动、“冷”评估制动(<50℃)冷、高速公路模拟制动、穿插有一组再生制动的两组高能制动(FADE测试)。
磨损测试包括多组的制动，其中(制动盘的)初始制动温度为100至400℃并且精确地：
具有100℃的初始盘温度的1000次制动
具有150℃的初始盘温度的1000次制动
具有200℃的初始盘温度的1000次制动
具有250℃的初始盘温度的1000次制动
具有300℃的初始盘温度的1000次制动
具有350℃的初始盘温度的500次制动
测试结果示出在附图的图4和5中和以下表格中。图4涉及在混合物内不含锡的比较混合物/制剂“A”，而图5涉及含有包覆有锡化合物的铁质颗粒的本发明的混合物/制剂。
表2–混合物“O”–现有技术
摩擦层磨损–闸片[mm]
表3–混合物“B”–本发明
摩擦层磨损–闸片[mm]
比较用于两个测试组的盘磨损可以看出，在制剂B(含有包覆有Sn的金属颗粒的制剂)中盘磨损较低。
从制剂O与制剂B之间的比较，可以特别看出与制剂O相比，从制剂B很大改进了盘磨损(对于制剂B而言盘磨损显著较低)；同样存在较低片磨损。
从图4和5的图表可以另外看出，根据本发明的制剂的制动效率与本领域中已知但是含有锡的制剂有相当的可比性。还在制剂A与B之间做出关于磨损的比较测量，证实制剂O与B之间的先前测试的结果。具体来说，根据以下比较，就盘磨损的程度而言获得了大大降低的最明显结果：
盘磨损制剂A–比较例
测试开始g测试结束g
8814.28807.3
盘磨损制剂B–本发明
测试开始g测试结束g
8799.78794.9
如可看出，在本发明的制剂的状况下，盘磨损小于30％。
最后，对含有锡的金属颗粒的性质进行调查，当锡被添加到本领域中基本已知类型的制剂时能够获得如由测试展现的令人惊奇的结果。
参照图1、2和3，清楚的是，所使用的材料(通过与锡混合、熔化和冷却获得的铁质颗粒)本身以具有不对称形状的铁质芯和海绵状外观(图2)的粉末颗粒或纤维颗粒的形式存在，所述颗粒至少部分地包覆有FeSn金属间化合物层，所述FeSn金属间化合物可借助衍射分析(图1)和SEM(图3–已经被切割的颗粒)二者清楚识别。所得的使用BET方法测量出的所使用的颗粒的表面积结果出乎意料地小(平均为0.15m2/g，并且对于具有小于63微米的粒度的那些颗粒而言等于0.2087m2/g)。
设想所获得的有益试验结果是因为以下事实：相对于利用含锡制剂，以较弱的金属间化合物的形式存在的锡或者至少沉积于具有减少的表面积的铁质颗粒上的锡在使用期间在摩擦伙伴(测试中的制动盘)上“蔓延”(在制动期间)得更好，从而实现所得的显著降低的盘磨损。相对于传统的无锡制剂，益处甚至更明显。
于是本发明的目的得以完全实现。

Claims (12)

1.一种无石棉的摩擦材料，特别是属于被称为NAO和LS的摩擦材料种类，其包括：至少一种纤维基体，所述纤维基体包括无机纤维和/或有机纤维和/或金属纤维；至少一种填料；和至少一种粘合剂，所述摩擦材料的特征在于，其基本上无铜并且包括非球形颗粒，各个所述非球形颗粒均由金属芯以及由所述芯的至少部分涂层构成，所述至少部分涂层由锡和/或锡化合物的层形成。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述非球形颗粒由至少部分地包覆有锡和/或锡化合物的层的不对称形状的金属芯构成并具有0.2微米至600微米的粒度和小于1m2/g的表面积。
3.根据权利要求2所述的摩擦材料，其特征在于，所述非球形颗粒具有0.1m2/g至0.3m2/g的表面积，对于小于63微米的粒度的部分而言，所述表面积在约0.2m2/g附近。
4.根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料，其特征在于，各个颗粒的所述金属芯和/或各个颗粒均具有海绵状构造，所述芯优选地由铁或钢制成。
5.根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料，其特征在于，由不对称形状的金属芯构成并且至少部分地包覆有锡或锡化合物的层的所述非球形颗粒包括在所述涂层中的在锡与构成所述芯的金属之间的金属间化合物。
6.根据权利要求5所述的摩擦材料，其特征在于所述金属芯由铁或钢构成，并且，锡以FexSny(其中1≤x≤5，1≤y≤3)型的铁锡金属间化合物的形式存在于所述芯的部分涂层或完全包覆涂层中。
7.根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料，其特征在于，所述非球形颗粒具有优选的铁质金属芯，所述铁质金属芯部分地或完全地包覆有锡和/或锡化合物的层并且所述层优选地含有Fe-Sn金属间化合物，并且所述非球形颗粒以0.5％至50％、优选3％至20％的体积百分比存在于所述摩擦材料中；所述颗粒的Sn含量按所存在的颗粒的量的重量计为20％至30％。
8.根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料，其特征在于，形成所述非球形颗粒的所述优选地铁质金属芯的涂层还包括FeMeSn三元金属间化合物，其中Me是不同于Fe的金属。
9.根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料由以下组分形成：
●粘合剂
●填料
●润滑剂/摩擦改进剂
●磨料
●纤维(无机/有机/金属)
●金属粉末
●包覆有Sn和/或Sn化合物的非球形金属颗粒。
10.一种无石棉的摩擦材料，特别是属于被称为NAO和LS的摩擦材料种类，其包括：至少一种纤维基体，所述纤维基体包括无机纤维和/或有机纤维和/或金属纤维；至少一种填料；以及至少一种粘合剂，所述摩擦材料的特征在于，其基本上无铜并且包括非球形颗粒，各个所述非球形颗粒均由铁质芯以及由所述芯的至少部分涂层构成，所述至少部分涂层至少部分地或全部由Fe-Sn金属间化合物形成。
11.一种摩擦元件、特别是制动闸片或制动闸瓦，具有由根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料制成的摩擦层。
12.一种制动系统，包括待制动构件和至少一个制动构件，所述待制动构件通过由铸铁或钢制成的制动盘或制动鼓构成，所述制动构件由制动闸片或制动闸瓦构成，适于通过摩擦与所述待制动构件配合，所述制动系统的特征在于，所述制动构件具有旨在与所述待制动构件配合的摩擦层，所述摩擦层由根据以上权利要求中任一项所述的摩擦材料制成。
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