CN108084961A - 一种含第二粘接剂的摩擦控制剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种含第二粘接剂的摩擦控制剂及其制备方法，属于由基料和添加剂形成的润滑剂技术领域。一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，由以下质量百分比的各组分制备而成：主体粘接剂16%‑42%，第二粘接剂3%‑18%，润滑剂25%‑35%，增摩剂3.2%‑11%，其他填料20%，将本申请应用于铁路轨道等作为润滑剂使用，具有耐高温、硬度高、力学性能好和耐磨性好的特点，并可有效控制摩擦系数、成膜性好和降低行驶噪音，能有效减少钢轨和车轮磨损，确保行车安全；且涉及的制备方法简单、使用方便等优点。

Description

一种含第二粘接剂的摩擦控制剂及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种含第二粘接剂的摩擦控制剂及其制备方法，属于由基料和添加剂形成的润滑剂技术领域。
背景技术
铁路运输因为其运输成本低、运能大、速度快和效率高等优点，成为世界各国大宗货物最为有效经济的运输方式。高速和重载是当今铁路运输发展的两个主要方向，其中重载铁路作为铁路货运中最便捷有效的技术手段，在很多资源丰富、幅员辽阔的国家得到广泛采用。
随着铁路与城市轨道交通建设的发展，列车运行速度及运量不断提高，轮轨磨损也急剧上升。不仅大幅增加了轮轨维修养护的工作量，而且也增加了铁路部门的运行成本，甚至还在一定程度上增加了列车运行安全的风险。解决轮轨摩擦的有效方法之一即是：在轮轨界面引入第三介质，把摩擦系数控制在一定范围。即：
（1）轮缘/钢轨轨侧界面润滑材料，摩擦系数<0.2；
（2）车轮踏面/钢轨轨顶界面摩擦控制材料，摩擦系数控制在0.3-0.4。
上述两者结合可以达到以下主要目标：减少轮轨摩擦磨损，减少燃料及能量消耗，降低噪声及振动，减少横向力。
基于此，做出本申请。
发明内容
针对现有铁路等轮轨所存在的上述缺陷，本申请首先提供一种含第二粘接剂的车轮踏面摩擦控制材料，该摩擦控制材料具有耐高温、硬度高、力学性能好和耐磨性好的特点，并可有效控制摩擦系数、成膜性好和降低行驶噪音，能有效减少钢轨和车轮磨损，确保行车安全。
为了达到上述目的，本申请采取的技术方案如下：
一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，由以下质量百分比的各组分制备而成：
主体粘接剂 16%-42%；
第二粘接剂 3% - 18%
润滑剂 25% - 35%；
增摩剂 5% - 11%；
其他填料 20%。
进一步的，作为优选：
所述的主体粘接剂为高分子有机树脂，具有粘结力强，化学稳定性好，耐热性高，硬化时收缩小等。本申请主体粘接剂优选为改性酚醛树脂，更优选为腰果壳油改性酚醛树脂。
所述的第二粘结剂是在高温下发生化学变化形成高温粘结剂以弥补低用量比例的树脂在高温工况条件下因热分解、碳化而导致对材料其他组分粘结作用的减弱的某种填料。因此本申请第二粘接剂更优选为硫磺和/或锡粉，硫磺优选为改性不溶性硫磺。
所述的润滑剂属于软质填料，在摩擦控制剂中起减摩作用，层状物（硫化亚铁、二硫化钼、石墨、二硫化钨）固体润滑薄膜是常用的固体润滑材料，具有良好的摩擦学性能，在固体润滑剂中，石墨以其来源广、价格低、固体润滑效果好等特点，大量应用于工业生产；MoS2晶体是六方层状晶体结构，这种结构允许在低应力情况下晶格有少许的偏移，各个晶面之间存在较弱的范氏力，晶面之间易发生位移，此外，MoS2膜多孔，储油能力强，可在摩擦表面形成连续而不易破坏的表面活化润滑油膜，有效阻碍金属间的直接接触；FeS具有密排六方结构，变形抗力小，易于沿密排面滑动，塑性流变较强，涂层疏松且多孔，易于储存并保持润滑介质，因此具有良好的减摩性能。因此，所述的润滑剂更优选为石墨、硫化亚铁、二硫化钼中的任一种或多种混合物。
所述的增摩剂属于硬质填料，在摩擦控制剂中起增摩作用，粒度不宜过大或者过小，过大会划伤对偶材料，过小不能起增摩作用。本申请中，所述的增摩剂为铬铁矿、还原铁粉、硅酸锆、钾长石中的任一种或多种混合物。
所述的其他填料可以改善蠕滑和噪音，提高阻燃性，同时可作为空间填料在所得摩擦控制剂中起到改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能。本申请中，所述空间填料为硅藻土和/或高岭土。
同时，本申请还提供了一种含上述第二粘接剂的摩擦控制材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将第二粘接剂、润滑剂、增摩剂和其他填料在按比例混合均匀，然后加入主体粘接剂（优选为改性酚醛树脂）；
（2）原料混合后，搅拌20分钟，通过搅拌使液体与固体粉末混为一体；
（3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀且有一定湿度共混粉末；
（4）称取一定质量的共混粉末装入模具中，150℃下利用平板硫化机压制成型，保压1h后，得到试样；
（5）将试样在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
本申请的工作原理描述如下：
本申请以较小的软质颗粒作为润滑剂，较大的硬质的颗粒作为增摩剂，通过调整两者间的百分含量，使摩擦控制材料整体保持中等的摩擦系数，轮轨界面的摩擦水平控制是通过引入这种具有成膜性的第三介质层实现的。
本发明的有益效果为：
1）本发明选用第二粘结剂提高摩擦材料的抗热性能，减少了如果树脂粘结剂含量过高，高温时易发生热衰退，摩擦因数会有较大波动，影响制动的负面效果。
2）本发明添加的一定粒径的硬质增摩剂能够增大摩擦控制剂材料的摩擦系数，添加的一定粒径的润滑剂能够有效减小摩擦控制剂材料的摩擦系数，两者合适的比例可有效控制摩擦系数；
3）本发明添加的一定粒径的填料能够改善蠕滑和噪音，提高阻燃性，同时可作为空间填料在所得摩擦控制剂中起到改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能及降低成本的作用；
4）本发明所述摩擦控制材料可以有效均匀涂覆，并形成一层固体膜，具有良好粘附性能，并能使得轮轨间达到中等摩擦因数（0.3-0.4），有效减缓钢轨车轮磨损。
附图说明
图1为不同第二粘接剂加入量下摩擦控制材料的高温损失率；
图2为不同第二粘接剂加入量下摩擦控制材料的磨损率；
图3为不同加入量下摩擦控制剂的高温损失率；
图4为不同加入量下摩擦控制剂的磨损率；
图5为未添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（50倍）；
图6为未添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（500倍）；
图7为未添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（5000倍）；
图8为添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（50倍）；
图9为添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（500倍）；
图10为添加第二粘接剂的摩擦控制材料扫描电镜图（5000倍）。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种含第二粘接剂的摩擦控制材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：腰果壳油改性酚醛树脂34%，硫磺6%，锡粉6%，硫化亚铁25%，硅酸锆9%，硅藻土10%，高岭土10%。
其制备方法包括如下步骤：
1）按配方称取硅藻土、高岭土、硅酸锆、硫磺、锡粉和硫化亚铁，搅拌均匀后，加入腰果壳油改性酚醛树脂；
2）将树脂和无机物填料再次搅拌，混合均匀；
3）将处理后的原料转移到粉碎机中，接通电源，高速粉碎3-5次，得到均匀共混粉末；
4）称取一定质量的共混粉末装入模具中，利用平板硫化机压制成型，保温150℃，保压1h后，脱模得到样品；
5）将样品在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
经测试，本实施例制备的摩擦控制材料的使用温度范围为-40℃- 400℃；在载荷20N，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，其平均摩擦系数为0.422，磨损量为10mg∙cm-3，密度为1.89g∙cm-3，邵氏硬度（D型）为60，压缩强度为18.63MPa，弯曲强度为10.63MPa。
实施例2
一种含第二粘接剂的摩擦控制材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：腰果壳油改性酚醛树脂27%，硫磺8.1%，锡粉8.1%，硫化亚铁29.6%，铬铁矿3.6%，硅酸锆3.6%，硅藻土20%。
其制备方法包括如下步骤：
1）按配方称取硅酸锆、硅藻土、硫磺、锡粉和硫化亚铁，搅拌均匀后，加入腰果壳油改性酚醛树脂；
2）将树脂和无机物填料再次搅拌，混合均匀；
3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀共混粉末；
4）称取一定质量的共混粉末装入压制模具中，利用平板硫化机压制成型，保温150℃，保压1h后，脱模得到样品；
5）将样品在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
经测试，本实施例制备的摩擦控制材料的使用温度范围为-40℃- 400℃；在载荷20N，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，其平均摩擦系数为0.386，磨损量为8mg∙cm-3，密度为1.85g∙cm-3，邵氏硬度（D型）为59，压缩强度为17.70MPa，弯曲强度为8.38MPa。
实施例3
一种含第二粘接剂的摩擦控制材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：腰果壳油改性酚醛树脂22%，硫磺6.1%，锡粉6.1%，硫化亚铁34.8%，硅酸锆11%，硅藻土20%。
其制备方法包括如下步骤：
1）按配方称取硅酸锆、硅藻土、硫磺、锡粉和硫化亚铁，搅拌均匀后，加入腰果壳油改性酚醛树脂；
2）将树脂和无机物填料再次搅拌，混合均匀；
3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀共混粉末；
4）称取一定质量的共混粉末装入压制模具中，利用平板硫化机压制成型，保温150℃，保压1h后，脱模得到样品；
5）将样品在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
经测试，本实施例制备的摩擦控制材料的使用温度范围为-40℃- 400℃；在载荷20N，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，其平均摩擦系数为0.381，磨损量为11.5mg∙cm-3，密度为1.79g∙cm-3，邵氏硬度（D型）为60，压缩强度为16.69MPa，弯曲强度为8.26MPa。
实施例4
一种含第二粘接剂的摩擦控制材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：腰果壳油改性酚醛树脂16%，硫磺9%，锡粉9%，石墨11%，硫化亚铁24%，还原铁粉5.5%，钾长石5.5%，高岭土20%。
其制备方法包括如下步骤：
1）按配方称取高岭土、还原铁粉、硫磺、锡粉、石墨、硫化亚铁，搅拌均匀后，加入腰果壳油改性酚醛树脂；
2）将树脂和无机物填料再次搅拌，混合均匀；
3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀共混粉末；
4）称取一定质量的共混粉末装入模具中，利用平板硫化机压制成型，保温150℃，保压1h后，脱模得到样品；
5）将样品在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
经测试，本实施例制备的摩擦控制材料的使用温度范围为-40℃- 400℃；在载荷20N，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，其平均摩擦系数为0.332，磨损量为7.2mg∙cm-3，密度为1.78g∙cm-3，邵氏硬度（D型）为60.3，压缩强度为15.93MPa，弯曲强度为9.33MPa。
实施例5
一种含第二粘接剂的摩擦控制材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：腰果壳油改性酚醛树脂42%，硫磺1.5%，锡粉1.5%，二硫化钼15%，硫化亚铁15%，铬铁矿5%，硅藻土10%，高岭土10%。
其制备方法包括如下步骤：
1）按配方称取高岭土、硅藻土、铬铁矿、硫磺、锡粉、二硫化钼和硫化亚铁，搅拌均匀后，加入腰果壳油改性酚醛树脂；
2）将树脂和无机物填料再次搅拌，混合均匀；
3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀共混粉末；
4）称取一定质量的共混粉末装入模具中，利用平板硫化机压制成型，保温150℃，保压1h后，脱模得到样品；
5）将样品在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
经测试，本实施例制备的摩擦控制材料的使用温度范围为-40℃- 400℃；在载荷20N，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，其平均摩擦系数为0.342，磨损量为10.3mg∙cm-3，密度为1.91g∙cm-3，邵氏硬度（D型）为60.5，压缩强度为19.83MPa，弯曲强度为11.96MPa。
测试结果与分析
对上述实施例进行测试，由图1和图2可知，随着硫磺和锡粉的加入量的增大，摩擦控制剂在300℃下煅烧180min后，高温失重率明显减少，且硫磺和锡粉的加入能够有效提高摩擦控制剂的高温失重率，随着硫磺和锡粉的加入量增大，高温失重率减少。这主要是因为添加硫和锡的摩擦控制剂在高温下可以与硫和氧气发生反应，生成含锡的硫化物或者氧化物膜，减缓树脂等的继续氧化，减少失重率和磨损。
由图3和图4可知，摩擦控制剂在300℃下煅烧180min后，高温失重率明显减少，随着硫磺和锡粉的加入量增大，摩擦控制剂的压缩、弯曲强度先增大，后减小，且在6%时强度最大。这同样是因为添加硫和锡的摩擦控制剂在高温下可以与硫和氧气发生反应，生成含锡的硫化物或者氧化物膜，减缓树脂等的继续氧化，对基体形成了一定程度上的保护，保证了强度。第二粘接剂量控制在3%~15%性能较优。
图5-10是摩擦控制剂300℃煅烧后的摩擦表面扫描电镜图，图中可以看出树脂与无机填料均匀的包覆在一起形成三维网络结构，图5-10中能看到摩擦的划痕，但摩擦接触面同时保持了较高的完整性。
从图5-7可知，硬质颗粒的摩擦表面，周围聚集着摩擦层破碎形成的磨屑，高温煅烧后树脂粘接的微观结构发生明显变化，原本致密的结构变的疏松、多孔，并且有发泡现象产生，这是导致其力学性能变差的主要原因。图8-10发现，添加硫磺和锡粉的摩擦控制材料表面均形成了一个较为平整的含锡的硫化物或者氧化物膜，对基体形成了一定程度上的保护，减少磨损。
本申请所公开的上述含第二粘接剂的摩擦控制材料具有耐高温、硬度高、力学性能好和耐磨性好的特点，并可有效控制摩擦系数、成膜性好和降低行驶噪音，能有效减少钢轨和车轮磨损，确保行车安全；且涉及的制备方法简单、使用方便。
以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：由以下质量百分比的各组分制备而成：
主体粘接剂 16%-42%；
第二粘接剂 3% - 18%
润滑剂 25% - 35%；
增摩剂 5% - 11%；
其他填料 20%。
2.如权利要求1所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的主体粘接剂为高分子有机树脂。
3.如权利要求2所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的主体粘接剂为改性酚醛树脂。
4.如权利要求1所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的第二粘结剂是在高温下发生化学变化形成高温粘结剂以弥补低用量比例的树脂在高温工况条件下因热分解、碳化而导致对材料其他组分粘结作用的减弱的填料，优选为硫磺和/或锡粉。
5.如权利要求1所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的润滑剂属于软质填料。
6.如权利要求5所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的润滑剂为石墨、硫化亚铁、二硫化钼中的任一种或多种混合物。
7.如权利要求1所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的增摩剂属于硬质填料。
8.如权利要求7所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的增摩剂为铬铁矿、还原铁粉、硅酸锆、钾长石中的任一种或多种混合物。
9.如权利要求1所述的一种含第二粘接剂的摩擦控制剂，其特征在于：所述的其他填料为可以改善蠕滑和噪音，提高阻燃性，并可作为空间填料在所得摩擦控制剂中起到改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能的填料；优选为硅藻土和/或高岭土。
10.如权利要求1-9任一项所述的含第二粘接剂的摩擦控制剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将第二粘接剂、润滑剂、增摩剂和其他填料在按比例混合均匀，然后加入主体粘接剂；
（2）原料混合后，搅拌20分钟，通过搅拌使液体与固体粉末混为一体；
（3）将处理后的原料转移到粉碎机中，高速粉碎3-5次，得到均匀且有一定湿度共混粉末；
（4）称取一定质量的共混粉末装入模具中，150℃下利用平板硫化机压制成型，保压1h后，得到试样；
（5）将试样在150℃下恒温烘12h后，冷却后得到最终样品。
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