CN108300412A - 一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，属于复合摩擦材料制备领域。涉及的摩擦材料，利用钢棉纤维和锌粉的组合物替代原配方中由铜所实现的功能，并与改性树脂、芳纶、合成石墨、云母等原料协同作用，提升摩擦材料稳定性，避免了重金属铜随摩擦粉尘进入环境中对环境造成污染。钢棉纤维的加入补充了锌替代铜的不足，使得钢棉纤维与锌粉的组合在材料中发挥的作用接近铜的作用，且因为钢棉纤维的加入使得高碳材料配方的性能更加优越，制动性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及复合摩擦材料制备领域，特别是涉及一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法。
背景技术
摩擦材料是一种在动力机械上，依摩擦依靠作用来执行制动和传动功能的部件材料。被广泛应用于汽车、飞机、火车以及各类工程机械设备中，随着车辆向环保、高速以及重载方向发展，人们对汽车制动材料的性能提出了更高的要求。
传统来说，诸如制动器的摩擦材料通过使用纤维基材、摩擦改良剂和粘合剂，将其掺混，并且进行包括诸如预成形、热成形和精整的步骤的制造过程来制造。形成摩擦材料骨架的纤维基材补充摩擦材料的强度、耐热性和耐磨性，并且在用作纤维基材的金属纤维中，由于铜纤维柔软并且高度可延展，带来了优秀的成形性，因此常使用铜纤维。由于其高热导性，铜纤维具有扩散摩擦制动期间在摩擦表面上生成的热量的功能，由此增强耐衰减性。铜纤维有时以粉末形式使用，即作为铜粉。但是，在刹车片与刹车盘的制动摩擦过程中，铜随着摩擦产生的粉尘容易进入到生物链中，由于铜不可降解，容易进入到水中、土壤或动植物中，最后会富集到人体中，对人体、动物、植物等造成危害，严重破坏生态环境，美国已开始对刹车片中的铜含量进行逐步限制，并要求在2025年刹车片中铜含量小于0.5％，鉴于汽车行业对环保的高度重视，用高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法代替含铜摩擦材料配方将是刹车片行业未来发展的必然趋势。
中国专利文献CN104179860A公开了一种无铜有机陶瓷刹车片，包括粘接剂、增强材料、摩擦性能调节剂和填料，具体为由以下重量百分比的原料制成：酚醛树脂6-13％、矿物纤维10-22％、氧化铁5-7％、石墨6-14％、硫酸钡12-20％、碳酸钙10-14％、芳纶浆粕1-3％、钛酸钾12-20％、轮胎粉1-5％、改性硫化物2-8％、改性石墨2-8％。该技术提供的陶瓷刹车片，将刹车片中铜的含量降为了0，实现了对环境的保护。但是，在运输车辆上刹车片的使用始终要以性能作为第一指标，优良、稳定的制动性、耐磨性、抗热裂性是评价其性能的三要素。而在上述刹车片配方中，提供的无铜有机陶瓷刹车片虽然不含有铜，对环境的污染小，但是因为其抗热裂性和耐磨性不好，易磨损，使用寿命短，并且对于制动盘产生异常磨损等缺点。申请号为201410317332.2的中国专利公开了一种无铜摩擦材料及其制备方法，利用碳纤维和锌粉的组合物替代原配方中由铜所实现的功能，避免重金属铜随摩擦粉尘进入环境中对环境造成污染，实现了零含量添加铜，但是制得的摩擦材料在散热和耐磨性能上仍待提高。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种高碳环保型汽车用摩擦材料，实现了铜的零添加，且不影响摩擦材料的散热效果和耐磨性，并提高摩擦材料的稳定性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高碳环保型汽车用摩擦材料，按照重量份包括以下原料：
芳纶1～3份，钢棉纤维30～40份，硅酸锆3～6份，合成石墨10～15份，改性树脂7～10份，锌粉7～9份，二硫化钼3～6份，云母4～7份，摩擦粉3～6份，轮胎粉2～5份，氢氧化钙3～7份，硫酸钡5～10份。
优选的，还包括镁盐晶须1～3份。
优选的，所述改性树脂为复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.3～0.5:0.1～0.3:0.1～0.5混合，加热到100～120℃，并超声分散1～2h,然后冷却到室温得到改性树脂。
优选的，所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。
优选的，所述芳纶的长度为3～8mm。
优选的，按照重量份包括以下原料：芳纶2份，钢棉纤维35份，硅酸锆5份，合成石墨13份，改性树脂8份，锌粉7份，二硫化钼6份，云母5份，摩擦粉5份，轮胎粉3份，氢氧化钙4份，硫酸钡7份。
还提供了一种高碳环保型汽车用摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.预混：按照重量份将锌粉、云母、合成石墨、二硫化钼混合均匀，并在氮气条件下，升温至800～900℃，保温1～3h，得预混粉。
S2.混合：按照重量份称取芳纶、钢棉纤维、硅酸锆、改性树脂、摩擦粉、轮胎粉、氢氧化钙、硫酸钡和所述预混粉共混均匀得混合粉。
S3.压制成型：将所述混合粉放入模具中，热压成型，然后卸压出模，得摩擦材料半成品。
S4.热处理：将热压机升温至145～180℃，在480±10kg/cm 2下将钢背与摩擦材料半成品粘接到一起保温保压4～8分钟进行热压处理，得到摩擦材料粗制品。
S5.消除内应力：将摩擦材料粗制品转移至固化炉中，将固化炉温度升温至150～240℃，保温4～8小时，然后降温，得到摩擦材料成品。
优选的，所述步骤S2中，在160℃～180℃，8～20MPa压力条件下，热压成型，并保压10～20分钟。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明涉及的的摩擦材料，利用钢棉纤维和锌粉的组合物替代原配方中由铜所实现的功能，并与改性树脂、芳纶、合成石墨、云母等原料协同作用，提升摩擦材料稳定性，避免了重金属铜随摩擦粉尘进入环境中对环境造成污染。钢棉纤维的加入补充了锌替代铜的不足，使得钢棉纤维与锌粉的组合在材料中发挥的作用接近铜的作用，且因为钢棉纤维的加入使得高碳材料配方的性能更加优越，制动性能更加稳定。
钢棉纤维和锌粉都是电和热的良导体，在刹车过程中能有效防止静电的产生，同时在制动间隙将摩擦产生的热量快速的散发出去。从而，保证摩擦材料的热稳定性。
由于钢棉纤维在非氧化环境下耐超高温、耐疲劳性好的特点，可以降低高碳材料配方在刹车过程中的热衰退性能，稳定配方的摩擦系数，有效保证高温刹车的制动效果；因钢棉纤维的结构是由两维有序的结晶和孔洞组成，钢棉纤维的孔洞结构使得高碳材料配方在刹车过程中能够减弱噪音的穿透力，具有一定的降低噪音功能；钢棉纤维兼具有强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，力学性能优异，在高碳材料配方中能够起到良好的抗剪切力作用，大大提高摩擦材料的剪切强度；钢棉纤维的高模量、高强度可有效降低高碳材料配方整体磨损率，提高刹车片的使用寿命，且能够在刹车过程中很好的保护刹车盘避免受到损伤。
1.本发明涉及的的摩擦材料，通过云母来提高摩擦材料的强度，增强摩擦材料的耐磨性，减少摩擦材料的磨损度；通过钢棉纤维和改性树脂增强摩擦材料的抗热性和粘合度，避免因高温引起的刹车效能消失；通过摩擦粉和轮胎粉增大摩擦材料的摩擦系数，使接触部件能够快速地实现制动功能；通过合成石墨和二硫化钼的使用，尽可能的润滑了接触部件，最大限度地减少接触部件的磨损度。
通过硼酸、桐油和蛭石对酚醛树脂进行改性得到改性树脂，提高树脂的耐高温性能和力学性能，能有效的避免摩擦磨损性能的热衰退。
镁盐晶须具有不会引起高温滑移的完整性，温度升高时，晶须不分解、不软化，其强度几乎没有损失，赋予摩擦材料更好的耐高温性能。同时，镁盐晶须具有很高的断裂强度和弹性模量。晶须能弹性地承受较大的应变而无永久变形，晶须经4％的应变还在弹性范围内，不产生永久形变，从而赋予摩擦材料较高的稳定性。随着镁盐晶须的加入，提高了摩擦材料的抗压强度和柔韧性，进一步提高了材料的抗磨性和稳定性。
3.本发明摩擦材料的制备方法，制造工艺简单、成品率高，适于工业化生产。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高碳环保型汽车用摩擦材料，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维35份，硅酸锆5份，合成石墨13份，改性树脂8份，锌粉7份，二硫化钼6份，云母5份，摩擦粉5份，轮胎粉3份，氢氧化钙4份，硫酸钡7份。
所述改性树脂为复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.3:0.3:0.5混合，加热到110℃，并超声分散1.5h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
一种高碳环保型汽车用摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.预混：按照重量份将锌粉、云母、合成石墨、二硫化钼混合均匀，并在氮气条件下，升温至850℃，保温2h，得预混粉。
S2.混合：按照重量份称取芳纶、钢棉纤维、硅酸锆、改性树脂、摩擦粉、轮胎粉、氢氧化钙、硫酸钡和所述预混粉共混均匀得混合粉。
S3.压制成型：将所述混合粉放入模具中，在170℃，12MPa压力条件下，热压成型，并保压15分钟。然后卸压出模，得摩擦材料半成品。
S4.热处理：将热压机升温至160℃，在480±10kg/cm 2下将钢背与摩擦材料半成品粘接到一起保温保压6分钟进行热压处理，得到摩擦材料粗制品。
S5.消除内应力：将摩擦材料粗制品转移至固化炉中，将固化炉温度升温至200℃，保温6小时，然后降温，得到摩擦材料成品。
对比例1
一种摩擦材料，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，陶瓷纤维10份，硅酸锆5份，合成石墨13份，树脂8份，锌粉7份，二硫化钼6份，云母5份，摩擦粉5份，轮胎粉3份，氢氧化钙4份，硫酸钡7份。
制备方法同实施例1。
将本发明实施例1和对比例制备的摩擦材料采用定速摩擦实验机测得的数据如表1和表2所示。
表1实施例1制备的摩擦材料测试结果
表2对比例1制备的摩擦材料测试结果
通过实施例1、对比例1和表1、表2的实验数据结果可以看出，本发明实施例1制备的摩擦材料与对比例制备的摩擦材料相比，摩擦系数大致相同，但在温度升高和降低过程中，摩擦系数稳定性优于对比例，磨损率低于对比例，本发明制备的摩擦材料在行车制动过程中制动性能更加优良。
实施例2
一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维30份，硅酸锆5份，合成石墨15份，改性树脂10份，锌粉8份，二硫化钼5份，云母6份，摩擦粉5份，轮胎粉4份，氢氧化钙6份，硫酸钡8份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.4:0.2:0.3混合，加热到120℃，并超声分散2h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
实施例3
一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维32份，硅酸锆5份，合成石墨15份，改性树脂10份，锌粉8份，二硫化钼5份，云母6份，摩擦粉5份，轮胎粉4份，氢氧化钙6份，硫酸钡8份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.4:0.2:0.3混合，加热到120℃，并超声分散2h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
实施例4
一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维35份，硅酸锆5份，合成石墨15份，改性树脂10份，锌粉8份，二硫化钼5份，云母6份，摩擦粉5份，轮胎粉4份，氢氧化钙6份，硫酸钡8份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.4:0.2:0.3混合，加热到120℃，并超声分散2h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
实施例5
一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维38份，硅酸锆5份，合成石墨15份，改性树脂10份，锌粉8份，二硫化钼5份，云母6份，摩擦粉5份，轮胎粉4份，氢氧化钙6份，硫酸钡8份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.4:0.2:0.3混合，加热到120℃，并超声分散2h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
实施例6
一种高碳环保型汽车用摩擦材料及其制备方法，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维40份，硅酸锆5份，合成石墨15份，改性树脂10份，锌粉8份，二硫化钼5份，云母6份，摩擦粉5份，轮胎粉4份，氢氧化钙6份，硫酸钡8份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.4:0.2:0.3混合，加热到120℃，并超声分散2h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
实施例7
一种高碳环保型汽车用摩擦材料，按照重量份包括以下原料：
芳纶2份，钢棉纤维35份，硅酸锆5份，合成石墨13份，改性树脂8份，锌粉7份，二硫化钼6份，云母5份，摩擦粉5份，轮胎粉3份，氢氧化钙4份，硫酸钡7份，镁盐晶须2份。
所述改性树脂为有复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.3:0.3:0.5混合，加热到110℃，并超声分散1.5h,然后冷却到室温得到改性树脂。所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。所述芳纶的长度为5mm。
制备方法同实施例1。
将本发明实施例2-7制备的摩擦材料采用定速摩擦实验机测得的数据如表3所示。
表3实施例2-7和对比例1制备的摩擦材料测试结果
| 磨损率(10-7cm3/N.m，300℃) | 升温摩擦系数(300℃) | 降温摩擦系数(300℃) | |
| 实施例2 | 0.15 | 0.35 | 0.38 |
| 实施例3 | 0.15 | 0.34 | 0.37 |
| 实施例4 | 0.13 | 0.32 | 0.34 |
| 实施例5 | 0.12 | 0.32 | 0.33 |
| 实施例6 | 0.12 | 0.32 | 0.33 |
| 实施例7 | 0.12 | 0.32 | 0.33 |
| 对比例1 | 0.16 | 0.35 | 0.42 |
通过实施例2-7和表3的实验数据结果可以看出，本发明制备的摩擦材料具有较高的耐磨性能和耐高温性能。同时，随着钢棉纤维的增加，磨损率和摩擦系数降低，摩擦材料的耐磨性能不断提高，但是添加量不能过大，否则会影响力学性能。
同时，通过实施例4、实施例7和表3的实验数据结果可以看出，添加镁盐晶须，也能降低磨损率，是因为随着镁盐晶须的加入，提高了摩擦材料的抗压强度和柔韧性，进一步提高了材料的抗磨性和稳定性。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (8)
1.一种高碳环保型汽车用摩擦材料，其特征在于，按照重量份包括以下原料：
芳纶1～3份，钢棉纤维30～40份，硅酸锆3～6份，合成石墨10～15份，改性树脂7～10份，锌粉7～9份，二硫化钼3～6份，云母4～7份，摩擦粉3～6份，轮胎粉2～5份，氢氧化钙3～7份，硫酸钡5～10份。
2.根据权利要求1所述的高碳环保型汽车用摩擦材料，其特征在于，还包括镁盐晶须1～3份。
3.根据权利要求1所述的高碳环保型汽车用摩擦材料，其特征在于，所述改性树脂为复合改性酚醛树脂，具体改性过程为：将酚醛树脂、硼酸、桐油和蛭石按照质量比为1:0.3～0.5:0.1～0.3:0.1～0.5混合，加热到100～120℃，并超声分散1～2h，然后冷却到室温得到改性树脂。
4.根据权利要求1所述的高碳环保型汽车用摩擦材料，其特征在于，所述摩擦粉为腰果壳油摩擦粉。
5.根据权利要求1所述的高碳环保型汽车用摩擦材料,其特征在于，所述芳纶的长度为3～8mm。
6.根据权利要求1所述的高碳环保型汽车用摩擦材料,其特征在于，按照重量份包括以下原料：芳纶2份，钢棉纤维35份，硅酸锆5份，合成石墨13份，改性树脂8份，锌粉7份，二硫化钼6份，云母5份，摩擦粉5份，轮胎粉3份，氢氧化钙4份，硫酸钡7份。
7.根据任一权利要求1-6所述的高碳环保型汽车用摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预混：按照重量份称取锌粉、云母、合成石墨和二硫化钼，混合均匀，并在氮气条件下，升温至800～900℃，保温1～3h，得预混粉；
S2.混合：按照重量份称取芳纶、钢棉纤维、硅酸锆、改性树脂、摩擦粉、轮胎粉、氢氧化钙、硫酸钡，然后和所述预混粉共混均匀得混合粉；
S3.压制成型：将所述混合粉放入模具中，热压成型，然后卸压出模，得摩擦材料半成品；
S4.热处理：将热压机升温至145～180℃，在480±10kg/cm2下将钢背与摩擦材料半成品粘接到一起保温保压4～8分钟进行热压处理，得到摩擦材料粗制品；
S5.消除内应力：将摩擦材料粗制品转移至固化炉中，将固化炉温度升温至150～240℃，保温4～8小时，然后降温，得到摩擦材料成品。
8.根据权利要求7所述的高碳环保型汽车用摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，在160℃～180℃，8～20MPa压力条件下，热压成型，并保压10～20分钟。
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