CN108545997B - 一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，属于汽车摩擦材料技术领域，该摩擦材料的原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6～9份、摩擦粉3～6份、芳纶纤维3～6份、改性钛酸盐15～20份、铝基复合粉3～6份、碳纤维3～6份、陶瓷纤维4～8份、颗粒石墨6～9份、石油焦炭3～6份、硅酸锆8～12份、氧化铁黑6～10份、硫化锑4～7份和重晶石20～30份，结合铝基复合粉、改性钛酸盐及碳纤维的优良特性，通过对铝基复合粉的特殊配比和改性钛酸盐的结构改进，解决了陶瓷型摩擦材料中无铜金属的情况下摩擦系数降低的问题，提高了了摩擦材料在高速和高温以及紧急制动条件下的制动性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，属于汽车摩擦材料技术领域。
背景技术
刹车片是汽车的重要制动部件，也是保障驾驶员安全的重要零部件，目前生产汽车刹车片所采用的摩擦材料中含有铜、铬、镉、铅等多种重金属物质，这些物质在汽车制动过程中会释放少量的重金属粉尘，并且积累在环境中对人体产生危害，如铅及其化合物具有一定的毒性，进入人机体后对神经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统都会产生危害，目前常见的铅中毒大多属于轻度慢性铅中毒，主要病变是铅对体内金属离子和酶系统产生影响，引起植物神经功能紊乱、贫血、免疫力低下等；而含铜粉尘进入环境后可以对生物及土壤造成很大危害，据有关资料证明，环境中30％的铜污染是由汽车刹车片造成的，因此对于汽车刹车片对环境造成的影响，必须加以重视；美国华盛顿州生态部发布一项建议的标准提案，对刹车片内可能含有的铜和其它重金属作出限制，要求该州逐步淘汰刹车片中的铜、石棉和其它物质，新法规在序言中称，铜对鱼类和其它水生物钟有剧毒，幼鲑鱼尤其容易受到铜的毒害，除去刹车片材料中的铜和其它有毒金属有助于确保本州水体的清洁与安全，根据建议的标准，从2015年1月1日起在华盛顿州销售的刹车片摩擦材料中的石棉纤维、镉、铬、铅或汞的含量不得超过0.01％(按重量计)，从2021年1月1日起，在华盛顿销售的刹车片摩擦材料中的铜或铜化合物含量不得超过5％(按重量计)，该标准适用于刹车片制造商、批发商、经销商、安装商和零售商，以及在华盛顿州销售汽车的汽车制造商，同时，工业、安全、环境专家成立了咨询委员会，研究和评估未来将铜的含量限制在0.5(按重量计)的可行性，由此可见，控制汽车刹车片摩擦材料中重金属的含量是未来刹车片摩擦材料的发展趋势，但是降低刹车片摩擦材料中的重金属会直接降低摩擦材料的摩擦系数，高速和高温条件下的制动性能也会有所下降。。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，解决了陶瓷型摩擦材料中无铜金属的情况下摩擦系数降低的问题，保持摩擦材料在高速和高温条件下的制动性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，该摩擦材料的原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6～9份、摩擦粉3～6份、芳纶纤维3～6份、改性钛酸盐15～20份、铝基复合粉3～6份、碳纤维3～6份、陶瓷纤维4～8份、颗粒石墨6～9份、石油焦炭3～6份、硅酸锆8～12份、氧化铁黑6～10份、硫化锑4～7份和重晶石20～30份。
进一步，其原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂7份、摩擦粉3份、芳纶纤维4份、改性钛酸盐18份、铝基复合粉5份、碳纤维4份、陶瓷纤维8份、颗粒石墨8份、石油焦炭4份、硅酸锆8份、氧化铁黑6份、硫化锑6份和重晶石21份。
进一步，其原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6份、摩擦粉4份、芳纶纤维3份、改性钛酸盐15份、铝基复合粉3份、碳纤维3份、陶瓷纤维4份、颗粒石墨6份、石油焦炭6份、硅酸锆10份、氧化铁黑8份、硫化锑4份和重晶石28份。
进一步，所述改性钛酸盐由内部为钛酸钾镁晶须，外层为石墨导热层构成。
进一步，所述铝基复合粉的组分为Al占比93％，Zn占比4.7-5.3％，Fe占比≤0.2％，Si占比≤0.2％，Cu占比≤0.015％，H2O占比≤0.1％，该铝基复合粉的粒度分布为：粒度＜63μm成分占比34-63％，粒度＞63μm成分占比29-56％，粒度＞125μm成分占比＜16％，粒度＞250μm成分占比＜2％，粒度＞500μm成分占比为0。
以上原料介绍说明如下：
酚醛树脂：是摩擦材料主要使用的黏结剂，它是以酚类化合物和醛类化合物为原料，用酸或碱为催化剂，通过高分子缩聚反应而制成的一种高分子化合物活聚合物。
摩擦粉：是国内对非腰果壳油摩擦粉的统称，当其加入摩擦材料中后，摩擦材料的工作界面会发生较大变化，摩擦材料的内部结构也会发生较大变化，当摩擦材料与对偶接触时，不再通过单一的基本均质的界面，而是以普通摩擦材料与摩擦粉共同构成的复合摩擦界面来达到制动效果，可以保持摩擦系数的稳定性，减少磨损。
芳纶纤维：突出优点是在于它是一种热稳定性非常好的有机纤维，能在180℃环境下长期使用。芳纶纤维用于摩擦材料时制品呈现出摩擦系数稳定、磨损率低，强度好的优点。芳纶纤维除了具有一般纤维的高强度、高弹性模量、热稳定性好、热导率低等优点外，还保持了有机纤维的某些良好性能。用其增强的摩擦材料具有制动噪音低、产品密度小、硬度低、制动时不损伤对偶盘等优点。
改性钛酸钾：六钛酸钾是一种摩擦材料性能调节剂，当其加入摩擦材料中后，可以稳定摩擦系数，提高产品的舒适性和耐磨性，降低对对偶盘的磨损，提高刹车时的脚感并降低噪音，能够引起摩擦界面的化学反应，自由形成摩擦膜而起到调节摩擦性能的作用，特别是提高了高温高负荷时的耐磨损特性，改性钛酸钾除了具有上述六钛酸钾的性能之外还具有良好的导电性能，可以提高摩擦材料产品的热传导性能。
铝基复合粉：是铝合金产品，具有良好的导电性能，在摩擦材料中起到降低磨损和稳定摩擦系数的作用，在摩擦过程中具有导热的作用，将吸收的大量热能散发出去，并可以改善热衰退性能，对对偶盘并无损伤，可以延长刹车系统的使用寿命。
碳纤维：是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗蠕变、导电、传热、密度小和热膨胀系数小等优异性能。在2000℃以上的高温惰性环境中，碳纤维材料是唯一强度不降低的材料。
陶瓷纤维：是采用硅酸铝纤维经过短切加工制造而成的人造矿物纤维，具有较好的机械强度，良好的热稳定性及化学稳定性，热导率低。可以很好的吸收摩擦材料制动时发出的噪音，并具有良好的耐磨损性能，能有效的降低摩擦材料的热衰退性和膨胀性能，提高了摩擦材料使用过程中的稳定性。
颗粒石墨：具有良好的导电、导热和耐高温性能，起导电性比一般非金属矿物高一百多倍，导热性超过刚、铁、铅等金属材料。化学性质不活泼，质地柔软，是一种中温润滑剂，能降低摩擦力水平，耐高温性能极为优良，并且可以提高摩擦材料的耐磨损性能，而较高气孔率的存在可以降低摩擦材料的噪音。
石油焦炭：即为摩擦材料所用的焦炭粉，是由硬度较低气孔率高的优质石油焦经过高温煅烧而制成的颗粒，煅烧石油焦炭本身具有疏松的结构，可以降低制动噪音，其加入至摩擦材料中能和石墨共同提高摩擦材料的整体性能，有利于防止金属的粘接，减少了对对偶盘的损伤，并能改善高温时摩擦材料的热衰退性能。
硅酸锆：作为磨料能够明显提高摩擦材料的升温及恢复摩擦系数，同时降低了材料的热膨胀，提高了摩擦材料的稳定性。
氧化铁黑：多用于汽车盘式刹车片，是一种增磨剂，其可以提高制品的摩擦系数，并且有着着色的作用。
硫化锑：熔点是548℃，属于熔点较低的软金属硫化物。它在高温下会产生与烧结陶瓷材料相类似的烧结作用，形成无机黏结剂，加用硫化锑后，可减少有机黏结用量，保持了摩擦材料的稳定性，起到了无机粘合剂和润滑的作用。使用硫化锑对减少摩擦系数的热衰退，降低制品的高温磨损都有好处，并且硫化锑的硬度较低，也可以减少刹车片的制动噪音。
重晶石：是使用最广泛的摩擦材料用填料，它能使摩擦系数稳定，磨耗小，特别是在高温下，它能形成稳定的摩擦界层，能防止对偶材料表面擦伤，是对偶表面磨得更光洁。
该摩擦材料的制造工艺是，包括如下步骤：
(1)将芳纶纤维、重晶石、硅酸锆、氧化铁黑按照原料配比依次倒入高速混料机中混合，混料机主刀转速140-180转/分钟，副刀转速3400-3800转/分钟，均匀混料2-4分钟后取出，获得A混合料；
(2)按照原料配比将酚醛树脂、摩擦粉、改性钛酸盐、铝基复合粉、碳纤维、陶瓷纤维、颗粒石墨、石油焦炭、硫化锑、A混合料依次倒入高速混料机中进行混合，混料机主刀转速140-180转/分钟，副刀转速3400-3800转/分钟，均匀混料10-30分钟后取出，获得最终混合料；
(3)将最终混合料在热压模具中进行压制，压制温度为150-160℃，压制压力为25-35Mpa，压制时间为5-7分钟，将压制好的摩擦材料在180-230℃的条件下进行热处理2-6小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
进一步，步骤(2)中均匀混料15分钟得到最终混合料；
进一步，步骤(3)中压制压力为30Mpa，压制时间为6分钟，压制好刹车片在230℃条件下进行热处理2小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
本发明的有益效果是：结合铝基复合粉、改性钛酸盐及碳纤维的优良特性，通过对铝基复合粉的特殊配比和改性钛酸盐的结构改进，解决了陶瓷型摩擦材料中无铜金属的情况下摩擦系数降低的问题，提高了了摩擦材料在高速和高温以及紧急制动条件下的制动性能。
附图说明
图1为550℃变压力下紧急制动摩擦系数试验结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，该摩擦材料的原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂7份、摩擦粉3份、芳纶纤维4份、改性钛酸盐18份、铝基复合粉5份、碳纤维4份、陶瓷纤维8份、颗粒石墨8份、石油焦炭4份、硅酸锆8份、氧化铁黑6份、硫化锑6份和重晶石21份，具体加工工艺步骤为：(1)将芳纶纤维、重晶石、硅酸锆、氧化铁黑按照原料配比依次倒入高速混料机中混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料3分钟后取出，获得A混合料；
(2)按照原料配比将酚醛树脂、摩擦粉、改性钛酸盐、铝基复合粉、碳纤维、陶瓷纤维、颗粒石墨、石油焦炭、硫化锑、A混合料依次倒入高速混料机中进行混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料15分钟后取出，获得最终混合料；
(3)将最终混合料在热压模具中进行压制，压制温度为155℃，压制压力为30Mpa，压制时间为6分钟，将压制好的摩擦材料在230℃的条件下进行热处理2小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
实施例2
一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料及其制造工艺，该摩擦材料的原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6份、摩擦粉4份、芳纶纤维3份、改性钛酸盐15份、铝基复合粉3份、碳纤维3份、陶瓷纤维4份、颗粒石墨6份、石油焦炭6份、硅酸锆10份、氧化铁黑8份、硫化锑4份和重晶石28份，具体加工工艺步骤为：(1)将芳纶纤维、重晶石、硅酸锆、氧化铁黑按照原料配比依次倒入高速混料机中混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料3分钟后取出，获得A混合料；
(2)按照原料配比将酚醛树脂、摩擦粉、改性钛酸盐、铝基复合粉、碳纤维、陶瓷纤维、颗粒石墨、石油焦炭、硫化锑、A混合料依次倒入高速混料机中进行混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料15分钟后取出，获得最终混合料；
(3)将最终混合料在热压模具中进行压制，压制温度为155℃，压制压力为30Mpa，压制时间为6分钟，将压制好的摩擦材料在230℃的条件下进行热处理2小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
实施例3
对比例：其原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂7份、摩擦粉3份、芳纶纤维4份、六钛酸钾18份、铜纤维9份、陶瓷纤维8份、颗粒石墨8份、石油焦炭4份、硅酸锆8份、氧化铁黑6份、硫化锑6份、重晶石21份，具体加工工艺步骤为：(1)将芳纶纤维、重晶石、硅酸锆、氧化铁黑按照原料配比依次倒入高速混料机中混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料3分钟后取出，获得A混合料；
(2)按照原料配比将酚醛树脂、摩擦粉、六钛酸钾、铜纤维、陶瓷纤维、颗粒石墨、石油焦炭、硫化锑、A混合料依次倒入高速混料机中进行混合，混料机主刀转速160转/分钟，副刀转速3600转/分钟，均匀混料15分钟后取出，获得最终混合料；
(3)将最终混合料在热压模具中进行压制，压制温度为155℃，压制压力为30Mpa，压制时间为6分钟，将压制好的摩擦材料在230℃的条件下进行热处理2小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
实施例4
该高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料的摩擦系数效果检测
1、检测标准及对象
为验证本发明的效果，用对比例(即实施例3)和实施例1、实施例2，按照国际标准SAE J2522,在LINK台架试验机上进行试验，对其制动性能进行对比。对比例：有铜纤维的摩擦材料产品；实施例1和实施例2：均无铜纤维的摩擦材料产品。
2、可变压力下紧急制动摩擦系数试验
第一步试验是在压力从1Mpa递增至8Mpa时，在5个速度段分别进行8次制动，分别为40-0kph，80-40kph，120-80kph，160-130kph，200-170kph。对比例和实施例1和实施例2的摩擦系数及其对比如表1所示。实施例1和实施例2在高速制动时仍具有较高的摩擦系数，与对比例摩擦系数相差不大，并且实施例1和实施例2在速度较高的条件下摩擦系数反而更加稳定。
表1可变压力下紧急制动摩擦系数试验结果
3、高温下紧急制动摩擦系数试验
第二步试验是在高温下(最高初温650℃)，经过30次(两个循环)紧急制动，减速度0.4g，使速度从100KM/h降到5KM/h。对比例和实施例1和实施例2的摩擦系数及其对比如表2所示。对比例最小摩擦系数是0.32，而实施例最小摩擦系数是0.31和0.30。实施例1和实施例2在无铜纤维的条件下紧急制动时仍能保持较高的摩擦系数，并且在第二次循环条件下摩擦系数超越了对比例。
表2高温下紧急制动摩擦系数试验结果
4、高温下压力紧急制动摩擦系数试验
第三步试验是在制动初温为550℃，压力从1Mpa递增至8Mpa，进行8次制动，使速度从80kph降低到30kph。对比例和实施例1和实施例2的摩擦系数及其对比如图1及下表3所示。对比例最小摩擦系数是0.40，实施例最小摩擦系数为0.42和0.40，说明实施例在无铜纤维条件下在高温制动时仍可以保持较高的制动性能。
表3 550℃变压力下紧急制动摩擦系数试验结果
从对比例和实施例摩擦系数对比图表可以明显看出，无铜高制动性能摩擦材料在无铜纤维的条件下摩擦系数在高速、高温以及紧急制动条件下摩擦材料仍具有较高的摩擦系数，保持高制动性能。
5、整车运行试验
将无铜纤维摩擦材料的刹车片，以及有铜纤维摩擦材料的刹车片分别进行整车运行实验。无铜纤维的刹车片制动性能不降低，感觉不到踩刹车时踏板低，踏板力度软的现象。可见，使用无铜高性能摩擦材料刹车片除了具体环保的功能，汽车的安全性也仍能得到保障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料，其特征在于：该摩擦材料的原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6～9份、摩擦粉3～6份、芳纶纤维3～6份、改性钛酸盐15～20份、铝基复合粉3～6份、碳纤维3～6份、陶瓷纤维4～8份、颗粒石墨6～9份、石油焦炭3～6份、硅酸锆8～12份、氧化铁黑6～10份、硫化锑4～7份和重晶石20～30份；
所述改性钛酸盐由内部为钛酸钾镁晶须，外层为石墨导热层构成；
所述铝基复合粉的组分为Al占比93％，Zn占比4.7-5.3％，Fe占比≤0.2％，Si占比≤0.2％，Cu占比≤0.015％，H2O占比≤0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料，其特征在于：其原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂7份、摩擦粉3份、芳纶纤维4份、改性钛酸盐18份、铝基复合粉5份、碳纤维4份、陶瓷纤维8份、颗粒石墨8份、石油焦炭4份、硅酸锆8份、氧化铁黑6份、硫化锑6份和重晶石21份。
3.根据权利要求1所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料，其特征在于：其原料组成和组分的重量份如下：酚醛树脂6份、摩擦粉4份、芳纶纤维3份、改性钛酸盐15份、铝基复合粉3份、碳纤维3份、陶瓷纤维4份、颗粒石墨6份、石油焦炭6份、硅酸锆10份、氧化铁黑8份、硫化锑4份和重晶石28份。
4.根据权利要求1所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料，其特征在于：该铝基复合粉的粒度分布为：粒度＜63μm成分占比34-63％，粒度＞63μm成分占比29-56％，粒度＞125μm成分占比＜16％，粒度＞250μm成分占比＜2％，粒度＞500μm成分占比为0。
5.根据权利要求1所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料的制造工艺，其特征在于：该摩擦材料的制造工艺是，包括如下步骤：
(1)将芳纶纤维、重晶石、硅酸锆、氧化铁黑按照原料配比依次倒入高速混料机中混合，混料机主刀转速140-180转/分钟，副刀转速3400-3800转/分钟，均匀混料2-4分钟后取出，获得A混合料；
(2)按照原料配比将酚醛树脂、摩擦粉、改性钛酸盐、铝基复合粉、碳纤维、陶瓷纤维、颗粒石墨、石油焦炭、硫化锑、A混合料依次倒入高速混料机中进行混合，混料机主刀转速140-180转/分钟，副刀转速3400-3800转/分钟，均匀混料10-30分钟后取出，获得最终混合料；
(3)将最终混合料在热压模具中进行压制，压制温度为150-160℃，压制压力为25-35Mpa，压制时间为5-7分钟，将压制好的摩擦材料在180-230℃的条件下进行热处理2-6小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
6.根据权利要求5所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料的制造工艺，其特征在于：步骤(2)中均匀混料15分钟得到最终混合料。
7.根据权利要求5所述的一种高性能无铜环保型陶瓷摩擦材料的制造工艺，其特征在于：步骤(3)中压制压力为30Mpa，压制时间为6分钟，压制好刹车片在230℃条件下进行热处理2小时，最后取出摩擦材料磨削制成成品。
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