CN108757784B - 一种耐候性高金属军车用摩擦片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于车用摩擦片技术领域，具体涉及一种耐候性高金属军车用摩擦片及其制备方法，所述耐候性高金属军车用摩擦片其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维10～40％，金属纤维7～30％，非金属纤维7～21％，人造石墨5～15％，树脂5～8％，橡胶2～5％，碳酸钙余量。按设计的各组分配比称量及混合，经过热压成型，固化处理，机加工，得到耐候性高金属摩擦片。本发明适用于各种恶劣气候及环境，耐高低温，耐腐蚀性好，具有摩擦系数高而稳定、紧急制动迅速安全的特点，是一种专用于军车的高性能特种刹车片。
Description
技术领域
本发明属于车用摩擦片技术领域，具体涉及一种耐候性高金属军车用摩擦片及其制备方法。
背景技术
军车具有车身自重大，载重大，使用于严寒酷暑各种气候条件，使用于沙地、沼泽、雨林等各种恶劣自然环境下，其对制动材料的要求远远高于普通车辆。要求用于制动的摩擦材料具有高的摩擦系数，从而在恶劣环境下快速高效刹车。以目前的摩擦片研发及制备技术，要获得高而稳定的摩擦系数，需要采用高强度的金属成分，如钢或铜的纤维和粉末，在保证结构强度和增摩效果的同时，也保证了材料在动能转化为热能的高温耗散过程中的热传导性。而金属含量过高的摩擦片具有很多缺点，如在潮湿环境里锈蚀，导致制动器抱死，不能正常工作；在盐碱性环境里锈蚀严重，不能使用；摩擦片过于致密，密度过大，容易在低温环境下产生制动啸叫，影响军用车辆使用安全性。
现有技术中，虽然已有的方法中有用石灰或锌粉防锈，但是其只对城市路况使用的家庭轿车刹车片有防锈改善效果，对于常处于野外作业或特殊工况的军用车辆作用微弱，且耐候性差。
综上所述，亟需提供一种具有优异的耐候性和耐腐蚀性，高而稳定的摩擦系数的摩擦片及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异的耐候性和耐腐蚀性，高而稳定的摩擦系数的摩擦片及其制备方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种耐候性高金属军车用摩擦片，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维10～40％，金属纤维7～30％，非金属纤维7～21％，人造石墨5～15％，树脂5～8％，橡胶2～5％，碳酸钙余量。
本发明制备的刹车材料是一种树脂基复合材料，酚醛树脂为连续相，金属纤维包括铁铬铝纤维、钢纤维和铜纤维，都是主要增强相，其中钢纤维和铜纤维在潮湿环境和酸碱环境等特殊气候及地理条件下均会生锈腐蚀，严重的情况会发生制动失效。铁铬铝纤维其成分中的铬具有防锈作用，铝不生锈，因此这种纤维是不生锈的金属纤维。在高金属配方中，由于铁铬铝纤维比例较多，对少量的钢纤维和铜纤维也起到了防锈保护作用，使得本发明的刹车片材料具有优异的耐盐雾腐蚀性能。作为金属纤维，钢纤维和铁铬铝纤维都具有很好的增加摩擦系数的效果，而少量的铜纤维可以稳定摩擦系数。同时，在使用的高温过程中，铁铬铝纤维中的铬会发生氧化，三氧化二铬具有增加摩擦系数的作用，和金属纤维的协同作用保证了刹车片具有高而稳定的摩擦系数。更进一步的，铁铬铝纤维的材料振实密度约为1g/cm3,远低于普通钢纤维铜纤维的4.3g/cm3的振实密度，也低于海绵铁粉的2.4g/cm3的振实密度。而其纤维长径比是普通钢纤维的十倍，成型的高金属刹车片密度从大于3的高密度降低到和普通的低金属刹车片相当的数值，因此本发明的刹车片也具有良好的噪音性能。
本发明适用于各种恶劣气候及环境，耐高低温，耐腐蚀性好，具有摩擦系数高而稳定、紧急制动迅速安全的特点，是一种专用于军车的高性能特种刹车片。
作为优选，进一步的技术方案是：所述金属纤维包括钢纤维和铜纤维，所述高金属汽车摩擦片的原料中钢纤维和铜纤维的质量百分含量分别为5～20％和2～10％。
作为优选，进一步的技术方案是：所述非金属纤维包括矿物纤维和纤维素纤维，所述高金属汽车摩擦片的原料中矿物纤维和纤维素纤维的质量百分含量分别为5～15％和2～6％。
作为优选，进一步的技术方案是：其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维35％，钢纤维5％，铜纤维3％，矿物纤维5％，人造石墨5％，纤维素纤维6％，树脂7％，橡胶4％,碳酸钙30％。经试验验证，此配方下本发明性能佳，具体见实施例说明。
作为优选，进一步的技术方案是：所述耐候性高金属军车用摩擦片的原料还包括按重量百分比计算的含碳纳米管Ni3Al粉末5％～20％。
作为优选，进一步的技术方案是：其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维30％，Ni3Al粉末15％，钢纤维5％，铜纤维3％，矿物纤维5％，人造石墨5％，纤维素纤维6％，树脂7％，橡胶4％,碳酸钙20％。
含碳纳米管Ni3Al粉末的加入，Ni3Al中的镍具有良好的防锈作用，铝不生锈，因此这种金属是本身不生锈且防锈的，同时碳纳米管具有优异的强度和韧性，可改变摩擦块整体的振动频率，且管状结构可以提供吸附消除噪音的渠道，再次由于Ni3Al本身具有自润滑特性，所以制备的摩擦材料摩擦系数基本保持在中等而稳定，磨损较小。
本发明在保证高金属摩擦片的密度没有大幅度降低的前提下，大幅度降低其制动噪音发生率，使其在特殊军用车辆上使用时，同时本发明保护的高金属含量摩擦片具有优异的耐候性和耐腐蚀性，解决现用军车摩擦片使用的技术瓶颈。
作为优选，进一步的技术方案是：所述含碳纳米管的Ni3Al粉末中，碳纳米管含量占二者混合物重量分数的4～8％。实验表明，在此范围内，可充分发挥碳纳米管与Ni3Al粉末的协同作用，优选为5％。
作为优选，进一步的技术方案是：所述含碳纳米管的Ni3Al粉末的制备方法为：催化温度下，甲醇蒸汽在氮气的运载下通入多孔Ni3Al合金中得到的混合物粉末。甲醇在Ni3Al合金孔隙里面及表面进行催化、分解，得到碳纳米管粉末与Ni3Al合金粉末的混合物，二者的比例可根据控制催化反应时间控制，如此，碳纳米管生长在Ni3Al粉末中间，二者混合均匀，有效改变摩擦块整体的振动频率，且碳纳米管的管状本征结构以及Ni3Al的多孔结果可以提供吸附消除噪音的渠道，而且这种复合粉末的密度远小于海绵铁粉、钢纤维、铜纤维等，且其目数较小，粒度较细，比表面积大，均匀分布在所有材料中间，有利于其充分发挥上述功能。
具体的制备过程为，在管式炉中，450℃～650℃的催化温度下，以1L/min的速度将甲醇蒸汽加入以2～8L/min速率运行的载体气体N2气中，穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，甲醇在催化剂孔隙里面及表面进行催化、分解，得到含碳纳米管的Ni3Al粉末。
作为优选，进一步的技术方案是：所述多孔Ni3Al合金的孔隙率为40％～90％，孔径为80～100um。
为达到上述目的，本发明还提供上述任一所述的耐候性高金属军车用摩擦片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混料：先将非金属纤维及人造石墨进行预混合，保证其处于均匀分散状态，然后依次加入铁铬铝纤维、金属纤维和其他余料，高速搅拌预定时间；
(2)热压；
(3)热固化：将经步骤(3)处理后的摩擦片在预定时间内从室温升温到热固化温度，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温；
(4)后处理：至少包括表面机械加工、喷涂和检验的处理工序。
另一耐候性高金属军车用摩擦片的制备方法，包括如下步骤：
(1)含碳纳米管的Ni3Al粉末的制备；
(2)混料：先将非金属纤维及人造石墨进行预混合，保证其处于均匀分散状态，然后依次加入铁铬铝纤维、金属纤维、树脂、橡胶、碳酸钙，高速搅拌预定时间，最后加入含碳纳米管的Ni3Al粉末，再次高速搅拌预定时间；
(3)热压；
(4)热固化：将经步骤(3)处理后的摩擦片在预定时间内从室温升温到热固化温度，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温；
(5)后处理：至少包括表面机械加工、喷涂和检验的处理工序。
作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤(3)中压制参数为：压制压力400～600kgf/cm2，热压温度150～160℃，排气5～8次，保压时间为55～65s/mm。
作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤(4)中：将热压处理后的摩擦片在4小时从室温升温到200℃，保温4～8小时。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1和图2分别为本发明实施例6所制备的低噪音高金属军车用摩擦片摩擦测试试验前和摩擦测试试验后的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，其中，实施例1～9中低噪音高金属军车用摩擦片的原料组成见表1：
表1实施例1～9中低噪音高金属军车用摩擦片的原料组成见表1。
本发明实施例1～9提供的高金属汽车摩擦片的制备工艺为：
(1)混料：称量各物料，分段混料：先将非金属纤维、人造石墨进行预混合3分钟，保证其处于均匀分散状态，然后依次加入铁铬铝纤维、钢纤维、铜纤维和其余物料，进行高速搅拌2分钟；
(2)热压：压制压力500kgf/cm2，热压温度155℃，排气6次，每次6S，保压时间120S；
(3)热成型：将成型后的摩擦片在4小时从室温升温到200℃，保温6小时，然后随炉冷却至室温；
(4)后处理：将热处理后的摩擦片按技术要求进行表面机械加工，包括平磨、开槽、倒角，然后进行喷涂、印标、检验、包装。
按照摩擦片测试国际标准SAE J2522效能试验标准和SAE J2521噪音试验标准进行测试，结果见表2.
表2实施例1～9的测试结果
经试验验证，热压步骤中压制压力在400～600kgf/cm2，热压温度再150～160℃，排气5～8次，保压时间在55～65s/mm，以及热成型中保温时间4～8小时制备的本产品均符合相关技术指标。
从表2结果可知，实施例中高金属摩擦片的名义摩擦系数(μnom)随着铁铬铝纤维含量的增加而增加，在纤维含量高于35％后，基本不再增加；磨损量随着铁铬铝纤维含量的增加而减小，在纤维含量高于30％后，减小幅度放缓。按照汽车厂要求，摩擦系数和磨损率的表现评价非常好。而噪音发生率也随着铬铝纤维含量的增加而减小，达到汽车行业要求噪音10％以内的标准。参照汽车行业4.1.11-a，在盐雾试验箱进行150小时的盐雾腐蚀试验，摩擦片表面及侧面未见锈迹，情况优于普通的高钢纤维/铜纤维的高金属摩擦片。
实施例10
所述高金属汽车摩擦片的原料包括按重量百分比计算的如下组分铁铬铝纤维35％，含碳纳米管Ni3Al粉末5％，钢纤维5％，铜纤维3％，矿物纤维5％，人造石墨5％，纤维素纤维6％，树脂7％，橡胶4％,碳酸钙25％。经测试，噪音发生率为7.6％，
实施例11
所述高金属汽车摩擦片的原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维33％，含碳纳米管Ni3Al粉末10％，钢纤维5％，铜纤维3％，矿物纤维5％，人造石墨5％，纤维素纤维6％，树脂7％，橡胶4％,碳酸钙22％。经测试，噪音发生率为5.4％。
实施例12
所述高金属汽车摩擦片的原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维30％，含碳纳米管Ni3Al粉末15％，钢纤维5％，铜纤维3％，矿物纤维5％，人造石墨5％，纤维素纤维6％，树脂7％，橡胶4％,碳酸钙20％。经测试，噪音发生率为3.7％。
其中含碳纳米管的Ni3Al粉末的制备方法如下，在管式炉中，450℃～650℃的催化温度下，以1L/min的速度将甲醇蒸汽加入以2～8L/min速率运行的载体气体N2气中，穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，甲醇在催化剂孔隙里面及表面进行催化、分解，得到黑色粉末与催化剂粉末的混合物。调整催化时间，实施例10～12制得的混合物中，碳纳米管含量占混合物的重量分别为4％、5％和8％。
经测试，实施例10～12同样具备较好的耐候性、耐磨性和放锈蚀能力，噪音发生率也随着含碳纳米管Ni3Al粉的增加而大幅度减小，在粉末含量15％时，噪音发生率只有3.6％。经验证，含碳纳米管Ni3Al粉超过15％时，摩擦系数会降低，故不宜超过15％。
同时，由图1和图2可知，摩擦测试实验前的材料可以看到铁铬铝纤维长径比很大，和基体结合良好；台架试验后摩擦面的形貌图可以看到沿摩擦方向的磨痕，磨痕较为光滑连续，铁铬铝纤维发生塑性变形，和摩擦片中的润滑成分一起形成转移膜，转移膜使得摩擦片的摩擦系数较为稳定，磨损较小。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐候性高金属军车用摩擦片，其特征在于，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维10~40%，金属纤维7~30%，非金属纤维7~21%，人造石墨5~15%，树脂5~8%，橡胶2~5%，碳酸钙余量；所述耐候性高金属军车用摩擦片的原料还包括按重量百分比计算的含碳纳米管Ni3Al粉末5%~20%，所述含碳纳米管的Ni3Al粉末的制备方法为：催化温度下，甲醇蒸汽在氮气的运载下通入多孔Ni3Al合金中得到的混合物粉末。
2.根据权利要求1所述的耐候性高金属军车用摩擦片，其特征在于，所述金属纤维包括钢纤维和铜纤维，所述高金属汽车摩擦片的原料中钢纤维和铜纤维的质量百分含量分别为5~20%和2~10%。
3.根据权利要求1或2所述的耐候性高金属军车用摩擦片，其特征在于，所述非金属纤维包括矿物纤维和纤维素纤维，所述高金属汽车摩擦片的原料中矿物纤维和纤维素纤维的质量百分含量分别为5~15%和2~6%。
4.根据权利要求3所述的耐候性高金属军车用摩擦片，其特征在于，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：铁铬铝纤维30%，Ni3Al粉末15%，钢纤维5%，铜纤维3%，矿物纤维5%，人造石墨5%，纤维素纤维6%，树脂7%，橡胶4%, 碳酸钙20%。
5.权利要求1~4任意一项所述的耐候性高金属军车用摩擦片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）含碳纳米管的Ni3Al粉末的制备；
（2）混料：先将非金属纤维及人造石墨进行预混合，保证其处于均匀分散状态，然后依次加入铁铬铝纤维、金属纤维、树脂、橡胶、碳酸钙，高速搅拌预定时间，最后加入含碳纳米管的Ni3Al粉末，再次高速搅拌预定时间；
（3）热压；
（4）热固化：将经步骤（3）处理后的摩擦片在预定时间内从室温升温到热固化温度，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温；
（5）后处理：至少包括表面机械加工、喷涂和检验的处理工序。
6.根据权利要求5所述的耐候性高金属军车用摩擦片的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中压制参数为：压制压力400～600kgf/cm2，热压温度150~160℃，排气5～8次，保压时间为55～65s/mm。
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