CN109780101B - 一种无铜摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铜摩擦材料及其制备方法，本方案主要通过粘接剂、增强纤维、摩擦填料、碳材料、导热金属粉末、高温润滑剂相互配合组成无铜摩擦材料。本发明提供的方案所形成摩擦材料中不含铜，使用过程非常环保；同时该无铜摩擦材料的摩擦系数稳定，能极大的提高刹车制动过程中的制动稳定性。

Description

一种无铜摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及汽车刹车片，具体涉及汽车刹车片中的摩擦材料。

背景技术

汽车刹车片的发展经历了石棉型刹车片、半金属刹车片、低金属刹车片、 NAO无石棉型刹车片。这些类型的刹车片中都加入了铜纤维和或铜的金属粉末、颗粒等材料。其在刹车片中的作用是提高刹车片的导热能力、降低磨损以及稳定摩擦系数等。

但是经研究发现刹车片中的铜质材料在刹车制动过程中会被磨削成微小的铜微粒散布于室外环境中。随后的降雨过程中铜微粒被带入自然环境中的河流以及地下水系。对河流中的动植物以及地下水系统造成重金属铜的污染。随着国家环保法律的不断严格，社会民众对环境保护意识的不断提升。汽车行业特别是主机厂家对刹车片材料的环保要求不断提高，对无铜摩擦材料刹车片的需求也在不断增长，因此开发一种无铜的汽车刹车片摩擦材料显得特为重要。

发明内容

针对现有刹车片材料中含铜存在不环保的问题，需要一种不含铜环保型的刹车片材料。

为此，本发明的目的在于提供一种无铜摩擦材料，在此基础上进一步提供该无铜摩擦材料的一种制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的无铜摩擦材料，包括如下重量份的组分：

进一步的，所述的粘接剂由树脂粉、橡胶粉组成。

进一步的，所述的增强纤维主要由有机芳纶纤维、无机矿物纤维和陶瓷纤维中的一种或多种组成。

进一步的，所述碳材料主要由天然鳞片石墨，人造石墨、石油焦炭中的一种或多种组成。

进一步的，所述导热金属粉末主要由低熔点的锡粉、锌粉以及锡锌合金粉末组成；所述导热金属粉末的尺寸在20-75um之间。

进一步的，所述高温润滑剂主要由硫化铜、硫化亚铜、硫化锡、硫化亚锡、硫化锌、硫化铁中的一种或组合。

进一步的，所述摩擦填料由5-15份的莫氏硬度大于4的高硬度增摩填料和10-50份的莫氏硬度小于4的低硬度填料组成。

进一步的，所述高硬度增摩填料主要由金属氧化物和/或硅酸盐材料组成。

进一步的，所述低硬度填料由硫酸钡、重晶石、氧化钙、氢氧化钙、云母粉、蛭石粉、滑石粉中的一种或多种组成。

为了达到上述目的，本发明提供的无铜摩擦材料制备方法，包括：

步骤(1)混料：按照上述无铜摩擦材料的原料配方，将各组分原材料在犁耙式混料机中进行混合得到各组分原材料均匀分布的混合料；

步骤(2)毛坯压制：将步骤(1)得到的混合料送入自动热压机中进行热压成型；

步骤(3)毛坯固化：将步骤(2)得到的汽车刹车片毛坯在可控温的烘箱中进行充分的树脂固化，并在固化达到要求后随炉降温至室温；

步骤(4)尺寸加工：将步骤(3)得到的经充分固化刹车片毛坯进行外形尺寸加工；

步骤(5)高温烧蚀：将步骤(4)经过尺寸加工后的刹车片半成品进行高温烧蚀，以在刹车片摩擦表面产生多孔酥松的摩擦层；

步骤6：后处理：将步骤(5)后得到的刹车片进行后处理制备成刹车片成品。

本发明提供的方案所形成的摩擦材料中不含铜，使用过程非常环保；同时该无铜摩擦材料的摩擦系数稳定，能极大的提高刹车制动过程中的制动稳定性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中摩擦性能的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对现有汽车刹车片中摩擦材料中需要加入了铜纤维和或铜的金属粉末、颗粒等材料，在使用过程中存在污染环境的问题。本方案提供一种环保型的无铜摩擦材料，其主要由粘接剂、增强纤维、摩擦填料、碳材料、导热金属粉末、高温润滑剂相互配合组成。

本无铜摩擦材料中，粘接剂树脂在压制工艺的温度、压力、时间下会熔融流动并将其周围其它材料包裹粘接在一起，各均布的树脂粉之间通过链段的枝结、偶合形成一个稳定的三维立体网络结构给整个摩擦材料提供机械强度。

增强纤维基于其长径比的特点，在摩擦材料中起到增强摩擦材料机械强度的作用，在摩擦过程中提供稳定具有一定强度的摩擦对偶面。

摩擦填料主要由高硬度填料和低硬度填料组成，高硬度填料用于增加摩擦系数，作为摩擦对偶面上的硬质点或孤岛，通过与对偶面的切削、刮擦等摩擦提高摩擦系数，防止热衰退的形成。低硬度填料用于调节摩擦材料的酸碱值并降低摩擦材料组合的成本。

碳材料作为不同温度下的减摩剂，在摩擦过程中在摩擦对偶面上形成一层碳的涂覆层来降低摩擦磨损。

导热金属粉末用于传导摩擦制动产生的热量，同时通过自身的固-液变化吸收摩擦热量，并且液化后还能在微观区域形成一定的高温粘接效应。

高温润滑剂主要由金属硫化物构成，能够在摩擦压力和速度下在金属制动盘上形成一层金属-硫的润滑膜，该润滑膜可以减少对偶面的摩擦磨损。

基于上述机理，本方案给出无铜摩擦材料，以重量份计，其原料配方由如下组分构成：

在此基础上，本方案进一步提供了具有协同作用的具体配方，具体如下。

本材料中的粘接剂由树脂粉和橡胶粉组成。

其中，树脂粉主要为酚醛树脂和/或改性酚醛树脂粉，其组成可以是一种树脂粉也可以是几种树脂粉的组合物。

橡胶粉可采用丁腈橡胶粉和/或回收利用的橡胶轮胎粉。

如此形成的粘接剂组合能够提供满足摩擦材料必须的机械强度，橡胶粉通过化学和物理的方法与酚醛树脂链段结合，提高树脂链段和整个摩擦材料的柔韧性。

在具体实施时，该粘接剂优选为18-25份，能够保证摩擦材料的强度。若含量过高，由于树脂和橡胶属于有机物质，摩擦高温会导致树脂、橡胶的热分解，热分解产物如氨气、小分子油状物质会导致摩擦对偶面产生“气垫”、滑动摩擦等热衰退现象造成摩擦系数大幅降低；若含量过低，不能有效的将其它组分材料包裹粘接起来，摩擦材料整体强度降低。

本材料中的增强纤维主要由有机芳纶纤维、无机矿物纤维和陶瓷纤维中的一种或多种组成。

其中，有机芳纶纤维是芳纶长纤维通过机械研磨加工而成的芳纶浆粕。以此来构成增强纤维，利用其纤维的树枝状结构能将摩擦材料中其他粉末有效的抓附和包裹，提高整个混合料的均匀性。

无机矿物纤维是由天然矿石如白云石、辉绿岩、玄武岩等通过熔融、喷丝、筛选、过滤等制备而成。其纤维长度为0-0.5mm，优选为：0-0.4mm。

陶瓷纤维主要是钛酸钾片晶、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须。

利用无机矿物纤维和/或陶瓷纤维来构成增强纤维时，基于其大的长径比，能有效的提高摩擦材料的机械强度，在摩擦过程中提供稳定的摩擦对偶面，且主要成分为氧化物所以耐制动高温。

在具体实施时，该增强纤维优选为10-22份，若纤维含量过高则易导致混料不均的结团问题，同时需要采用更多的树脂粘接剂，会导致高温衰退现象。若纤维含量过低，其对摩擦材料的增强效果过低，摩擦材料整体机械强度不足导致压制开裂，摩擦过程中磨损过快。

本材料中的摩擦填料主要由莫氏硬度大于4的高硬度增摩填料和莫氏硬度小于4的低硬度填料组成。

其中，莫氏硬度大于4的高硬度增摩填料主要由氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化镁等金属氧化物和或硅酸镁铝、硅酸锆等组成硅酸盐材料组成。

如此形成的高硬度增摩填料组合，由于这些材料硬度高且材料结构完整，其均匀分布在摩擦面上形成硬质点或“孤岛”结构，通过与摩擦对偶面(铸铁盘) 的切削或刮削摩擦作用提高摩擦系数。

该高硬度增摩填料均为粉末颗粒，颗粒尺寸在5-45um之间，优选为5-30um。同时在组成摩擦填料时，该高硬度增摩填料采用5-15份。

对于莫斯硬度小于4的低硬度填料由硫酸钡、重晶石、氧化钙、氢氧化钙、云母粉、蛭石粉、滑石粉等组成。

如此形成的低硬度填料，由于材料的硬度低，不会与摩擦对偶产生剧烈的摩擦，有效降低了刹车片和对偶的磨损。同时该低硬度填料颗粒尺寸较细和重量比例较高，与树脂、增强纤维协同作用后能产生一定的填充增强效果。

该低硬度填料均为粉末颗粒，颗粒尺寸在30-600um之间，优选为45-425um；同时在组成摩擦填料时，该低硬度填料采用10-50份。

如此形成的低硬度摩擦填料通过颗粒尺寸和比例的优选可以使摩擦材料的成本降低，并充分发挥填料的协同增强效果。

在具体实施时，其中的高硬度增摩填料优选5-10份，而低硬度填料优选 15-40份，由于高硬度填料的主要作用是提供合适的摩擦系数，含量过少则会造成摩擦系数偏低不能安全刹车；过多则会导致摩擦系数偏高，磨损增加。

本材料中的碳材料主要由天然鳞片石墨，人造石墨，石油焦炭中的一种或多种组成。

其中，天然鳞片石墨是通过对天然石墨矿石进行粉碎、除杂、筛选等工艺制备而成。其碳含量要求大于90％。该鳞片石墨尺寸在38-425um之间，优选为63-150um。

人造石墨是由石油焦或者沥青焦经过配料、捏合、并进行石墨化处理后形成的一种合成石墨。

石油焦炭为石油炼制后的副产物，进行筛选后制备而成的粗糙颗粒物。其尺寸在100-600um之间，优选为125-300um之间。

如此形成的碳材料组合具有优异的减摩效果，在具体实施时，该碳材料优选为8-16份，由此能提供必需和足够的减摩效果，碳材料组合在制动过程中会在摩擦对偶面上形成或涂覆足够的碳膜来缓解刹车片和对偶之间的剧烈摩擦，因为碳材料的润滑特性，碳膜可降低摩擦过程中对摩擦片和制动盘的磨损。若加入过量的碳材料则会造成刹车片整体摩擦系数偏低，不能满足制动需要；若过少的碳材料则会造成减摩效果不足，导致刹车片和制动盘的磨损过量。

本材料中的导热金属粉末主要由低熔点的锡粉、锌粉以及锡锌合金粉末中的一种或多种组成。且该导热金属粉末的尺寸在20-75um之间，优选为20-45um。

如此形成的导热金属粉末组合，其材料颗粒均布于摩擦材料之中，可以将摩擦对偶面上产生的摩擦热迅速传导扩散，防止对偶面局部升温过快导致热衰退。再者，本导热金属粉末采用的都是低熔点的金属或合金(200-500℃)，当温度升高至熔点附近时金属粉末由固相转变为液相可以吸收大量的热量，保护了摩擦对偶；同时微观区域的液相可对局部的其他材料产生粘接黏附的效应。

在具体实施时，该导热金属粉末比例为1-8份，优选为3-5份，由此可以避免比例过高，可能产生金属粉末与对偶铸铁制动盘的热焊接或者冷焊接的不良效应，损害正常的摩擦制动；同时也可以避免比例过低，造成无法有效传导摩擦热量的问题。

本材料中的高温润滑剂主要是硫化铜、硫化亚铜、硫化锡、硫化亚锡、硫化锌、硫化铁等硫化物中的一种或多种组成。

如此形成的高温润滑剂具体为金属硫化物，其在摩擦压力和速度下会在金属制动盘对偶面上形成一层金属-硫的润滑膜，以减少对偶面的磨损。在具体实施时，该高温润滑剂优选为8-15份，以避免含量偏低无法在金属制动盘上形成足量的金属-硫润滑膜，无法实现降低对偶面磨损的问题。

针对由上述组分按照相应配比构成的新环保型无铜摩擦材料，本发明还提供对应的制备方法。

在利用该制备方法来制备无铜摩擦材料时，整个过程包括如下步骤：

步骤(1)混料：按照配方比例准确称量组成该无铜摩擦材料的各类原材料，将称量准备好的原材料放入犁耙式混料机中进行混合得到各原材料均匀分布的混合料。其中进行混料时间优选为10分钟，以保证各原材料均匀分布。

步骤(2)毛坯压制：将步骤(1)中得到的混合料送入IAG自动热压机中进行热压成型，形成汽车刹车片毛坯。其中，压制温度为150-180℃，优选 160℃；压制时间为200-280s，优选240s，单位面积压制压力为35-50N/mm²，优选40N/mm²。

步骤(3)毛坯固化：将步骤(2)得到的汽车刹车片毛坯送入可控温的烘箱中进行充分的树脂固化。其中，固化最高温度为240-270℃，优选250℃；固化时间为7-10h，优选8h；由此通过较高温度和长时间的固化，使树脂在长时间高温的作用下充分交联和固化，从而提高刹车片的整体强度和结构的稳定性。并且在固化时间达到要求后随炉降温至室温，避免出现裂纹。

步骤(4)尺寸加工：将步骤(3)得到的经充分固化刹车片毛坯进行外形尺寸加工，如根据产品图纸进行磨平面、开槽、倒角。

步骤(5)高温烧蚀：将步骤(4)经过尺寸加工后的刹车片半成品在高温烧蚀设备上进行高温烧蚀，由此在刹车片摩擦表面产生多孔酥松的摩擦层，以提高刹车片初次制动的制动效能。其中，烧蚀温度范围：480-530℃；而烧蚀时间控制在2-6min，优选4min。

步骤(6)后处理：将经步骤(5)后得到的刹车片进行静电喷粉处理、组装和铆接消音片、弹簧、报警器、喷码等制备成刹车片成品。

如此形成的摩擦材料不仅不含铜，使用时不污染环境；同时该无铜摩擦材料的摩擦系数稳定，能极大的提高刹车制动过程中的制动稳定性。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份。

实施列1

本实例提供的无铜摩擦材料刹车片配方如下：

非改性酚醛树脂20份，丁腈胶粉3份；

芳纶浆粕3份，矿物纤维5份，钛酸钾片晶8份；

氧化锆5份，氧化镁4份；

硫酸钡15份，氢氧化钙5份；云母粉5份；

天然石墨5份，石油焦炭8份；

金属锡粉4份；

硫化铜5份，硫化锡5份。

将上述原材料按照前述无铜摩擦材料制备方法步骤1-6制备成待测无铜汽车刹车片A。

实施列2

本实例提供的无铜摩擦材料刹车片配方如下：

橡胶改性酚醛树脂15份，丁腈胶粉3份；

芳纶浆粕4份，矿物纤维3份，钛酸钾片晶3份；

氧化锆6份，氧化铝1份，氧化镁7份；

硫酸钡18.5份，氢氧化钙3份，云母粉6份，蛭石粉3份；

人造石墨4份，石油焦炭4份；

金属锡粉4.5份；

硫化铜7.5份，硫化锡7.5份。

将上述原材料按照前述无铜摩擦材料制备方法步骤1-6制备成待测无铜汽车刹车片B。

实施列3

本实例提供的无铜摩擦材料刹车片配方如下：

丁腈改性酚醛树脂19份，回收轮胎粉6份；

芳纶浆粕4份，矿物纤维6份，钛酸钾片晶5份，硫酸钙纤维7份，氧化锆4.5份，氧化铝0.5份；

硫酸钡12.5份，氢氧化钙3份，滑石粉4份、蛭石粉4份；

人造石墨5份，石油焦炭5份；

金属锡粉0.5份；

硫化亚希7份，硫化铁7份。

将上述原材料按照前述无铜摩擦材料制备方法步骤1-6制备成待测无铜汽车刹车片C。

实施列4

本实例提供的无铜摩擦材料刹车片配方如下：

非改性酚醛树脂19份，丁腈橡胶粉4份；

芳纶浆粕3份，矿物纤维4份，钛酸钾片晶5.5份，碳酸钙纤维4.5份，氧化锆4.5份，硅酸锆5份，氧化铝0.5份；

硫酸钡9份，氢氧化钙1份，滑石粉4份，蛭石粉4份；

人造石墨8份，石油焦炭8份；

金属锡粉2份，锌锡合金粉3份；

硫化亚铜5份，硫化锡6份。

将上述原材料按照前述无铜摩擦材料制备方法步骤1-6制备成待测无铜汽车刹车片D。

将上述实施例1-4中制备的无铜汽车刹车片A-D进行物理和摩擦性能试验。

其中，物理性能试验在德国Jurid压缩率仪上进行压缩性测试和采用排水法进行密度测试。测试结果如表1所示。

表1实施例1-4的压缩率和密度测试结果

摩擦性能试验在Link公司生产的2000型台架上按照标准SAE-J2522进行摩擦系数的测试，考察无铜汽车刹车片在不同的制动温度、速度和压力下的摩擦系数表现。同时可以观察无铜刹车片的磨损情况。试验结果如表2所示：

表2，实施例1-4的摩擦性能测试结果

在基础上进一步参见图1，其所示为本实施例1-4制备的无铜汽车刹车片 A-D的摩擦性能曲线。

根据对实施例1-4制备的无铜摩擦片A-D进行物理和摩擦性能测试的结果可以确定，根据本发明所提供方案形成的无铜摩擦材料均满足该刹车片型号的物理和摩擦性能要求；同时压缩率和密度的最小值、最大值、平均值都在要求范围之内。在台架测试中的摩擦系数都满足该刹车片型号的最小值和最大值要求。同时可以发现台架测试中制动温度、速度和压力的变化对摩擦系数的影响不大，该无铜摩擦材料的摩擦系数稳定，能极大的提高刹车制动过程中的制动稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种无铜摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料不含铜，不包含聚四氟乙烯颗粒，或者其他氟系聚合物颗粒，由如下重量份的组分组成：

摩擦填料，由5-15份的莫氏硬度大于4的高硬度增摩填料和10-50份的莫氏硬度小于4的低硬度填料组成；

所形成的高硬度增摩填料组合，基于材料硬度高且材料结构完整，其均匀分布在摩擦面上形成硬质点或“孤岛”结构，通过与摩擦对偶面的切削或刮削摩擦作用提高摩擦系数；

所述导热金属粉末主要由低熔点的锡粉、锌粉以及锡锌合金粉末组成，以传导摩擦制动产生的热量，同时通过自身的固-液变化吸收摩擦热量，并且液化后还能在微观区域形成一定的高温粘接效应；

所述高温润滑剂由金属硫化物构成，在摩擦压力和速度下在金属制动盘上形成一层金属-硫的润滑膜，该润滑膜可以减少对偶面的摩擦磨损；

所述粘接剂在压制工艺下会熔融流动并将其周围其它材料包裹粘接在一起，通过链段的枝结、偶合形成一个稳定的三维立体网络结构给整个摩擦材料提供机械强度；

所述碳材料作为不同温度下的减摩剂，在摩擦过程中在摩擦对偶面上形成一层碳的涂覆层来降低摩擦磨损。

2.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述的粘接剂由树脂粉、橡胶粉组成。

3.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述的增强纤维主要由有机芳纶纤维、无机矿物纤维和陶瓷纤维中的一种或多种组成。

4.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述碳材料主要由天然鳞片石墨，人造石墨、石油焦炭中的一种或多种组成。

5.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述导热金属粉末的尺寸在20-75um之间。

6.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述高温润滑剂主要由硫化铜、硫化亚铜、硫化锡、硫化亚锡、硫化锌、硫化铁中的一种或组合。

7.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述高硬度增摩填料主要由金属氧化物和/或硅酸盐材料组成。

8.根据权利要求1所述的无铜摩擦材料，其特征在于，所述低硬度填料由硫酸钡、重晶石、氧化钙、氢氧化钙、云母粉、蛭石粉、滑石粉中的一种或多种组成。

9.一种无铜摩擦材料制备方法，其特征在于，包括：

步骤(1)混料：按照权利要求1-8中任一项所述的无铜摩擦材料的原料配方，将各组分原材料在犁耙式混料机中进行混合得到各组分原材料均匀分布的混合料；

步骤(2)毛坯压制：将步骤(1)得到的混合料送入自动热压机中进行热压成型；

步骤(3)毛坯固化：将步骤(2)得到的汽车刹车片毛坯在可控温的烘箱中进行充分的树脂固化，并在固化达到要求后随炉降温至室温；

步骤(4)尺寸加工：将步骤(3)得到的经充分固化刹车片毛坯进行外形尺寸加工；

步骤(5)高温烧蚀：将步骤(4)经过尺寸加工后的刹车片半成品进行高温烧蚀，以在刹车片摩擦表面产生多孔酥松的摩擦层；

步骤6：后处理：将步骤(5)后得到的刹车片进行后处理制备成刹车片成品。

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