CN110821994A - 一种高性能无铜汽车刹车片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能无铜汽车刹车片及其制备方法，本刹车片组分中不含铜，主要由以下重量份的组分组成：硅改性酚醛树脂8‑12份；丁腈橡胶粉3‑7份；Lapinus矿物纤维10‑15份；芳纶纤维2‑4份；人造石墨5‑10份；鳞片石墨2‑5份；氧化锆7‑15份；磷酸锆6‑10份；硫化亚锡5‑10份；硫酸钙晶须5‑15份；硫酸钡15‑35份。本发明提供的无铜汽车刹车片方案通过优选刹车片的材料组合和配比，有效提高无铜汽车刹车片的高温摩擦系数稳定性，可有效克服现有技术所存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及汽车制动系统技术，具体涉及汽车制动系统中用于提供摩擦制动用的汽车刹车片技术及其制备方法。
背景技术
汽车制动系统属于汽车底盘系统的重要组成部分，其主要由制动踏板、液压主缸、液压管路、制动器等组成。
目前在家用小型汽车上采用的制动器多为浮钳盘式制动器，其由一个可在定位销上滑动的制动卡钳、铸铁制动盘和两片汽车刹车片组合而成。汽车制动过程中踩踏制动踏板后通过液压管路推动制动卡钳中的刹车片对制动盘产生钳制动作，通过刹车片与制动盘的摩擦作用提供一个与汽车行进方向相反的制动力矩从而促使汽车降速和停车。
现有汽车刹车片的基本组分是树脂、橡胶、铜纤维、摩擦填充剂等。其中所含的铜组分在刹车片中起到导热、润滑降低磨损等功效。其中铜的导热作用能将摩擦产生的热量迅速从刹车片表面传导到刹车片内部，防止刹车片表面摩擦聚集的温度过高导致有机物质热分解导致的失效。由于铜材料的延展特性可以在摩擦接触面上延展形成一层含铜的摩擦膜，刹车片中的含铜组分可以有效降低摩擦过程中制动盘与刹车片之间的机械磨损。
然而在制动过程中汽车向前运动的动能通过摩擦制动后转化成摩擦热能将使刹车片和制动盘温度急剧升高。在高速、陡坡等剧烈的刹车制动中瞬时制动温度可以达到500-600℃高温，如此高的摩擦温度将对汽车刹车片中的有机物质如树脂、橡胶产生炭化、热分解等负效应，造成刹车片表面发白、开裂现象出现，伴随出现摩擦系数急剧降低、制动力下降等影响制动安全性等不良后果。
如此，提供一种性能稳定可靠性，高温摩擦系数稳定的无铜汽车刹车片方案为本领域亟需解决的问题。
发明内容
针对现有刹车片在汽车高速制动过程中的摩擦高温下出现制动力下降的缺点，需要开发一种在高温下摩擦系数保持稳定的汽车刹车片方案。
为此，本发明的目的在于提供一种高性能无铜汽车刹车片，其高温摩擦系数稳定，性能稳定可靠；在此基础上，本发明还进一步提供该刹车片的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供的高性能无铜汽车刹车片，其组分中不含铜，主要由以下重量份的组分组成：
进一步的，所述的丁腈橡胶分粉采用丙烯酸-丁腈橡胶粉，其颗粒为0.125±50微米。
进一步的，所述的矿物纤维采用纤维长度为250±25微米,长径比为24的改性矿物纤维。
进一步的，所述的芳纶纤维的纤维长度为1-4毫米。
进一步的，所述的人造石墨的碳含量为99％，颗粒尺寸为250-425微米。
进一步的，所述的鳞片石墨采用天然鳞片石墨，其碳含量为96.5％，颗粒尺寸为45-75微米。
进一步的，所述的氧化锆的锆含量为60％，颗粒尺寸为20-45微米。
进一步的，所述的磷酸锆采用层状磷酸锆，其粉末颗粒尺寸为1.64微米。
进一步的，所述的硫化亚锡采用硫化亚锡粉末，锡含量为60％，粉末颗粒尺寸为30微米。
进一步的，所述的硫酸钙晶须的纤维长度在10-300微米，纤维直径在2-20微米。
为达到上述目的，本发明提供的高性能无铜汽车刹车片制备方法，其包括：
步骤(1)混料：按照无铜汽车刹车片的原料配方，将各组分原材料在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)得到的混合料进行热压复合成型；
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固化；
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磨平面、开槽和倒角等加工；
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，在刹车片摩擦表面产生一层多孔酥松的摩擦层；
步骤(6)后处理：将步骤(5)后得到的刹车片进行油漆粉的静电喷涂。
进一步的，所述步骤(1)中混料时间为15分钟，铰刀转速为3000转每分钟。
进一步的，所述步骤(3)中采用如下的固化温度方案：
室温-140℃：升温时间：2小时；
140℃：恒温时间：2小时；
140-200℃：升温时间：2小时；
200℃：恒温时间：8小时；
恒温后随炉冷却到室温。
本发明提供的无铜汽车刹车片方案通过优选刹车片的材料组合和配比，有效提高无铜汽车刹车片的高温摩擦系数稳定性，可有效克服现有技术所存在的问题。
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，下面结合具体实例，进一步阐述本发明。
针对现有汽车刹车片所存在的构成，本实例通过优选原材料的组成和含量，可制备出在制动高温下摩擦系数稳定的无铜汽车刹车片。
本实例给出的高温摩擦系数稳定的无铜汽车刹车片，其组分中不含铜，主要由以下重量份的组分组成：
据此配方构成的无铜汽车刹车片进一步采用如下的具体协同配方，由此提高铜汽车刹车片制动高温下摩擦系数稳定性。
具体的，这里的硅改性酚醛树脂的优选比例为9-11份。
如此硅改性酚醛树脂作为无铜汽车刹车材料的粘接剂材料，其树脂热分解开始温度比一般普通酚醛树脂性提高30-40℃，在制动过程中可以承受较高的制动温度从而提升了整个刹车片基体的整体强度。这样有利于保持材料基体的在制动过程中高温无开裂现象，为摩擦制动提供一个完整性强的和稳定的摩擦面。
进一步的，这里的丁腈橡胶粉采用丙烯酸-丁腈橡胶粉，其颗粒大小为0.125±50微米，其优选的比例为4-6份。
本实例采用如此的丁腈橡胶粉，其为有机的弹性颗粒，在无铜刹车片中均分分布可以有效提高整个刹车片基体的柔顺性，以改善刹车片产品的硬度，降低刹车片与制动盘摩擦制动过程中发生摩擦噪音的几率。
进一步的，Lapinus矿物纤维采用纤维长度为250±25微米,长径比为24的改性矿物纤维。其优选比例为11-14份。
本方案采用矿物纤维作为无铜汽车刹车材料的增强材料，其纤维长度较长(250±25微米)。较长的纤维结构与树脂粘接剂结合后能提供优异的增强效果并保证刹车片在制动高温下材料不开裂。在摩擦制动过程中能提供一个稳定的摩擦对偶面从而保证摩擦系数稳定。同时高的材料强度可降低摩擦制动过程中的磨粒磨损和热机械磨损，从而降低该无铜刹车片的磨损。
进一步的，芳纶纤维采用纤维长度为1-4毫米，优选为2毫米，其优选比例为2.5-3.5份。
这里所采用的芳纶纤维具有类似树枝状的结构，从而可形成有较多的分支类似触角，据此能将刹车片中的其他粉体材料较好的包裹、抓附住，提高整个刹车片材料组分的均匀性。同时芳纶纤维作为耐热性能最好的有机纤维，在构成本刹车片时还同时作为一种增强型的纤维，以在一定温度提高刹车片的力学强度。
进一步的，人造石墨的碳含量为99％，颗粒尺寸为250-425微米。其优选比例为7-9份。
如此的人造石墨在本无铜车刹车片中可起到导热和降低磨损的作用。利用石墨的导热特性可以将摩擦制动的热量从摩擦表面传导到刹车片内部，防止摩擦接触面温度过高导致有机组分的高温失效。同时人造石墨属于含碳材料，摩擦制动中其碳的成分可以摩擦涂覆在刹车片和制动盘的接触面上可有效的降低摩擦磨损。
进一步的，鳞片石墨采用天然鳞片石墨，其碳含量为96.5％，颗粒尺寸为45-75微米。其优选比例为3-4份。
采用如此的鳞片石墨在构成的本无铜车刹车片中主要起到润滑的作用。基于鳞片石墨的本身的摩擦系数很低，同时本鳞片石墨具有层状结构，在摩擦过程中其层状微观结构的滑移以及碳组分对摩擦对偶面的涂覆都可以润滑的作用。
进一步的，氧化锆采用氧化锆粉末。其锆含量为60％，颗粒尺寸为20-45微米。其优选比例为：9-12份。
如此的氧化锆其莫氏硬度在7，属于高硬度的材料，基于该氧化锆能够有效增加构成的无铜汽车刹车片的摩擦系数。
进一步的，磷酸锆采用层状磷酸锆，其粉末颗粒尺寸为1.64微米。其优选比例为：7-9份。
本技术方案采用磷酸锆作为摩擦添加剂既能够起到降低磨损又能够起到保证摩擦系数稳定的特殊效果。该磷酸锆材料属于层状材料，在制动压力和切向摩擦力作用下其分子层可做滑移从而减缓刹车片摩擦过程中的切削磨损。
同时由于磷酸锆晶体结构里面含有锆氧基团，其原子键能较高能在一定程度相当于氧化锆材料从而在摩擦温度和压力下又能提供稳定的摩擦系数。
进一步的，硫化亚锡采用高纯硫化亚锡粉末，锡含量为60％，粉末颗粒尺寸为30微米。其优选比例为：8-9份。
如此的硫化亚锡在构成的无铜汽车刹车片中可起到润滑作用。该硫化亚锡具层状微观结构，在摩擦制动的压力和温度下，其层状结构的微滑移以及层间破坏均可以防止摩擦对偶之间的机械磨损。同时组成中含有金属锡在一定条件下可以生成氧化锡保证了其摩擦系数不过于太低。
进一步的，硫酸钙晶须采用纤维长度10-300微米，纤维直径2-20微米的硫酸钙晶须，其优选比例为：8-12份。
如此的硫酸钙晶须为无机矿物纤维且成本低，其表观密度为0.45克每立方厘米，其在构成的无铜汽车刹车片中可起低成本填料的作用。
进一步的，硫酸钡采用硫酸钡含量为97％，粉末颗粒尺寸为45微米的硫酸钡产品，其优选比例为：20-30份。
如此的硫酸钡与硫酸钙晶须与硫酸钙晶须配合构成本无铜汽车刹车片中中的填充填料，可有效降低本无铜汽车刹车片的成本。
针对上述无铜汽车刹车片的协同配方，本实例进一步给出了基于该协同配方制备无铜汽车刹车片的方法，整个制备过程包括如下步骤：
步骤(1)混料：按照上述无铜汽车刹车片的原料配方，将各组分原材料在Lodige型混料机中进行混合得到各组分原材料均匀分布的混合料；混料时间为15分钟，铰刀转速为3000转每分钟，如此通过高速的铰刀转速可将芳纶纤维充分开松，提高芳纶纤维对配方中其他粉末颗粒料的包裹和抓附作用，从而提高配方组分的均匀性。
步骤(2)毛坯压制：将步骤(1)得到的混合料送入全动热压机与预涂胶的钢背进行热压复合成型；这里的压制温度为160摄氏度，压制时间为360秒，单位面积压制压力为40兆帕。通过如此的压制温度、压制时间以及压制压力的同步配合设置，可以保证压制出来的毛坯表面均匀致密，无气泡、侧裂等异常出现。
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固化。
作为优选，这里的固化温度设置如下：
室温-140℃：升温时间：2小时，
140℃：恒温时间：2小时，
140-200℃：升温时间：2小时，
200℃：恒温时间：8小时；
恒温后随炉冷却到室温。
本固化过程中通过140℃且2小时的恒温阶段，可防止升温速率过快造成刹车片产品内应力过大的开裂和气泡异常出现；在此基础上，控制最高温度为200℃，这样既保证了刹车片可以充分的固化又不至于温度过高对刹车片中的有机组分产生热损伤。
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磨平面、开槽和倒角等加工；
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，在刹车片摩擦表面产生一层多孔酥松的摩擦层，由此来提高刹车片在汽车新车出厂检测中初次制动的摩擦系数；
步骤(6)后处理：将步骤(5)后得到的刹车片进行油漆粉的静电喷涂，由此来提高刹车片钢背的耐腐蚀性能。
本实例给出的方案通过优选刹车片的材料组合和配比，并配以合适的生产工艺可有效制备出高温摩擦系数稳定的无铜汽车刹车片。
针对上述方案，以下通过一些具体应用实例来进一步的说明本方案。
实施例1
本实例准确称量以下各原材料并分包放置。
具体的，硅改性酚醛树脂900克，丁腈橡胶粉400克，Lapinus矿物纤维1400克，芳纶纤维250克，人造石墨700克，鳞片石墨400克，氧化锆1200克，磷酸锆700克，硫化亚锡800克，硫酸钙晶须800克，硫酸钡2450克。
将上述原材料按照前述无铜汽车刹车片制备方法步骤1-6制备成刹车片材料面积为60平方厘米的待测无铜汽车刹车片A。
实施例2
本实例准确称量以下各原材料并分包放置。
具体的，硅改性酚醛树脂1100克，丁腈橡胶粉600克，Lapinus矿物纤维1100克，芳纶纤维350克，人造石墨900克，鳞片石墨300克，氧化锆900克，磷酸锆900克，硫化亚锡900克，硫酸钙晶须900克，硫酸钡2050克。
将上述原材料按照前述无铜汽车刹车片制备方法步骤1-6制备成刹车片材料面积为60平方厘米的待测无铜汽车刹车片B。
实施例3
本实例准确称量以下各原材料并分包放置。
具体的，硅改性酚醛树脂1000克，丁腈橡胶粉500克，Lapinus矿物纤维1200克，芳纶纤维250克，人造石墨700克，鳞片石墨300克，氧化锆1000克，磷酸锆800克，硫化亚锡800克，硫酸钙晶须1200克，硫酸钡2250克。
将上述原材料按照前述无铜汽车刹车片制备方法步骤1-6制备成刹车片材料面积为60平方厘米的待测无铜汽车刹车片C。
针对上述三项实例得到的待测无铜汽车刹车片分布进行测试。这里将实施例1得到的刹车片A，实施例2得到的刹车片B和实施例3得到的刹车片C按照SAE J2522标准在美国Link 1900惯性试验台架上进行测试。
由此来考察制备的无铜刹车片在指定的制动惯量和制动半径下，采用不同的制动速度、制动压力、制动温度等对摩擦系数大小以及其稳定性进行评价。同时可以考察真个测试程序中刹车片的厚度磨损和质量磨损。
测试结果见表1
根据对实施例1～3制备的无铜汽车刹车片进行SAE J2522的摩擦磨损台架性能测试，由此可以看到实施例1～3制备的A、B、C刹车片测试名义摩擦系数在0.40～0.42之间，同时在设定的高温和连续制动测试章节(9)、(12)、(14)测试中摩擦系数都不低于0.33。
这说明本发明给出的技术方案得到的无铜刹车片具有在制动高温下提供稳定摩擦系数的能力，从而保证了行车制动的安全性。同时在整个测试程序中刹车片厚度磨损不超过1毫米，重量磨损不超过10克，可以说制备的刹车片磨损能满足大多数客户和工况条件下的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和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 (13)
1.一种高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述刹车片组分中不含铜，主要由以下重量份的组分组成：
2.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的丁腈橡胶分粉采用丙烯酸-丁腈橡胶粉，其颗粒为0.125±50微米。
3.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的矿物纤维采用纤维长度为250±25微米,长径比为24的改性矿物纤维。
4.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的芳纶纤维的纤维长度为1-4毫米。
5.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的人造石墨的碳含量为99％，颗粒尺寸为250-425微米。
6.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的鳞片石墨采用天然鳞片石墨，其碳含量为96.5％，颗粒尺寸为45-75微米。
7.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的氧化锆的锆含量为60％，颗粒尺寸为20-45微米。
8.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的磷酸锆采用层状磷酸锆，其粉末颗粒尺寸为1.64微米。
9.根据权利要求1所述的高性能无铜汽车刹车片，其特征在于，所述的硫化亚锡采用硫化亚锡粉末，锡含量为60％，粉末颗粒尺寸为30微米。
10.所述的硫酸钙晶须的纤维长度在10-300微米，纤维直径在2-20微米。
11.一种高性能无铜汽车刹车片制备方法，其特征在于，包括：
步骤(1)混料：按照权利要求1-10任一项所述的无铜汽车刹车片的原料配方，将各组分原材料在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)得到的混合料进行热压复合成型；
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固化；
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磨平面、开槽和倒角等加工；
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，在刹车片摩擦表面产生一层多孔酥松的摩擦层；
步骤(6)后处理：将步骤(5)后得到的刹车片进行油漆粉的静电喷涂。
12.根据权利要求11所述的高性能无铜汽车刹车片制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中混料时间为15分钟，铰刀转速为3000转每分钟。
13.根据权利要求11所述的高性能无铜汽车刹车片制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用如下的固化温度方案：
恒温后随炉冷却到室温。
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