CN1854237A - 摩擦材料 - Google Patents
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Abstract
一种摩擦材料设有作为其粘合剂的被烘焙、碳化的有机材料。所述摩擦材料在室温下在4MPa的载荷下具有从0.3％到2.5％的压缩变形程度、在10MPa的载荷下具有从1.0％到4.5％的压缩变形程度。在300℃的压缩变形程度与室温下压缩变形程度的压缩变形比率在1－10MPa的载荷下是从1.0到1.5。所述烘焙碳化步骤包括在从550℃到1300℃的温度下、在真空、还原气体或惰性气体的任何氛围下碳化有机材料，其中载荷施加到所述有机材料上。
Description
本申请要求2005年4月27日提出的日本专利申请No.P.2005-130046的优先权，上述专利申请的内容在此通过参考并入。
技术领域
本发明涉及用于用在汽车、轨道车辆、飞机、工业机器等内的制动衬的摩擦材料。
背景技术
从节能和效率的观点，期望制动器尺寸小、重量轻并具有高的质量。此外，期望用于制动衬的摩擦材料具有对高温和高载荷条件可持久的良好的耐热性。
主要用于汽车和轨道车辆内的摩擦材料由用作粘合剂的诸如典型的酚醛树脂的热固树脂形成。但是，由于粘合剂是有机材料，在高速时的摩擦系数可能低，压缩变形的程度可能由于制动热导致的有机材料的软化的热变形而增加，且摩擦系数可能由于材料的热分解而降低(所述现象可以被称为“衰退”)。
随着近来对高速、高容量和节能汽车和轨道车辆的需求的增加，非常需要更小尺寸和更轻重量的制动器，并且施加到这些上的摩擦材料的载荷增加的越来越大。
为了解决这些问题，提出了由铜基烧结合金不使用有机材料形成滑动部件(参看JP-A-07-102335)；由C/C复合材料形成的转动部件和摩擦材料(碳纤维-增强碳复合材料)(见JP-B2-2805263和JP-A-07-332414)；和由陶瓷基体复合材料(CMC)形成的转动部件(参看JP-A-04-347020)。
但是，铜基烧结合金的问题在于它的耐热性受到构成金属的熔点的限制，尽管其没有热分解；同样，C/C复合材料的问题在于其低速低温摩擦系数低，并且很容易受到湿气或水的影响，尽管由这样的C/C复合材料形成的转动部件和摩擦材料可以重量轻，并在高速具有高的摩擦系数，并且具有诸如良好耐高温压缩变形和良好耐衰退的良好摩擦特性。
其它问题在于所述复合材料对通常使用在普通道路行驶中的铸铁转动部件的摩擦特性不稳定，并且此外，由于其生产困难，所以其成本较高，或它是普通产品的数百倍。
简言之，用于C/C复合材料的制造方法如下：聚合物材料被施加到用作增强材料的碳纤维，并且在成形之后，它在高温碳化炉内被烘焙并碳化。但是，当一旦烘焙时，那么复合材料具有低的密度并不能具有所需的强度。因此，聚合物材料施加和烘焙的步骤必须重复多次碳化以由此增加复合材料的密度。
当一旦烘焙时，复合材料通常可以具有大约1.5g/cm3的密度，并且通过重复的聚合物材料施加和烘焙，其密度增加到大约1.8g/cm3，此后，复合材料在2000℃或更高温度下石墨化以产生摩擦材料。整个过程需要几个星期到几个月，并且这导致由复合材料形成的摩擦材料的成本的增加。
摩擦材料的这样的不稳定摩擦性能的另外的主要因素是摩擦中的接触条件不稳定。为了改进有机摩擦材料的接触条件，因为摩擦材料由于在使用它的制动中施加到其上的压力而变形，并且由于其接触条件由此被稳定化，因此其压缩变形的程度是很重要的因素。就其压缩变形的程度这点而言有机摩擦材料的问题在于有机材料在高温可能熔化或分解，其高温变形的程度可能增加太多，并且结果，有机材料可能具有诸如异常摩擦或拖滞(不完全脱扣运动)的负面影响。因此，由于这些原因，有机摩擦材料就其压缩变形的程度这点是受到限制的。另一方面，由有机材料单独形成的C/C复合摩擦材料可以没有所述问题，并且就其周围温度条件这点而言可以是显著有利的，但是其具有的问题在于，由于其构成成分和其制造方法，在保持其必要的摩擦强度的同时不能充分地控制其压缩变形的程度。
此外，导致在一次烘焙操作中复合材料不可能是高密度产品的主要原因可能是由于其中用作增强材料的纤维和织布是在烘焙中没有结构改变的稳定碳纤维，但是通过构成它的聚合物材料的碳化(其碳化程度大约是50％)粘合剂可能收缩并减小到大约1/2体积，并且因此收缩的部分可能保留成为复合材料内的孔。
发明内容
本发明的一个或更多个实施例提供了一种摩擦材料，所述摩擦材料没有C/C复合材料在低速、低温下具有低摩擦系数并容易受到湿气和水影响的缺点，因此即使在不仅与C/C复合材料或陶瓷基复合材料的转动部件而且与通常使用在普通道路运行中的普通铸铁转动部件摩擦时显示稳定的性能，并且不昂贵。
根据本发明的一个或更多个实施例，所述摩擦材料设有作为其粘合剂的烘焙的碳化有机材料。所述摩擦材料在室温下、在4MPa的载荷下具有从0.3％到2.5％的压缩变形程度，且在10MPa的载荷下具有从1.0％到4.5％的压缩变形程度。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，在300℃的压缩变形程度与在室温下的压缩变形程度的压缩变形比率在从4-10MPa的载荷下落入从1.0到1.5的范围内。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，烘焙碳化可以设有如下步骤：在将载荷施加到有机材料上的情况下，在从550℃到1300℃的温度下将有机材料在真空、还原气体或惰性气体的氛围中的一个内碳化。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，指示成形物件的密度与摩擦材料的成形材料的真密度的比率的填充系数(填充率)可以落入从65％到85％的范围内。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，摩擦材料设有：通过其烘焙碳化将作为粘合剂的从3％到30％体积(体积百分比)的有机材料；用作摩擦改良剂的从10％到40％体积的无机填料；从15％到50％体积的固体润滑剂；和从5％到35％体积的金属材料。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，有机材料可以设有聚合物材料，所述聚合物材料通过烘焙而碳化的碳化产率是至少50％。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，聚合物材料可以设有一个或更多沥青、中间相碳、酚醛树脂和缩合多环多核芳烃树脂(copnaresin)。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，固体润滑剂可以设有含碳材料(例如碳黑)和/或石墨材料(例如，天然石墨、人造石墨)的一个或更多个不同类型的颗粒或纤维。
此外，根据本发明的一个或更多个实施例，金属材料可以设有铁、不锈钢、铜、青铜、黄铜、铝和/或锡的一个或更多个不同类型的颗粒或纤维。
根据本发明的一个或更多个实施例，具有从65％到85％填充系数(填充率)的摩擦材料在施加到其上的5kPa-3MPa的载荷下通过烘焙和碳化制造。
根据本发明的一个或更多个实施例，具有可控程度的压缩变形的摩擦材料在高速时比比较材料具有更高的摩擦系数，并且在抗衰退(在高温下对于摩擦系数减小的抵抗性)、速度扩展能力和G-扩展能力上更为优良，并具有比初始对其期望的更好的耐热性。此外，摩擦材料的压缩变形程度可以在更宽的范围内设计，并且此外，其压缩变形程度中的改变小并且即使在高温下也稳定。因此，摩擦材料的压缩变形程度可以被优化以适于应用到汽车、轨道车辆、飞机、工业机器等的制动器上的各种摩擦条件。因此，摩擦材料对于改进包括其的制动器的安全性是有效的，并且可以对制动器和需要小尺寸和轻重量的其它系统的总的设计具有良好的影响。
本发明的其它方面和优点从下述的说明书和所附的权利要求变得明显。
附图说明
图1是HRR和压缩变形的相关图；
图2是HRS和HRR的相关图；
图3是8MPa载荷下压缩变形和HRS的相关图；
图4是示例(1)-(15)中的“室温下填充系数(填充率)和压缩变形程度”的相关图；
图5是试样(1)、(4)、(8)和(13)以及比较示例的“压缩变形程度和温度”的关系的视图；
图6是试样(1)、(4)、(8)和(13)以及比较示例的“压缩变形程度和温度”的关系的视图；
图7是试样(1)、(4)、(8)和(13)以及比较示例的“压缩变形程度和温度”的关系的视图，指示“在室温和高温下的压缩变形程度的改变”；
图8是显示示例(1)-(15)和比较示例的摩擦系数和其减小(衰退＝1-衰退m/初始m)的视图；
图9是示例(4)、(8)和(13)的衰退测试中的摩擦系数改变的视图；
图10是显示了示例和比较示例的磨损的视图；
图11是显示了高速运行测试中的减速度依赖摩擦系数的视图。
具体实施方式
本发明的典型实施例将参照附图进行说明。
在制造传统的C/C复合材料的过程中，问题在于控制混合金属以及无机材料的摩擦特性和压缩变形程度。原因是由于复合材料在高温下重复烘焙(2000℃或更高)，金属和有机材料可能熔化并流出，因此很容易分解和升华，并且它们不能混杂。
为了解决这个问题，此前已经调查了在低温下的碳化和混合化的方法(例如，专利文献5、专利文献6)。在这些参考文献的示例中，硬度(用洛氏硬度计：HRS)被测量作为压缩变形程度的替代值。但是，在这些中，所述材料不能具有比传统的材料更硬的满意的压缩变形程度。
与现有技术的详细比较显示在图3中，所述图3显示了包括作为其粘合剂的烘焙碳(baked carbon)的摩擦材料的硬度(HRS)和压缩变形之间的关系。但是，包括作为其粘合剂的酚醛树脂的传统摩擦材料的倾向由于其弹性模量显著地不同而改变。
在用HRS计确定洛氏硬度中，其可检测的范围是在其中它可以保持其准确性的50-115；硬度比用HRS计测量的最低检测限值低的材料必须用HRR计测量。
因此，本发明的该典型实施例的材料用精确洛氏硬度HRR计测量。
基于这样的测量数据，在8MPa载荷条件下的硬度和压缩变形程度之间的相关性视图被画出(参看图3)。接着，基于HRS和HRR的相关性(参看图2)，HRR和压缩变形之间的相关性视图(参看图1)被画出。
在JP-B2-2601652中，传统材料的硬度HRS是从65到70，通常具有落入所述范围的硬度的摩擦材料的压缩变形程度是从20×10-2mm到30×10-2mm；同时，另一方面，本发明的材料的硬度HRS是从75到83，其压缩变形程度最多是8×10-2mm，如图1中，并且是较小的。
此外，其至多为本发明材料的从19×10-2到77×10-2mm的压缩变形程度的1/2，可以理解在制动中与其的接触较差。在上述专利文献5的示例1中，包括作为其粘合剂的块状中间相碳(BMC)的有机衬垫在从400℃到650℃的温度下并在从100到700kg/cm2的载荷下成形。但是，在这种情况下，由于粘合剂只是BMC，复合材料的流动性在其成形中较差，因此，对于其成形复合材料需要至少10MPa的高载荷。
如在JP-B2-2601652内的示例2中，传统的半金属衬垫材料的硬度HRS是72-78。相对于具有在该范围内的硬度的普通半金属材料的从10×10-2mm到15×10-2mm的压缩变形程度，具有从80-90的HRS的材料具有小的压缩变形程度，至多为8.9×10-2mm，如图3所示，并且这不是足以保证良好接触条件的压缩变形程度。如在JP-B2-2601652内的图1、2中，在示例中的材料在不高于500℃的温度下比传统的材料显示了更好的结果，但是对于在高于该温度的温度下的材料的结果没有给出数据。
JP-A-63-3107706中公开了一种包括作为其粘合剂的BMC并包含钢纤维的摩擦材料，并且这如在JP-B2-2601652内被成形，然后，这在1050-1150℃的氢氛围中处理10-40分钟，由此其中的钢纤维的表面用碳进行渗碳并与所述碳成一体，因此，这样处理的摩擦材料由此得到强化。但是，该参考文献没有说明所述材料的压缩变形程度的增加和所述材料的接触条件的改进。
这些研究一直在继续，但是就其接触条件这点上还没有人成功地相对于传统的有机摩擦材料改进无机材料，从而无机材料在高温下可以稳定，这种无机材料的研发还没有到达实际应用的水平。
本发明的这个实施例提供了低成本的稳定摩擦材料。具体而言，首先在低温下在较短的时间获得碳化，对于改进所述材料的摩擦特性的稳定性是重要的因素的摩擦材料的压缩变形程度通过混杂技术和烘焙碳化技术的组合而比传统的有机摩擦材料得到扩大。结果，这样获得的本发明的摩擦材料即使在高载荷的条件下也可以具有稳定的能力。
用于本发明的摩擦材料的烘焙碳化工艺包括在将必要的载荷施加到其上的情况下在真空、还原气体或惰性气体的任何氛围下加热有机材料直到有机材料可以碳化的温度(至少大约550℃)，并将其保持在所述条件下。此处将用于混杂的材料原则上可以从对于有机摩擦材料已经实际上商业化的材料中选择，但是原则上，其从几乎不经历熔化或分解或经历在此处利用的烘焙和碳化条件下的诸如合成或升华的任何其它化学反应的材料中选择。
用于构成本发明的这个实施例的摩擦材料的混杂组合物可以包括通过烘焙和碳化将作为粘合剂的从3％到30％体积(体积百分比)的有机材料；用作控制诸如材料的摩擦系数和耐磨性的摩擦特性的摩擦改良剂的从10％到40％体积的无机填料；从15％到50％体积的固体润滑剂，和从5％到35％体积的金属材料。在这种情况下，考虑到组合物中的无机填料、固体润滑剂和金属材料的物理和化学反应，组成成分和它们的混合比率可以变化，所述物理和化学反应可能相对于相对物体发生，所述摩擦材料在其使用期间与所述相对物体摩擦。
用于本发明的该实施例中的有机材料优选地是具有至少50％的碳化产率的聚合物材料，以便在一个烘焙操作中获得高密度和高强度产品。对有机材料，例如优选地是诸如沥青、中间相碳、酚醛树脂、COPNA树脂(缩合多环多核芳烃树脂)的容易碳化的材料。
对于控制对于摩擦材料而言重要的物理性能的技术，特别是控制压缩变形程度和摩擦材料的强度的技术，可以组合多个这样不同的有机材料，或可以组合诸如烘焙中的加热速度、烘焙温度、碳化时间以及载荷的其它因素。
在本发明的该实施例中用作摩擦改良剂的无机填料可以是包括例如碳酸钙、硫酸钡、氧化铝、碳化硅、氧化镁、莫来石、硅线石、红柱石、氧化锆、锆砂、钛酸钾、磷灰石、滑石(铁叶蜡石(ferripyrophylite))、高岭土、海绿石、泡沫蛭石、珠光体、绿泥石的矿石或粘土材料。
固体润滑剂可以是含碳材料(例如，碳黑)、或石墨材料(例如天然石墨、人造石墨)。
金属材料例如可以是铁、不锈钢、铜、青铜、黄铜、铝、锡。在其实际使用中，考虑到它们的形状和尺寸，例如粉末、粒状或纤维形式，可以组合多个这些材料。它们的组合必须进一步考虑到由它们的摩擦期间的摩擦热导致的诸如氧化、还原、分解、再结晶或其它现象的它们的相互反应的影响而确定。
对于本发明的该实施例的摩擦材料，在还原气体氛围或惰性气体氛围或真空中，有机材料在550℃或更高的碳化温度下碳化。碳化氛围和条件必须被确定，从而所述材料的碳化产率可以很高并且构成成分可以几乎不熔化并流走或可以在确定的条件下几乎不经历化学反应。例如，当铝金属在将被碳化的复合材料中时，那么烘焙温度优选是大约600℃；或当铜或其合金在其中时，所述烘焙温度优选地是从800℃到1000℃；当铁基金属位于其中时，所述烘焙温度优选地是从1000℃到1300℃。由于烘焙碳化温度对环境、节能要求以及制造成本具有显著的影响，对于低温烘焙和炭化优选烘焙碳化温度尽可能低，以获得所需的摩擦能力。
烘焙碳化工艺可以用在碳化炉中用于加热碳化的间接加热、或通过将电流施加到将被碳化的组合物上的直接加热的任何方法来执行，并且所需的碳化可以用这些方法中的任何一个来获得。此外，为了对其成形，成形材料可以直接地放入模具中并且所述成形材料可以在其中载荷的条件下被烘焙和碳化，或可以在高压下预先冷成形，然后烘焙和碳化。
为了制动器保持稳定的性能，摩擦材料必须通过在烘焙中施加到其上的压力适当地变形，并且必须在宽的温度范围内保持稳定的接触条件。我们，本发明人，为了让本发明的摩擦材料在压力下的变形程度增加并保持良好的接触条件，进行了勤勉的研究，结果发现当被烘焙和碳化的复合材料的填充系数(填充率)变化时，那么所述材料的压缩变形程度可以被控制，结果成功地提供了具有与现在市场上可获得的并在本技术领域中可实际使用的有机摩擦材料的相同水平的压缩变形程度的摩擦材料。总之，摩擦材料的填充系数(填充率)通过变化在其烘焙和碳化过程中将施加到所述材料上的载荷而被控制，但是当所述材料在模具中成形时，可以用预定量的材料填充模具并烘焙和碳化所述材料，用于在其中的体积控制。
本发明这个实施例的摩擦材料的填充系数(填充率)被限定为从65％到85％，具有50mm×50mm的尺寸以及10mm的厚度的两个测试片在室温下叠置。当它们在20kN的压力载荷条件下被挤压时，那么压缩变形程度是从10×10-2mm到80×102mm；当这被转换为两个测试片的厚度的改变程度时，那么在大约8MPa的载荷条件下的改变程度是大约从0.5％到4％(JISD4413)，这证明摩擦材料的宽范围设计的可能性。
对于摩擦材料的摩擦性能的稳定性，公知的是摩擦材料的压缩变形程度在摩擦期间摩擦材料不导致诸如断裂和异常磨损的异常改变的范围内尽可能的大。但是，根据其使用，摩擦材料可能由包括它的系统限制。例如，汽车用的摩擦材料期望具有小得压缩变形程度，但是对于轨道车辆用的摩擦材料，压缩变形程度不是很重要的事情。
在本发明的该实施例中，摩擦材料的压缩变形程度可以在宽的范围之内设计，因此，可以设计摩擦材料的接触条件，以便在用于它们的限制条件范围内对于汽车、轨道车辆、工业机器和飞机中的制动器最为有利。
在高温下(300℃或更高)，现在实际使用在本领域中的有机摩擦材料可能软化或热变形或分解，因此，它的压缩变形程度显著变化。但是，本发明的该实施例的摩擦材料在不低于550℃的高温下被烘焙，因此，其中的有机材料被碳化和混杂以给出无机复合材料。因此，本发明的摩擦材料依赖于环境的温度改变改变很少。当室温和高温(300℃)下的压缩变形程度的改变被考虑作为其改变的程度，那么有机摩擦材料的改变程度至少是大约2倍，但是本发明的摩擦材料最多是1.5倍并且很小。这证实了本发明的摩擦材料在高温(图7)下的稳定性很好。
尽管依赖于将被烘焙的复合材料和被利用的烘焙方法变化，我们，本申请的发明人，阐明了将被施加到正被烘焙的复合材料的压力载荷在载荷控制方法中是约5-10kPa，从而在载荷控制方法中填充系数(填充率)可以大约是65％，或可以大约是2-3MPa，从而填充系数(填充率)可以是大约85％。
[示例]
这个试验中的烘焙碳化根据使用其中碳化材料在氮气中被加热和碳化的普通碳化炉的加热碳化方法，或根据使用商业可获得的放电等离子烧结机的真空加热碳化方法完成。
[初步试验]
碳化复合摩擦材料的试样如下进行制造：将被碳化的复合材料在900℃的烘焙温度下在氮气中保持1小时，然后尺寸为50mm×50mm的试样在从2.5kN到30kN的载荷下挤压。在这个阶段，对于摩擦材料必须的压缩变形程度通过变化填充系数(填充率)进行控制。
在试验之前，上限和下限填充系数(填充率)的范围在初步试验中估计。简言之，从61％-88％的填充系数(填充率)范围以大约5％的规则间隔分开，并且在这样分开的每个填充系数(填充率)上，试样被制造并在简单的测试中被测试。简单的测试是“测试代码(1)”的第一衰退测试，结果给出在表1中。
表1-初步试验结果
| 初步试验序号No. | ||||||||
| 成分 | 材料 | Prel | Pre2 | Pre3 | Pre4 | Pre5 | Pre6 | Pre7 |
| 有机材料 | 沥青+酚醛树脂 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 无机填料 | 氧化铝 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 氧化镁 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | |
| 固体润滑剂 | 人造石墨 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| 金属 | 铜粉末 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
| 制造条件，物理性能、评估 | ||||||||
| 物理性能 | 预成形中的表面压力(MPa) | 0.7 | 1 | 1.5 | 2 | 3 | 4.5 | 5.5 |
| 烘焙中的载荷(MPa) | 0.1 | 0.15 | 0.75 | 15 | 15 | 15 | 30 | |
| 填充系数 | 61 | 65 | 71 | 76 | 79 | 85 | 88 | |
| 衰退测试 | 衬垫变形或异常磨损 | C | A | A | A | A | A | A |
| 相对物体上的沉积 | A | A | A | A | A | B | C | |
A：没有发现衬垫变形和异常磨损，相对物体上没有发现沉积。
B：在相对物体上发现一些沉积，但是实际使用中可以忽略。
C：发现衬垫变形和异常磨损，在相对物体上发现很多沉积。
表1显示了在填充系数是61％的No.1初步试验中，摩擦材料的磨损异常地大，测试片的边沿断裂，试样就其强度而言不可实施。在填充系数是65％的No.2初步试验中，磨损小，沉积也小，测试结果良好。另一方面，在填充系数是88％的No.7初步试验中，耐磨性良好，但是在重复摩擦之后，发生了摩擦振动，当难于继续所述测试时所述测试停止。
在所述测试之后，转动部件被检查，在其上发现许多的沉积。由于摩擦材料的压缩变形程度小，因此制动中的接触条件不是很好，结果，在接收摩擦热的高温部分中的内聚力大，这将导致摩擦振动。
在填充系数是85％的No.6的初步试验中，也发生摩擦振动，但是它非常小，并在继续所述测试中不会导致问题。这意味着所述试样在其实际的使用中没有问题。
从初步试验的结果可见，填充系数被限定为落入从65％到85％的范围之内，在该范围之内，摩擦材料可以保持良好的接触条件。在下述的示例中，填充系数落入所限定的范围之内。
[试验]
在这个试验中，填充系数在示例(1)-(5)中是从65％到85％，并且在示例(6)-(15)中是从70％到80％。在该范围之内，制造和测试下述试样。
[试样的测试方面]
物理性能：填充系数、压缩变形(测试条件：尺寸50mm×50mm，厚度10mm，测试方法：JIS D4413，室温，300℃)。
摩擦特性：衰退、磨损、高速性能。
示例(1)-(5)：
将作为具有高碳化产率的有机材料的酚醛树脂和沥青；作为金属的铜粉末；作为润滑剂材料的人造石墨；作为无机填料的熔化的氧化镁和氧化铝在普通的碳化炉中混合并且烘焙和碳化。
表2--示例(1)-(5)和比较示例
| 成分 | 材料 | 示例No. | 比较示例 | ||||
| (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | 国内材料 | ||
| 有机材料 | 酚醛树脂+沥青 | 3 | 7 | 10 | 15 | 20 | |
| 无机填料 | 氧化铝 | 2 | 2 | 5 | 2 | 2 | |
| 氧化镁 | 40 | 38 | 10 | 38 | 33 | ||
| 固体润滑剂 | 人造石墨 | 45 | 23 | 50 | 35 | 15 | |
| 金属粉末 | 铜粉末 | 10 | 30 | 25 | 10 | 30 | |
| 合计 | 合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
| 物理性能、摩擦特性 | |||||||
| 物理性能(平均) | 填充系数(％) | 65 | 72 | 73 | 75 | 85 | 85 |
| 压缩变形、室温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 76.8 | 42 | 34 | 31.1 | 18.8 | 28 | |
| 压缩变形、高温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 99.9 | 52 | 41 | 41.9 | 22.9 | 63 | |
| 压缩变形改变(高温/室温) | 1.30 | 1.24 | 1.21 | 1.35 | 1.22 | 2.25 | |
| 摩擦特性 | 初始μ | 0.41 | 0.42 | 0.39 | 0.45 | 0.39 | 0.31 |
| 最高μ | 0.41 | 0.42 | 0.44 | 0.45 | 0.43 | 0.31 | |
| 衰退μ | 0.37 | 0.38 | 0.36 | 0.37 | 0.35 | 0.22 | |
| 衰退比率(％) | 9.8 | 9.5 | 7.7 | 17.8 | 10.3 | 29.0 | |
| 磨损(mm) | 1.3 | 0.8 | 0.6 | 0.8 | 0.5 | 2.3 | |
用于烘焙、碳化和成形的条件如下：在氮气中，复合材料在5kPa-3MPa的载荷下在烘焙碳化温度900℃下保持1小时，所述载荷被限定，从而填充系数可以是从65％到85％。
示例(6)-(10)：
将作为具有高碳化产率的有机材料的酚醛树脂和沥青；作为金属材料的铁粉末；作为润滑材料的人造石墨；和作为无机填料的氧化铝、熔化的氧化镁以及泡沫蛭石使用放电等离子烧结机混合、烘焙以及碳化。
表3--示例(6)-(10)
| 成分 | 材料 | 示例No. | ||||
| (6) | (7) | (8) | (9) | (10) | ||
| 有机材料 | 酚醛树脂+沥青 | 10 | 15 | 20 | 25 | 20 |
| 无机填料 | 氧化铝 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 泡沫蛭石 | 25 | 20 | 20 | 13 | 5 | |
| 氧化镁 | 10 | 10 | 10 | 10 | 5 | |
| 固体润滑剂 | 人造石墨 | 33 | 23 | 23 | 15 | 36 |
| 金属粉末 | 铁粉末 | 20 | 30 | 25 | 35 | 32 |
| 合计 | 合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 物理性能、摩擦特性 | ||||||
| 物理性能(平均) | 填充系数(％) | 74 | 76 | 77 | 78 | 78 |
| 压缩变形、室温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 35 | 27 | 35.9 | 26 | 18 | |
| 压缩变形、高温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 44 | 33 | 40.4 | 30 | 21 | |
| 压缩变形改变(高温/室温) | 1.26 | 1.22 | 1.13 | 1.15 | 1.17 | |
| 摩擦特性 | 初始μ | 0.39 | 0.45 | 0.45 | 0.47 | 0.38 |
| 最高μ | 0.39 | 0.45 | 0.55 | 0.47 | 0.38 | |
| 衰退μ | 0.35 | 0.38 | 0.374 | 0.41 | 0.35 | |
| 衰退比率(％) | 10.3 | 15.6 | 16.9 | 12.8 | 7.9 | |
| 磨损(mM) | 0.8 | 1.3 | 1.2 | 1.5 | 0.9 | |
用于烘焙、碳化和成形的条件如下：在真空中，复合材料在1MPa-3MPa的载荷下在碳化温度1000℃下保持5分钟，所述载荷被限定，从而填充系数可以是从70％到80％。
示例(11)-(15)：
将作为具有高碳化产率的有机材料的酚醛树脂和沥青；作为金属材料的铜粉末和铝粉末；作为润滑材料的人造石墨；和作为无机填料的熔化的氧化镁以及氧化铝混合、烘焙以及碳化。
表4--示例(11)-(15)
| 成分 | 材料 | 示例No. | ||||
| (11) | (12) | (13) | (14) | (15) | ||
| 有机材料 | 酚醛树脂+沥青 | 15 | 20 | 25 | 30 | 20 |
| 无机填料 | 氧化铝 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 氧化镁 | 38 | 28 | 18 | 28 | 8 | |
| 固体润滑剂 | 人造石墨 | 20 | 15 | 25 | 15 | 35 |
| 金属粉末 | 铝粉末 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 铜粉末 | 20 | 30 | 25 | 20 | 30 | |
| 合计 | 合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 物理性能、摩擦特性 | ||||||
| 物理性能(平均) | 填充系数(％) | 70 | 73 | 75 | 74 | 73 |
| 压缩变形、室温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 25 | 24 | 27.5 | 29 | 41 | |
| 压缩变形、高温(载荷8MPa、单位10-2mm) | 29 | 29 | 30.2 | 35 | 51 | |
| 压缩变形改变(高温/室温) | 1.16 | 1.21 | 1.10 | 1.21 | 1.24 | |
| 摩擦特性 | 初始μ | 0.41 | 0.44 | 0.42 | 0.45 | 0.38 |
| 最高μ | 0.41 | 0.44 | 0.41 | 0.45 | 0.38 | |
| 衰退μ | 0.35 | 0.36 | 0.31 | 0.34 | 0.33 | |
| 衰退比率(％) | 14.6 | 18.2 | 26.2 | 24.4 | 13.2 | |
| 磨损(mm) | 1.7 | 1.6 | 1.3 | 1.5 | 0.9 | |
用于烘焙、碳化和成形的条件如下：在氮气中，复合材料在1MPa-3MPa的载荷下在烘焙碳化温度600℃下保持5分钟，所述载荷被限定，从而填充系数可以是从70％到80％。
[摩擦测试机]
作为摩擦测试机，使用了对应于总重2000kg的车辆的1/10的小尺寸测试片测试机。为了阐明测试片的特性的显著差异，摩擦载荷限定在苛刻的条件下，并且是普通车辆的约1.6倍(能量载荷：在普通的车辆中，大约是540N·m/cm2·s；但是在该测试中，大约是880N·m/cm2·s)，测试片根据主要用于耐衰退的“测试代码(1)”和根据主要用于高速性能的“测试代码
(2)”来测试。
[测试机条件]
惯性0.9kgm2
转动部件尺寸：88Φ
摩擦材料尺寸：13mm×35mm
测试代码：
测试代码(1)：衰退测试
测试代码(2)：高速运行测试
[测试代码(1)：衰退测试]
试车：
初始速度：65km/h
减速度：0.3G
初始温度120℃
衰退测试：
初始速度130km/h→停止
减速度：0.4G，恒定输出测试
转动部件材料：FC250
制动器开始温度：65℃
制动间隔：35秒
制动频率：
第一衰退10次
第二衰退15次
数据分析：第一衰退测试
磨损确定：第二衰退测试
在第15次制动时的转动部件温度：800℃或更高
[测试代码(2)：高速运行测试]
试车：
初始速度：65km/h
减速度：0.3G
初始温度120℃
高速运行测试：
初始速度130km/h→停止
初始温度：95℃
减速度：0.15G到0.75G，恒定输出测试
转动部件材料：FC250
[测试结果]
[物理数据]
(1)填充系数和压缩变形程度：
图4显示了示例(1)-(15)内“室温下的填充系数和压缩变形程度”的关系。图4指示尽管摩擦改良剂的类型、量和烘焙温度被改变，但是压缩变形和填充系数之间仍然存在预定的关系，对于摩擦必须的压缩变形程度可以通过改变填充系数来控制。
图5、6和7显示了，就“压缩变形程度和温度”之间的关系这点，试样Nos.(1)、(4)、(8)和(13)与比较试样的比较。图5、6显示了在室温下和高温下(试样温度300℃)的压缩变形程度，指示了除了试样No.(1)之外的所有试样的数据等同于在室温下的比较试样的数据。
此外，这些指示了试样No.(1)的压缩变形程度特别大，因此指示了本发明中的宽范围的摩擦材料设计的可能性。在高温下，除了试样No.(1)之外的所有的试样没有比所述比较试样具有极大的变形，并且这意味着本发明的试样在高温下是可实施的(即，在苛刻的摩擦条件下)。
图7显示了“室温和高温下的压缩变形程度的改变”。如图2中所示，比较试样的改变至少是2倍，而本发明的试样的改变最多是1.5倍。这意味着本发明的试样的特性对于周围温度改变是稳定的。
[摩擦测试]
(1)测试代码(1)(衰退测试)：
图8显示了示例(1)-(15)和比较示例的“摩擦系数和其减小(衰退＝1-衰退μ/初始μ)。
本发明的试样具有至少0.35的摩擦系数，并且甚至在衰退之后将其摩擦系数保持在至少0.30；而比较示例具有0.31摩擦系数且其摩擦系数在衰退之后减小到0.22。这样，本发明的试样相对于比较试样高度稳定。对于摩擦系数的减小，试样Nos.(13)和(14)具有从25％到26％的有些大的减小，但是其它试样中的减小至多是20％，并且比所述比较试样中的29％小得多。这证实了本发明的试样很难衰退。
图9显示了衰退测试中试样Nos.(4)、(8)和(13)的摩擦系数的改变。
试样衰退和环境温度之间的关系就试样的耐热性这点进行了调查，并且可以理解即使已经最严重地衰退的本发明的试样No.(13)在大约400℃下减小10％左右，并且其耐热性比减小了29％的比较试样的耐热性更好。
本发明的所有试样的摩擦系数趋于随着环境温度的增加而降低，但是比较试样的摩擦系数在测试期间变得最低，然后趋于增加。这样本发明的试样的特性与比较试样的特性不同。比较试样的特性归因于通过有机材料的分解形成的液体或蒸汽的润滑。换言之，在比较试样中，当有机材料分解和消失时，以及当残余的成分变成无机时，那么其衰退系数再次增加。这是有机摩擦材料的特性。由于本发明的试样减小了它们的衰退，并且由于它们最初只由无机成分构成，它们没有比较试样的问题并且可以获得所需的目的。
图10显示了本发明和比较示例的试样的磨损，显示本发明的所有试样的磨损小于比较试样的磨损。这确定了本发明的试样的良好的耐磨性。
(2)测试代码(2)(高速性能)：
高速运行测试在比通常苛刻的条件下(是汽车的1.6倍)执行，对于被测试试样的高速摩擦系数、速度扩展和G扩展，获得显著的差异。就在每次减速度(0.15G、0.35G、0.45G、0.6G、0.75G)其平均摩擦系数而言，图11显示了试样Nos.(4)、(8)和(13)和典型地从表2、3和4中的试样选择的比较试样的结果。
在图11中，研究了摩擦材料的很重要的摩擦特性的摩擦系数、速度扩展和G扩展。
[摩擦系数]
在0.45G的减速度以及初始速度为100km/h的比较示例的摩擦系数是0.31，而本发明的试样的摩擦系数是从0.42到0.56；在初始速度的比较试样的摩擦系数是0.20，而本发明的试样的摩擦系数是从0.4到0.48。这样，本发明的试样的摩擦系数高并稳定。
[速度扩展(制动初始速度和摩擦系数)]
在0.45G的减速度以及100km/h和130km/h的初始速度的比较示例的速度扩展((在130km/h的摩擦系数/在100km/h的摩擦系数)× 100)是65％，而本发明的试样的速度扩展是从85％到102％。这意味着本发明的试样的摩擦系数即使在高速运行上也没有降低，并相对于运行速度稳定。
[G扩展(减速度和摩擦系数)]
在100km/h的制动初始速度的比较试样的G扩展((在0.75G的摩擦系数/在0.15G的摩擦系数)×100)是65％，而本发明的试样的G扩展是从85％到109％并且是高的。此外，在制动初始速度130km/h的比较试样的G扩展是57％，而本发明的试样的G扩展是从68到108％并且是高的。这证实了本发明的试样的摩擦系数的减速度-依赖改变是小的并且是稳定的。
上述的结果指示了本发明的摩擦材料试样的高速摩擦系数是稳定的。
如上述的示例中所示，本发明的摩擦材料试样就其压缩变形程度而言是被控制的，当与所述比较示例进行比较时，本发明试样的高速摩擦系数高并且本发明的试样的抗衰退(高温下摩擦系数的减小)、速度扩展和G扩展优异。因此，本发明的摩擦材料满足所需的耐热性。此外，本发明的摩擦材料在设计压缩变形程度时具有宽的范围，此外，本发明的摩擦材料的压缩变形程度的改变较小并且即使在高温下也稳定。因此，本发明的摩擦材料可以具有可应用到汽车、轨道车辆、飞机、工业机器以及其它的制动器中的任何以及每一种摩擦条件的最佳变形程度，因此，所述摩擦材料保证了用其制动的提高的安全性。本发明可以显著地用于进一步地改进更小尺寸和更轻重量的制动器以及它们的整个系统设计。
普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神的情况下，可以对本发明的上述优选实施例进行不同的修改和变化。这样，本发明旨在覆盖根据与所附权利要求书及其等同物的范围一致的本发明的所有修改和变化。
Claims (14)
1.一种摩擦材料，包括通过烘焙和碳化有机材料制成的粘合剂，其中所述摩擦材料在室温下的压缩变形的程度在4MPa的载荷下位于从0.3％到2.5％的范围内，且在10MPa的载荷下位于从1.0％到4.5％的范围内。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中在300℃的压缩变形程度与在室温下的压缩变形程度的比率在4-10MPa的载荷下位于从1.0到1.5的范围内。
3.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中在将载荷施加到所述有机材料情况下，在从550℃到1300℃的温度下、在真空、还原气体和惰性气体其中之一的氛围内烘焙和碳化所述有机材料。
4.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中填充系数落入从65％到85％的范围内，所述填充系数指示被成形物件的密度与成形材料的真密度的比率。
5.根据权利要求1所述的摩擦材料，其中通过烘焙和碳化将成为摩擦材料的成形材料包括：
将通过烘焙碳化作为粘合剂的从3％到30％体积的有机材料；
用作摩擦改良剂的从10％到40％体积的无机填料；
从15％到50％体积的固体润滑剂；和
从5％到35％体积的金属材料。
6.根据权利要求5所述的摩擦材料，其中所述有机材料包括聚合物材料，对于通过烘焙的碳化，所述聚合物材料的碳化产率是至少50％。
7.根据权利要求6所述的摩擦材料，其中聚合物材料包括沥青、中间相碳、酚醛树脂和缩合多环多核芳烃树脂中的至少一个。
8.根据权利要求5所述的摩擦材料，其中固体润滑剂包括含碳材料和石墨材料中的至少一个的颗粒或纤维。
9.根据权利要求5所述的摩擦材料，其中金属材料包括铁、不锈钢、铜、青铜、黄铜、铝和锡中的至少一个的颗粒或纤维。
10.根据权利要求4所述的摩擦材料，其中具有从65％到85％的填充系数的摩擦材料在5kPa到3MPa的载荷下通过烘焙和碳化制造。
11.一种摩擦材料的制造方法，所述方法包括：
制备包括有机材料、金属、润滑剂和无机填料的混合物；
将5kPa到3MPa的载荷施加到所述混合物；和
在所述载荷下烘焙和碳化所述混合物。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其中所述混合物在真空、还原气体和惰性气体的氛围中的一个内被烘焙和碳化。
13.根据权利要求11所述的制造方法，其中所述混合物在从550℃到1300℃的温度下被烘焙和碳化。
14.一种通过根据权利要求11所述的方法制造的摩擦材料。
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