新型载重刹车片片配方研制
张玉峰 延海新 王爱国
(信义集团信义载重汽车配件有限公司)
摘要:根据载重车用户多拉快跑的需要,相应地也要求刹车片制动灵敏、耐高温、使用寿命长等指标，本课题从环保、少金属要求着手，对多种纤维进行性能、价格上的比较，合理采用混杂纤维为增强材料；加入自行调制的高耐磨增韧橡胶、钨酚醛树脂。减少了铆接时裂纹现象，减少了制动时的噪音，达到无石棉出口标准。
关键词：环保 少金属 混杂纤维 噪音 无石棉
前言
早在七十年代，石棉材料就被认为是高致癌物质，从那时起摩擦材料界的老前辈们开始研究和开发寻找石棉材料的代替品。通过三十多年的开发研究，无石棉摩擦材料在盘式刹车片中进展比较快，全部采用了无石棉，达到欧美等国家无石棉标准并与国际接轨。但是在中、重型车中由于受车型价格与环境条件的限制，距离轿车的使用标准还存在一定的差距。近几年国内摩擦材料厂家的迅速增加，使国内刹车片行业达到基本饱和状态，规模大的刹车片制造商就瞄准了国际市场，相应的也要求放弃石棉材料，向国际标准靠拢。我国的GB12676-99《汽车制动系统结构和性能试验方法》中明确规定，从2003年10月开始主机配套刹车片中不能再含有石棉成分，这就迫使主机配套与出口产品寻找替代石棉材料。
山东信义集团载重汽车配件有限公司自1987年建厂就一直给全国各大油田供应石棉型石油钻机刹车片，配套及市场销售的载重车用刹车片也含有石棉成分，离走出石棉型摩擦材料还有一定路程。但是随着国外订单及国家强制主机配套刹车片的无石棉化要求，我们从本世纪初研制出无石棉半金属石油钻机刹车片和载重车用刹车片，并于2003年一次给中国（济南）重型汽车集团公司配套成功。随着客户多拉快跑、制动系统制动灵敏、耐高温、使用寿命长、刹车无噪音、少伤对偶伯（轮毂）的需要。我们从材料的选配上下工夫，对国内外众多纤维材料进行性能、价格上和筛选调配，对它们进行混杂，加入自行调制的高耐磨增韧橡胶、钨酚醛树脂。通过六个月的试验，最终研制成功新一代石棉、无噪音、少金属、制动灵敏、耐高温的载重车用刹车片。产品性能符合中国重型汽车集团公司企业标准——斯达-斯太尔载货汽车制动器衬片技术条件QZZ-11163-1996JT。符合GB12676-99《汽车制动系统结构和性能试验方法》中规定的性能指标，同时也达到主机配套与出口产品的无石棉化要求，符合国家环保规定。
一、纤维材料的的选择
芳纶纤维、碳纤维、粘胶纤维、铜纤维，这些纤维替代石棉作为摩擦材料的增强骨架材料是非常不错的，但是产品的价格较高，加入这些材料的刹车片在市场上没有竞争能力，无缘进入市场。我们以国内外其它纤维材料进行调试，通过试验最后确定以下纤维材料，并进行混合组成骨架材料，兹对选用的这几种纤维分析如下。
1．矿物复合纤维
矿物复合纤维材料具有良好的分散性，与粉末材料混合时能抑制粉尘飞扬，在混料时产生的渣球含量低，摩擦表面无结团颗粒，产品外观均匀一致。在常温下摩擦性能比较稳定，成本较低，其主要化学成分见表1，主要技术指标见表2。
表1 主要化学成分
|
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO+Mgo |
Na2O+K2O |
|
含量% |
40~60 |
15~25 |
3~7 |
25~30 |
3~6 |
表2 主要技术指标
|
项目 |
纤维平均长度 |
直径范围 |
密度 |
抗拉强度 |
烧失量 |
容重 |
|
单位 |
µm |
µm |
Kg/dm³ |
Mpa |
% |
g/cm³ |
|
指标 |
100~350 |
3~8 |
2.75 |
0.6~0.8 |
<6(800℃ ) |
0.2~0.3 |
2．玻璃纤维
玻璃纤维作为石棉的替代材料早已用于摩擦材料中，其耐热性稳定、抗碱性能、摩擦性能及其工艺性都很不错。但是很多厂家没有对玻璃纤维的表面成分进行处理，导致生产出的摩擦材料硬度高，在使用过程中容易产生制动噪音、损伤对偶件的质量等问题。我们根据玻璃纤维的这些特性，首先对玻璃纤维的表面进行处理，在配方调整中加入低模量的改性树脂、橡胶。考虑纤维的比表面积、松散体积非常重要，同时要求在混料过程中掌握混料时间与搅拌设备的转速，通过大量试验我们看到加入玻璃纤维与其他填料混合时间一致时，生产出的产品对其表面减弱。根据这些在混料进产生的缺陷，我们把玻璃纤维与其它材料投入混料罐顺序分开，调整混合时间后，避免了玻璃纤维结团现象，提高了冲击强度。
3．陶瓷纤维
关于陶瓷纤维用于摩擦材料的问题，在早期有过不同的年法，主要是这种纤维成本比较高，在混合时容易断裂，其纤维长度分散性大，但随着混料工艺的改进及在摩擦材料中某些技术参数的优势，陶瓷纤维的本身优点引起设计都的重视。良好的抗热衰退性，使其在各种温度下具有较强的热稳定性；作为一种较好的增强物填充材料，陶瓷纤维还存在噪音问题，但是通过控制其纤维长度和用量可以减轻这些缺点。在配方中加入15%左右陶瓷纤维，使高温下的热衰退性减少，提高使用寿命。在选择陶瓷纤维时，最好是选用经过硅烷或者橡胶对其表面处理过的纤维，这样不但可以降低树脂的用量，获得良好的粘接效果，还会减少磨损。陶瓷纤维中渣球含量过高，会产生摩擦系数偏高、磨损增大、产生噪音的负面影响。陶瓷纤维的特点有：优良的吸音性、化学稳定性、优良热稳定性、低热容量、纤维长、抗拉强度大、渣球少、耐温程度在1000~1650℃等。其主要化学成分和主要技术指标分别列于表3和表4。
表3 陶瓷纤维主要化学成分
|
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO+Mgo |
Na2O+K2O |
|
含量% |
55~60 |
40~45 |
4~8 |
19~26 |
5~7 |
表4 陶瓷纤维主要技术指标
|
项目 |
纤维平均长度 |
直径范围 |
温度 |
抗拉强度 |
烧失量 |
容重 |
|
单位 |
µm |
µm |
℃ |
Mpa |
% |
g/cm³ |
|
指标 |
140~160 |
3~5 |
1000~1650 |
1.0~1.2 |
<0.5(800℃ ) |
2.6 |
4．博尔绿色硅酸盐纤维
博尔绿色硅酸盐纤维是一种适用于载重车鼓式片及工业机械设备制动的摩擦材料，我们通过对这种材料与其它纤维材料化学成分地比试验分析，SiO2和Al2O3是提高摩擦系数的关键成分，博尔绿色硅酸盐纤维的化学成分决定纤维的软化点，由于配方中其它材料在制动时产生的粘滞性，作为耐温1000℃以上的纤维物质与其它材料混合后能取长补短，保证了产品强度，又提高了耐温性。其主要化学成分见（表5）和主要技术指标见（表6）。
表5 博尔纤维主要化学成分
|
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
CaO |
Mgo |
Na2O |
K2O |
|
含量% |
53.9 |
18.74 |
8.45 |
1.35 |
8.07 |
6.63 |
2.24 |
1.41 |
表6 博尔纤维主要技术指标
|
项目 |
纤维平均长度 |
直径范围 |
温度 |
抗拉强度 |
烧失量 |
容重 |
|
单位 |
µm |
µm |
℃ |
Mpa |
% |
g/cm³ |
|
指标 |
200~300 |
4~6 |
800~1000 |
0．8~1 |
<1(800℃ ) |
2.27 |
二、高耐磨增韧橡胶、改性树脂的制备
通过对丁腈橡胶与其它橡胶性能、价格上的比较，确定在丁腈橡胶中加下列配方材料进行塑练，在塑练过程中加入气相白炭黑为补强剂，加入氧化镁能提高橡胶耐老化性能，由于氧化镁易与酚醛树脂发生盐化反应，故能提高摩擦材料的耐温性。制得的丁腈橡胶硫化时间、耐温程度与改性树脂的固化时间、耐温程度基本一致。从酚醛树脂缩聚反应机理考虑，在酚醛树脂反应过程中加入改性单体（钨化合物），采用共缩聚的方法进行改性。钨原子的引人，使树脂耐热性能突出，热分解温度显著提高。对制得的这种改性树脂在氮气中做各个温度段的热失重分析，其良好的热稳定性，特别适用于摩擦材料的基本要求。最后把塑练好的丁腈橡胶与改性后的酚醛树脂按一定比例再进行混练，让丁腈橡胶和酚醛树脂相互溶入，把制得的块状树脂粉碎到负200目后备用。
|
材料名称 |
重量比（%） |
|
丁腈橡胶 |
100 |
|
促进剂M |
2.5 |
|
DM |
1 |
|
ZnO(99.5%) |
12 |
|
高耐磨炭黑 |
8 |
|
硫黄粉 |
4 |
|
DCP |
5 |
|
防老剂 |
1.5 |
|
RD |
1 |
|
氧化镁 |
4 |
三、载重车刹车片配方设计
载重车刹车片在配方设计中除考虑的摩擦系数、磨耗、行驶公里数外，还要考虑配方的噪音与加工的工艺性。前面我们已经对几种纤维材料进行对比分析，根据纤维的特性与价格，按配方不同比例用犁耙式混料机进行低速混合，在混合时加料顺序与混合时间对照纤维的长度、易结团现象，与传统的石棉产品混料工艺有所不同。载重车刹车片配方的重点是对加入无机纤维充分发挥增强骨架作用，减少刹车片加工及使用中的裂纺、龟裂现象；加入橡胶与树脂的粉末，是为了提高刹车片韧性，钨酚醛树脂的加入提高了整个刹车过程的热稳定必。以往用钢纤维替代石棉纤维的摩擦材料称为半金属摩擦材料。这种半金属摩擦材料在高温下与石棉有机摩擦材料相比，更具有良好的摩擦性能和耐温性。既然半金属摩擦材料这么优势，为何本课题还要提倡用少金属摩擦材料呢？因为①钢纤维具有较高的硬度（MHI200~270），它会使对偶件有大的磨损和颤动。为此可使用硬度为（MHL70~120）低碳钢纤维。②钢纤维的另一个缺点是容易锈蚀，这不仅会降低钢纤维本身的强度，同时还会操作对偶件，制动时产生噪音。为解决这个问题，我们通过试验在配方中加入少量钢纤维和其它金属物，并加入防锈剂或锌粉，控制它们的生锈。
载重车刹车片配方
|
材料名称 |
重量比(%) |
|
矿物复合纤维 |
25 |
|
硅酸盐纤维+陶瓷纤维 |
12 |
|
玻璃纤维 |
4 |
|
钢纤维 |
6 |
|
橡胶+酚醛树脂 |
11 |
|
锌粉 |
2 |
|
轮胎胶粉 |
3 |
|
摩擦剂 |
4 |
|
重质硫酸钡 |
8 |
|
MgO |
3 |
|
鳞片石墨 |
5 |
|
重质碳酸钙 |
7 |
|
其它调节剂 |
10 |
|
合计 |
100 |
四、生产制造工艺路线
1．本课题在研制过程中认为多种纤维与其它填充料的混合是关键，实行以下顺序：①先投入树脂及其它粉状材料混合一段时间，根据不同纤维在摩擦材料中起到不同性能的要求，对它们投入顺序按时间先后加入，为避免纤维结团或被破坏，在调整时间的同时还要调整混料设备的犁刀与绞刀的转速。②混料中由于转速的提高或夏季温度偏高，应尽量控制材料的温度，混合物出的成品料温度不能超过50℃。
2．冷压毛坯工序与热压硫化工序采用高吨位液压机，热压硫化工序还是按常规的工艺条件，温度为160℃左右，压强为20Mpa；热处理采用改性树脂在氮气中各个温度段的热失量分解温度作参数，让树脂充分反应，同时也提高了橡胶的硫化温度，防止产品出现鼓泡，造成废品。
五、产品娄据测试结果
1.物理性能测试结果(表7)
表7 测试结果
|
项目 |
密度 |
硬度 |
冲击强度 |
抗拉强度 |
膨胀率 |
|
设备型号 |
万分天平 |
洛氏硬度计 |
XJJ-5冲击试验机 |
拉伸试验机 |
膨胀试验机 |
|
单位 |
g/cm³ |
HRL |
dJ/cm² |
MPa |
% |
|
指标 |
2.0~2.2 |
80~100 |
4~5 |
30~45 |
1.5~2.5 |
2．摩擦、磨损测试结果（表8）
表8 测试结果
|
温度
项目 |
100℃ |
150℃ |
200℃ |
250℃ |
300℃ |
|
摩擦系数 |
升温 |
0.45 |
0.52 |
0.40 |
0.46 |
0.42 |
|
降温 |
0.40 |
0.48 |
0.54 |
0.46 |
0.46 |
|
磨损率10-7cm3/N·m |
0.12 |
0.18 |
0.24 |
0.32 |
0.46 |
结论
载重车刹车片近几年在山东有较大发展，山东信义集团载重汽车本件有限公司在保证微利收入的基础上，立足国内材料，在主机配套工程和市场销售中生产无石棉、少金属摩擦材料。自我国在GB12676-99《汽车制动系统结构和性能试验方法》中明确规定刹车片中不能再含有石棉成分以来，不管是生产摩擦材料原料厂家还是刹车片制造商对材料和工艺及性能者有不同程度上的研究报道，但是与发达国家相比还有差距，还是制约了无石棉化的进程。几种纤维的混合物在某种程度上性能接近或优于石棉材料，但是至今还没有找到一种单一纤维在综合性能和成本上与石棉接近或相当。因此要想开发一种完全符合石棉的替代品今后工作不要做很多，应进一步加强对纤维体系性能及混杂纤维摩擦材料的研究。
本文摘录于《中国摩擦密封材料协会会刊》 |
