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第二章 摩擦材料的分类、组成与发展趋势

浏览次数: 日期:2017-07-27

摩擦材料的分类、组成与发展趋势 

    在大多数情况下,摩擦材料都是同各种金属对偶相摩擦的。一般公认,在干摩擦条件下,同对偶间的摩擦系数大于0.2的材料,称为摩擦材料。

    也有按摩擦材料的摩擦特性,分为低摩擦系数材料及高摩擦系数材料。低摩擦系数材料,又称减摩材料或润滑材料,其作用是减少机械运动中的动力损耗,降低机械部件磨损,延长使用寿命,这不属本书讨论的内容。

本书所述对象是高摩擦系数材料,又称摩阻材料,在本书中简称为摩擦材料。

一、摩擦材料的分类

综合摩擦材料的分类方法,示意图如下:

 

       

                       盘式摩擦片

                        刹车片

                                鼓式摩擦片-

        刹车片          离合器片

                                        石棉摩擦材料

        刹车带                          非石棉摩擦材料  半金属摩擦材料   

          闸瓦                                           NAO 摩擦材料  

      离合器片            摩擦材料                       混合型摩擦材料

    异型摩擦片                                           粉沫冶金摩擦材料

                                                         碳纤维摩擦材料

                            

                            

                            

                            

                              

                                    

                                  

 

    (一)按工作功能分:可分为传动与制动,即离合与制动两大类摩擦材料。如传动作用的离合器片,是通过离合器总成中离合器摩擦面片的贴合与分离,将发动机产生的动力传递到驱动轮上,使车辆开始行走;制动作用的刹车片(分为盘式与鼓式刹车片),是通过车辆制动机构,将刹车片紧贴在制动盘(或鼓)上,使行走中车辆停下来。

    (二)按产品的形状分:可分为刹车片(盘式片与鼓式片)、刹车带、闸瓦、离合器片、异型摩擦片。盘式片呈平面状,鼓式片呈弧形、闸瓦(包括火车闸瓦、石油钻机闸瓦)为弧形产品,但比普通弧形刹车片要厚得多。通常达到25-35mm范围。刹车带常用于农机与工程机械上,属软质摩擦材料。一般制成长度为8米,也有根椐要求生产4或5米长,盘绕成园卷型的带状制品。离合器片一般为园环形状制品。异型摩擦片多用于各种工程机械方面,如摩擦压力机、电葫芦等,有盆形、锥形、自行车鞍座形以及各种形状制品。

    (三)按材质的不同,摩擦材料又可以分为,石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料(即非石棉摩擦材料)两大类。

     1石棉摩擦材料

    石棉摩擦材料分为以下几类:

    ⑴石棉纤维摩擦材料,又称石棉绒质摩擦材料。制成各种刹车片、离合器片、火车合成闸瓦、石油钻机闸瓦、石棉绒质橡胶刹车带等。

    ⑵石棉线质摩擦材料,主要生产缠绕型离合器片、短切石棉线段摩擦材料。主要用作生产工程机械上的异型摩擦片等。

    ⑶石棉布质摩擦材料,主要制造层压类钻机闸瓦、刹车带、离合器面片等。

    ⑷石棉编织摩擦材料,是将石棉线编织成厚带,制造油浸或树脂浸刹车带、石油钻机闸瓦等。

    石棉纤维摩擦材料(石棉绒质摩擦材料)的基材是石棉短纤维,常用石棉纤维等级为四、五或六级,其中以五级石棉使用量较多。这类摩擦材料成本低,可以满足对摩擦材料的一般使用要求,是应用量最多的一种石棉摩擦材料。

    石棉线、布、编织带类摩擦材料,是利用石棉所具有较好的可纺性,将石棉短纤维纺制成线或布或编织成带,用粘结剂(树脂或橡胶)溶液进行浸渍后,制成各种摩擦材料。因其机械强度较高,较适用于负荷较高的工作要求。这类产品成本相对的也比较高,

    2无石棉摩擦材料(即非石棉摩擦材料)

    无石棉摩擦材料,包括半金属摩擦材料、NAO摩擦材料、混合纤维型摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和碳纤维摩擦材料等。

    ⑴半金属摩擦材料,主要应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片,其制品配方组成中通常含有25-45%左右的铁质金属物(如钢纤维、还原铁粉或泡沫铁粉)。半金属摩擦材料因此而得名。它是最早为取代石棉而发展起来的一种无石棉摩擦材料,其特点是耐热性好、单位面积吸收功率高、导热系数大,能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求,但其存在制动噪音大、边角脆裂等缺点。

    ⑵ NAO摩擦材料,从广义上是指非石棉-非钢纤维型摩擦材料。但在美国有些NAO盘式制动刹车片中,也含有少量的钢纤维。NAO摩擦材料中的基材物,在大多数情况下为二种或二种以上纤维(以无机纤维为主,并有少量的有机纤维)混合物,因此NAO摩擦材料,是非石棉混合纤维摩擦材料。通常刹车片为短切纤维型摩擦片,离合器片为连续纤维型摩擦片。

    3,粉末冶金摩擦材料

    粉末冶金摩擦材料,又称烧结摩擦材料,是将铁基、铜基粉状物料,经混合、压型,并在高温下烧结而成。适用于较高温度下的制动与传动工况条件,例如飞机、重载汽车、重型工程机械的制动(刹车片)与传动(离合器面片);也可制成油中工作的湿式离合器摩擦片。粉末冶金摩擦材料,使用寿命较长。但这类制品价格高、制动噪音大、重而脆性大、对对偶磨损较大等,因此其使用受到一定限制。

    4,碳纤维摩擦材料

    碳纤维摩擦材料,是用碳纤维为增强材料制成的一类摩擦材料。碳纤维具有高模量、导热好、耐热等特点。碳纤维摩擦材料是各种类型摩擦材料中性能最好的一种。碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高及比重轻,使它特别适合生产飞机刹车片,国外有些高档轿车的刹车片,也有使用碳纤维摩擦片的。但因其价格昂贵,故其应用范围受到限制,产量很少。在碳纤维摩擦材料中组份中,除了碳纤维外,还使用石墨、碳的化合物,组份中的有机粘结剂也要经过碳化处理,故碳纤维摩擦材料,也称为碳-碳摩擦材料或碳基摩擦材料。

    二、摩擦材料的结构组成

    摩擦材料是属高分子多元复合材料,它主要包括:以有机高分子化合物为粘结材料;以无机或有机类纤维为增强材料;以增摩、减磨或经济类填料为摩擦性能调节材料等多种材料所组成。故本书中的摩擦材料有时也称为合成摩擦材料,以区别于烧结加工成的不含有机粘结剂的粉末冶金摩擦材料。

    1有机粘结材料

    有机粘结材料是摩擦材料的主要成份之一。其作用是以粘薄膜形式将摩擦材料中的各种增强纤维、各种功能性填料,全部均匀牢固的粘结在一起,成为结构致密、有相当强度及能满足对摩擦使用性能要求的摩擦材料整体。用量通常为6~20%左右。

    摩擦材料所用的有机粘结材料为酚醛类树脂和合成橡胶,而以酚醛类树脂为主。它们的特点和作用是当处于一定加热温度下时先呈软化而后进入粘流态,产生流动并均匀分布在材料中形成材料的基体,最后通过树脂固化作用或橡胶硫化作用,把纤维和填料粘结在一起,形成质地致密的并有相当强度及能满足对摩擦材料使用性能要求的摩擦材料制品。

    对于摩擦材料而言,树脂和橡胶的耐热性是非常重要的性能指标。因为车辆和机械在进行制动或传动工作时,摩擦片处于200-400℃左右的高温工况条件下。在此温度范围内,纤维和填料的主要部份为无机类型,不会发生热分解,而对于树脂或橡胶来说,已进入热分解区域温度段。摩擦材料的各项性能指标此时都会发生不利的变化(摩擦系数、磨损、机械强度等),特别是摩擦材料在检测和使用过程中发生的三热(热衰退、热膨胀、热龟裂)现象,其根源都是由于树脂或橡胶的热分解所致。因此选择树脂与橡胶对摩擦材料的性能具有非常重要的作用。选用不同的粘结材料,就会得到不同的摩擦性能和结构性能。作为摩擦材料常用的粘结材料有多种。但是应用时间最早,使用量最大的仍属酚醛树脂,而且酚醛树脂现在仍是使用最为普遍的一种粘结材料。在摩擦材料中,使用的酚醛树脂实际有两种,即粉状的热塑性与液体状的热固性(未含热固性的粉状悬浮法酚醛树脂),两种树脂的主要区别是:

    ①贮存稳定性不同,热固性树脂粘度会不断增大;而热塑性树脂较稳定。

    ②受热后热固性树脂会固化;而热塑树脂则可熔化,冷后变硬并可反复受热。若加入硬化剂(六次甲基四胺)后,则树脂也将会固化。

    ③热固性树脂适应浸渍,制长纤维形(湿法)压塑料,制缠绕离合器片类;而热塑性树脂适应混合制短纤维(干法)压塑料,制盘式、鼓式刹车片类。

    它能在摩擦材料使用的条件(200-300℃)下长期使用,而且还具有良好的加工工艺性能,既可被加工成200目左右的细粉,又可以溶于一些低成本的溶剂:如酒精、火碱溶液中,因而既适用于摩擦材料生产的干法加工工艺、也适用于湿法加工工艺。

    在摩擦材料使用的粘结材料中,还有其它类型的粘结材料,例如环氧树脂,糠醛树脂及各种改性的酚醛树脂以及橡胶及橡胶--树脂混合粘结材料等。

    国外生产的摩擦材料,绝大多数也是以有机粘结剂为生,例如酚醛树脂或改性酚醛树脂等。

    酚醛树脂具有一定的性能,抗压强度、介电性能、耐水性、耐烧蚀性都好,缺点是延伸率低、较硬而脆性大,对有些纤维粘结性差,因而在单用一般酚醛树脂制造摩擦材料时,存在硬度高、冲击强度低、容易生成硬且脆的摩擦残留表面使产生热衰退及摩擦性能不稳定,而且在摩擦材料本身的界面上易产生应力裂纹和界面裂缝。因此常常将酚醛树脂改性使用。改性工作概括起来有以下几个方面:

    ①采用其他有机物代替苯酚,如苯胺、三聚氰胺、二甲苯等。

    ②用其他高聚物改性,如用尼龙、芳纶、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、环氧树脂等。

    ③用油脂改性,如松香、干性油、腰果壳油等。

    ④引入其他元素,如硼酚醛、有机硅改性等。

    ⑤采用固化剂,如用磷酸或硼酸等。

    美国多采用耐高温的酚醛树脂、腰果壳油改性树脂、呋喃树脂、硼酸树脂等。

    英国多采用腰果壳油改性酚醛树脂,也经常有使用橡胶或胶乳改性的酚醛树脂。

    苏联多采用松香改性的酚醛树脂作粘结剂或者丁纳橡胶作粘结剂,还使用橡胶和树脂的共混基体作粘结剂。

    日本则是多用酚醛树脂及其改性树脂,也有用橡胶等作主要粘结材料的。还有使用烷基改性、腰果壳油改性等树脂的。同时也有应用三聚氰胺改性树脂作为粘结材料。

    未经改性的酚醛树脂,即纯酚醛树脂,在国内摩擦材料行业中称之2123树脂,它存在一些不足之处,如质地脆硬、韧性差。采用改性的酚醛树脂,可以改进摩擦材料的各方面性能。如橡胶改性酚醛树脂和腰果壳油改性酚醛树脂,能降低摩擦材料的弹性模量和硬度,提高冲击强度,三聚氰胺改性酚醛树脂和硼改性的酚醛树脂,可提高树脂的耐热性;半金属摩擦材料则可采用环氧改改酚醛树脂,以提高摩擦片和钢纤维的粘结性。

    我国目前则多使用以酚醛树脂及其改性树脂为主。也有使用腰果壳油改性、橡胶改性及其它改性酚醛树脂作为摩擦材料的粘结材料。

    近来也有开始使用双种材料对酚醛树脂进行改性的,如采用橡胶与对二甲酰二乙基二混胺改性酚醛树脂除能提高摩擦材料耐热性外,对其提高耐磨性也有一定的改善作用。

    摩擦材料生产企业对树脂的质量要求是:

    ⑴耐热性好,有较高的热分解温度和较低的热失重。采用改性或填加的方法,引入高聚合物,提高热分解温度,改善和提高冲击韧性。

    ⑵粉状树脂细度要高,一般为100-200#,以200#为最宜,有利于混料分散的均匀性,降低配方中树脂用量。过细的树脂,在目前的混料条件下,会造成严重飞扬,形成环境污染,也不利于配方的准确。

    ⑶游离酚含量低,以1-3%为宜。

    ⑷适宜的固化速度40-60秒(150℃)和流动距离(125℃,40--80mm)。目前有些树脂固化速度较慢,对热压成型是不利的,尤其是对采用连续压模更是容易产生热压起泡的较大麻烦。

    2、橡胶

    大部分摩擦材料制品中,橡胶做为辅助材料被利用,目的是为了降低制品的硬度和弹性模量,提高韧性和冲击强度等。但在有些产品品种中,例如城市公交汽车用的软质或半硬质刹车片中或某些工程机械用摩擦片中,橡胶的用量比例高达6%以上,或与树脂用量相当,也有超过树脂用量比例的情况。如橡胶刹车带中,橡胶则成为制品中有机粘结材料的主体粘结材料成份。

    在摩擦材料中以橡胶为主要成份的产品,是缠绕型汽车离合器片。这个产品则仍是采用以橡胶为主要粘结材料的生产工艺方法。

    摩擦材料所用的橡胶品种中,常用的是丁苯橡胶和丁腈橡胶。丁苯橡胶的价格便宜,耐磨性好,故使用最广泛。丁腈橡胶耐热性,抗拉强度均优于丁苯橡胶,但价格较高,一般用于性能要求比较高的摩擦材料,如盘式刹车片或重负荷载重汽车的鼓式刹车片。天然橡胶虽然抗拉强度和伸长率均很好,但其耐热性相对较次,价格又稍高,故现在很少在摩擦材料中应用。

    在生产上,干法生产工艺中,橡胶可单独以粉末状态应用于摩擦材料组份中,或与树脂在炼胶机上混炼均匀,经粉碎后进一步使用。在湿法工艺中,一般将橡胶和溶剂加工成胶浆液后或以湿法捏合方式或以浸渍连续纤维方式加入到组份中去。

    3、纤维增强材料

    纤维增强材料,是摩擦材料的主要成份之一。摩擦材料中所以使用增强材料,主要是为了提高摩擦材料制品的强度,由于石棉危害的提出,出现了较多的石棉代用材料。如有机纤维、矿物纤维、金属纤维、碳纤维、玻璃纤维、合成纤维、胶粘纤维、芳纶纤维、纤维素纤维等等。使用方式也多种,如连续型长纤维以及各种长度约3~6mm短切纤维。

    纤维增强材料构成摩擦材料的基材,它赋予摩擦材料制品足够的机械强度,使其能承受摩擦片在生产过程中的磨削和铆接加工的负荷力以及使用过程中由于制动和传动所产生的冲击力、剪切力、压力、或高速旋转的作用力,避免发生破坏和破裂。

    摩擦材料对增强材料的基本要求是:化学成份稳定、耐热性好,可提高制品强度和改善耐磨性。有较大的比表面积。具有良好的工艺性能且分散性好、吸附能力强并有较好的可纺性,硬度适宜而不损伤对偶及不产生噪音,符合环保要求。

    随着金属类纤维使用的试验研究,感到对金属纤维的使用,还是要慎重,一定要适量。某公司生产摩擦材料,为提高耐磨性,使用了较大量的金属,在使用过程中,出现了在定速摩擦试验机测试中摩擦性能不稳定,其表面如下图:

从上图试样表面可见,摩擦材料表面上的金属集结,影响了摩擦性能的稳定,同时金属沿摩擦方向集结时留存摩擦表面的沟退较深,加了大磨损。在汽车用离合器面片试验中,已有多铜(即在所用的长纤维中,加数根铜纤维合制而成)样品出现,对这种多铜产品在最高温度300℃时测试后,很难发现这种现象,但经过450℃测试后的摩擦表面,几乎均有这种不同程度折出金属镶嵌于表面的现象发生,其磨损增加数倍造成非正常磨损。

                  

    我国有关标准及汽车制造厂根椐摩擦片的实际使用工况条件,对摩擦片提出了相应的机械强度要求,如抗冲击强度、抗弯强度、抗压强度、剪切强度、旋转破坏强度等。为了满足这些强度性能要求,我们需要选用合适的纤维品种。在进行选择时,纤维的增强性能--—价格比,是很重要的选择原则,即不但要有好的增强效果,还有能被市埸接受的成本价格,这对无石棉摩擦材料尤为重要,因为只有具有良好的技术经济综合性能的摩擦制品,才能够具有较强的市场竞争能力。如盘式片有的配方设计就是因忽视了强度而使磨损加大。

    摩擦材料对其使用的纤维组份要求是:

   1)增强效果好。

   2)耐热性好,在摩擦工作温度下,不会产生严重的衰退现象。

   3)具有基本的稳定摩擦系数。

   4)硬度不宜过高,以免产生制动噪音和损伤对偶,如制动盘或制动鼓。

   5)工艺可操作性好。

   6)不产生严重的工艺环境与使用环境的危害。

    由于摩擦材料在工作中,长期处于高温工况条件下,故而摩擦材料中多数是应用无机纤维,它们包括天然矿物纤维类,如石棉纤维、海泡石、硅灰石等;人造矿棉和无机纤维类,如陶瓷纤维、硅酸铝纤维、岩棉矿渣棉、玻璃纤维等;金属纤维类,如钢纤维、铜纤维、铝纤维等。除了无机纤维外,一些有机类纤维也被应用在摩擦材料中,如芳纶,是属于高性能、高价格的一种耐热及抗拉强度均优良的纤维。芳纶纤维在国内外摩擦材料行业中应用的较多,特别是要求性能较高的制品中,碳纤维则用在航空刹车片中,或用于其它一些对耐热性能和强度要求高的摩擦材料制品中。其它一些有机纤维,如纤维素纤维、人造有机纤维或合成纤维、植物纤维以及NG-1有机纤维等也多有应用,但主要作为辅助增强成份被利用。

    目前,习惯将摩擦材料分为两大类,即:石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料。

    石棉在摩擦材料中,它所起的增强作用,至今仍是由于它具有不可完全被取代的特性。即:它可以提供较高的机械强度及良好的耐热性,耐磨性,有相当好的对粘结材料的吸附性等,可使制品获得使用中所必备的各种各样的物理机械性能指标。虽然石棉(石棉粉尘)对环境造成了危害,但因为各种各样石棉代用材料也不断发现环境危害,所以以石棉为增强材料的石棉系列摩擦材料,特别是它具有良好的综合性能与较低的价格,使它在今后若干年内,仍将会在摩擦材料生产中占有相当重要的地位。

    无石棉摩擦材料,根椐上述的数项要求,再加上成本的考虑,可以认为,各种非石棉纤维中很难找到任一种纤维能单独承担代替石棉的角色,较好的满足多方面的性能要求。钢纤维虽在盘式刹车片中可被用作主体纤维,但在鼓式刹车片、离合器片中,它无法单独担任增强组份的角色,因此,在无石棉摩擦材料的组份中,最常用的多种纤维的组合使用。在选用纤维时,一个重要的原则是纤维及制品的综合技术经济性能,即合理的性能-价格比。根椐不同的品种,不同的用途,用户的不同要求,来选择不同的纤维组合,使其摩擦材料制品,即能满足用户的使用要求,又有较强的市埸竟争能力。

    4、填料

    填料是摩擦材料的主要构成成份之一。对摩擦材料的摩擦性能起着多方面的调节作用。因此不少资料称之为摩擦性能调节剂。大多数摩擦材料中的树脂或橡胶等粘结材料,在一定的高温状态下要分解并产生气体及低分子物,使原干摩擦成为有气体、液体介质的混合摩擦,而使摩擦系数下降,同时摩擦材料中的增强纤维材料,结晶形态也产生了变化造成了摩擦性能的不稳定,因此如何使摩擦系数在各种情况下稳定而且耐磨,就不能只靠粘结材料和增强材料的改进,通常还要靠加入适当填料来解决这个问题。因此选择适当合理的填料是一项非常重要的工作。

    摩擦材料组份中的填料,主要是由摩擦性能调节材料和配合材料组成,使用填料的目的,主要有以下几个方面,它们是:

    ①调节和改善制品的摩擦性能、物理性能与机械强度。

    ②控制制品热膨胀系数、导热性、收缩率、增加产品尺寸的稳定性。

    ③改善制品的制动噪音。

    ④提高制品的制造工艺性能与加工性能。

    ⑤改善制品外观质量及密度。

   ⑥降低产品的生产成本。

    根椐摩擦性能调节材料在摩擦材料中的作用,可将填料分为“增摩填料、减磨填料与降低成本”等三类。摩擦材料本身属于摩阻材料,为能执行制动和传动功能要求具有较高的摩擦系数,因此增摩填料是摩擦性能调节材料的主要部份,不同的填料的增摩作用是不同的。由于摩擦材料中的树脂成份在220-250℃时,会放出低分子物并开始发生热分解,摩擦系数开始出现热衰退,在我们使用的增摩填料中,有的填料能在较低的摩擦工作温度范围,即室温至250℃区域内,能提高制品的摩擦系数,如长石粉、铁粉、硅灰石等;有的填料则能在较高的摩擦工作温度区域250℃以上直至400℃,即树脂发生热分解的温度区域,都具有较好的摩擦系数,我们将其称为高温摩擦性能调节材料,如氧化铝、锆英石、铬铁矿粉等。

    增摩填料的莫氏硬度通常为3-9。硬度高的增摩效果显著。莫氏硬度高于5.5以上的填料,属高硬度填料,增摩作用明显,但要控制其用量、粒度。

    高硬度的填料用量过多以及填料的粒径过粗,就会造成磨损过大,使对偶盘或鼓的伤损增加,制动噪音也会变大。

    减磨填料一般为低硬度物质,莫氏硬度低于2的矿物,如石墨、二硫化钼、滑石、云母等。其中工业上常用的是石墨、二硫化钼。它即能降低摩擦系数又能减少对偶材料的磨损,从而提高摩擦材料的使用寿命。

    因此,在摩擦材料的配方设计时,选用填料必须要掌握和了解填料的性能以及在摩擦材料的各种特性中所起的作用。正确地选用填料,在决定摩擦材料的性能以及在制造工艺上,都是非常重要的。

    填料的堆砌密度,对摩擦材料的性能影响很大。摩擦材料的不同的性能要求,对填料的堆砌密度的要求也是不同的。例如,使用增量填料,这仅仅是为了增加数量(重量),节省制造制品的原材料,降低产品成本。所以在生产中希望加入的填料数量越多越好。这就希望填料堆砌达到最大密堆砌。

    对于为了保证摩擦材料的某些性能,例如为了提高摩擦材料的导热性,生产中就希望以最小的填料数量,制品获得较好的导热性,这就要求填料的堆砌达到最小密堆砌。

    填料在堆砌过程中,最大颗粒的堆砌决定了体系的总体积。体系中的颗粒之间存在着大量的空隙,如果将较细的颗粒填充到这些空隙中,其体系的总体积不会改变。而此时又加入更细的颗粒时,其颗粒之间仍然存在着空隙,这些空隙再被更细的颗粒填充,使用充填的颗粒越来越细,直至无穷小,此时体系的总体积等于填料的真实体积。

    所以应用特定的颗粒粒径分布,可以获得填料的最大的密堆砌体系,此时在摩擦材料中使用的基体树脂量最少。相反,应用单一粒径的颗粒填料,就可以得到最小密砌体系。此时摩擦材料中使用的基体树脂量最多。

    摩擦材料生产中使用的填料,均为固体填料。所以填料的颗粒大小的分布、颗粒的形状以及由于这两种因素导致了填料的不同分布方式。不同的填料,会呈现出不同的形状的颗粒。颗粒大小可用筛析法测定。

    表面积大小是填料最重要的性质之一。填料的许多效能都与其表面积有关。特别是制品中使用其它的表面活性剂、分散剂等,都可能被填料表面所吸附或与填料表面发生化学反应。

    化学组成是填料的基本性质,不同的化学组成,则有不同的性质。这是选用填料时必须要考虑的问题。它是摩擦材料的一种表面效应。例如摩擦材料经常使用的各种硅酸盐,主体都是二氧化硅,似乎它们都能够耐酸而不耐碱,其实不然,因为其化学结构不同,它们之间的性质就相差很大。

    由于摩擦材料,都是在热与较高压力的环境中工作的一种特殊材料,因此就要求所使用的填料,必须有良好的耐热性,即热稳定性。包括导热系数、比热、热物理效应和热化学效应等。

    在摩擦材料中使用的填料,它的导热系数,可直接影响其制品的导热性能。相对地说,导热性好的填料,可以使制品相对的提高耐热性。据材料介绍,无机填料的导热系数为1-8×10-3。有机填料的导热系数为1-10-3以下。石墨是一种特殊的材料,导热系数为0.1。

    摩擦系数受填料的粒度形状,表面特性以及晶体或颗粒间结合力的不同而变化。一般的说,填料颗粒粗糙,刚硬的颗粒,在摩擦材料中,能够起到增加摩擦系数的作用。也可以说,当颗粒不规则,且硬度比基体高,则有利于提高摩擦材料的摩擦系数。因为,当填料处于摩擦表面时,才能够对摩擦系数产生直接的影响。摩擦系数,它是一个表面对另一个表面移动的剪切力大小的量值。一般而言,模塑物表面树脂含量较高时,在紧接表面处,由于填料与基体之间的不同收缩作用,会使表面平滑作用减小,尤其是颗粒较大时,而用量又较少,这种情况更为突出。但应该注意到,填料在提高摩擦系数的同时,也会有降低摩擦材料的耐磨性的作用。即使制品耐磨性增大。

因为填料的莫氏硬度,界面粘结情况及填料堆砌状况等,均对制品性能产生影响。若填料的硬度,比摩擦对偶材料的莫氏硬度低,则易磨去。若填料的耐磨性比基体大,则填料与基体间的粘结强度,就会显出重要作用。在磨损试验中,硬颗粒从基体上被移动,特别是颗粒较大的填料,这一效应更为明显。也就是说,在制品中使用的填料颗粒越大,则制品的磨耗也越大。  

硬度,是摩擦材料成份中选用填料性能的一项重要的技术指标。

填料的硬度,能影响及决定石棉摩擦材料的硬度。确定硬度的方法很多。例如,将材料依硬度顺序进行分类,最常用的方法是莫氏硬度(MOHS),它是材料之间彼此刻痕能力的相对比较。

 

硬度值(MOHS)

填  料  名  称

1

滑石、石墨、蛭石

白云母、高岭士、石棉

方解石、黄铜

氟石、霞石、铁

玻璃、氧化镁、氧化铁、硅灰石

长石、四氧化三铁

锆英石、硅石

黄玉

氧化铝

10

金刚玉

 

 

 

 

 

 

                                                                       

                                             

                                                                                                      

          

 

 

    在摩擦材料的生产中,选用填料时,主要考虑填料对制品的生产成本与产品性能二个方面的影响。即:一、改进和提高摩擦材料生产工艺性能和产品性能,二、降低摩擦材料的生产成本。但这也有一个应引起重视的一个问题,即在配方设计时,选用的材料还要想到的一个对制品密度影响的问题。因为,降低了成本,但加大了投料量,再综合起来平衡计算,否则虽改变了配方、降低了成本,但加大了材料消耗,就会出现得不偿失的结果。

    填料对摩擦材料物理性能最突出的影响,就是使摩擦材料变硬,即使其弹性模量增加(还称剪切模量、杨氏模量或体积模量)。所以使用填料时一定要注意填料的特性.

    有一类矿物填料,即具有一定的摩擦系数,价格又非常低,这类填料有陶土、萤石、石灰粉、硅藻土、碳酸钙、方解石等。它在组份中的加入量可从5-15%范围,这样可以有效的降低摩擦材料制品的成本。

    另外一些填料,有的作为着色剂使用,如碳黑、氧化铁,铁黑等,它们不仅有着色作用,同时也有一定的改善摩擦系数作用。

    硬脂酸、硬脂酸锌一类的物质被作为脱模剂使用。也有在配方中也有加入0.3~1.5%,对减磨仍有一定作用,但对高温作用不明显。

    有机摩擦粉,是摩擦材料生产中,选用的一种具有特殊功能有机类填料。因这类材料多为有机物制成的一种粉状物,所以一般习惯于称之为有机摩擦粉。现生产中比较经常采用的有机摩擦粉,主要有腰果壳油摩擦粉。它是由腰果壳油与酚及醛经反应、固化、粉碎制成。还有一种有机摩擦粉即橡胶粉,主要是用各种回收废橡胶制品(各种橡胶制品,如轮胎、胶管等),经粉碎后制成。根椐回收废橡胶制品的不同,所制成的胶粉又分为“轮胎粉与杂胶粉”两类,在摩擦材料中使用的是轮胎粉。轮胎粉价格较低、使用方便。轮胎粉的生产也有如沈阳某胶粉厂,是采用该市某橡胶轮胎厂生产中产生的工艺下脚胶料制成的橡胶粉,由于“原料”稳定、所制成的胶粉用于摩擦材料制品中的摩擦性能就较稳定。

    使用有机摩擦粉的摩擦材料制品的摩擦系数较稳定、耐磨性较好,制品的硬度及弹性模量有所改善。但在摩擦材料组份中的用量一定要适宜,否则反而会对摩擦材料制品耐热性产生负面影响。

    三、摩擦材料的发展趋势

    目前,代表世界摩擦材料先进水平的欧洲和北美国家中,其摩擦材料的配方技术和生产检测设备的特点,主要表现在以下几个方面:

    ⒈当前先进技术配方组份中无石棉、无或少金属、无KevIr等化学纤维和天然纤维、树脂含量减少至5-6%,采用第二粘结材料及多孔性结构的原料,热压时间30-90秒,热处理温度高达240-280℃。

上述类型配方的优点为:

⑴无石棉符合环保要求。

    ⑵无或少金属和多孔性材料的使用,可降低制品密度,有利于减少损伤制动盘(鼓)和产生制动噪音的程度。

    ⑶不使用化学纤维和天然纤维,可大幅降低制品原料成本,并可减少摩擦材料热衰退的程度。

    ⑷降低树脂含量,有利于减少热衰退的发生,减少制品起泡,膨胀的发生并有利于降低生产成本。有的刹车片中树脂含量仅达到配方总量的5-6%。第二粘合材料是某种填料在高温下发生化学变化形成一种高温粘结材料以弥补低用量比例的树脂在高温工况条件下因热分解、碳化而导致对制品材料其它组份粘结作用的降低。

⑸热压时间的缩短可大幅提高热压机的生产效率,适合于自动化生产。

⑹高达240-280℃的热处理温度,更有利于高温摩擦性能的稳定。

    ⒉采用自动配料系统

    采用自动配料系统,是将实现配料、仓储、计量一体化系统。用微机控制,实现无人操作。具有配方保密性好、称量精确、便于管理、操作自动化、减少环境污染,现已被越来越多的摩擦材料生产企业所采用。

    ⒊热压工艺和工装特征

    北美和欧洲的热压工艺,就盘式刹车片而言,占主流是板式模、二步成型法和对顶模、一步成型法。

    二步成型法,即先预成型制成冷坯,然后再热压成型固化,最主要的特征是热压时使用板式模,模腔数为6-16个,板式模优点是快速高效,模具成本低,更换方便。但由于压制压力同时作用产品和模具顶部框边,模具的厚度决定了产品的厚度,就会因称料的误差而导致产品密度的不一致,影响产品质量的一致性。

    板式模生产的盘式片约占世界总产量的八成以上。

    一步法成型工采用对顶模,压制时上模(阳模)的压制力直接作用于产品上,只要压力稳定,产品密度就一定,从而达到产品质量的一致性。这种工艺主要用于制造OEM制品。

    压型设备方面,全自动多腔预成型机和六层热压机作为二步成型法骨干设备,已相当成熟和完善。

    北美和欧洲的一些设备制造公司生产的多工位旋转式压机和直线式全自动压机是当前生产OEM产品的先进设备。为保证产品密度的一致性,采用1-2腔模,为提高效率采用高速多工位旋转式压机,每小时产量可达近千片。

⒋在摩擦材料的性能检测上,采用多种试验和检测形式,以产品实物尺寸为主,很少采用小样试验与检测。一般用克劳斯试验机或惯性试验台,很多生产企业拥有多台,而是每天都在紧张进行测试工作。

    ⒌重视对产品的可压缩性的研究和实验。

    认为刹车片的可压缩性对摩擦材料的硬度、密实度、孔隙度、显气孔率、制动平稳和舒适度,刹车片的固有振动频率及相关的制动噪音均有密切关系,从而通过调节和控制摩擦材料的密度,进而控制其固有的频率,达到降低制动噪音的目的。

  ⒍摩擦材料的研究和开发

随着摩擦材料的快速发展,对摩擦材料提出来越来越高的要求,摩擦材料行业发展空间更加广阔。

摩擦材料研究方面主要有:摩擦材料的摩擦性能机理及应用研究、摩擦表面与摩擦热的研究、摩擦材料的配方与结构的研究、摩擦材料可控性的研究、纳米摩擦材料的研究、新工艺与装备的研究以及相关材料的开发与研究等。

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