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第三章 摩擦材料配方设计

浏览次数: 日期:2017-07-27

摩擦材料配方设计

随着近代交通运输、机械工业的飞速发展,高速度、高负荷与大型化产品相继问世,对于用作制动或离合的摩擦材料的要求也日趋苛刻,为适应这一需要,摩擦材料的结构与组分也越来越复杂。

将一个由十几种化学成份组成的复合材料用于制动,以高速、高负荷运转的机件时,高达1000千卡左右的由动能转化的热能,必须在数秒时间内,在数十平方厘米的面积内吸收,则不得不对这一复合材料的各种组成的物化性能和微观结构提出特殊的要求,解决这一问题的手段是精选配方和严格合理的生产工艺。  

长期以来摩擦材料生产配方和工艺的选择及其改进,主要是凭借各种组份对摩擦性能作用的基本知识和丰富的实践经验进行的。产品的筛选则通过台架试验、惯性台架试验和实际道路装车运用试验予以评定。这种状态对于要进一步发展和改进摩擦材料,以满足对其日趋苛刻要求,是不相适应的。因为随着配方的日益复杂,配方设计者要正确的分析和估计某一新组分的作用是越发困难,而只能越发需要依靠经验和实效进行判断。这种矛盾再加上屡见的摩擦材料表面的摩擦、磨损等问题日益突出,出现一项专门研究摩擦物体在摩擦时表面所产生的化学物理变化及其应用技术的学科。

在制动或传动过程中,通过摩擦材料和运动机件的紧压,产生了摩擦力以实现制动或传动,分析这一过程,可以预见在摩擦材料表面将发生下述变化;

1因受压力和滑拉力而发生物理变化,包括形变、表面剪切和拉犁、粘连。

2动能产生的巨大摩擦热促使由表面及里的迅速升温。至于在摩擦表面能达最高温度究竟多少,迄今还难以从实验测定,据推测是在瞬时可达1100~1400℃以上。并由于传热的关系,在摩擦材料内沿厚度方向,从表面向中心形成一温度梯度,一般所测中心区的温度约为200~320℃。

3十多种化学物质在这样高的温度作用下,必然发生化学变化,这些变化可以包括:

⑴化学组分本身的变化,多以热分解反应为主。

⑵化学组分之间的反应或类似催化的反应。

⑶摩擦材料的化学组分和对偶材质之间的化学反应。

4摩擦时变化最剧烈的部位是在表面,表面除产生上述化学、物理的变化之外还存在与对偶表面物质的相互渗透,这许多变化的最后反映于一种表面膜的形成。

以上四种现象的结果是形成摩擦材料表面组分及微观结构的改变,这种改变对于摩擦材料的性能产生着重大的影响,深入研究了解和掌握这些变化规律,对于把摩擦材料的研究工作推向一个新的、更迅速发展阶段具有积极的意义。

 摩擦材料的配方设计原则

    根据特定的摩擦材料制品的摩擦性能、物理机械性能的需要及使用工况条件、产品价格等方面要求,科学的确定构成摩擦材料的各种组份的用量比例,这就是配方设计。

什么叫配方,就是根据摩擦材料的性能要求、使用工况条件与经济效益等需要,科学的确定摩擦材料组成所需原料的正确比例。

辞海上标注的配方是:“按处方调配药物制剂,供防治疾病。工农业上将几种原料按规定的方子调配成一定的成品供生产上应用,也称配方”。按我们的习惯说法,就是对摩擦材料各种成份用量的规定数。

根据配方特点,一般可将配方分为基础试验配方与生产实用配方两大类。基础试验配方是指研究新材料的性能与工艺性能及验证检测设备稳定性的一类配方。此类配方组份较少,成份用量相对固定,以便于进行性能对比。生产实用配方是指经过反复试验与验证,能够符合与满足使用要求,可以进行生产使用的配方。实用生产配方应是所用材料的最佳组合。

而配方设计,就是应用一定的计算方法,科学的确定与选择所需各种原材料及其用量比例的过程。当然,还要考虑所用原材料的产地、成份、性能与规格和价格等。

配方设计是摩擦材料生产过程最关键环节,对产品质量和生产成本有决定性的影响,也是保证生产的重要关键。因此配方设计是一项非常重要,同时又是一项专业性很强的技术工作。

配方设计的过程,应该是有关摩擦与磨损、高分子材料和矿物材料等的各种基本理论的综合应用过程,是各种组份结构与性能关系在实际应用中的体现。即是一个多种知识的基本理论综合实用的全过程。配方设计过程绝不仅是各种材料的经验搭配,而是在充分了解各种配合原理的基础上,充分发挥配方系统的综合效果,从而得到最佳配比关系的体现。

尽管各种配方性能千变万化,但是在各种性能与组份构成之间却存在着某种规律性。这种规律可以反映配方设计中的某种趋势,也可以确定材料的定量范围,所以在配方设计工作中应当注意积累一些基础数椐,并注意捏合一切可能的经验,对以后的配方设计工作和产品研制工作都有借鉴和指导意义。大量的经验规律可反映某些内在规律性,因此在平时的配方设计工作中经常收集、归纳、总结数椐关系,也是一种很有价值的工作积累。一个称职的配方设计人员,不仅能实现生产中的配方设计,还应能在工作中经常收集、归纳、总结数椐关系,自觉地研究各种原材料在配方中的作用与对产品性能影响的基本规律。

总之,配方设计工作是很有实际意义的工作,其目的是要建立摩擦和材料学理论与制品配方性能之间的有机联系,从而满足各种实际要求。摩擦材料制品的设计需要做的工作很多,要在短时间内完成较大量的工作量,必须运用各相关学科的先进技术和理论,使配方设计工作彻底从凭经验工作的落后状态中摆脱出来。

    一、摩擦材料的配方设计原则

实用生产配方设计,使产品达到“优质、无害、高效、获利” 的目的。这是配方设计总原则。在这一原则要求下,配方设计人员的主要任务就是寻求各种原材料的最佳组合,使所设计的摩擦材料制品的“性能良好可满足使用要求、制造工艺性能完好并生产效率较高、生产过程与使用无害、成本较低经济效益较好”等几个方面,取得最好的综合平衡。通过科学的配方设计方法、掌握原材料配合的内在规律,设计出最佳实用配方。因此,一般配方设计应要遵循以下几个原则:

    1科学性原则

   (1)满足制品使用性能要求

    满足制品使用性能要求,主要包括:足够高而稳定的摩擦系数、良好的使用寿命、具有较好的物理机械性能、较小的制动噪音或抖动与对偶面磨损较小等。

摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个最重要的性能指标,它是决定该摩擦材料制品能不能使用的。因此,满足这项技术要求是非常重要的。

摩擦系数是一个变量,经试验后计算出来的。但它在某种意义上说,又是一个“常量”,是由诸多的制品构成材料各自“摩擦系数”的摩擦特性总和(当然还应加上材料特性、制造工艺、环境影响与使用条件等诸多因素)。也就是说摩擦材料的特性,它是由构成该摩擦材料各组成成份的相应原材料所显示出的特性总和。为此,不仅要掌握制品性能要求,还必须要尽快研究和掌握摩擦材料所应用的各种原材料性能,这是一件非常重要的基础工作。制品性能与制品配方组份是相互依赖、相互影响的。达到一定的性能,就必须正确选择相应的组份及使用比例。

摩擦系数受温度、压力、摩擦速度以及摩擦表面状态和环境介质等影响而变化的。所以,设计的配方所生产出的摩擦材料制品的摩擦性能,就要在这些变化中,能全面达到国际标准或先进国家行业标准、现行国家标准、行业标准或用户标准等要求。

使用寿命即耐磨性,是表明摩擦材料制品耐不耐用,是摩擦材料制品的另项技术要求的一项重要技术指标。表示耐磨性主要是制品性能中的磨损率,磨损率应是越小越好,但要注意试验中样品因产生热膨胀产生的厚度掩盖。

摩擦材料在使用之前,还需进行一系列的加工工艺处理,如钻孔、铆装等机械加工制成制动器或离合器总成。这些过程要求摩擦材料要有一定的物理机械性能。而且在其使用过程中,还要经得起复杂的使用环境和条件等因素,如温度、速度与不同压力作用进行正常的工作。

对行车舒适性的要求,应较小的产生制动噪音或者较小的行车抖动,而制动噪音或传动中的抖动,是与摩擦材料性能的较直接的影响。

摩擦材料工作中与对偶面直接进行磨损,会产生相互磨损,但摩擦材料作为主要注消耗性材料,就应该使对偶材料的磨损要小些。同时也不应该使对偶面产生严重的擦伤或划痕、沟槽等。

 (2)搞清选用原材料的物理、化学特性和结构特点

    搞清选用原材料的成份,物理、化学特性、状态、结构及在制品中的作用或与它种原材料间的关系规律、有无毒性,性能应稳定,在配方中的用量限制等。选用的原材料来源的可能性。在配方中选好的一种原材料,但该材料找不到或很难找到来源,这个配方不是一个好的配方。

配方设计时,要充分考虑到制品的功用、类型、结构、批量、技术要求和使用环境,所以选取的原材料性能及它们之间相互综合影响而表现的性能。比如离合器片的配方,就要想到符合缠绕的工艺要求,应采用橡胶类粘结材料、而对高温性能的要求,还应采用耐热的一些配方组成等。事实上用照搬的配方是很难达到原配方所提供的性能标准,因为使用的原材料发生了变化、工艺也或多或少的有些变动,都会使所采用的配方制品性能发生了改变,所以外来配方只能作参考,而绝不能盲目采用,更不能盲目用于本企业生产使用,为此而造成较大经济损失的实例是不少见的。

据介绍,用芳纶浆泊纤维制作的产品,具有突出特性是耐高温摩擦性能稳定,耐磨性特好。为此作了验证试验,并得到证实,即使用芳纶浆泊纤维的样品的确耐磨性好。

但使用大量(40%)的芳纶浆泊纤维做的摩擦材料的样品,性能确大不相同。

如在试验中,配方中使用较大量(占配方总量的40%)的芳纶浆泊纤维,其制品性能却恰恰相反,将其放在定速试验机上进行摩擦性能测试时,在磨合初期却出现摩擦盘转了几转就发生试块沿摩擦面拖剥一层厚约毫米的拖带,甚至样品厚约6.5mm仅转几转就剩下不到2mm的特超磨损现象。(见附图)

附图:

 

在温度不到100℃的磨合过程中,芳纶浆泊纤维40%制作的产品,仅在几秒钟的时间、在摩擦盘上,就形成一条带状拖尾的现象。为此,又进行了重复混料、制样,再进行于定速试验机上测试,其情形与结果和前次完全相同。这说明了性能多好的材料,在配方设计使用上也一定要有一个适宜的配比量。

同样用芳纶浆泊纤维,配方中用量分别占配方总量的1、3579%等五个配方并制成五个样品,观察其对强度的作用。

 

样品编号

1

2

3

4

5

芳纶浆泊纤维   %

1

3

5

7

9

冲出强度kj/mm2

3.7

4.2

4.34

4.49

4.41

 

试验结果,说明了芳纶浆泊纤维对提高制品的冲出强度是有效的,但超出一定的合理使用范围,其作用也不是很明显的。

现阶段的离合器面片的生产采用了无石棉,即玻璃纤维为增强材料,其中玻纤有的用多根紫铜或黄铜丝,过多大量用铜是为提高“耐磨性”,其实这种配方绝不是好的配方,因为铜含量达30%之多,反而制品在摩擦表面出现了金属镶嵌现象,见下图:

            

表面金属沿摩擦方向滑动痕迹非常明显,实际上在这样状态下,多量的铜,不但没有提高耐磨性,相反还加快了制品的磨损,因为摩擦表面的铜温度要高于母体材料很多,会烧毁母体材料而呈“游离状”,在摩擦力作用下沿力方向移动,并汇聚一起,成为一种金属铜镶嵌表面。此样品在450℃时的磨损率已是350℃时的磨损率近十倍。因此配方设计时,要想采用任何一种原材料。都要想到一个用量问题。当然,上例也说明了要在一定的条件下,才可碰到。

实例说明了所用的原材料,在配方中都应该有一定限量,也说明了每种原材料都有各自特性或与它种材料间的协同效应和加合作用。也要注意到即是同一种材料,因配方的不同,也会产生不完全相同的作用。因此,配方设计时,切不可对配方生搬硬套拿来就用。

   (3)配方组份的灵活搭配

摩擦材料制品,一般的说,是由多种材料组成。各制造单位所生产的摩擦材料都是从200多种材料选择十几种材料而成。而各自生产出的产品性能差异也不是特大,这个事实就足以说明了配方构成所具有的灵活搭配的特点。

虽然说摩擦材料的是由多元材料组成,即高分子粘结材料(树脂或橡胶)、增强材料(骨架纤维)与功能填料(性能调节或经济效益)等成份所组成,再经一系列生产加工而制成制品。也就是说摩擦材料要由十几种或几十种材料制成,由这些多种材料搭配使用,就要做到相互取长补短,合理发挥各自的性能与作用,即要使产品性能达到最佳状态,也要使经济效益达到最理想水平。实践证明,使用的材料种类既不要太少也不要太多,太少不宜搭配性能平衡,太多了不但造成生产和管理上的麻烦,对产品质量的稳定性也带来了麻烦。同一配方中出现沉淀硫酸钡、硫酸钡及重晶石等相同材质配方,绝不算一个好的配方。同时,在配方中用量较少的材料也不可过多,曾见过一个公司用26种材料的一个生产盘式刹车片配方,其中使用了67种用量不到总量3%的原材料,用该配方生产的摩擦材料制品性能稳定性很差,摩擦性能稳定性表现在这片样品摩擦系数高了,那个样品的磨损率又超了,究其原因显而易见的是由于原材料种类使用过多、使用量又过少,而引起了许多不稳定因素与工艺性能等方面的影响,造成了产品质量的波动,出现了性能稳定性较差现象。

    在配方设计过程中,也应注意到所选用的粉状原材料粒度的恰当搭配,盲目追求微细状是不可取的,因过微细材料一般是密度较轻、易飞扬、工艺性能较差,利用常用的混料设备不易混制均匀,还会产生污染、而粒径过粗也会影响制品性能的稳定,并会加大对偶面的非正常磨损和由于粒径过粗造成分布不均影响制品外观质量。

   (4)工艺和配方的相互关联与对制品性能的影响                                   

工艺和配方是产品质量的二大要素。工艺和配方有密不可分的关系,仅仅重视配方是不行的,单有一个好的配方也是不能生产出性能理想的产品。要有一个较好的配方,配上一套适宜合理的生产工艺,才能生产出好的产品。

一定要认清工艺对配方的实施有着非常重要的作用。合理适宜的工艺与工艺参数是因配方而异,随着配方的不同,工艺参数要发生变化,应及时进行调整。即不同的配方,要有一个不完全相同的工艺或不完全相同的工艺参数进行控制。如采用干法生产工艺生产鼓式刹车片,那配方就要适应一步成型或还是二步成型工艺,若采用二步成型,则一定要选用一些具有较好冷强度的分散性能好的增强材料,配方中仅仅使用刚性强的,如使用大量钢纤维做增强材料,那就是压不了冷型,配方再好也是不能采用二步法生产工艺的。相反,采用连续压模的配方,若用一部份有机纤维做增强材料,就要调整生产工艺参数,不然就会出现较大量的产品起泡现象。因此,配方设计时还要根据所采用的不同生产工艺的特点来进行配方设计的。根据要选用不同的生产工艺来进行设计适用性好的配方。因此,可以设计配方的同时,就要考虑所要采用的工艺,即工艺与配方同时研究,而不是完全分开的。不了解工艺状态、甚至都不清楚所用模具特性,就使用一个外来配方,结果造成损失的实例也不少见。

配方与工艺之间有着密切的关系,在配方实施过程中,要密切注重配方的同时,也应对工艺与工艺参数,给予足够的重视。比如离合器面片生产,目前国内采用多种工艺生产,其制品性能就有一定的差异。就配方相同,只是采用一步浸渍胶浆或二次浸渍胶浆,对制品的使用舒适性或对制品的耐磨性,均会产生影响。

同时,也应看到生产设备由于多种原因影响,使设备的作用发生变化,对完好的执行工艺会产生影响,从而影响了工艺质量,使制品性能发生了波动。如混料机因长时间使用,会使搅拌翅磨损,加大了与容器避板距离,影响了搅料质量。进一步也会影响到产品质量。

     2经济性原则

一个理想配方,必然会产生较好的经济效益。也可以说摩擦材料生产企业要有较好经济效益的前题,必须要有比较理想的配方,二者密不可分。因此说配方是决定经济效益的重要因素之一。配方中所选取使用的原材料,应尽可能的选用价格较低的,资源丰富,运距较近、材料性能稳定并且安全可靠。而配方应用时还要适应生产过程简单、采用设备结构简单操作方便、生产效率高、生产周期短、能耗与原材料消耗要小,投资较少的工艺方法。没有较好经济效益的配方,不能称之为理想配方。因此,配方设计即要重视质量、也要重视经济效益。经济效益不好的配方难以投产,没有经济效益的产品也没有人愿意生产。所以应将经济效益作为配方评价的重要方面,也可作为一个配方的设计原则。

摩擦材料的性能要求很多,而达到要求的方法也很多。可供实行的方案也相当多,因此,配方设计者寻找好各种性能之间的平衡,就会取得性能与效益双优的配方。

掌握多种原材料资源资料,是配方设计者应具备条件之一,只有较大量的占有摩擦材料原料资料,才能在二百余种材料中选出较好的配方,只靠手中那几十种原材料资源资料是不行的,因为对配方设计来说应用面太窄,选择配方应用原材料面越宽越有益于配方设计。若掌握较丰富的资源,对进行配方设计就非常方便。从各种材料中选择适宜配方要求的所用材料,再经过精心设计,认真寻找各各性能间的平衡,根据设立的配方实现技术指标与经济目标,来完成配方设计。某种材料在这个配方中性能不理想、但在另一个配方中确较好。有的原材料你用不理想。可他用确较好。如一种丁苯胶比另种丁苯胶每吨便宜很多,但其在离合器片配方使用,采用传统油溶的工艺制品质量不理想,高温性能较差,磨损也高;但在另种橡胶刹车带配方中使用,性能确很好。因此,我们可以说不是那个材料不好,只有选择的材料不合适。因此,对一个配方设计者来说,只有较大量的掌握原材料资源,就更有利于进行配方设计。

确定经济目标,就是预先制定设计配方成本。设计的配方首先要完成技术质量指标;然后要完成制定的经济效益指标。二项指标都很重要也是缺一不可。在设计配方开始前,根据具体情况,如产品性能要求、市场需要与应用工艺状况等,分别制定出设计配方的所要达到的技术标准和要实现的经济目标。然后再根据所制订的这两项技术和经济目标,不断的开展试验与研究,再进行修改与调整,最终要实现技术和经济目标。配方设计不含经济效益指标的配方也不是一个完整配方。它的“生命力”是不强的。

3不断寻求新的平衡原则

配方设计者在配方设计中,已经形成的在用的配方(生产实用配方),根据“摩擦材料的性能要求很多,而达到要求的方法也很多”的特点,可以说明,就是在用配方,配方中仍有一些不足之处,或者说仍有可调整或修改之处,这是不变的真理。当然绝不可随意乱改配方。这是指配方中仍有可修改的可能,应有计划的不断修改,才会使产品性能越来越好。不改动或乱改动实用配方都是不可取的。调整是指采用或更新了某种材料,取得了性能的提高或效益的上的改动。这就需要配方设计者,勇于突破自我去不断完善配方。寻找新的平衡。要了解尽管原配方是经多少人(包括个人在内)不断开发、研究的结果,但经过一段时间的考验,证明是一个较理想的配方,但也经一段时间后,从使用要求上、材料特点上、工装设备上、人员操作上、经济效益上都在发生变化,虽然过去是平衡,但由于各方面的变化。肯定也引起变化。因此不断寻找新的平衡,应是行业特点。而体现平衡就要改动或调正配方。

勇于开拓是战胜自我的最好法宝,也是战胜自我的体现。只有不断的战胜自我,才能做到开拓。能及时经常修整自己设计的配方,及时发现新的材料、采用新的材料,不断完善和改进,使制品性能日益完善,及时寻找出各种性能之间的平衡,使配方越来越完好,即有良好的制品性能,又有较好的经济效益。

目前,摆在行业技术工作者面前一个重大课题,就是磨灰利用问题。这是一个较大的经济性问题。椐统计,离合器面片磨灰产量占总产量的20%以上,而刹车片磨灰产量则占总产量的8%以上,全年加起来是多么大的一个数量。所以,在摩擦材料中如何实现在配方中,设法利用一些摩擦材料磨灰,应是一个好的配方设计选择。在一个公司带过的一个学生曾说过,“搞磨灰利用有什么技术”,实际上搞磨灰利用却恰恰是一项有技术的工作,而是一项技术要求很全面的工作,若将行业这么重要的一项废物合理的找到了途径了,那是对行业的多大贡献呀!

较好的配方,就是要为提高经济效益和改善劳动环境与条件创造条件,在不影响生产工艺条件和产品质量的前题下,尽量避免少用或不用贵重原材料,设法简便生产工艺,节省劳动资源,降低能源消耗与设备损耗,为降低成本作出贡献。

     4环保原则

    有的配方设计者往往不重视或者说是忽略了配方制品在应用过程中对操作产生的或产品在使用中产生的环境影响,造成公害。配方要考虑到操作者、使用者以及其他接触者的安全、健康。避免使用有毒、有害的原材料,尽量少用或最终不用导至职业病的原材料、配合剂等,避免造成环境污染。如填料过细,在混料过程中产生较大量的灰尘飞扬,产生尘害。有些配方制品在使用中产生异味,以及使用的原材料影响操作工人健康等。因此,一个理想配方应能无公害与做到无环境污染的原则。目前利用玻璃纤维替代石棉,为操作者带来的皮肤过敏与皮肤搔痒的职业危害,就是摆在技术工作者面前的一个大事应能尽快解决。玻璃纤维是一种无机纤维,据国外报道,玻璃纤维增强的摩擦材料,其摩擦磨损性能良好。有很好的耐热性,但其脆性较大、耐磨性差、不耐弯曲,纤维断落的纤维粉尘,对人产生刺激出现发痒,为此个别企业都出现了招工难。所以尽快设计出对人不产生刺激的玻璃纤维的摩擦材料实用配方或无玻纤摩擦材料制品是迫切希望的。

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