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第六章 基础配方设计(上)

浏览次数: 日期:2017-07-31

基础配方设计

基础配方设计是生产实用配方设计的重要的基础工作,配方设计者应该首先作一些基本的基础配方设计,从中可以了解和掌握配方中所涉及到的各种材料及它在摩擦材料中的作用、作用特性及不同材料间的相互作用的特点等,通过掌握基础配方的设计规律,就可以比较好的开展配方设计工作,下面介绍一些基本的基础配方:

根据摩擦材料配方设计原理,先后进行了不同骨架材料、芳纶纤维的含量、不同或同类填料、不同型号粘结材料、不同树脂含量、低硬度的摩擦材料制品与石棉纤维的特性等八类基础配方试验。通过这八大类基础配方探索试验,经过60多个基础配方样品的设计与生产实践,每个样品又通过摩擦性能、冲击性能、密度、压缩性等性能测试。对60多个样品的定速摩擦性能试验和30余个样品的蔡氏(CHASE)性能试验,取得了一些有益的试验数据,对摩擦材料的配方设计有一定的参考意义。而其中有些基础配方,甚至于可通过配方延伸扩展成为生产的实用配方,所以这些基础配方设计与性能测试数椐,对生产实用配方的设计,具有一定的参考价值。

一、不同骨架材料配方

1目的:在摩擦材料配方中,经常需使用各种纤维作为增强材料,这种材料,不仅影响摩擦材料的冲击强度、压缩量等物理机械性能,而且也直接影响产品的摩擦系数、磨损率等摩擦性能,同时还对生产工艺产生很大影响,因此对各种骨架材料进行试验,以了解、掌握其特性和用于指导实用配方设计与工艺参数的设定,具有一定参考作用。

2方法:将选取摩擦材料常用的增强纤维材料,如天然纤维、矿物纤维、玻璃纤维、无机纤维、有机纤维等在相同基础配方与相同的生产条件下,通过改变纤维种类的方法,分别制成试样。 再对试样进行性能测试,以找出不同纤维的工艺特性、强度、摩擦性能、制品密度等方面性能特性,然后再进行分析比较,以进一步了解和掌握这些常用纤维的性能,以做到在设计配方时,能合理的选用纤维。

3配方:不同增强材料基础配方,见表(1)

 

不同增强材料的基础配方               表(1)

4特点:配方分别是由十一种增强纤维材料组成(其中有二个厂家玻璃纤维)制成十一个试样。每个配方中都含有粘结材料,经辊炼的酚醛树脂、增摩材料的铬铁矿粉、硅灰石与重晶石、耐磨材料石墨、蛭石及经济类材料轻钙等。并在这一配方对比组中,这些材料保持不变,十一个配方中只变动增强材料,然后再测定试样的性能,并观察性能变化。

5样品制作主要工艺:

将按配方要求混好的混合料,采用一次成型压制工艺,在JFY60型(600KN)实验室用压机压制尺寸为55×55×8~10mm的试样4块。

压制条件:

          压制温度:    165±5

          压制时间:  600 (放气4)

          压制压力:     3~8 MPa

经试验表明,增强材料的自身性能对制品工艺性能影响较大,主要表现在压塑料的流动性上,纤维长度越长其流动性越差,而纤维越短流动性越强。这一点对合理制订压制工艺参数是非常重要的。在制订工艺参数时,一定要考虑所用配方的特点及选择的增强材料的特性,才能制订合适的工艺条件,否则也不能制成好的产品。如在1配方2配方中,使用的增强纤维近于粉状,采用热压压力为6MPa时,由于压塑料流动性特好,所以因压力过大造成压塑料全部挤出,不能压成制品。当将压力降为3MPa时,才可压制成型。而3配方、4号配方所用纤维稍长,但比重小,体积较大,压制成型困难,用6Mpa压制较合适。而使用钢纤维、玻璃纤维、NG1有机纤维、石棉纤维、有机刚质纤维等,所需压力调正至8MPa较为适宜。

6性能测试结果

⑴密度

密度的测定,本次试验采用电子称与千分尺分别精确称量试块的重量与厚度方法,并计算其重量磨损率(%)及体积磨损率(%),测定结果,见表(2)。

                              密度测定结果                表(2  g/cm3

从表中结果可以看出,金属纤维、矿物纤维由于纤维比重较大,而制品的密度也大,而所用有机纤维等比重小的增强纤维,其制品的密度较小。实验证明,选用的增强材料质量对制品密度的影响是很明显的,是在配方设计时要考虑的问题,尤其是对制品密度有明确要求时更要注意的。

冲击强度:将压好样块制成55×10×厚度(mm)的冲击强度试样45个,在XCJ-4型冲击强度试验机上进行冲击强度试验,测定结果,见表(3

 

                          冲击强度测试结果               3 KJ/ mm2

由上表中数椐可以看出,使用钢纤维、玻璃纤维、NG-1型有机纤维的增强效果较好,木浆纤维、木质纤维、FKF纤维及粉末状矿物纤维(如LFC等一些纤维的增强效果相对较低。试验配方测试结果说明了增强材料的增强作用特点及它对制品强度的影响是特别明显。所以不能仅从材料名称上,而要在实际观察上去辩别增强材料的特性。

摩擦性能

 

试样是在定速摩擦试验机上进行摩擦系数的测定,其测试结果,见表(4)和表(5

注:1-1、1-31-5三个样品,没能进行恢复摩擦性能测试。

 

按照SAE J 661a标准,进行了蔡氏(CHASE)试验,以进一步了解配方特点,进一步掌握各种增强纤维材料的特性和作用,蔡氏(CHASE)试验结果,见表(6

注:1-3、1-41-7三个样品,没能进行Chase摩擦性能测试。

表(6)中的试验数据,经对比可以看出,石棉纤维的摩擦系数比较稳定,热衰退较小;矿物纤维、玻璃纤维的高温衰退性较好;钢纤维高温热衰退大,大部分有机纤维,常温摩擦系数平稳,而高温时热衰退较大,一般是在250℃以后开始出现较为明显的热衰退。

⑷磨损性能:

由于试验时间短,样品特多,故使用了一种相对的磨损率计算方法,以减少试验周期。因此,磨损率是一相对的数值。

磨损率计算方法:本书未特别注明定速磨损率(重量或体积磨损),均采用不停机按连续试验,测开始与结束后二次测定法计算。具体是试样在JF150D型定速摩擦试验机上进行定速磨损率的测定方法:试样经磨平后分别采用电子称、千分尺测定其重量和厚度,由100℃~350℃摩擦系数试验后,再经过3000转摩擦磨损后,测定试样重量和厚度变化值,并计算出试样的重量磨损率%和体积磨损率%,试验结果,见表(7)表(8)

从表(7)表(8)定速试验测定的磨损结果可以看出,3号配方和9号配方的磨损率较小,耐磨性最好。

试样按照SAE J 661a 规定进行CHASE试验,其密度、体积磨损率,见表(9)

注:表中1-3、1-41-7,因样品太多,因时间没能来得及测试。

⑸压缩性能试验:

    压缩特性试验,采用JF221A压缩性能试验机,对试样进行ISO 6310标准的压缩特性试验,结果如表(10)。

注:表中1-4、1-51-61-101-11因样品太多,因时间没能来得及测试。

二、芳纶纤维在摩擦材料中作用特性

芳纶纤维的化学名称是苯二甲酰对苯二胺纤维PPTA。由于该纤维结构中苯对位连结有酰胺基团,形成棒状刚直性大分子链结构,分子排列规整,结晶度和取向性很好,故而强度和模量很高,并有很好的耐高温性。

摩擦材料所使用的芳纶纤维有短切纤维和芳纶浆泊,其中使用最多的是芳纶浆泊纤维,所以选用的芳纶浆泊进行其性能试验。

芳纶浆泊是聚对苯二甲酰二胺浆粕(即对位芳酰胺浆泊),是芳纶纤维的高度原纤化产品。表面呈毛绒状,毛羽丰富,粗糙如木材浆泊。

芳纶纤维是一种高强度、高模量、低密度类的纤维,广泛用于塑料的增强,是尖端复合材料的高效增强剂。

椐介绍,芳纶纤维在摩擦材料中加入1~3%,就能达到制品需要的冲击强度,摩擦系数稳定、磨损小。

对芳纶纤维在摩擦材料中的作用特性,通过对芳纶浆泊纤维在摩擦材料中的用量比例进行试验,以了解其作用特性及对制品摩擦等性能影响和在配方中比较适合的用量范围。

⑴不同芳纶纤维含量的制品,摩擦性能特性。

试验芳纶浆泊的基础配方,见表(11

按配方准确称取各种组成成份,放入JF810S5L)型混料机中进行混料(转速60r/min,混料时间10min),混制成分别为含有不同量芳纶纤维的均匀混合料,在JFY60型(600KN)实验室用压机压制尺寸为55×55×8~10mm的试块4块,以供摩擦、强度等性能测试。

压制条件:

          压制温度:     165±5℃

          压制时间:  600 秒(放气4次)

          压制压力:       6~8 MPa

    将压好的试块,再制成各种需要的试块,进行相应的测试,测定结果如表(12)。

表中数据表明:含有芳纶纤维的摩擦材料其摩擦性能耐高温的摩擦性能与耐磨性很好。

而最佳用量在5~7%左右。过多的芳纶浆泊含量对制品摩擦与强度性能等影响不大;而过小含量对改变摩擦材料的性能影响也不很明显,在配方中使用极少量芳纶浆泊,其作用即对制品性能恐不会有较大明显的影响。

⑵不同芳纶浆泊含量制品的冲击强度

对不同含量芳纶纤维的试样进行了冲击强度测试,其结果如表(13

表(13)中数据说明,摩擦材料的强度,随着芳纶浆泊纤维含量的增加而增大,但在这组试验配方中,也可以说超一定范围的芳纶浆泊纤维,对制品强度影响不明显或者说在这组配方中的增强作用不明显。

上图可见,制品的冲击强度,随其芳纶浆泊纤维含量的增加而增大。

⑶不同芳纶浆泊含量制品的压缩性

还对不同芳纶浆泊含量的试样进行了压缩率%测试,其结果见表(14)。

表中数据说明:芳纶浆泊含量对制品压缩率影响很明显,表现在常温与加热后的试样样块压缩率随着芳纶浆泊纤维含量的增加而增大。

本组试验可以认为,芳纶浆泊纤维作为摩擦材料的骨架材料,确是非常理想的一种材料,但其价格也确很高,所以应制品特性慎重采用。

三、填料在摩擦材料中作用特性

填料是组成摩擦材料的重要成分。使用填料的目的,一是为了保证制品符合使用性能要求、二是为了降低生产成本。

而填料的种类、性能、形状、堆砌等,都对摩擦材料的最终性能有较大的影响。

所以填料在摩擦材料的配方设计及在制定生产工艺上,都是非常重要的。在配方设计时,要考虑填料本体的性能,如填料的堆砌密度、粒径、表面积、化学组成、热性能、导热系数、 比热、热膨胀系数、热物理效应和热化学效应,也是重要的特征,选择使用填料时,也都要充份考虑、还有硬度等。也是摩擦材料成份中选用填料性能的一项重要的技术指标。当然对填料的摩擦系数应是重要考虑的性能,而摩擦系数是一个变量,所以掌握其则更显重要。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。   

填料这一名词,本来就有渗假的意思,降低成本的意思。可惜目前尚无一个适当的名称来表述用于此目的的其它名称。填料对产品性能的影响也是多方面的。

主要是:

⑴对制品的弹性模量影响

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)。

        模量公式:

                 M      1+ABV

                    ────  =  ──────────

                 M1      1-BUV

                 A=Ke-1

                 M2

                ────   - 1

                 M1 

                    B=────────────

                 M2

                 ─────  +A

                 M1

                  U=1+(1-Pf/Pf×Vf

                      式中:M    复合材料弹性模量

                            M1   基体材料弹性模量

                            M2   填料的弹性模量

                            Ke   爱因斯坦系数

                            Vf   填料体积分数

                            Pf   最大填料体积分数

                            A    填料形状因子

 

                            B    体积弹性率

⑵对抗张强度的影响

不同的填料,往往会对摩擦材料抗张强度产生不同的影响,在摩擦材料中,每一种填料的颗粒都会被一定厚度的增强材料、粘结剂所分隔及均匀的包裹。若假定在这种材料中间无气泡或空间等条件下,当施加张力时,这些基体区段被拉伸,并从填料颗粒上被拉开。因此使用多量填料的材料断裂强度较低。所以为了获得较高强度的摩擦材料,就要选择填料其颗粒间空间较大能容纳更多的支撑负荷的基体材料,才能制成具有较高抗张强度的摩擦材料。        

使用大颗粒填料比小颗粒填料,在基体上产生的应力要集中、要大。因此若在其它条件相同的情况下,使用平均粒径较小的填料,制成的摩擦材料则有较高的强度。

⑶对冲击强度的影响

提高抗冲击强度,对摩擦材料来说,是很重要的。但实际上,目前没有能在试验条件下,模拟实际工况条件的试验方法。

已确知,基体中的包容物起应力集中剂的作用。这种包容物,在柔性上必须与基体有很大的不同。因此晶粒、空穴、颗粒、纤维、切口及裂纹都起应力集中剂的作用,这里仅考虑颗粒状填料。当颗粒比基体的柔性大时,会使抗冲击强度提高,韧性改性就是这类填料。但是,生产摩擦材料最常用的一些填料,多数为高模量的硬性材料。实际上不能拉伸,因此使摩擦材料的脆性增加。如果比起基体来说,由于加入填料,使摩擦材料的内聚强度有所改进时,以及填料颗粒能在与冲击应力垂直的更大面积上,分布冲击应力作用的话,那么冲击强度就会有所提高。例如,使用属纤维类填料,提高了制品强度,就属这类作用。

⑷对热膨胀的影响

在摩擦材料中加入填料之后,能够影响其热膨胀系数,其原因是,因为所使用的填料,由于填料的不同方向,具有不同的热膨胀系数。填料与基体热膨胀系数的不同,导致了在室温下产生了内应力。而且由于填料颗粒取向不同,内应力也不相同。

在摩擦材料生产过程中,由于热压加工时的影响,基体会发生收缩,收缩率的大小,也随着选用的填料的不同而不同。经验证明,摩擦材料的收缩率,采用干法工艺,一般为千分之6~20左右。而采用湿法生产工艺,制品收缩率可达千分之10~50以上。

在生产中对热膨胀系数,可以根据混合规则来估算,做为模具设计时的参考。

                                α=α1Vm+α2f

                          式中:  α    为热膨胀系数

                                  α1   为基体热膨胀系数

                                  α2   填料热膨胀系数

                                  Vm   基体体积分数

                                  Vf   填料体积分数

但是,由于片状和纤维状填料的取向具有很大的差别,所以采用不同取向的片状或纤维状填料,其制品的热膨胀系数也会有很大的差别。模压后的基体会发生很大的热膨胀,以释放内应力。使产品发生变形,典型的例子就是摩擦材料热压后的翅曲变形现象。

β-锂霞石,即硅酸锂铝,在高于环境温度时,其热膨胀系数为负值,(-8×10

一般地说,使用固体的填料或者低密度的填料,是可以使制品的热膨胀系数下降的。

对填料在摩擦材料中的作用,通过三十个基础配方,进行一些试验和探索。

1试验目的:试验不同填料在摩擦材料中作用,以掌握、了解填料的性能,有益于设计配方,合理制定生产技术工艺与工艺参数。

通过配方组合试验,可比较和了解填料性能与作用,采用一种酚醛树脂,固定的填料组合,然后再比较它们各自性能,基本了解该填料的作用。比较是最常用的几种填料,如硅灰石、铬铁矿粉、长石粉、重晶石、还原铁粉、石油焦粉、泡沫铁粉、硫化丁腈胶粉(利用废丁腈胶制品加工制成)、蛭石粉和氨基脂等。

同时,通过酚醛树脂树脂的改变,分别采用了丁苯橡胶改性酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂及普通2123酚醛树脂为粘结剂,在其它材料不变的状况下,对使用不同树脂的作用也进行了性能此较。

2配方:

⑴以丁苯橡胶改性酚醛树脂为粘结剂,采不同填料的配方  见表(15

注:硫化丁腈胶粉,是以废旧丁腈胶制品,经粉碎制成的一种粉状物,细度约20-60#。下同

⑵以丁腈橡胶改性酚醛树脂为粘结剂,采不同填料的配方  见表(16)

⑶以普通2123酚醛树脂为粘结剂,采不同填料的配方  见表(17

3特点:配方是由九种原材料组成,含有增强材料、改性酚醛树脂粘结材料、增摩材料、耐磨材料、及经济材料等。并在这组配方中,有七种材料保持不变,只变动配方其中一种填料。而变动的一种填料的配方,同时又进行了三种不同的粘结材料,再进行粘结材料变化的摩擦性能比较。通过测定性能,来观察性能变化情况。

4制样主要工艺条件

按配方准确称取各种组成成份,放入JF810S5L)型混料机中进行混料,(转速60r/min,混料时间5min)混制均匀。在JFY60型(600KN)实验室用压机压制尺寸为55×55×8~10mm的4个样块,以进行性能测试。

压制条件:压制温度:     165±5℃

          压制时间:  600 秒(放气4次)

          压制压力:       6~8MPa

将压好的样块,再按相应标准规定,制成需要的试块,以进行相应的性能测试。

5性能测试:

⑴摩擦性能测试,测试性能见表(18):

①以丁苯橡胶改性酚醛树脂为粘结剂, 摩擦性能测试结果

②以丁腈橡胶改性酚醛树脂为粘结剂试样, 摩擦性能测试结果

注:3-18样品没有进行测试。

③以普通2123酚醛树脂为粘结剂, 摩擦性能测试结果

注:3-25、3-273-283-29等样没有进行测试。

16、表18与表19中的试验结果,如配方3-1以硅灰石为主要填料、配方3-3以长石粉为主要填料的非金属矿物填料,在低温时段的增摩效果较好;而在高温时段的摩擦系数急剧下降;配方3-4以重晶石为填料或配方3-9以蛭石为填料样品,也呈现出低温时较好的增摩效果,在高温时摩擦系数急剧下降的特点。而从稳定性上分析,重晶石的摩擦性能在低与高温时段相对的较稳定,因此重晶石在众多的生产配方中,均得到了比较广泛的使用。这与本次试验所得到的数椐趋势是一致的。铬铁矿粉的摩擦性能也较好,所以铬铁矿粉在应用上,也受到了较为普遍的重视。

配方3-2以铬铁矿粉、配方3-5以还原铁粉或配方3-7以泡沫铁粉等填料,其增摩效果好,且低、高温时的摩擦系数变化不大,摩擦性能较稳定。值得注意的是,使用铬铁矿粉为主要填料的配方3-2样品,在进行蔡氏(CHASE)试验时,其工作摩擦系数(0.378)和热摩擦系数(0.366)都较好,与定速摩擦试验反映其摩擦性能稳定性相近。

通过以上三组配方的制品性能测试结果看,说明了日常摩擦材料行业中普遍采用的填料的作用特点。

试验数据还说明:摩擦材料中使用不同的填料,其摩擦性能与制品强度也有较大差别,也说明了选择合适的填料,才能设计出合适的配方,生产出性能理想的产品。同时表中数据也说明了,选用3种摩擦材料中常用的3种粘结剂,即:丁苯橡胶改性酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂与通用型2123酚醛树脂,对制品摩擦性能影响不大,而从所用粘结材料的种类对制品性能影响也不是很大的。但酚醛树脂的密度,对摩擦材料制品性能的影响还是很大的,所以选用的树脂一定要符合摩擦材料制品性能要求,这点必须要严格控制。而上述三种粘结剂就是在符合标准要求的基础,进行的试验与对比。

摩擦性能测试结果,制成上图,可见这组配方样品测试结果线型差不多,但离散性较前组要大一些。通过两组配方制品性能测试结果可经看出,配方中所用树脂的型号,对摩擦材料制品性能影响也不是很大。而且,还在另处进行了同样试验与产品测试。用完全一致的配方,采用相同材料与生产工艺,制成相同产品及样品,再进行性能测试,结果见表(22):

从表(22)中数椐可见,采用相同配方,使用不同型号的酚醛树脂的制品的定速式摩擦性能,也不是有很大的差别,这对综合考虑制品性能的配方设计会是有一定作用的。

磨损性能:

在材料基本相近的配方中,不同填料其制品耐磨性能有所不同。见表(23)

如以丁苯橡胶改性酚醛树脂为粘结剂的摩擦性能测试结果看,这十个配方中的磨损率,见定速摩擦性能测试结果,见表(23)。

从试验结果,可以看出,使用还原铁粉作填料的3-5配方磨损率最大;以铬铁矿粉、重晶石、泡沫铁粉为填料的配方磨损较大;以硅灰石、长石粉、蛭石等为填料的配方磨损率较小,而用石油焦粉的磨损率最小。因3-8配方样品未能测试。

⑵冲击强度:

经试验,采用的三种类型的酚醛树脂,对制品冲击性能影响也不很大。以丁苯橡胶改性酚醛树脂的冲击强度稍高些,而以丁腈改性树脂为粘结剂的配方的冲击强稍小,见表(24)。

 注:配方编号为丁苯胶改性酚醛树脂在编号前+1、丁腈胶改性酚醛树脂在编号前+2普通2123酚醛树脂前+3,即为该配方号。如配方前33行,则为普通2123酚醛树脂为粘结剂的配方3-3。第62行则为丁腈胶改性酚醛树脂粘结剂的配方2-6。

具体配方请参看三、填料在摩擦材料中作用特性”中的第2项配方。

表中测试结果显示,相同配方的样品冲击强度,系纯脂较好,而两种改性酚醛树脂有些差别但并不大。

⑶不同填料对制品摩擦性能的影响,其试验结果如表(25)

表中系采用丁苯改性树脂为粘接剂的摩擦材料配方,1~10分别采用硅灰石、铬铁矿粉、长石粉、重晶石、还原铁粉、石油焦粉、泡沫铁粉、硫化黑丁腈胶粉、蛭石粉与胺基脂等十种填料为含量30%的主体填料。具体配方参“三、填料在摩擦材料中作用特性试验中的第2项配方”。测试数据说明,本组配方制品性能,通过定速摩擦试验或蔡氏(CHASE)测试,都反映出高温衰退比较明显。也就是说高温性能较差。但相对的说重晶石还稍好一些。

⑷密度:

 通过试验分别进行了制品密度检测,对采用不同填料的密度进行了试验,结果如表(26)。

本组配方中,除还原铁粉为主要填料的配方3-5密度较大外,其它填料的制品密度均在2.00 g/cm3左右,密度相差不大。说明了制品密度与配方选用主要填料密度有直接关系。

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