重型汽車制動(dòng)摩擦片的正交試驗(yàn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

張寶玉 姚冠新

（1.江蘇大學(xué)；2.鹽城工學(xué)院）

1 前言

樹脂基纖維增強(qiáng)制動(dòng)摩擦片具有優(yōu)異的摩擦磨損性能和低廉的價(jià)格，因而在重型汽車上得到了廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，樹脂基摩擦片存在較嚴(yán)重的熱衰退性，即當(dāng)使用溫度超過(guò)250℃時(shí)磨損率會(huì)急劇增加，達(dá)到350℃以上時(shí)摩擦因數(shù)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰退[1～4]，因此限制了其在重型汽車上的應(yīng)用。

針對(duì)樹脂基摩擦片的熱衰退問(wèn)題，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5～10]，本文將通過(guò)對(duì)粘結(jié)劑進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，利用正交試?yàn)法分析了纖維、樹脂和填料等引起樹脂基摩擦材料熱衰退性能的差異，并進(jìn)行了配方優(yōu)化，以找到可適用于重型汽車工況的新型抗熱衰退制動(dòng)摩擦片。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)用摩擦片為含有16種成分的有機(jī)摩擦片（NAO），其成分見(jiàn)表1?；w采用研制的共混改性樹脂，該共混改性樹脂起始分解溫度為342℃，350℃時(shí)的熱失重僅為6.8%，500℃時(shí)的熱失重為24%，與未改性酚醛樹脂相比，起始分解溫度提高了41℃，失重率分別降低了0.7%和0.6%。

表1 摩擦片成分

制動(dòng)摩擦片的生產(chǎn)工藝流程如下。

a.混料。按照配方中各物料的配比稱量物料后投入混料機(jī)中并充分?jǐn)嚢?，達(dá)到均勻混合后將得到的酚醛樹脂壓塑粉取出，然后放入試樣袋中并編號(hào)待用。

b.壓模預(yù)熱。酚醛樹脂壓塑粉的熱壓成型溫度為150～160℃。壓制前，先將壓模預(yù)熱到此溫度范圍。

c.壓制工藝條件。壓制溫度為160℃，壓制壓力為30 MPa，30 s后放氣1次，視情況可放氣2次，保溫保壓時(shí)間為60 s。

d.熱處理。先將經(jīng)壓制脫模制得的試樣放到烘箱中，當(dāng)溫度升至130℃后保溫1 h；然后升溫至165℃后保溫1 h；再升溫至180℃保溫5 h；最后冷卻至室溫，并根據(jù)測(cè)試要求對(duì)試樣進(jìn)行加工處理。

在平面直角坐標(biāo)系中，圓C1：(x+1)2+(y-6)2=25，圓C2：(x-17)2+(y-30)2=r2.

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

正交試驗(yàn)的目的是研究配方成分在高溫下對(duì)摩擦片熱衰退性能的影響，以及摩擦片在高溫下的摩擦磨損機(jī)理，以得到具有最佳抗熱衰退性能的配方。

3.2 確定試驗(yàn)因數(shù)

根據(jù)配方，考察的因數(shù)為6種成分，每種成分都取2個(gè)水平，選用L16（215）的正交表較合適。因少量的芳綸漿粕就可導(dǎo)致摩擦材料的性能產(chǎn)生明顯差異，所以將其水平差異定為1%～3%，其它成分的水平差異定為4%～6%（質(zhì)量百分比）。表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，因素水平見(jiàn)表3。

表2 正交表表頭設(shè)計(jì)

表3 正交試驗(yàn)的因素水平

3.3 性能測(cè)試

利用XD-MS定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦性能測(cè)試，樣品尺寸為25 mm×25 mm×6 mm，測(cè)試壓力為0.98 MPa。在升溫試驗(yàn)中，在規(guī)定的溫度100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃下測(cè)量摩擦因數(shù)，然后降溫至100℃再分別測(cè)試各點(diǎn)的摩擦因數(shù)。

利用HR-150DT型洛氏硬度計(jì)測(cè)量試驗(yàn)前試樣的硬度，每個(gè)試樣測(cè)試5點(diǎn)，取測(cè)試結(jié)果的平均值。利用組合式XJ-50Z型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試沖擊強(qiáng)度，試樣尺寸為55 mm×10 mm×6 mm，沖擊強(qiáng)度取3個(gè)試樣的平均值。利用JEOL-JXA-40A掃描電鏡（SEM）觀測(cè)試樣磨損后的表面微觀形貌。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 力學(xué)性能分析

試樣沖擊強(qiáng)度和硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試樣沖擊強(qiáng)度和硬度測(cè)試結(jié)果

由表4可知，試驗(yàn)沖擊強(qiáng)度均能滿足GBn257—86和重汽規(guī)定的沖擊強(qiáng)度 （≥4.0 kJ/m2）要求。摩擦材料的沖擊性能與基體的柔韌性以及增強(qiáng)纖維的類型、含量、排列方式和界面性能等因素有關(guān)。該共混改性樹脂的柔韌性比純酚醛樹脂高，同時(shí)改性增大了分子鏈段運(yùn)動(dòng)位阻，因此保證了試樣的沖擊強(qiáng)度在合適范圍。該試驗(yàn)中使用的芳綸漿粕具有高強(qiáng)度和高模量，因此保證了所研制的摩擦材料具有較高的強(qiáng)度。

4.2 摩擦磨損性能分析

1～16號(hào)配方的摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。表中平均摩擦因數(shù)為所測(cè)試各點(diǎn)摩擦因數(shù)的平均值；摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差 S=Sqrt[（∑（μi-μ）2/（N-1）]，反映的是數(shù)值相對(duì)于平均值的離散程度。

表5 摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果

表6 摩擦因數(shù)的極差分析

表7 350℃下磨損率的極差分析

由表6和表7可知，各列的極差是不同的，極差越大，說(shuō)明此因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。極差最大的那一列表明該因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，該因素就是要考慮的主要因素。因數(shù)影響顯著性由大到小的排列見(jiàn)表8。

表8 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著性

從正交試驗(yàn)結(jié)果、方差分析結(jié)果及各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著性可知，因素C改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)平均摩擦因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響最大，因素F改變對(duì)350℃平均磨損率的標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響最大。

通過(guò)以上分析可知，摩擦因數(shù)較優(yōu)水平的組合為A1B1C1D2E2F2；磨損率較優(yōu)的水平組合為A2B1C2D1E2F2。分別以該2組水平組合為配方試制試樣并進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)，配方試樣號(hào)為17號(hào)和18號(hào)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可看出，所有摩擦因數(shù)和磨損率都在GB5763—1998規(guī)定的在不同溫度摩擦因數(shù)的上、下限和磨損率的上限范圍內(nèi)。17號(hào)配方試樣的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，而18號(hào)配方試樣的磨損率較低。因熱衰退受摩擦因數(shù)的影響較大，而17號(hào)配方試樣的摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，因此可認(rèn)為該配方可作為中重型汽車制動(dòng)片使用。

4.3 表面形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦后試樣的摩擦表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器摩擦副之間有潤(rùn)滑膜、氣墊膜和轉(zhuǎn)移膜等表面膜存在，其中潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜能較明顯地觀察到。圖2為經(jīng)正交分析得出的摩擦試片摩擦后的表面形貌。

由圖2a可看出，在150℃溫度下，沿摩擦方向制動(dòng)摩擦片摩擦表面有很明顯的劃痕，原因是在低溫下磨損，制動(dòng)摩擦片與對(duì)偶盤之間的界面作用主要是機(jī)械作用為主，當(dāng)對(duì)偶盤與摩擦襯片相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，硬的顆?；虮砻嬗驳耐蛊鹞飶钠浔砻娣蛛x出來(lái)，會(huì)在摩擦片軟表面上產(chǎn)生犁溝，發(fā)生了磨粒磨損，使得摩擦襯片的摩擦因數(shù)和磨損率上升。

由圖2b可看出，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，制動(dòng)摩擦片表面接觸點(diǎn)在壓力作用下發(fā)生塑性變形并趨于均勻化，在摩擦表面上形成了分布均勻連續(xù)的摩擦層，無(wú)明顯的樹脂分解產(chǎn)物，從表面脫落的顆粒暴露于磨損表面，纖維表面有犁溝，帶有明顯粘著磨損痕跡。

由圖2c可看出，當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，制動(dòng)摩擦片摩擦表面有明顯的凹坑，樹脂在此溫度下已開始分解，粘結(jié)性能開始下降，明顯觀察一摩擦表面粘附了細(xì)小的磨屑，并有輕微的纖維斷裂和拔出現(xiàn)象，這是疲勞磨損和熱磨損的結(jié)果。此溫度下，樹脂基體在高溫下分解產(chǎn)生大量的氣體物，對(duì)偶件金屬表面的氧化膜又易吸附氣體，因而在摩擦面上形成了一層“氣墊膜”，使得摩擦因數(shù)降低，引起熱衰退。但由于使用的改性樹脂具有優(yōu)異的抗高溫性能，所以摩擦因數(shù)的下降并不明顯。

由圖2d可看出，當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)，可觀察到因樹脂分解及纖維脫落、斷裂、被拔出而形成的坑洼不平的摩擦表面，周圍聚集著摩擦層破裂形成的磨屑，這主要是熱磨損和疲勞磨損的結(jié)果。在此溫度下，軟化熔融的樹脂在滑動(dòng)界面上形成了一層低剪切強(qiáng)度的界面層，起到了潤(rùn)滑劑的作用，形成了“潤(rùn)滑膜”；同時(shí)酚醛樹脂基體高溫下分解而產(chǎn)生大量的氣體物，仍會(huì)在摩擦面上形成局域的一層“氣墊膜”，使得摩擦因數(shù)降低，造成熱衰退。由于材料中使用的芳綸纖維對(duì)基體起到良好的支撐作用，在高溫下呈現(xiàn)出粘著和塑性變形特征，有效地在對(duì)偶盤表面形成了“轉(zhuǎn)移膜”，使摩擦表面更光滑，從而改善了摩擦材料的耐磨性能，保證了摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。

綜上所述，“潤(rùn)滑膜”和“氣墊膜”是導(dǎo)致熱衰退的原因，“轉(zhuǎn)移膜”對(duì)摩擦因數(shù)的穩(wěn)定具有積極的作用，而所使用的改性酚醛樹脂大大提高了熱分解溫度，延緩了其分解速率，使摩擦片具有穩(wěn)定的摩擦性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

為研究重型汽車摩擦片抗熱衰退性能，分析了纖維、樹脂和填料對(duì)摩擦片熱衰退性能影響的差異，并進(jìn)行了配方優(yōu)化。

a.4種纖維交互作用很明顯，對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率具有明顯的影響，纖維的均勻分散，保證了增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、韌性、表面性能及摩擦材料的高溫摩擦磨損性能，其中硅灰石纖維對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大，含量不宜過(guò)高；在高溫時(shí)，樹脂對(duì)磨損率有較大影響，由于樹脂基體的分解，摩擦系數(shù)降低，磨損增大，因此樹脂的用量不宜過(guò)高。

b.優(yōu)化后的配方具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較低的磨損率，抗熱衰退性能優(yōu)異,可作為重型汽車摩擦材料使用配方。

c.通過(guò)對(duì)摩擦材料磨損前后微觀結(jié)構(gòu)的觀察和性能研究可知，“潤(rùn)滑膜”和“氣墊膜”會(huì)導(dǎo)致熱衰退的出現(xiàn)，而“轉(zhuǎn)移膜”對(duì)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定具有積極的作用；在中高溫條件下主要為熱磨損、磨粒磨損，同時(shí)伴隨著粘著磨損。

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