紙基摩擦材料摩擦磨損性能的研究

王貝貝 陸趙情 陳 杰

(陜西科技大學(xué)陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西 西安，710021)

紙基摩擦材料主要由纖維、黏結(jié)劑、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑等組成，通常采用造紙的方式 (制漿和抄紙)生產(chǎn)制造，故稱其為“紙基”摩擦材料[1］。其具有生產(chǎn)成本低、動摩擦因數(shù)穩(wěn)定、動/靜摩擦因數(shù)比接近、貼合性能平穩(wěn)、磨損率低、使用壽命長、噪音小及可保護(hù)對偶材料等優(yōu)點，已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的摩擦材料，開始逐漸替代樹脂基摩擦材料和金屬基摩擦材料[2］，該摩擦材料已廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、工程機械、礦山機械等領(lǐng)域的離合器、制動器中[3］。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，國內(nèi)紙基摩擦材料的研究和應(yīng)用也得到了快速發(fā)展，研究和應(yīng)用水平也得到相應(yīng)的提高，這為紙基摩擦材料在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。然而由于國內(nèi)對紙基摩擦材料的關(guān)注程度低、研究起步晚、科研手段少等原因，導(dǎo)致目前其工業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)水平、工藝設(shè)備以及產(chǎn)品的品種、數(shù)量和性能等方面均與世界發(fā)達(dá)國家存在很大差距。因此，紙基摩擦材料的研究工作仍然任重道遠(yuǎn)[4］。

本實驗主要基于濕法抄紙技術(shù)研制濕式紙基摩擦材料，通過紙機濕法抄紙成形技術(shù)制備紙基，獲得高的紙基摩擦材料孔隙率，使其在應(yīng)用中保持摩擦因數(shù)的壓力穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，降低磨損量，摩擦材料獲得較平穩(wěn)的離合特性曲線。目前國內(nèi)對紙基摩擦材料的研發(fā)較少，也沒有從生產(chǎn)實踐中提出合理、有效的紙基生產(chǎn)方式。如果能在優(yōu)化紙基摩擦材料制造的研究中實現(xiàn)突破性的進(jìn)展，就必將能夠帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，本實驗采用丁腈膠乳預(yù)浸漬、酚醛樹脂浸漬紙基 (手抄片)，然后再熱壓成型，探究丁腈膠乳、酚醛樹脂和熱壓成型壓力對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗藥品

丁腈膠乳:NBR-501，固含量 (44±1)%，山東濰坊圣泰化工;無水乙醇:西安東微化玻儀器;2123酚醛樹脂:西安樹脂廠化工樹脂供應(yīng)站;六次甲基四胺:西安樹脂廠化工樹脂供應(yīng)站;聚酰亞胺樹脂:杭州塑盟特科技股份有限公司;N-N二甲基乙酰胺:西安東薇化玻儀器;“哥倆好”快干膠。

1.2 實驗儀器

BP121S分析天平、JM-B5002電子天平，德國賽多利斯儀器公司;XLB400×400×2熱壓成型機，青島鑫城一鳴科技有限公司;MM1000-II摩擦磨損試驗機，西安順通機電應(yīng)用技術(shù)研究所。

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 摩擦材料的制備

實驗采用固含量為4.0%的丁腈膠乳預(yù)浸漬紙基(手抄片)，再用酚醛樹脂浸漬的方式，對手抄片進(jìn)行多層紙幅的熱壓復(fù)合，然后在稍高于熱壓溫度(10℃左右)的條件下處理1 h。熱壓復(fù)合后手抄片的厚度為2～3 mm。

1.3.2 酚醛樹脂浸漬量對紙基摩擦材料摩擦磨損性能影響

配制不同濃度梯度的酚醛樹脂，分別對紙基 (手抄片)進(jìn)行浸漬，測定酚醛樹脂浸漬量對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。由于酚醛樹脂浸漬量很難精確控制，實驗通過配置酚醛樹脂質(zhì)量濃度控制浸漬量，設(shè)計酚醛樹脂的浸漬量分別為18%、20%、22%、24%、26%、28%(相對于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，其誤差范圍為±0.5%。

1.3.3 熱壓成型壓力對紙基摩擦材料孔隙率和摩擦磨損性能的影響

熱壓成型壓力的作用是促使黏結(jié)劑在紙幅的結(jié)構(gòu)中流動，進(jìn)一步均勻分散，使紙基摩擦材料的形狀和厚度達(dá)到均勻的良好效果;使浸漬紙基能夠?qū)雍闲纬梢欢ê穸?、密實的摩擦片，使其具有一定的密度和機械強度。實驗中采用2123酚醛樹脂的固化溫度為150～160℃。測定熱壓成型壓力對孔隙結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能的影響，實驗設(shè)計成型壓力為10、15、20、25 MPa。

1.3.4 丁腈膠乳對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

酚醛樹脂具有良好的機械性能、耐熱性能及耐摩擦性能[5］，但酚醛樹脂固化后，結(jié)構(gòu)中的酚羥基和亞甲基易于氧化，耐熱性和耐氧化性受到影響[6］。丁腈膠乳浸入紙基的孔隙中，吸附在纖維上，起到黏結(jié)作用，這一作用有效地增加纖維之間的結(jié)合力。實驗設(shè)計丁腈膠乳的固含量分別為2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%，然后浸漬24%浸漬量的酚醛樹脂，進(jìn)行熱壓成型。測定丁腈膠乳固含量對紙基摩擦材料的動靜摩擦因數(shù)、摩擦磨損性能的影響。

1.4 紙基摩擦材料性能的檢測

圖1為實驗所用摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖。參照GB/T13826—2008濕式 (非金屬類)摩擦材料附錄A中規(guī)定的摩擦磨損性能測試方法，采用摩擦磨損試驗機測試摩擦材料的摩擦磨損性能。由圖1可知，試驗機由摩擦裝置、離合器、慣量盤、加速馬達(dá)和控制裝置組成。當(dāng)高速轉(zhuǎn)動的摩擦盤與靜止的對偶盤分開時，兩者之間沒有摩擦力，摩擦盤將維持轉(zhuǎn)動，對偶盤靜止。當(dāng)轉(zhuǎn)動的摩擦盤與靜止的對偶盤產(chǎn)生面接觸時，兩者相對運動產(chǎn)生摩擦力，如果固定對偶盤不動，則摩擦盤因為摩擦力存在轉(zhuǎn)速逐漸降至為零。實驗時，加速馬達(dá)將具有連接摩擦盤的試驗機主軸加速到一定速度，然后使主軸離合器和電動機分離，慣量盤存在慣性使主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，制動裝置給對偶盤施加正面壓力，摩擦力迫使主軸運動停止，制動過程結(jié)束，計算機控制裝置可以記錄實驗數(shù)據(jù)。

圖1 摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為摩擦盤和對偶盤及摩擦片示意圖。試樣在熱壓成型后，裁剪成如圖2(b)所示的摩擦片，用“哥倆好”快干膠黏結(jié)在試件盤上，固定牢固后，試件盤浸漬在油中12 h后裝機磨合，條件是轉(zhuǎn)速1000 r/min，比壓1.0 MPa，油溫95℃，磨合面達(dá)到80%以上。用游標(biāo)卡尺精準(zhǔn)測量摩擦材料的厚度與試件盤的厚度 (精確到0.001 mm)。

圖2 摩擦盤和對偶盤及摩擦片

(1)靜摩擦因數(shù)的測定

靜摩擦因數(shù)的計算見式(1)和式(2)。

式中，μj為靜摩擦因數(shù);Mj為靜摩擦力矩，N·cm;F為摩擦副端面的載荷，N;Rcp為試樣有效半徑，cm。

式中，R1和R2分別為試樣摩擦材料外圓和內(nèi)圓半徑，cm。

(2)動摩擦因數(shù)的測定

慣量摩擦試驗是一種變轉(zhuǎn)速試驗，首先將具有一定慣量的試驗盤和試驗機主軸 (慣量0.035 kg·m2)加速到一定速度，然后使主軸離合器和電動機分離，在分離的同時施加制動載荷進(jìn)行制動，通過測量制動過程的摩擦力矩可以獲得摩擦過程的摩擦性能，如動摩擦因數(shù)、吸收功、最大摩擦力矩等。

變速試驗在比壓P=1.0 MPa條件下進(jìn)行，主軸轉(zhuǎn)速為:1000、2000、3000 r/min。

動摩擦因數(shù)的計算見式 (3)。

式中，μd為動摩擦因數(shù);Md為動摩擦力矩，N·cm;F為摩擦副端面的載荷，N;Rcp為試樣有效半徑，cm。

(3)磨損率的測定

磨合好的摩擦副在轉(zhuǎn)速2000 r/min，主軸慣量0.035 kg·m2，慣量盤 0.2 kg·m2，比壓 P=1.0 MPa條件下，進(jìn)行200次制動離合試驗，用千分尺測定試驗前后摩擦材料的厚度差 (精確到0.001 mm)。

磨損率的計算見式 (4)和式 (5)。

式中，V為磨損率，cm3/J;A為試樣接觸面積，cm2;Δh為摩擦材料磨損前后的厚度差，cm;N為制動離合次數(shù);I0為試驗機總慣量，kg·m2，由式(5)計算。ω為制動初角速度，rad/s。

式中，I1為試驗機主軸慣量，0.035 kg·m2;I2為試驗機配置慣量;0.2 kg·m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 酚醛樹脂浸漬量對摩擦磨損性能影響

酚醛樹脂浸漬量分別為 18%、20%、22%、24%、26%、28%(相對于浸漬后手抄片的質(zhì)量)，在制動轉(zhuǎn)速分別為1000、2000、3000 r/min時，對比分析紙基摩擦材料的動摩擦因數(shù)穩(wěn)定性、摩擦磨損性能。

圖3所示為酚醛樹脂浸漬量對動摩擦因數(shù)和穩(wěn)定性的影響。從圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，動摩擦因動數(shù)變小，這是因為轉(zhuǎn)速越大，邊界摩擦和流體摩擦越容易形成，這兩種摩擦因數(shù)都比較小。轉(zhuǎn)速越小，摩擦之間主要為干摩擦，其動摩擦因數(shù)高于流體摩擦和邊界摩擦。當(dāng)浸漬量為22%和24%時，在不同轉(zhuǎn)速下，動摩擦因數(shù)較相近，動摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，這是因為摩擦材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能好。當(dāng)浸漬量為22%時，動摩擦因數(shù)在0.15左右;當(dāng)浸漬量為24%時，動摩擦因數(shù)在0.18左右。浸漬量為18%或者20%時，摩擦材料的結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙率較大，油液浸漬在其內(nèi)部比較多，摩擦?xí)r容易形成很厚的油膜，所以摩擦因數(shù)比較低。隨著轉(zhuǎn)速的變化，動摩擦因數(shù)不穩(wěn)定，這是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時，摩擦片剪切力增加，造成摩擦面上填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、纖維混入油中，對動摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響。

圖3 酚醛樹脂浸漬量對動摩擦因數(shù)和穩(wěn)定性的影響

當(dāng)酚醛樹脂浸漬量28%時，動摩擦因數(shù)變小。其主要原因是當(dāng)樹脂浸漬量過高時，摩擦片的樹脂多，表面的光潔性好，易形成光滑的油膜，致使動摩擦因數(shù)較小。在高轉(zhuǎn)速下，摩擦片吸收過多的能量，而孔隙率低，導(dǎo)致熱量集中。從而摩擦材料出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，樹脂的韌性和黏結(jié)性能都降低，因此，轉(zhuǎn)速越高，動摩擦因數(shù)越小。

圖4所示為酚醛樹脂浸漬量對紙基摩擦材料磨損率的影響。由圖4可知，當(dāng)酚醛樹脂浸漬量為24%時，摩擦材料的磨損率最小。酚醛樹脂浸漬量低時，酚醛樹脂不能全面地將纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑黏附黏結(jié)成一個整體，孔隙率大，結(jié)構(gòu)松散，在轉(zhuǎn)速大的條件下，扭矩過高，會產(chǎn)生局部應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致摩擦過程中結(jié)構(gòu)材料的脫落，磨損率較大;酚醛樹脂浸漬量過高時，使摩擦表面的樹脂過多，增強纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑的作用得不到充分發(fā)揮，孔隙率小導(dǎo)致摩擦油不能帶走熱量，使摩擦熱主要集中在樹脂上，導(dǎo)致酚醛樹脂熱衰退嚴(yán)重而被損壞，磨損率變大。當(dāng)酚醛樹脂的浸漬量為24%時，摩擦片的結(jié)構(gòu)整體性好，孔隙率和摩擦性能都良好，磨損率最小。

圖4 酚醛樹脂浸漬量對摩擦材料磨損率的影響

2.2 熱壓成型壓力對孔隙率和磨損性能的影響

圖5所示是酚醛樹脂浸漬量為24%的摩擦材料在熱壓機不同的熱壓壓力下孔隙率的變化。從圖5可以看出，隨著壓力的增大，孔隙率逐漸減小。當(dāng)熱壓成型壓力為10 MPa時，孔隙率約為53.7%;熱壓成型壓力增加到15 MPa時，孔隙率降為40%左右。當(dāng)熱壓成型壓力從10 MPa增加到20 MPa時，孔隙率降低速度快;當(dāng)熱壓成型壓力從20 MPa增加到25 MPa時，孔隙率的降低速度慢。其主要原因是由于熱壓成型壓力較小時，材料之間的孔隙比較大，結(jié)構(gòu)比較疏松，因此隨著熱壓成型壓力增大，孔隙率下降快。當(dāng)熱壓成型壓力較大時，材料結(jié)構(gòu)變得緊密，可壓縮的空間變小，所以孔隙率減少緩慢。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13826—2008的要求，孔隙率需保證在一定范圍內(nèi)，油液才能夠在其中良好地循環(huán)，將摩擦過程中摩擦面熱量快速散出，降低摩擦材料的熱損耗。

圖5 熱壓成型壓力對摩擦材料孔隙率的影響

圖6 熱壓成型壓力對磨損率和動摩擦因數(shù)的影響

圖6所示為熱壓成型壓力對磨損率和動摩擦因數(shù)的影響，也可以表現(xiàn)孔隙率對摩擦材料摩擦磨損性能的影響，因為熱壓成型壓力影響的主要指標(biāo)為孔隙率。主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min，當(dāng)熱壓成型壓力為10 MPa時，磨損率為7.1×10－5cm3/J，動摩擦因數(shù)為0.15，與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13826中對于紙基摩擦材料動摩擦因數(shù)的要求 (0.15～0.19)相比偏低。這是因為熱壓成型壓力太小，雖然得到的摩擦材料孔隙率大，但摩擦材料的緊密性差，結(jié)構(gòu)疏松，材料不夠密實，導(dǎo)致磨損較大，動摩擦因數(shù)偏小;當(dāng)熱壓成型壓力為15和20 MPa時，磨損率大幅度下降，動摩擦因數(shù)大幅度上升。因為摩擦材料結(jié)構(gòu)緊密，質(zhì)地均勻，摩擦性能較好，磨損率較低;當(dāng)熱壓成型壓力為25 MPa時，摩擦材料結(jié)構(gòu)過于密實，孔隙率偏低，摩擦導(dǎo)熱油不能夠在摩擦材料的內(nèi)部流動，造成摩擦面溫度上升，摩擦材料的熱衰退加重;同時，摩擦材料過于密實也會導(dǎo)致摩擦工況中磨面的鏡面效應(yīng)，致使動摩擦因數(shù)有一定程度的下降。

2.3 預(yù)浸漬丁腈膠乳對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

丁腈膠乳是丁腈橡膠的乳液形式，具有黏結(jié)性能強，耐磨性較高，耐熱性較好，耐油性、與纖維、與酚醛樹脂相容性好，并且具有彈性。丁腈膠乳浸入紙基的孔隙中，吸附在纖維上，起到黏結(jié)作用，這一作用有效地增加纖維之間的結(jié)合力。研究表明，丁腈膠乳對酚醛樹脂浸漬的紙基具有很大的增強效果。丁腈膠乳固含量對摩擦材料整體的摩擦磨損性能影響如圖7所示。由圖7可知，隨著丁腈膠乳固含量的增加，紙基摩擦材料的靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)都有所增加。動摩擦因數(shù)都符合標(biāo)準(zhǔn) (0.15～0.19)的要求。并且明顯地發(fā)現(xiàn)紙基摩擦材料靜摩擦因數(shù)略高于動摩擦因數(shù)。當(dāng)丁腈膠乳固含量大于4%時，摩擦因數(shù)變化不明顯，其主要原因是由于固含量增加，丁腈橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高越來越小。動、靜摩擦因數(shù)的逐漸增大是因為添加了丁腈膠乳增強了紙基摩擦材料的彈性性能，與摩擦面和摩擦副的耦合度更高，有效接觸面積高于彈性性能差的摩擦材料。當(dāng)丁腈膠乳固含量為10%時，靜摩擦因數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn) (0.15～0.19)的范圍。對離合器使用的摩擦材料而言，過低摩擦因數(shù)和過高的摩擦因數(shù)都是危險的。當(dāng)摩擦因數(shù)過低，離合系統(tǒng)容易失靈;摩擦因數(shù)過高，容易導(dǎo)致車輛剎車時緊急抱死，同樣會產(chǎn)生潛在的危險。

圖8所示是預(yù)浸漬丁腈膠乳固含量對磨損率的影響。從圖8可以看出，隨著丁腈膠乳固含量的增加，摩擦材料的磨損率先降低，然后出現(xiàn)平緩的趨勢。當(dāng)其固含量為4%時，磨損率最低，為1.4×10－5cm3/J。主要原因是隨著丁腈膠乳固含量增加，材料的彈性性能不斷增強，油液在摩擦材料中循環(huán)比較流暢，所以摩擦面溫度能夠很快降低，熱損耗減小。

圖7 預(yù)浸漬丁腈膠乳固含量對動、靜摩擦因數(shù)的影響

圖8 預(yù)浸漬丁腈膠乳固含量對磨損率的影響

圖9所示是預(yù)浸漬丁腈膠乳固含量分別為2%、4%、6%的離合特征曲線圖。從圖9可以看出，紙基摩擦材料的離合特性曲線的穩(wěn)定系數(shù)都在85%以上，這說明紙基摩擦材料的穩(wěn)定性優(yōu)異。由圖9(a)可以看出，當(dāng)沒有預(yù)浸漬丁腈膠乳時，摩擦因數(shù)只有0.16，隨著丁腈膠乳固含量的增加，材料的彈性性能不斷增強，摩擦材料的摩擦因數(shù)不斷增大，同時，力矩的穩(wěn)定系數(shù)也不斷增強，說明材料的摩擦性能穩(wěn)定性不斷增加。其主要原因是由于紙基彈性性能的提高，摩擦面耦合度增大，摩擦因數(shù)提高，摩擦材料能量的吸收量也不斷增大。

3 結(jié)論

3.1 酚醛樹脂浸漬量對紙基的孔隙率和摩擦磨損性能有重要影響。當(dāng)其浸漬量24%時，紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率合適，動摩擦因數(shù)穩(wěn)定，摩擦性能穩(wěn)定，磨損率較低。

3.2 熱壓成型壓力對紙基摩擦材料孔隙率和摩擦磨損性能有重要的影響，熱壓成型的壓力為15 MPa時，紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率約為40%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且摩擦磨損性能比其他設(shè)計壓力下的好。

3.3 預(yù)浸漬丁腈膠乳提高了紙基摩擦材料的摩擦磨損性能和摩擦性能的穩(wěn)定性，當(dāng)丁腈膠乳固含量為4%時，磨損率低，動、靜摩擦因數(shù)合適。

圖9 預(yù)浸漬不同固含量丁腈膠乳的離合特性曲線

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