鋼纖維含量對(duì)汽車摩擦材料性能的影響

劉伯威，張小英，楊陽(yáng)

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鋼纖維含量對(duì)汽車摩擦材料性能的影響

劉伯威1, 2，張小英2，楊陽(yáng)2

(1. 中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2. 湖南博云汽車制動(dòng)材料有限公司，長(zhǎng)沙 410205)

通過調(diào)整摩擦材料基礎(chǔ)配方中鋼纖維的含量，采用直接混合工藝制備不同組分的摩擦材料，對(duì)其進(jìn)行理化性能、力學(xué)性能、摩擦性能及制動(dòng)噪音測(cè)試。結(jié)果表明：隨鋼纖維含量增加，摩擦材料的密度、pH值和洛氏硬度均增大，常溫壓縮量減??；氣孔率先減小，當(dāng)鋼纖維含量超過21%后，氣孔率增大；名義摩擦因數(shù)(nom)先略微降低后升高，最低摩擦因數(shù)(min)磨損量和噪音發(fā)生率均增加，但當(dāng)鋼纖維含量超過21%后，磨損量和噪音發(fā)生率明顯增加。

鋼纖維；物理性能；力學(xué)性能；摩擦磨損性能；制動(dòng)噪音

傳統(tǒng)的石棉摩擦材料具有較高的摩擦因數(shù)，良好的耐熱性、耐磨性及較低成本等特性，但從20世紀(jì)70年代石棉及其高溫分解物被確認(rèn)具有致癌性后，其應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。為了消除石棉摩擦材料對(duì)環(huán)境及人體的危害，美國(guó)本迪公司在20世紀(jì)70年代初開發(fā)出一種以鋼纖維或金屬粉末代替石棉纖維的半金屬摩擦材料[1]。摩擦材料由粘接劑、增強(qiáng)纖維、填料三大部分混合后經(jīng)熱壓制成，其中增強(qiáng)纖維為主要摩擦成份，起增強(qiáng)基體的作用，使摩擦材料能承受沖擊、剪切等作用而不出現(xiàn)裂紋、斷裂和崩缺等機(jī)械損傷，同時(shí)對(duì)摩擦磨損性能也起著至關(guān)重要的作用[2?3]。鋼纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其最顯著的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，可使局部表面熱量迅速擴(kuò)散至內(nèi)部，從而降低摩擦表面溫度，避免表面溫度過高，防止樹脂基體因熱分解而導(dǎo)致材料磨損加劇，延長(zhǎng)摩擦塊的使用壽命，因此在摩擦材料領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。但鋼纖維也存在密度相對(duì)較大、易銹蝕、損傷對(duì)偶件、造價(jià)較高、硬度高等缺點(diǎn)，尤其是鋼纖維含量過大時(shí)，在制動(dòng)過程中易引起尖叫并產(chǎn)生顫抖等問題[4]。據(jù)研究，當(dāng)鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~26%時(shí)，樹脂基摩擦材料可以獲得較好的摩擦磨損性能[5?7]。到目前為止，鋼纖維對(duì)摩擦材料性能影響的研究已經(jīng)有大量報(bào)道，但對(duì)摩擦材料制動(dòng)噪音的影響未見報(bào)道?；谝陨显?，通過在現(xiàn)有的低金屬配方中添加鋼纖維，綜合研究鋼纖維含量對(duì)摩擦材料的力學(xué)性能、摩擦性能及制動(dòng)噪音的影響，以期為其在汽車摩擦材料中更好地應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基本配方

本試驗(yàn)所用的低碳鋼纖維長(zhǎng)0.5 mm左右，其形貌如圖1所示。由圖可見，纖維表面粗糙，變形嚴(yán)重，這是由其刮削生產(chǎn)的方式所決定。鋼纖維的基本物理性能列于表1。不同鋼纖維含量的摩擦材料配方按表2設(shè)計(jì)。

1.2 工藝流程

針對(duì)所用原材料的物理性能及生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)工藝選擇應(yīng)用廣泛的熱壓工藝，其工藝流程具體如下：配料(酚醛樹脂、丁腈橡膠、鋼纖維等)—混料—冷壓—熱壓—熱處理—機(jī)加工—樣件。用自制的簡(jiǎn)易高速混料機(jī)混料，混料時(shí)間為3 min，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為 1400 r/min；在JFY60型小型氣壓機(jī)上采用一次成形方式模壓成形，壓制溫度為(160±5) ℃，壓力為11.5 MPa，壓制工藝分為模壓排氣階段及保壓硬化階段，具體壓制工藝如表3所列。熱壓成形后的樣品經(jīng)熱處理及后續(xù)機(jī)加工制得最終樣品，熱處理溫度?時(shí)間曲線如圖2所示。

1.3 性能測(cè)試

按照J(rèn)C/T685—1998，QC/T583—1999，GB/T5766—2007和JASO C458—1986分別測(cè)試摩擦材料的密度、氣孔率、硬度和pH值；根據(jù)ISO 6310道路車輛制動(dòng)襯片壓縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法，測(cè)試剎車片樣品在室溫條件下壓縮載荷為16 MPa時(shí)的變形量；根據(jù)SAE J2522測(cè)試不同制動(dòng)速度、壓力和溫度條件下摩擦材料樣品摩擦磨損性能的變化情況；在美國(guó)LINK 3900型NVH慣量實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)SAE J2521測(cè)試制動(dòng)速度、制動(dòng)壓力、制動(dòng)溫度及制動(dòng)方向等試驗(yàn)條件對(duì)制動(dòng)噪音的影響；采用日本JSM?5600LV型掃描電鏡測(cè)試原材料鋼纖維和摩擦試驗(yàn)后樣品的表面形貌。

圖1 鋼纖維在掃描電鏡下的形貌特征

表1 鋼纖維的物理性能[8]

表2 摩擦材料的基本配方

表3 剎車片樣品壓制工藝

圖2 熱處理溫度?時(shí)間曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料物理性能的影響

表4所列為鋼纖維含量對(duì)摩擦材料氣孔率、密度和pH值的影響。由表4可知，材料密度隨鋼纖維含量的增加而增大，這是由于鋼纖維自身密度比較大的緣故。當(dāng)鋼纖維含量從0%增加到10%時(shí)，材料密度顯著增加，這是由于鋼纖維的加入改變了混合料的壓制性能，材料中的氣孔率顯著降低。材料氣孔率隨鋼纖維含量增加先減小后增大，當(dāng)鋼纖維含量從0%增加到21%時(shí)，氣孔率從14.2%降到12.1%。其原因主要有兩點(diǎn)：一是被替代的填料本身氣孔率相對(duì)較大；二是鋼纖維密度大于替代的填料密度，同等質(zhì)量鋼纖維的比表面積小于填料的比表面積，在樹脂含量不變的情況下，鋼纖維量的增加使樹脂填充得更密實(shí)，從而孔隙度降低。但當(dāng)鋼纖維含量增加到30% 時(shí)，氣孔率又從12.1%增大到13.7%，這是由于鋼纖維含量過多，材料中因纖維搭橋而使孔隙率增加。摩擦材料的pH值隨鋼纖維含量增加而增大，但整體變化幅度不大。

2.2 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料力學(xué)性能的影響

圖3所示為鋼纖維含量對(duì)摩擦材料硬度和常溫壓縮變形量的影響。隨鋼纖維含量增加，洛氏硬度從49增加到64，一方面，這是由于鋼纖維的硬度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都較高，并且與樹脂粘結(jié)劑具有良好的相容性，因而材料的力學(xué)性能得到提高；另一方面，由于鋼纖維的加入，材料的氣孔率降低，抵抗壓力變形的能力得以提高，從而使摩擦材料的硬度大幅升高。摩擦材料的常溫壓縮變形量與硬度呈相反的變化趨勢(shì)，硬度越高，材料抵抗彈/塑性變形的能力越強(qiáng)，在外載荷作用下變形量就越小。因此，隨鋼纖維含量增加，摩擦材料壓縮變形量減小，變形量從138 μm減小到99 μm。

2.3 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料摩擦磨損性能的影響

2.3.1 對(duì)材料名義摩擦因數(shù)的影響

圖4所示為鋼纖維含量對(duì)摩擦材料名義摩擦因數(shù)(nom)的影響。由圖可以看出，隨鋼纖維含量增加，nom先減小后增大。鋼纖維含量從0%增加到10%時(shí)，其值由0.35降低到0.34；當(dāng)鋼纖維含量從10%增加到21%時(shí)，摩擦因數(shù)從0.34增加到0.36；進(jìn)一步增加到30%時(shí)，摩擦因數(shù)從0.36大幅增加到0.39。

在制動(dòng)過程中制動(dòng)塊與對(duì)偶件的表面總是在某些點(diǎn)發(fā)生接觸，導(dǎo)致它們的真實(shí)接觸面積比名義接觸面積少得多，其比值因摩擦材料的力學(xué)性能、接觸面的粗糙度、工作溫度等不同而發(fā)生變化[9]。當(dāng)鋼纖維含量為0%時(shí)，摩擦材料相對(duì)較軟，制動(dòng)過程中較軟的材料易貼緊對(duì)偶面，從而實(shí)際接觸面積較大，因此當(dāng)鋼纖維含量從0%增加到10%時(shí)，nom略微降低。當(dāng)鋼纖維含量增加時(shí)(10%～21%)，由于鋼纖維在摩擦材料中起主增強(qiáng)作用，隨其含量增加，在摩擦磨損過程中鋼纖維被剝離、拉拔和剪切的可能性提高，脫落后在摩擦面上形成磨粒，犁削作用加大，所提供的摩擦力矩增大，因而摩擦因數(shù)升高。當(dāng)鋼纖維含量進(jìn)一步增加時(shí)，由于樹脂粘結(jié)劑的含量相對(duì)不足，對(duì)鋼纖維以及礦物纖維(配方中的另一種增強(qiáng)纖維)等的粘結(jié)力進(jìn)一步減弱，纖維拉拔、斷裂后在摩擦面上形成大量的磨粒，因而材料的摩擦因數(shù)大幅度升高。

表4 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料氣孔率、密度、pH值的影響

圖3 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料硬度、壓縮變形量的影響

圖4不同鋼纖維含量的摩擦材料名義摩擦因數(shù)

2.3.2 對(duì)材料抗熱衰退性能的影響

鋼纖維含量對(duì)摩擦材料熱衰退性能的影響如圖5所示。由圖5(c)可見，在第2次制動(dòng)過程中，制動(dòng)盤初溫從215 ℃升高到約350 ℃，隨后制動(dòng)盤的溫度越來越高，在第11次制動(dòng)結(jié)束時(shí)達(dá)到600 ℃左右。由圖5(a)可見，在一衰試驗(yàn)階段，隨制動(dòng)初始溫度升高，所有材料的摩擦因數(shù)都出現(xiàn)不同程度的降低，最低摩擦因數(shù)隨鋼纖維含量增加而增大。當(dāng)鋼纖維含量為0%~21%時(shí)，所有試樣的摩擦因數(shù)均在第6次制動(dòng)(制動(dòng)初溫為398 ℃)時(shí)達(dá)到最低值，隨后從第7次制動(dòng)開始摩擦因數(shù)又逐漸升高；鋼纖維含量為30%時(shí)，最低摩擦因數(shù)在第11次制動(dòng)時(shí)達(dá)到最低值。

摩擦材料中的有機(jī)成分在溫度高于250 ℃后開始分解且釋放出液體H2O、小分子氣體以及有機(jī)殘?zhí)炕衔?，使摩擦表面由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈衲Σ?，?dǎo)致摩擦因數(shù)顯著降低。由于鋼纖維導(dǎo)熱性好，大量的鋼纖維使摩擦表面熱量迅速擴(kuò)散至內(nèi)部，從而降低摩擦表面溫度，避免摩擦材料中的有機(jī)成分發(fā)生熱分解而產(chǎn)生“熱衰退”現(xiàn)象[6?7, 10?12]，如圖5(a)所示。鋼纖維含量為30%在第11次制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)最低摩擦因數(shù)，且最低摩擦因數(shù)最大。

圖5(b)為鋼纖維含量對(duì)第2次衰退試驗(yàn)階段材料摩擦因數(shù)的影響。當(dāng)鋼纖維含量為0%~21%時(shí)，摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與第1次衰退試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)類似。但鋼纖維含量進(jìn)一步增加到30%時(shí)，摩擦因數(shù)隨制動(dòng)次數(shù)增加呈直線下降，從0.59減小到0.37。在第1次制動(dòng)時(shí)，由于材料基體表面大量的硬相鋼纖維作為凸點(diǎn)對(duì)剎車對(duì)偶件產(chǎn)生的犁溝作用增加，增大犁溝過程中的擠壓和剪切抗力。鋼纖維含量為30%的樣件由于樹脂粘結(jié)劑的含量相對(duì)不足，對(duì)鋼纖維及礦物纖維等的粘結(jié)力減弱。當(dāng)連續(xù)制動(dòng)多次后，在高溫和壓力作用下酚醛樹脂熱分解會(huì)導(dǎo)致粘接失效，表面連續(xù)摩擦膜被破壞，減小了實(shí)際接觸面積，因而摩擦因數(shù)大幅度降低。

2.3.3 對(duì)磨損量的影響

圖6所示為不同鋼纖維含量的摩擦材料厚度磨損和質(zhì)量磨損變化曲線，圖7和圖8所示為試樣摩擦后的表面形貌。當(dāng)鋼纖維含量從0%增加到21%時(shí)，厚度磨損量從0.43 mm增加到0.7 mm，質(zhì)量磨損量從7.35 g增加到10.4 g。鋼纖維在摩擦材料中主要起增強(qiáng)作用，在與對(duì)偶件的摩擦磨損過程中，隨鋼纖維含量增加，其出現(xiàn)拉拔、剝離和剪切的可能性增加，鋼纖維發(fā)生脫落造成不同類型的磨損，其中包括磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損，因此磨損量隨鋼纖維含量增加而增大。磨損量突增的原因?yàn)椋阂环矫妫?dāng)鋼纖維含量過高時(shí)，樹脂不能滿足組分間充分粘結(jié)的需要，使組分間的結(jié)合不牢固，結(jié)合強(qiáng)度降低；當(dāng)表面粘著點(diǎn)的強(qiáng)度大于組分和基體間的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，組分材料從基體上脫落的可能性大大增加，尤其是在溫度較高時(shí)，樹脂與纖維界面之間出熱裂紋，從而使疲勞磨損更加顯著，試驗(yàn)后材料表面出現(xiàn)纖維斷裂、破壞，摩擦面上殘存很多纖維拔出后留下的孔洞(如圖7所示)。另一方面，鋼纖維含量為21%的試樣試驗(yàn)后摩擦表面光滑，形成連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜(圖8(a))，磨損形式以粘接磨損為主；含量為30%的摩擦表面除了有少量的轉(zhuǎn)移膜，還存在大量磨屑(圖8(b))，磨損形式以磨粒磨損和粘著磨損為主，從而加劇了摩擦面的磨損。因此，當(dāng)鋼纖維的比例過高時(shí)，幾種類型的磨損同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致磨損量大幅度增加。

圖5 鋼纖維含量對(duì)材料抗高溫衰退性能的影響

圖6 不同鋼纖維含量的摩擦材料厚度磨損及質(zhì)量磨損

圖7 鋼纖維含量為30%時(shí)試樣摩擦試驗(yàn)后的SEM照片

圖8 不同鋼纖維含量的摩擦材料摩擦試驗(yàn)后的表面形貌

2.4 鋼纖維含量對(duì)摩擦材料制動(dòng)噪音的影響

在不同制動(dòng)速度、制動(dòng)溫度、制動(dòng)壓力、制動(dòng)方向等試驗(yàn)條件下，不同鋼纖維含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生頻率及分貝值如圖9所示。鋼纖維含量不同，噪音發(fā)生頻率分布也不同，但主要集中分布在8 000 Hz附近，分貝值最高達(dá)到110 dB，其噪音主要由拖磨及減速制動(dòng)產(chǎn)生。圖10所示為不同鋼纖維含量對(duì)摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生頻率及評(píng)分值的影響。鋼纖維含量從0%增加到10%時(shí)，發(fā)生率從9.4%增加到14.1%，評(píng)分值從7.3減小到6.3；鋼纖維含量為10%~21%時(shí)，噪音發(fā)生率變化不大；鋼纖維含量進(jìn)一步增加到30%時(shí)，噪音發(fā)生率明顯增大，從16.3%增加到22.4%，評(píng)分值從5.8減小到4.9。

汽車制動(dòng)噪音的產(chǎn)生十分復(fù)雜，主要由懸掛部件的共振或相互干涉引起，同時(shí)制動(dòng)摩擦材料的材料組成、氣孔率、壓縮率、比模量和酸堿度等也與噪音的強(qiáng)度有關(guān)[13]。不同鋼纖維含量對(duì)汽車摩擦材料的制動(dòng)噪音有顯著的影響，其原因是多方面的：第一，鋼纖維的硬度較高，在摩擦磨損過程中，鋼纖維會(huì)出現(xiàn)拉拔、剝離和剪切，在摩擦面上出現(xiàn)不規(guī)則的犁溝、麻坑及粘著微凸體。而制動(dòng)力矩的大小與制動(dòng)盤的接觸面積、壓緊壓力、制動(dòng)盤材料的摩擦因數(shù)和等效作用半徑成正比，可用=表示(其中為制動(dòng)力矩，為壓緊壓力，為接觸面積，為摩擦因數(shù)，為摩擦力等效作用半徑)，從上式可以看出，由于在摩擦面上出現(xiàn)了犁溝、麻坑及粘著微凸體，改變了材料的真實(shí)接觸面積，致使制動(dòng)力矩不斷變化而產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生不同程度的制動(dòng)噪音。第二，由于鋼纖維與灰鑄鐵的摩擦對(duì)偶件同屬鐵基材料，在高溫下兩者極易發(fā)生粘著，摩擦對(duì)偶脫落的磨屑粘附在制動(dòng)盤上，從而使制動(dòng)盤厚度沿圓周方向不相等，制動(dòng)盤的厚度變化會(huì)強(qiáng)迫制動(dòng)分泵的活塞在制動(dòng)過程中發(fā)生軸向傳動(dòng)，這不僅使制動(dòng)壓力發(fā)生變化，還導(dǎo)致接觸壓力分布不均勻，從而發(fā)生抖動(dòng)[14?15]。第三，材料的可壓縮性對(duì)材料的制動(dòng)噪音特性有顯著影響，提高材料的可壓縮性在某種程度上會(huì)彌補(bǔ)制動(dòng)盤厚薄差(DTV)對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的影響，適當(dāng)提高摩擦材料的可壓縮性是一種有效降低噪音發(fā)生率的措施[16]。隨鋼纖維含量從0%增加到30%，摩擦材料的常溫壓縮變形量從138 μm減小到99 μm，因而噪音發(fā)生率從9.4%增加到22.4%。

3 結(jié)論

1) 在陶瓷基復(fù)合材料中，隨鋼纖維添加量增加，材料的密度、硬度和pH值均增大；常溫壓縮量減小；氣孔率先減小，當(dāng)鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過21%后，氣孔率增升高。

2) 隨鋼纖維含量增加，名義摩擦因數(shù)nom先略微降低后，最低摩擦因數(shù)min和磨損量增加；噪音發(fā)生率增大，評(píng)分值降低；但當(dāng)鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過21%后，磨損量劇烈增加；噪音發(fā)生率明顯增大。

圖9 不同鋼纖維含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生頻率及分貝值

圖10 不同鋼纖維含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生頻率及評(píng)分

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(編輯 高海燕)

Influences of steel fiber content on the performance of automobile brake materials

LIU Bowei1, 2, ZHANG Xiaoying2, YANG Yang2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha410083, China; 2. Hunan Boyun Automobile Brake Material Co., Ltd., Changsha 410205, China)

By changing the content of steel fiber based on the basic formula, the friction materials with different composite were prepared by directly mixed process. The physical and chemical properties, mechanical properties, tribological properties and brake noise test were completed. The results show that, when steel fiber content increases, the density of the friction material, pH and Rockwell hardness increase; however, the compressibility reduces at room temperature; the porosity firstly decreases and then increases when the steel fiber content is over 21%;nomslightly decreases and then increases;min, the amount of wear and the incidence of noise all increases, but when the steel fiber content is over 21%, the amount of wear and the incidence of noise significantly increase.

steel fiber; physical performance; mechanical property; friction and wear properties; brake noise

U465

A

1673?0224(2016)05?738?08

湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)與重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2015GK1015)

2015?10?22；

2015?12?04

劉伯威，副教授，博士。電話：18674840490；E-mail: zxy@boyunbrake.com