鐵路貨車廢閘瓦熱解回收摩擦料的再利用研究

王　玲　玉付華彭健徐霞琳劉英芳衛(wèi)曉婷王彩輝

（石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河北石家莊050043）

鐵路貨車廢閘瓦熱解回收摩擦料的再利用研究

王玲玉付華*彭健徐霞琳劉英芳衛(wèi)曉婷王彩輝

（石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河北石家莊050043）

本文研究了鐵路貨車廢閘瓦熱解分離的回收摩擦料作為主要組分的摩擦材料的性能，當(dāng)閘瓦回收摩擦料占70wt%，新添加橡膠改性酚醛樹脂10 wt%、石墨10 wt%、鐵粉4 wt%、鋼纖維4 wt%和硫酸鋇2 wt%，在100℃～350℃時(shí)摩擦系數(shù)在0.43～0.45，熱衰退率4.4%，摩擦系數(shù)偏差0.03，350℃磨損率0.91×10-7cm3（N·m）-1，體積磨損率總和2.85×10-7cm3（N·m）-1，室溫下剪切強(qiáng)度4.46MPa，300℃下剪切強(qiáng)度2.12MPa；室溫壓縮應(yīng)變0.47%，400℃時(shí)壓縮應(yīng)變0.59%，400℃熱膨脹率0.22%。研制新摩擦材料具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、低的磨損率和良好的熱恢復(fù)性，其摩擦磨損性能和力學(xué)性能都可以滿足盤式制動(dòng)器襯片的要求。，再生摩擦材料的再利用對(duì)表面膜的形成和磨損性能沒有本質(zhì)上的影響，磨損機(jī)制以粘著磨損為主。

廢閘瓦；回收再利用；摩擦材料；摩擦系數(shù)；磨損率

車輛閘瓦（剎車片）的基本結(jié)構(gòu)由鋼背和復(fù)合摩擦體組成［1］。摩擦體材料包括樹脂基體、增強(qiáng)纖維、填料等10～20多種，涉及聚合物（樹脂、橡膠等）、金屬（增強(qiáng)纖維、金屬粉末填料等）和無機(jī)礦物（耐磨填料等）［2］。由于鋼背與復(fù)合摩擦材料分離困難，摩擦材料組分復(fù)雜，目前還沒有企業(yè)對(duì)摩擦材料進(jìn)行回收循環(huán)再利用，也未見國內(nèi)外相關(guān)研究［3］。粗略估計(jì)，鐵路貨車每年廢棄閘瓦數(shù)量約500萬塊（6500t），其中鋼背回收約2500t，固體廢棄物量巨大。廢閘瓦（片）作為工業(yè)固體垃圾主要是深埋回填處理，不但占用很大的土地資源，而且高聚物降解時(shí)間長，金屬和無機(jī)填料污染土壤和水體環(huán)境［4］。

本文以符合“中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2403-2010的鐵道貨車用合成閘瓦”標(biāo)準(zhǔn)的鐵路貨車高摩廢閘瓦為研究對(duì)象，通過熱裂解分離閘瓦鋼背與摩擦體材料，以分離后的摩擦體回收料作為主要填料（70 wt%～80wt%）進(jìn)行新制備摩擦材料的配方設(shè)計(jì)、成型工藝和性能研究，分析回收摩擦材料循環(huán)再利用的可行性。

1　材料與工藝

1.1廢閘瓦回收

將閘瓦整體放在熱解爐里熱解，破壞摩擦材料中起粘結(jié)作用的樹脂和橡膠的分子結(jié)構(gòu)，摩擦體材料極易破碎成粉末，從而實(shí)現(xiàn)鋼背和摩擦基體材料的分離。熱解后，摩擦材料中的酚醛樹脂等有機(jī)組分發(fā)生裂解失效，但粉末回收料中的無機(jī)組分仍然有效。

1.2試樣制備與性能試驗(yàn)

為充分利用回收的摩擦材料，廢舊閘瓦回收料的含量在70和80份，部分新摩擦材料配方如表1所示，其中BR表示閘瓦回收摩擦料，RPR代表橡膠改性酚醛樹脂，SF為鋼纖維，MF為復(fù)合纖維。將原料混合均勻，加入模具中，在15MPa壓力、160℃溫度下熱壓成型，摩擦材料制品和鋼背熱壓在一起制成制動(dòng)襯片。制品的摩擦磨損性能按GB5763-98標(biāo)準(zhǔn)在D-MS定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

表1　復(fù)合摩擦材料配方單位：wt%

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試樣的摩擦磨損性能如表2所示，μ1為熱衰退階段的摩擦系數(shù)，μ2為熱恢復(fù)階段的摩擦系數(shù)，V為磨損率，單位/10-7cm3（N·m）-1。物理和力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。AR70在100℃～350℃時(shí)摩擦系數(shù)在0.43～0.45，熱衰退率最小，加熱升溫過程和全部試驗(yàn)過程的摩擦系數(shù)偏差都最小，磨損率最小；在降溫過程中不同溫度下的摩擦系數(shù)和升溫過程摩擦系數(shù)相當(dāng)，具有很好的熱恢復(fù)性。

表2　不同溫度下的摩擦系數(shù)和磨損率

根據(jù)GB5763-2008汽車用制動(dòng)器襯片國家標(biāo)準(zhǔn)，襯片按用途分為四類：1類為駐車制動(dòng)器用，2類為微/輕型車鼓式制動(dòng)器用，3類為中/重型車鼓式制動(dòng)器用，4類為盤式制動(dòng)器用。4類盤式制動(dòng)器襯片室溫下剪切強(qiáng)度不低于2.5MPa，300℃下剪切強(qiáng)度的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為不小于0.5M Pa；室溫壓縮應(yīng)變不大于2%，400℃時(shí)不大于5%，400℃熱膨脹率不大于2.5%。研制新摩擦材料的摩擦磨損性能和力學(xué)性能都可以滿足4類盤式制動(dòng)器襯片的要求。

表3　物理和力學(xué)性能測試結(jié)果

隨著摩擦磨損過程的進(jìn)行，摩擦材料逐漸形成一層平滑薄膜，稱為表面膜，在200℃時(shí)，大量均勻光滑致密的表面膜形成（圖1a）。雖然表面膜的形成會(huì)稍稍降低摩擦系數(shù)μ，但它能減少摩擦性能的波動(dòng)，穩(wěn)定摩擦系數(shù)，降低磨損率［6］。隨制動(dòng)過程中摩擦界面溫度的升高，表面膜更加均勻，表面膜的強(qiáng)度、硬度和韌性提高，磨損表面非常光滑。在350℃表面膜仍然致密光滑（圖1b）。表面膜在高溫制動(dòng)剪應(yīng)力作用下疲勞破壞，脫落的磨屑均勻細(xì)小。

圖1　AR70磨損形貌

3　結(jié)語

應(yīng)用熱解分離廢閘片的回收摩擦材料作為主要組分制作新閘片是可行的。通過配方的調(diào)整，研制的新摩擦材料具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、低的磨損率和良好的熱恢復(fù)性，其摩擦磨損性能和力學(xué)性能都可滿足4類盤式制動(dòng)器襯片的要求。

再生摩擦材料的再利用對(duì)表面膜的形成和磨損性能沒有本質(zhì)上的影響，沒有引起摩擦材料摩擦磨損機(jī)制的變化，磨損機(jī)制以粘著磨損為主。

［1］中國人民共和國鐵道部.TB-T2403-2010鐵道貨車合成閘瓦［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］劉俊紅，等.我國鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展與運(yùn)用現(xiàn)狀［J］.鐵道機(jī)車車輛，2006，03：10-14+29.

［3］趙麗華，趙中一.固體廢棄物處理技術(shù)現(xiàn)狀［J］.環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)，2002（3）：26-27.

［4］董保澎.我國工業(yè)固體廢棄物現(xiàn)狀和處理對(duì)策［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2001（10）：20-21.

［5］中國人民共和國.GB5763-2008汽車用制動(dòng)器襯片［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［6］HuaFu，BoLiao，etal.Therm al stability of Poly（ether ether ketone）Composites under Dry-sliding Friction and Wear Conditions.Iranian Polymer Journal17（7），2008，493-501.

付華（1968—），博士，教授，主要從事復(fù)合摩擦材料研究?；痦?xiàng)目

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（14273805D），國家自然基金項(xiàng)目（51408380），河北省教育廳青年拔尖人才項(xiàng)目（BJ2014053），河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，石家莊鐵道大學(xué)交通工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室支持項(xiàng)目。

王玲玉（1995—），女，石家莊鐵道大學(xué)2014級(jí)無機(jī)非金屬材料專業(yè)本科學(xué)生，河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目主持人。