剎車片磨屑形貌及物相分析*

胡翰陽，王子鈺，孫 碩，黃偉軍，陳馬駿，賀定勇

北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國汽車保有量不斷上升．截至2018年9月底，據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)[1]，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.22億輛，其中汽車2.35億輛．如此大量的汽車在行駛過程中，勢必會產(chǎn)生巨大的排放污染．依照來源可將汽車污染排放分為燃油排放和磨損排放，其中磨損排放約占總排放的25%，而制動磨損在磨損排放中的占比則超過80%[2]．汽車行駛過程中每次制動都會不斷有磨屑脫離剎車片，其中大部分會隨著車輪的轉(zhuǎn)動迅速進(jìn)入空氣環(huán)境中，隨后沉降在靠近公路地面的大氣、灰塵、土壤及周邊植物中，成為公路生態(tài)環(huán)境潛在威脅源．

大多數(shù)汽車剎車片采用的是半金屬摩擦材料[3-4]．半金屬摩擦材料是以鋼纖維、銅纖維等代替石棉纖維，以樹脂或其改性物作為粘結(jié)劑，再加入摩擦性能調(diào)節(jié)劑，經(jīng)熱壓和固化獲得[3-6]．汽車剎車片在制動時摩擦材料與制動盤鼓會發(fā)生劇烈摩擦，在摩擦表面發(fā)生磨損的同時產(chǎn)生制動效果，導(dǎo)致大量的磨屑產(chǎn)生．部分研究已經(jīng)證實(shí)，制動磨損產(chǎn)生的磨屑對環(huán)境存在影響．李鳳華[7]通過分析隧道內(nèi)外的顆粒物元素特征后認(rèn)為，環(huán)境中的Ba和Fe污染部分來自于汽車制動磨損；歐洲的環(huán)境報(bào)告[8]指出，大氣中的Cu污染有50%～75%來自于汽車制動磨損；P.G.Sanders[9]通過收集汽車的排放顆粒后發(fā)現(xiàn)，制動磨損生成的磨屑有50%將形成PM10，以道路飄塵的形式持續(xù)污染環(huán)境．

確認(rèn)交通運(yùn)輸過程中的污染源對防治環(huán)境污染具有重要意義．通過對剎車片表面摩擦后的表面形貌進(jìn)行觀察，研究剎車片表面磨損的機(jī)制．通過對磨屑的物相結(jié)構(gòu)和粒徑分布進(jìn)行表征，以期建立剎車片磨屑與環(huán)境污染之間的關(guān)聯(lián)，為剎車片未來的發(fā)展方向及污染的防治提供一定的試驗(yàn)依據(jù)．

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用報(bào)廢剎車片選取自北京城區(qū)4s店，經(jīng)拆卸后放置于試樣袋中保存，表面保留有大量原始磨屑．依照品牌將樣品分為三組，如表1所示．由于盤式剎車已成為當(dāng)前轎車制動系統(tǒng)的主流[4]，故樣品均為汽車盤式剎車片．

表1 樣品基本信息

試驗(yàn)所用磨屑為報(bào)廢剎車片表面原始?xì)埩舻哪バ迹紫葘?bào)廢剎車片置于燒杯中加入適量酒精進(jìn)行超聲波清洗10 min，獲得磨屑與酒精混合液，待其靜置分層后將酒精倒出，將沉淀物干燥，得到粉末狀的磨屑．

用激光掃描共聚焦顯微鏡(奧林巴斯LEXT-OLS400)對剎車片表面磨損形貌進(jìn)行觀察，用X射線衍射儀(Bruker D8 Advance)檢測磨屑和剎車片的晶體結(jié)構(gòu)，用激光粒度分析儀(歐美克TopSizer)測量磨屑的粒徑分布．

2 結(jié)果與分析

2.1 報(bào)廢剎車片外觀及剩余厚度

報(bào)廢剎車片的剩余厚度是評價汽車剎車片是否需要更換的主要經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，剎車片在較低厚度下容易發(fā)生失效，這與其散熱能力有關(guān)[10]．

一般轎車剎車片的原始厚度為14～15 mm，而報(bào)廢剎車片的剩余厚度約為6～9 mm，粗略估算每件剎車片約50%會被磨損．圖1為報(bào)廢剎車片清洗后的外觀．

圖1 清洗后的報(bào)廢剎車片F(xiàn)ig.1 Scrap brake pad after cleaning

2.2 剎車片磨損表面的微觀形貌分析

圖2為三種剎車片磨損表面的顯微形貌圖．從圖2可見，剎車片磨損表面存在大量環(huán)繞在塊狀顆粒周圍的凹坑(圖2(a)和圖2(c)中白色箭頭所示)、材料不均勻脫落后的痕跡(圖2(b))及方向一致且大面積存在的劃痕和溝槽(圖2(a))．在汽車制動過程中，摩擦發(fā)生在摩擦材料和制動盤之間．摩擦材料的摩擦表面與制動盤的摩擦表面互相接觸，由于摩擦表面凹凸不平，摩擦?xí)?yōu)先在微凸體的接觸處發(fā)生，接觸點(diǎn)更易發(fā)生部分材料的脫落和轉(zhuǎn)移，從而生成磨屑并留下明顯的凹坑，這一過程發(fā)生粘著磨損．在壓力的存在下，磨屑在產(chǎn)生后會持續(xù)作用于剎車片表面，沿切向分力方向繼續(xù)切削材料，產(chǎn)生方向一致的劃痕和溝槽，這一過程發(fā)生磨粒磨損．整個摩擦過程為粘著磨損與磨粒磨損共同作用．

圖2 三種報(bào)廢剎車片磨損表面的LSCM圖Fig.2 LSCM image of worn surfaces of three scrap brake pads(a)1-TOYOTA；(b)2-VW；(c)3-BMW

剎車片表面的磨損形式往往會有變化．張慶金[11]指出，除材料表面微凸體對摩擦過程的影響外，由于制動過程中摩擦材料往往會經(jīng)受反復(fù)應(yīng)力和長時間的溫度升高，疲勞磨損與熱磨損也參與作用．趙東屹[12]則認(rèn)為，剎車片的磨粒磨損是樣品表面的硬質(zhì)顆粒(SiO2和SiC等)、部分區(qū)域的微凸體、脫落的顆粒及其所形成的氧化物(Fe等)在制動的擠壓下共同作用的結(jié)果．

2.3 剎車片和磨屑的X射線衍射分析

圖3為三種剎車片及其表面殘留磨屑的XRD圖譜，其中磨屑曲線上方標(biāo)記的物相為磨屑和剎車片共有，剎車片曲線上方標(biāo)記的物相為只在剎車片中存在的．從圖3可以看出：每種剎車片及其表面殘留磨屑的衍射峰均相似，可以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)收集到的磨屑是剎車片磨損后的產(chǎn)物．從圖3 (a)可見，產(chǎn)生的磨屑中主要含有SiO2和C，而剎車片中除了含有SiO2和C外還含有BaSO4和Fe2O3；從圖3 (b)可見，產(chǎn)生的磨屑中主要含有SiO2和Fe3O4，而剎車片中除了含有SiO2和Fe3O4外還含有BaSO4；從圖3 (c)可見，產(chǎn)生的磨屑中主要含有SiO2和BaSO4，而剎車片中除了含有SiO2和BaSO4外還含有Cu．綜合上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種剎車片均添加有BaSO4和SiO2．

圖3 三種剎車片及其表面殘留磨屑的XRD圖譜 Fig.3 The XRD analysis on three scrap brake pads and remained wear debris on surfaces(a)1-TOYOTA；(b)2-VW；(c)3-BMW

相對于其他金屬摩擦材料，SiO2為惰性非金屬摩擦組元，與基體間不發(fā)生相互作用、潤濕性較小、結(jié)合力較弱，易于凸出于基體表面，發(fā)生破碎、脫落和轉(zhuǎn)移，在溫度升高后更為明顯[13-14]．結(jié)合圖2結(jié)果可知，剎車片表面的坑狀形貌主要由SiO2等硬質(zhì)顆粒引起，也對圖3磨屑中同時出現(xiàn)SiO2作出了合理的解釋．

此外，凡艷麗[14]認(rèn)為，在硬質(zhì)顆粒(Al2O3，SiO2和SiC等)參與作用下，制動盤(剎車片的摩擦對偶材料)也會發(fā)生材料的脫落和轉(zhuǎn)移，生成鐵磨屑．陳潔[15]也指出，由于摩擦發(fā)生在空氣環(huán)境下，摩擦表面材料會隨溫度升高發(fā)生氧化．這些研究結(jié)果與圖3(a)剎車片表面出現(xiàn)Fe2O3及圖3(b)磨屑中存在Fe3O4的結(jié)果相符．B. D.Garg[16]通過對部分常用型號剎車片進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，剎車片材料不盡相同，但均添加有BaSO4．由于BaSO4具有優(yōu)異的調(diào)節(jié)制動效果、穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用[6,17-18]，因此被廣泛添加于剎車片中．在實(shí)際大量的汽車制動排放污染中，BaSO4相比其它摩擦組元也會有更高的概率存在．

2.4 磨屑的粒徑分析

圖4為三種剎車片表面殘留磨屑的粒徑分析結(jié)果．從圖4可見：三種樣品的粒徑大小有所差異，其中三種樣品的D50(質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總顆粒物質(zhì)量50%時的顆粒物粒徑大小)分別為30.28，7.294 和41.93 μm，平均值為26.50 μm，三種樣品的不均勻系數(shù)分別為1.306，1.720和1.065；三種樣品中小于10 μm的磨屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.91%，56.51%和17.40%，平均值為32.94%；小于2.5 μm的磨屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.13%，3.32%和0.70%，平均值為1.71%．三種磨屑的PM2.5形成率較低僅為1.71%，而PM10形成率較高為32.94%．綜合而言，樣品2與其它樣品在形態(tài)上差異較大，其中細(xì)顆粒含量更多，不均勻系數(shù)最大，表明樣品2粒徑分布不均一．結(jié)合圖3(b)中的XRD，樣品2的的磨屑粒徑偏小與磨屑中存在Fe2O3有關(guān)．

圖4 三種磨屑的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of the wear debris of three scrap brake pads

P. G. Sanders[9]通過模擬汽車行駛，收集輪胎后方的顆粒物，得到磨屑的中值粒徑約為6 μm，磨屑的排放量約為8.13 mg/km，估計(jì)將有50%的磨屑形成PM10．A.Iijima[19]用制動功率計(jì)模擬剎車片制動過程，得到磨屑累計(jì)數(shù)量最多時的粒徑為1～2 μm，磨屑累計(jì)質(zhì)量最多時的粒徑為3～6 μm．與上述研究的結(jié)果相比較，圖4中三種樣品的粒徑整體偏高，這是因?yàn)榱捷^小的磨屑易于從摩擦表面溢出，而摩擦表面殘留下粒徑偏大的磨屑，取樣方法的差異是造成粒徑偏大的主要原因．另外，剎車片種類以及測試方法也會對測試結(jié)果造成影響．

3 結(jié) 論

(1) LSCM的結(jié)果表明，報(bào)廢剎車片表面部分材料發(fā)生脫落，形成磨屑，留下明顯的凹坑. 在壓力的存在下磨屑會持續(xù)作用于剎車片表面，產(chǎn)生方向一致的劃痕和溝槽. 摩擦過程為粘著磨損與磨粒磨損共同作用．

(2) XRD的結(jié)果表明，三種剎車片均添加有SiO2和BaSO4．SiO2大量存在于實(shí)驗(yàn)收集到的磨屑中，與其作為剎車片摩擦材料中的硬質(zhì)顆粒有關(guān)．BaSO4被廣泛添加進(jìn)汽車剎車片中，相比其他材料會有更高的概率在汽車制動排放污染物中出現(xiàn)．

(3)磨屑的粒徑分布表明，三種磨屑的D50平均值為26.50 μm，粒徑小于2.5 μm和10 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為1.71%和32.94%．磨屑的PM10形成率較高，有很大的隱患以顆粒物的形式存在大氣中．