復(fù)合硫化物替代硫化銻的研究

余思彬，孟增祥，曹 敏，汪 海，王 東

（黃石市鑫溢新材料科技有限公司，湖北 黃石 435109）

在摩擦材料原料應(yīng)用中，硫化銻是一種非常好的功能材料，耐高溫耐磨、抗熱衰退性能優(yōu)異，在半金屬片、少金屬片、陶瓷片配方中廣泛應(yīng)用[1]。然而硫化銻是有毒有害物質(zhì)，接觸銻及其化合物可致眼結(jié)膜和呼吸道刺激，發(fā)生支氣管炎，較重者出現(xiàn)胸痛、呼吸困難、肺炎?？诜卸居屑毙晕改c炎，肝、腎及心肌損害。長(zhǎng)期接觸低濃度銻化合物粉塵可致鼻炎、鼻中隔穿孔、支氣管炎、口腔炎、消化功能障礙、皮膚損害。銻的氧化物三氧化二銻可致癌，已被世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布在2B類致癌物清單中，2018年歐盟市場(chǎng)逐步開(kāi)始少用甚至禁用硫化銻。因此，尋找和開(kāi)發(fā)具有與硫化銻相似摩擦性能的材料顯得至關(guān)重要、迫在眉睫，也是大勢(shì)所趨。

1 復(fù)合硫化物介紹

通過(guò)4年艱苦卓絕的努力，使用無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保的硫化物，終于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出能有效替代硫化銻在摩擦材料中應(yīng)用的無(wú)銻復(fù)合硫化物材料。從試驗(yàn)情況以及市場(chǎng)反饋信息來(lái)看，該材料在摩擦材料應(yīng)用中性能良好，取得了初步滿意效果，可以完全替代硫化銻。

復(fù)合硫化物主要是以無(wú)毒無(wú)害的金屬硫化物為骨架，其他功能材料共同復(fù)配組成的一種功能材料，能完全等量替代硫化銻在摩擦材料中的應(yīng)用。復(fù)合硫化物主要含有Fe、S、Al、Mo及少量有機(jī)物質(zhì)，不含六大類有害物質(zhì)鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、六價(jià)鉻(Cr)、聚溴二苯醚、聚溴聯(lián)苯，無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保。外觀為灰黑色粉末，具有潤(rùn)滑、抗熱衰退、制動(dòng)效能穩(wěn)定、降噪等多種功能。

復(fù)合硫化物屬于混合物，以硫化物FeS2和MoS2為主要材料，少量氧化鋁和其他耐磨耐熱功能材料為輔料，進(jìn)行優(yōu)化復(fù)配。

FeS2是黃鐵礦的主要成分，晶體屬等軸晶系。常有完好的晶形，呈立方體、八面體、五角十二面體及其聚形。立方體晶面上有與晶棱平行的條紋，各晶面上的條紋相互垂直。集合體呈致密塊狀、粒狀或結(jié)核狀。淺黃(銅黃)色，條痕綠黑色，強(qiáng)金屬光澤，不透明，無(wú)解理，參差狀斷口。摩氏硬度較大，達(dá)6～6．5，小刀刻不動(dòng)，密度4．9～5．2g/cm3。FeS2有適宜的摩擦系數(shù)和耐磨性能[2]，在摩擦材料使用過(guò)程中，摩擦材料會(huì)因?yàn)槟Σ翢崾箿囟壬遊3]，F(xiàn)eS2在高溫情況下會(huì)吸收熱量分解生成Fe2O3，減緩了摩擦材料中有機(jī)粘結(jié)劑的熱分解速度，同時(shí)Fe2O3也是一種摩擦系數(shù)適宜、耐磨性能很好的材料。

MoS2為輝鉬礦的主要成分，黑色固體粉末，有金屬光澤。MoS2在摩擦材料使用中，是一種高端的固體潤(rùn)滑劑，特別是在高溫情況下，具有很優(yōu)越的潤(rùn)滑耐磨性能。熔點(diǎn)1 185℃，密度4．80g/cm3(14℃)，莫氏硬度1．0～1．5。1 370℃開(kāi)始分解，1 600℃分解為金屬鉬和硫。MoS2在400℃開(kāi)始氧化，生成三氧化鉬，三氧化鉬是一種高效的阻燃劑，能再次提高摩擦材料的耐高溫耐磨性能[4]。

少量氧化鋁和其他耐磨耐熱功能材料為輔料，調(diào)節(jié)復(fù)合硫化物常溫下的摩擦性能和潤(rùn)滑性能，使得復(fù)合硫化物在摩擦材料使用的整個(gè)過(guò)程中都具有很好的摩擦性能[5-6]。

2 試驗(yàn)配方及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)使用有硫化銻原始配方A，復(fù)合硫化物等量替代硫化銻配方B，進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，配方詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

一般情況下，硫化銻在摩擦材料中用量為3%左右，本試驗(yàn)配方A中硫化銻用量5%，配方B中復(fù)合硫化物用量5%，能更好地突出硫化銻在摩擦材料中的作用，更好地對(duì)復(fù)合硫化物能否有效替代硫化銻在摩擦材料中應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)GB5763-2008摩擦性能試驗(yàn)、SAE J2522制動(dòng)效能評(píng)估程序臺(tái)架試驗(yàn)、SAE J2521噪音試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法，進(jìn)行硫化銻與復(fù)合硫化物性能對(duì)比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 定速試驗(yàn)結(jié)果

使用配方A與配方B，按GB5763-2008試驗(yàn)方法進(jìn)行硫化銻與復(fù)合硫化物在摩擦材料中的摩擦性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖1。

表2 定速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 定速試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)圖1可以明顯得出，復(fù)合硫化物在升溫200～350℃、降溫350～200℃這兩個(gè)高溫區(qū)段，摩擦性能是明顯優(yōu)于硫化銻的，復(fù)合硫化物表現(xiàn)出了良好的抗熱衰退性能。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

使用配方A與配方B，按SAE J2522制動(dòng)效能評(píng)估程序臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行硫化銻與復(fù)合硫化物在摩擦材料中的制動(dòng)效能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表3以及數(shù)據(jù)對(duì)比圖2，硫化銻配方摩擦系數(shù)極差大，系數(shù)波動(dòng)大，衰退率高，復(fù)合硫化物的摩擦系數(shù)平穩(wěn)，系數(shù)波動(dòng)小，熱衰退小，應(yīng)用到摩擦材料中，會(huì)大大提高制動(dòng)性能以及舒適性、平穩(wěn)性。因此復(fù)合硫化物的摩擦性能穩(wěn)定性是明顯優(yōu)于硫化銻的。

表3 硫化銻臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

圖2 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 噪音試驗(yàn)結(jié)果

使用配方A與配方B，進(jìn)行SAE J2521噪音試驗(yàn)，硫化銻與復(fù)合硫化物噪音試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，硫化銻發(fā)生噪音的概率為15．8%，復(fù)合硫化物發(fā)生噪音的概率為7．6%，復(fù)合硫化物的配方B比配方A的噪音發(fā)生概率降低了50%以上，特別是低溫噪音，硫化銻低溫發(fā)生噪音概率為50．9%，復(fù)合硫化物低溫發(fā)生噪音概率為19．8%，降低了60%以上，復(fù)合硫化物具有良好的降噪效果和潤(rùn)滑性能[7-8]。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從GB5763-2008摩擦性能試驗(yàn)結(jié)果表2和圖1可以看出，復(fù)合硫化物在升溫200～350℃、降溫350～200℃這兩個(gè)高溫區(qū)段，摩擦性能是明顯優(yōu)于硫化銻的，復(fù)合硫化物表現(xiàn)出了良好的抗熱衰退性能[9]。

SAE J2522制動(dòng)效能評(píng)估程序臺(tái)架試驗(yàn)表3及圖2反映了復(fù)合硫化物不僅可以有效替代硫化銻在摩擦材料中的應(yīng)用外，使用復(fù)合硫化物替代硫化銻后，產(chǎn)品的摩擦性能穩(wěn)定性有顯著提高。

SAE J2521噪音試驗(yàn)試結(jié)果表4可知，使用復(fù)合硫化物等量替代硫化銻后，制動(dòng)噪音得到明顯改善，發(fā)生噪音概率降低了50%以上，特別是低溫噪音，減少了60%以上[10]。

表4 噪音測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

綜合以上試驗(yàn)以及分析情況，復(fù)合硫化物替代硫化銻具有如下性能。

(1) 復(fù)合硫化物完全可以等量替代硫化銻在摩擦材料中的應(yīng)用，無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保。

(2) 復(fù)合硫化物高溫情況下的摩擦性能優(yōu)于硫化銻。

(3) 相對(duì)硫化銻，復(fù)合硫化物對(duì)摩擦制品摩擦性能穩(wěn)定性有顯著提升。

(4) 使用復(fù)合硫化物等量替代硫化銻后，制動(dòng)噪音有明顯的改善。