陶瓷基剎車片的研制及應用

徐子勤 楊智榮 馬 亮

(咸陽非金屬礦研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712021)

前言

汽車、工程機械的制動剎車片是一種摩擦材料，主要的功能是通過同金屬對偶起摩擦作用來吸收動能使車輛安全可靠地工作，它應具有良好的摩擦性能和耐磨損性能，同時具有良好的機械強度和耐熱性。按剎車片材料構成成分分為：石棉(asbestos)剎車片、半金屬剎車片、NAO(無石棉有機摩擦材料)剎車片、陶瓷基剎車片。石棉剎車片現(xiàn)已禁止生產(chǎn)使用；半金屬剎車片摩擦后飛逸到空氣中的灰塵與金屬粉末，對人體、環(huán)境都造成危害；NAO剎車片沒有良好的耐熱性和高溫下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性；陶瓷基剎車片具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較好的熱穩(wěn)定性及良好的耐磨性，不含金屬成分，使用壽命是其它剎車片的一倍多，綜合性能優(yōu)越，是清潔環(huán)保型產(chǎn)品，將會逐步廣泛應用到市場。

1 陶瓷基剎車片的組分

陶瓷基剎車片組分主要由增強纖維、礦物填料，摩擦性能調節(jié)劑和粘結劑組成，經(jīng)過生產(chǎn)加工而制成的產(chǎn)品。其組分配方(質量%)為：增強纖維25～40，填料10～30，粘結基體15～30，摩擦性能調節(jié)劑10～20，抗磨潤滑劑15～30，彈性增韌劑5～10。

1.1 陶瓷基剎車片中的增強纖維及作用

表1 陶瓷纖維性能參數(shù)

纖維在陶瓷基剎車片中作為增強骨架材料，對剎車片的強度、摩擦性能和耐磨損性起著重要作用。陶瓷基剎車片常用的增強纖維有硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維、碳纖維、氧化鋯纖維，初始多選用硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維，后來研究發(fā)現(xiàn)氧化鋯纖維比氧化鋁纖維和硅酸鋁纖維具有更優(yōu)越的性能，其抗氧化、耐腐蝕、熱傳導率低，高溫性能更好，是較佳的增強纖維材料。陶瓷基剎車片所用增強纖維是上述纖維按比例優(yōu)配的混雜纖維，比單一纖維具有更好的增強作用。幾種陶瓷纖維性能參數(shù)見表1。

1.2 陶瓷基剎車片中的礦物填料及作用

陶瓷基剎車片中礦物填料可改善剎車片的物理力學性能(如導熱性、熱脹率、密度、強度、剛度及硬度等)，還可調節(jié)摩擦性能和產(chǎn)品成本。填料分為減摩填料、增摩或摩阻填料。減摩填料能提高剎車片的耐磨性、降低摩擦系數(shù)、減少制動噪聲；增摩或摩阻填料可改善剎車片的物理力學性能、增加摩擦阻力、穩(wěn)定摩擦系數(shù)和提高耐磨性。

為了提高剎車片的綜合性能，減摩填料和增摩填料將根據(jù)使用要求按一定配比混合使用。陶瓷基剎車片所用礦物填料主要有：重晶石、膨脹蛭石、海泡石、剛玉、鋯石、石墨、滑石、硅灰石、沸石、硅藻土、水鎂石、類水滑石等。

重晶石能提高和穩(wěn)定摩擦系數(shù)，還能降低磨損和制動噪音，在高溫下能夠形成相對穩(wěn)定的摩擦界面，可防止摩擦對偶表面的擦傷，使摩擦副表面更加光潔，是增摩調控材料。

膨脹蛭石有優(yōu)異的物理化學性能，可減少剎車片表面的靜電粘結物，降低產(chǎn)品密度和制動噪聲，并增加其彈性，是調控降噪、減震的填料。

海泡石是纖維狀硅酸鹽礦物，在剎車片中加入海泡石膠體作增強基料，具有韌性好，抗拉、抗彎強度大，沖擊強度高，抗高溫磨損小，高溫衰退性好。

剛玉和鋯石的硬度大，屬硬質填料，添加鋯石或剛玉，就可發(fā)揮良好的增摩效果，制動噪聲較低。

石墨是減摩調控材料和摩擦性能調節(jié)劑，有良好的導熱性能，可降低磨損率，能穩(wěn)定摩擦系數(shù)，還可以加速分散剎車片表面的摩擦熱，提高剎車片的熱穩(wěn)定性。

滑石是層狀結構的硅酸鹽礦物，是起到減摩作用調控填料，與粘結劑有良好的粘合能力，可提高剎車片的強度。

硅灰石具有針狀特性及低熱膨脹性、優(yōu)良的抗熱沖擊性，可提高摩擦系數(shù)并降低磨損率，有助于剎車片形成光滑的接觸面，減少磨損。

沸石和硅藻土具有優(yōu)異的吸附性能，可以充分吸收剎車片在高溫下分解的小分子物質、摩擦副表面產(chǎn)生的熱量以及制動噪音，是摩擦性能調控填料。

水鎂石含有一定量的結晶水，板狀晶形的結構在發(fā)生畸變時變成纖維狀的水鎂石纖維，具有撓性和柔性，耐高溫，抗堿性能優(yōu)。

類水滑石具有優(yōu)異的熱失重和吸熱性，可以吸收摩擦熱，高溫下發(fā)生相變，逐漸向尖晶石類礦物轉變，對剎車片的物理力學性能具有增強作用，是潤滑減摩、修復調控的材料。

1.3 陶瓷基剎車片中的粘結劑及作用

粘結劑對增強纖維、填料等各組分有良好的浸潤性能，將這些材料粘合在一起，與其形成穩(wěn)定的化學鍵，是剎車片的基體。陶瓷基剎車片所用的粘結劑為酚醛類樹脂(改性樹脂)和合成橡膠粉，以酚醛類樹脂為主，在一定加熱溫度下，先呈軟化而后進入粘流態(tài)產(chǎn)生流動，并均勻分布在陶瓷基剎車片成形材料中，而后通過樹脂固化、硫化作用，把增強纖維和填料粘結在一起，形成質地致密、有一定機械強度且能滿足剎車片摩擦性能要求的產(chǎn)品；橡膠粉可改善產(chǎn)品的柔軟性，降低其硬度。

陶瓷基剎車片制動工作時處于200～500 ℃的高溫條件下，在此溫度范圍內，無機類的增強陶瓷纖維和填料性能穩(wěn)定，不會發(fā)生熱分解，有機類的粘結劑酚醛樹脂和橡膠進入熱分解區(qū)域，因此選擇耐熱性好的粘結劑對剎車片性能具有非常重要的作用。

2 陶瓷基剎車片的試驗

2.1 原料配方試驗

表2 原料配方基本參數(shù)

續(xù)表2

陶瓷基剎車片摩擦性能主要取決于原材料的選擇、配方配比和生產(chǎn)工藝，在試驗過程中，需要解決纖維均勻分散，物料計量準確，混料均勻，壓制成形過程的控制，摩擦系數(shù)穩(wěn)定等問題。通過試驗、分析得到了許多試驗數(shù)據(jù)，確定一種較優(yōu)配方的基本參數(shù)，其結果見表2。

2.2 制備工藝試驗

2.2.1 混料

投料量5 kg，混料機主軸轉速為180 r/min，鉸刀轉速為2 200 r/min，混合時間為210 s。

2.2.2 壓制成形

模腔內投料量200 g±2 g，壓力分別為3.0 MPa、4.0 MPa、5.0 MPa排氣，排氣時間為3.0 s，模具排氣升起距離為3.0 mm，排氣停留時間為3.5 s，保壓壓力為5.0 MPa，保壓時間為180 s，真空度為0.4 MPa，試樣厚度為11.5 mm±0.2 mm。

2.2.3 熱處理

試樣烘箱保溫時間為140 ℃/1 h，160 ℃/1 h，180 ℃/1 h，200 ℃/2 h，210 ℃/3 h，升溫速度為1 ℃/10 min。

2.3 摩擦系數(shù)測定

用XD-MSM定速摩擦試驗機，按GB/T 5763-2008檢驗方法檢測試樣的摩擦系數(shù),其摩擦系數(shù)參數(shù)見表3。

表3 試樣測試摩擦系數(shù)

3 陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝及特性

3.1 陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝流程

陶瓷基剎車片主要由增強陶瓷纖維、礦物填料、粘結劑組成，其生產(chǎn)工藝如圖1所示。

原料→稱重配料→混合→預成形(模具)→燒結→磨削→開槽(鉆孔)→噴涂→修飾→檢驗→噴碼→包裝

圖1陶瓷基剎車片生產(chǎn)工藝流程

3.2 陶瓷基剎車片的特性

陶瓷基剎車片具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、有較好的熱穩(wěn)定性和較低的熱傳導率、良好的耐磨性。在剎車制動過程中由于摩擦產(chǎn)生熱量，工作溫度增高，一般的剎車片隨著工作溫度的升高，摩擦系數(shù)開始下降，摩擦力降低，從而降低了制動作用。陶瓷基剎車片在工作溫度高達到650 ℃時摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定在0.45～0.50，能夠承受較大的壓力與剪切力，具有良好的機械強度和物理性能，適合各種高性能制動材料的要求，滿足剎車片制動高速化、安全化、高耐磨性能。

半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片由于材料的原因，沒有好的解決方法；陶瓷基剎車片增強纖維渣球含量低，增強性好，不含金屬物，可大大降低剎車片的對偶磨損和制動噪音。陶瓷基剎車片摩擦系數(shù)高于半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片，熱衰減性低，可提升制動性能和安全性，制動時剎車片與對偶間的非正常摩擦時產(chǎn)生噪音，3種剎車片的圖片見圖2。

半金屬剎車片、NAO(None Asbestos Organic)剎車片的使用壽命在60 000 km以下，而陶瓷基剎車片的使用壽命在100 000 km以上，使用壽命提高50%以上，環(huán)保綜合性能優(yōu)越的陶瓷基剎車片克服了傳統(tǒng)剎車片的材料和工藝上的缺陷，是最先進的制動剎車片產(chǎn)品。

(a)半金屬剎車片 (b)NAO剎車片 (c)陶瓷基剎車片

圖2剎車片圖片

4 結語

陶瓷基剎車片采用陶瓷纖維材料制備新技術，配料品質和質量穩(wěn)定，不含金屬成分，摩擦性能穩(wěn)定，使用壽命長，是清潔環(huán)保型各項性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，廣泛推廣應用提高企業(yè)形象和品牌價值，為產(chǎn)品升級轉型及高質量發(fā)展起到重要作用。