紫銅纖維對汽車摩擦材料性能的影響

楊 陽，吳 宏，劉伯威，瞿 輝，劉 詠

(1 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2 湖南博云汽車制動材料有限公司，長沙 410205)

近年來，樹脂基汽車摩擦材料的應(yīng)用越來越廣泛。但由于樹脂基汽車摩擦材料有機物含量多，導(dǎo)致其磨損率和高溫衰退率較大，越來越難以滿足現(xiàn)代汽車摩擦材料的要求。樹脂基汽車摩擦材料一般通過加入纖維或粉末形式的金屬組元來提高材料的耐磨性、熱導(dǎo)率和強度，常見的金屬組元有鐵、紫銅、黃銅、青銅、鋁、鋅等。一方面，紫銅具有良好的塑性，在摩擦熱及應(yīng)力作用下，可以從摩擦材料轉(zhuǎn)移到對偶摩擦面上，形成固體潤滑膜，有助于穩(wěn)定摩擦因數(shù)，減少磨損[1-2]；另一方面，紫銅具有較高的熱導(dǎo)率，制動產(chǎn)生的熱量得以通過紫銅纖維快速從摩擦表面導(dǎo)出，減少了摩擦材料中有機物的熱分解。同時，高溫下在摩擦表面生成氧化銅薄膜可以維持較高的摩擦因數(shù)，從而降低摩擦材料的熱衰退率[3]。一直以來，紫銅被廣泛應(yīng)用于樹脂基汽車摩擦材料[4]。

許多研究者對紫銅纖維應(yīng)用于摩擦材料進行了研究，但大部分采用環(huán)塊試驗機、縮比試驗機、Chase試驗機等進行摩擦磨損實驗[5-8]，這些實驗與實際工況差別較大且實驗結(jié)果可重復(fù)性較差，難以反映摩擦材料的真實摩擦磨損性能。而關(guān)于紫銅纖維對摩擦材料整體性能，尤其是關(guān)于制動噪聲性能影響的研究還鮮見報道。因此，本工作在系統(tǒng)地研究紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料物理和力學(xué)性能影響的基礎(chǔ)上，采用能高精度再現(xiàn)摩擦材料摩擦磨損性能的林克3000型汽車剎車慣量試驗臺及3900型噪聲臺架試驗機進行實驗，研究了紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料摩擦磨損性能和噪聲性能的影響，并對其影響機理進行了分析。期望研究結(jié)果能為紫銅纖維在汽車摩擦材料的應(yīng)用提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 基本配方及原材料

本工作摩擦材料由摩擦性能調(diào)節(jié)劑、黏結(jié)劑、增強纖維以及其他成分組成，具體比例詳見表1。其中其他成分為黏結(jié)劑(酚醛樹脂)6%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；增強組元(芳綸、鋼纖維等)15%；摩擦潤滑組元(氧化鋯、硅酸鋯、硫化銻、石墨等)24%；填料(摩擦粉等)24%。配方中，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)在3%～11%之間變化，同時調(diào)節(jié)沉淀硫酸鋇含量以保證各組分總含量不變。沉淀硫酸鋇穩(wěn)定性好，硬度適中，在摩擦材料中廣泛作為填料使用。加入沉淀硫酸鋇對摩擦材料的摩擦磨損和噪聲性能影響不明顯，因此可認為配方中紫銅纖維的比例變化是影響摩擦材料性能變化的主要原因。本工作所用紫銅纖維直徑0.2 mm，長度≤3 mm，密度為8.96 g/cm3，形貌如圖1所示。本工作所用硫酸鋇直徑<48 μm，密度為4.5 g/cm3，形貌如圖2所示。

表1 基礎(chǔ)研究配方(質(zhì)量分數(shù)/%)

圖1 紫銅纖維形貌

圖2 硫酸鋇形貌

1.2 試樣制備

按表1基礎(chǔ)配方，采用實驗用臥式混料機混料，犁刀轉(zhuǎn)速30 r/min，鉸刀轉(zhuǎn)速為1400 r/min。以大眾帕薩特后剎車片(D1348)作為研究對象，在悅創(chuàng)等比壓機上熱壓成型，壓制溫度為上模：155 ℃，中模：148 ℃，下模：150 ℃，單位面積壓強：45 MPa。采用六段工藝壓制，保壓時間10 s，排氣時間6 s，硫化保壓時間240 s。再經(jīng)熱處理、后續(xù)機加工制得成品。

1.3 性能測試

按JASO C441制動襯片孔隙率測量方法，樣品開孔率采用排水法測量。試樣硬度采用HRS標尺，在HR-150A洛氏硬度計上測試，壓頭材質(zhì)為鋼球，直徑為12.7 mm，施加力980 N。按照GB/T 22311-2008 摩擦材料可壓縮性實驗方法，采用林克1620型試驗機，測試剎車片樣品的可壓縮性。內(nèi)剪切強度測試按GB/T 22309-2008在萬能剪切試驗機上進行，樣品長寬高尺寸分別為25 mm×25 mm×10 mm。按照JC/T 685-2009實驗標準，利用排水法檢測摩擦材料的密度。按照JASO C458-1986測試程序，利用pH計檢測摩擦材料的pH值。根據(jù)國家標準GB 11108-2017，采用熱脈沖法測量摩擦材料的導(dǎo)熱系數(shù)，所用儀器為JR-3激光導(dǎo)熱儀。采用林克3000型摩擦試驗機，按SAE J2522-2003標準執(zhí)行摩擦性能實驗，考察摩擦材料在不同制動工況(速度、溫度、壓力)下摩擦因數(shù)和磨損量的變化趨勢。采用林克3900型噪聲臺架試驗機，按SAE J2521-2013程序執(zhí)行噪聲測試，測試紫銅纖維在不同實驗條件(速度、溫度、壓力、方向)對摩擦材料制動噪聲的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料物理和力學(xué)性能的影響

摩擦材料的物理和力學(xué)性能隨紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的變化情況詳見表2。隨著紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，材料的密度、硬度、內(nèi)剪切強度、室溫?zé)釋?dǎo)率和高溫?zé)釋?dǎo)率逐漸增大，而氣孔率、壓縮量則剛好相反，隨其含量的增加而減少，pH值隨其含量的變化沒有明顯的區(qū)別。

表2 摩擦材料的物理和力學(xué)性能

由于紫銅纖維的密度比硫酸鋇的密度高，隨著紫銅纖維的增加及硫酸鋇的減少，摩擦材料的密度也隨之增加。隨著材料的密度增大，而樹脂的質(zhì)量分數(shù)不變，則單位質(zhì)量的黏結(jié)劑樹脂體積分數(shù)增加，可以填充更多的空隙，因此導(dǎo)致氣孔率下降。同時，隨著紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，摩擦材料纖維體積和顆粒體積配比發(fā)生改變，增加了堆積密度，導(dǎo)致氣孔率下降。紫銅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，因此，隨著摩擦材料中紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，摩擦材料的室溫?zé)釋?dǎo)率和高溫?zé)釋?dǎo)率逐漸增加。材料氣孔率的下降導(dǎo)致了材料硬度的上升和壓縮量的下降。纖維材料在摩擦材料中主要起增強作用，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)越高，其對材料的強化效果越明顯，材料的內(nèi)剪切強度越高。紫銅纖維和硫酸鋇均為中性，兩者質(zhì)量分數(shù)的增減對材料的pH值沒有顯著影響。

2.2 紫銅纖維含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響

SAE J2522-2003標準考察了摩擦材料在不同制動速度、不同制動壓力、不同制動溫度下摩擦性能的變化情況。本工作依據(jù)SAE J2522-2003標準主要考察了紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料名義摩擦因數(shù)和衰退性能的影響，并研究了不同制動溫度及制動壓力條件下，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料磨損的影響。

2.2.1 對名義摩擦因數(shù)的影響

在SAE J2522-2003標準中，名義摩擦因數(shù)是指除去衰退和溫度爬坡部分外其他所有制動條件下的平均摩擦因數(shù)。紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料名義摩擦因數(shù)的影響詳見圖3。由圖3可知，紫銅纖維含量變化對摩擦材料的名義摩擦因數(shù)沒有明顯影響，其基本處于同一水平。

圖3 紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料名義摩擦因數(shù)的影響

由于本工作所用實驗配方紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)最低為3%，且含有鋼纖維，配方體系導(dǎo)熱性較好。同時，由于名義摩擦因數(shù)測試時的溫度較低(250 ℃以下)，而摩擦材料中的黏結(jié)劑如酚醛樹脂等有機物要在250 ℃以上才會開始發(fā)生分解[9]，因此，摩擦材料因有機物熱分解而產(chǎn)生的摩擦因數(shù)變化非常小。此時，摩擦材料的摩擦因數(shù)主要由摩擦材料與對偶件的實際接觸面積決定。雖然隨著紫銅纖維含量的增加，摩擦材料的氣孔率逐漸減小，但減小幅度不大，同時，隨著紫銅纖維含量增加，摩擦材料壓縮量逐漸減小，這說明摩擦材料與對偶件的實際接觸面積隨著紫銅纖維含量增加有一定程度提高。因此，紫銅纖維含量的增加沒有對名義摩擦因數(shù)產(chǎn)生明顯影響。

2.2.2 對衰退性能的影響

為進一步研究紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料衰退性能的影響，選取第一次衰退實驗數(shù)據(jù)進行討論。衰退實驗參數(shù)設(shè)計為以0.4 g的減速度進行100 km/h到5 km/h急剎15次，且制動初始溫度不斷增加。不同紫銅纖維含量樣品衰退實驗段制動曲線詳見圖4。

圖4 不同紫銅纖維含量摩擦材料的衰退性能與衰退溫度曲線

從圖4(a)可以看出，第二次制動過后，所有摩擦材料摩擦因數(shù)均開始明顯下降，隨后摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，最后摩擦因數(shù)又逐漸升高。摩擦因數(shù)的降低與樹脂等有機物在高溫下的熱分解關(guān)聯(lián)較大，從圖4(b)可以看出，衰退實驗過程中，制動末溫逐漸升高。第二次制動過程中，制動盤的溫度從190 ℃升高到280 ℃，此時摩擦材料表面的有機物開始分解，產(chǎn)生焦油狀物質(zhì)、液態(tài)水及小分子氣體[10]。隨著有機物分解增多，樹脂分解產(chǎn)生焦油狀物質(zhì)增多，焦油狀物質(zhì)附在摩擦材料表面，形成了一層液態(tài)潤滑膜，摩擦狀態(tài)由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈衲Σ粒瑢?dǎo)致摩擦因數(shù)降低[11]。從第5次制動開始，制動盤的制動初溫超過360 ℃，此時摩擦塊表面的有機物基本分解完成，不再有焦油狀物質(zhì)產(chǎn)生，因此摩擦因數(shù)沒有明顯降低。隨著制動次數(shù)繼續(xù)增加，摩擦面之間的焦油狀物質(zhì)消失，液態(tài)水、小分子氣體揮發(fā)，摩擦狀態(tài)又變?yōu)楦赡Σ?。此外，樹脂分解后，摩擦材料中的硬質(zhì)填料脫離出來形成磨粒，因此摩擦因數(shù)開始升高。紫銅纖維含量越高，越快進入平穩(wěn)期，這是因為紫銅纖維含量越高，摩擦材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高(如表2所示)，制動產(chǎn)生的熱量可更快速地導(dǎo)出，摩擦材料表面的溫度也就越低，同時，紫銅纖維含量越高，摩擦材料表面涂抹的銅越多，表面可分解的有機物越少，因此有機物分解完后可更快速地轉(zhuǎn)變?yōu)楦赡Σ翣顟B(tài)。在摩擦因數(shù)平穩(wěn)期，隨著紫銅纖維含量增加，摩擦因數(shù)先升高后降低。這是因為紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%時，摩擦材料表面焦油狀物質(zhì)較多，而摩擦材料表面涂抹的銅較少，因此摩擦因數(shù)較低。紫銅纖維含量增加，焦油狀物質(zhì)減少，摩擦膜被破壞，摩擦材料中的填料脫落在摩擦表面形成磨粒和凹坑，摩擦因數(shù)升高，在紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為7%時達到最高。紫銅纖維含量繼續(xù)增加，雖然表面焦油狀物質(zhì)繼續(xù)減少，但同時有更多的銅在摩擦表面發(fā)生涂抹，摩擦表面形成了新的摩擦膜，起到了固態(tài)潤滑作用，因此摩擦因數(shù)又降低。

圖5(a),(b)分別為紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%和5%的摩擦材料做完衰退實驗后的表面微觀形貌。從圖5(a)可看出，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%的摩擦材料做完衰退實驗后只有少量的表面連續(xù)膜，且出現(xiàn)了大量的摩擦碎塊和凹坑。紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為5%的摩擦材料做完衰退實驗后摩擦面依然比較平整(圖5(b))，這主要是因為銅在摩擦表面發(fā)生了涂抹[12]。

圖5 不同紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的摩擦材料衰退實驗后的摩擦材料表面形貌 (a)3%；(b)5%

2.2.3 不同制動初溫和制動壓力條件下的摩擦性能

為進一步研究不同制動初溫和制動壓力下，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料摩擦因數(shù)的影響。選取了制動初溫分別為100 ℃和500 ℃，進行從80 km/h到30 km/h點剎時，各樣品摩擦因數(shù)與制動壓力的相關(guān)性數(shù)據(jù)進行討論，具體數(shù)據(jù)分別如圖6(a)，(b)所示。

圖6 不同制動初溫和制動壓力下紫銅纖維含量對摩擦材料摩擦因數(shù)的影響 (a)100 ℃；(b)500 ℃

由圖6(a)可知，當制動初溫為100 ℃時，摩擦材料樣品的摩擦因數(shù)隨紫銅纖維含量的增加而增加。這是因為銅具有良好的塑性，在摩擦熱及摩擦力的作用下，銅很容易在摩擦材料表面及其對偶摩擦表面上發(fā)生涂抹，使實際摩擦接觸面積增加，因此摩擦因數(shù)隨銅含量的增加而增加[13]。同時，摩擦材料樣品隨著制動壓力增加，摩擦因數(shù)均逐漸升高，紫銅纖維含量越低，升高越明顯。這與紫銅纖維含量越低，壓縮量越大有關(guān)，制動壓力增加，提高了摩擦材料的實際摩擦接觸面積，摩擦因數(shù)增加。當制動初溫為500 ℃時各樣品摩擦因數(shù)與制動壓力的相關(guān)性數(shù)據(jù)如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出，制動初溫為500 ℃時，摩擦材料的摩擦因數(shù)比制動初溫為100 ℃時的摩擦因數(shù)明顯增大，這是因為500 ℃時，摩擦材料中的酚醛樹脂等有機材料會大量分解，對摩擦材料的黏結(jié)作用減弱，摩擦材料中的填料大量脫落，在摩擦界面形成磨粒，導(dǎo)致連續(xù)的表面摩擦膜被破壞，因此摩擦因數(shù)明顯提高。隨紫銅纖維含量增加，不同摩擦材料樣品摩擦因數(shù)先降后升，這是因為紫銅纖維含量增加，更多的銅在摩擦表面發(fā)生涂抹，摩擦表面的摩擦膜也相對更完整，因此摩擦因數(shù)降低。而當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為11%時，摩擦材料表面分布的銅纖維較多，摩擦材料在摩擦過程中，銅纖維容易被拉拔和剝離出摩擦材料，在摩擦面上形成新的犁削阻力。圖7為實驗后紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為11%的摩擦材料的表面微觀形貌，從圖中可以看到裸露在外的紫銅纖維和摩擦材料脫落后形成的凹坑，這些紫銅纖維和凹坑會使摩擦阻力大大增加，摩擦因數(shù)也因此增加[14]。圖8為紫銅纖維含量為11%的摩擦材料實驗后產(chǎn)生的磨屑的形貌及能譜圖，磨屑中同樣可以看到摩擦過程中被拉拔出的紫銅纖維。

圖7 紫銅纖維含量為11%的摩擦材料實驗后的表面微觀形貌

圖8 紫銅纖維含量為11%的摩擦材料實驗后產(chǎn)生的磨屑的形貌(a)及能譜圖(b)

2.2.4 對磨損量的影響

本工作將實驗前后樣品厚度差的平均值作為樣品的磨損量，不同摩擦材料樣品厚度磨損如圖9所示。隨著紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，其磨損量呈先下降后略微上升的趨勢。

圖9 不同紫銅纖維含量的摩擦材料厚度磨損

摩擦材料磨損分為常溫磨損和高溫磨損，不同摩擦材料樣品常溫磨損區(qū)別不大，高溫磨損主要與材料的導(dǎo)熱及有機物分解相關(guān)。當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%時，摩擦材料導(dǎo)熱性較差(10.64 W·m-1·K-1)，摩擦產(chǎn)生的熱量無法快速導(dǎo)出，使摩擦片內(nèi)部溫度急劇升高，有機物分解，對填充顆粒的黏結(jié)作用減弱，一些較硬的磨粒從摩擦材料中脫落，在摩擦界面引發(fā)磨粒磨損，導(dǎo)致磨損較大。隨著紫銅纖維含量升高，摩擦材料導(dǎo)熱性逐漸提高(如表2所示)，有機物分解減少，磨粒磨損減弱，因此磨損量逐漸減少。當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為11%時，從摩擦材料中脫落和剝離的銅纖維增多，摩擦材料表面抗剪強度減弱，填料在摩擦力的作用下更容易脫落出來，因此磨損量又有一定程度的提高。

2.3 紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)對摩擦材料制動噪聲的影響

為了盡可能接近實際工況，本工作測試在不同的實驗條件下(制動壓力、制動溫度、制動速度、制動方向等)，摩擦材料整體噪聲發(fā)生概率，臺架實驗按SAE J2521-2006程序執(zhí)行。采集頻率范圍為2000～17000 Hz，分貝值大于70 dB的聲音記為制動噪聲。紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)不同的試樣制動噪聲發(fā)生概率及評分詳見圖10。

從圖10可以看出，摩擦材料的噪聲頻率主要分布在2000，4000，8000，14000 Hz附近，噪聲大部分在拖磨和減速制動實驗過程中產(chǎn)生，分貝值最高達到105 dB。其中紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%和5%的摩擦材料90 dB以上的高分貝噪聲及10000 Hz以上的高頻噪聲較多，當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為7%和9%時，制動噪聲較少。從圖10中還可以看到，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%時，摩擦材料制動噪聲發(fā)生概率最高，評分最低。隨著紫銅纖維含量升高，噪聲發(fā)生概率逐漸降低，評分增加，當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為7%時，噪聲發(fā)生概率最低。隨著紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增加，制動噪聲發(fā)生概率又略微上升，評分則繼續(xù)增加，在紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為9%時達到最高。當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到11%時，評分又略微降低。

圖10 不同質(zhì)量分數(shù)紫銅纖維的摩擦材料制動噪音發(fā)生概率及評分

制動噪聲的產(chǎn)生與摩擦材料和制動盤及周圍部件之間的共振相關(guān)，也與摩擦材料本身的材料組成、氣孔率、壓縮率等屬性有關(guān)[15-16]。由于本工作的摩擦材料組成基本一致，氣孔率和壓縮率等雖有一定變化，但不會對摩擦材料的制動噪聲產(chǎn)生很大影響，因此可以認為本工作摩擦材料制動噪聲的變化主要來自摩擦材料和制動盤及周圍部件之間的共振。振動的產(chǎn)生與摩擦材料的表面狀態(tài)有關(guān)。摩擦材料各部分表面狀態(tài)不同會引起真實摩擦接觸面積及制動力矩的變化，從而引起振動，產(chǎn)生噪聲[17]。圖11(a),(b),(c)分別為紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%,7%,11%的摩擦材料實驗后的掃描電鏡圖。如前所述，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為3%的摩擦材料因表面樹脂分解較多，黏結(jié)作用減弱，摩擦材料中的填料大量脫落，在摩擦界面產(chǎn)生大量不規(guī)則凹坑和摩擦碎塊，摩擦表面因此凹凸不平，制動噪聲也因此較高[18]。隨著紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)增加，摩擦材料的導(dǎo)熱性提高，樹脂分解減少，同時由于銅在摩擦材料及制動盤表面的涂抹，摩擦材料表面變得平整(如圖11(b)所示)，摩擦材料與制動盤的接觸比較均勻，產(chǎn)生的振動較少，因此制動噪聲也減少。而當紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為11%時，由于摩擦材料表面分布的銅纖維較多，摩擦材料在摩擦過程中，銅纖維容易被拉拔和剝離出摩擦材料，在摩擦面上留下凹坑和斷裂的纖維，摩擦表面又變?yōu)榘纪共黄降臓顟B(tài)，因此制動噪聲又增加。

圖11 不同紫銅纖維含量的摩擦材料實驗后的掃描電鏡圖 (a)3%；(b)7%；(c)11%

3 結(jié)論

(1)隨紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，材料的密度、硬度、內(nèi)剪切強度逐漸增大，而氣孔率、壓縮量則是隨其含量的增加而逐漸降低，pH值隨著其含量的變化沒有明顯區(qū)別。

(2)添加適量紫銅纖維有利于改善摩擦材料與摩擦副表面的接觸狀態(tài)，穩(wěn)定摩擦因數(shù)，降低摩擦材料的熱衰退率。

(3)隨紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)增加，摩擦材料的厚度磨損逐步降低后穩(wěn)定在一定水平，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為9%時，磨損量最小。

(4)紫銅纖維可以降低制動噪聲的發(fā)生概率，紫銅纖維質(zhì)量分數(shù)為7%時，摩擦材料具有最佳的噪聲性能。