新型陶瓷基汽車剎車片的制備

隨著車輛環保、高速和重復使用的發展，人們對汽車零部件的性能有了更高的要求。特別是在高溫下地板體的結構和安全非常重要。因此,開發和研制新一代高性能汽車制動材料是當今摩擦材料行業的當務之急。目前汽車制動系統主要使用半金屬摩擦材料、無石棉有機摩擦材料(NAO)及少量石棉剎車片。由于石棉是強致癌物質,不符合環保要求;無石棉有機制動材料存在耐熱性能低,半金屬摩擦材料又存在密度較大、傷害對偶、產生噪音等不足;盡管C/C復合材料性能優異,但其成本較高,通常只能在飛機及高檔賽車上使用。陶瓷基摩擦材料具有密度適中、耐高溫、耐腐蝕、使用壽命長、制動舒適、環保、價格適宜等一系列優點,已成為摩擦材料領域研究的一個熱門課題。本文作者從汽車行業發展的客觀需求出發,力圖研制一種有別于復合材料學中傳統意義上的陶瓷基摩擦材料,即是指一種利用無機礦物纖維和有機纖維(無金屬纖維)作為增強劑,采用無機粘結劑,用有機或無機材料作為摩擦性能調節劑,通過特種工藝合成的新型制動材料。研究了其物理、力學性能及摩擦磨損性能,并與普通半金屬樹脂基剎車片進行了性能對比。1測試1.1改性酚醛樹脂纖維以半金屬摩擦材料配方為基礎,設計了本試驗配方,按照質量分數,其中改性的鋁、硅酸鹽類無機陶瓷粘結劑為5%~10%,陶瓷、礦物和芳綸等纖維為20%~40%,石油焦炭/石墨10%~20%,有機摩擦粉和橡膠粉5%~10%,復合填料20%~30%,改性酚醛樹脂3%~5%。原材料經過均勻混合后,在160℃左右熱壓,再經熱處理、后續加工制得樣品,工藝流程如圖1所示。1.2制動盤厚度測試采用洛氏硬度計按照GB/T5766-2007測定材料的硬度;開孔隙度的測定采用真空吸酒精法;沖擊強度測試按GB5763-2008在XCJ-4型沖擊強度試驗機上進行,試樣尺寸為6mm×10mm×55mm。摩擦磨損測試根據GB5763-2008,在JF150D型定速摩擦試驗機上進行,采用盤-塊接觸形式,對偶件為?300mm的圓盤,材質為灰鑄鐵。試樣尺寸為:25mm×25mm×6mm,25mm×25mm面作為摩擦面。試驗條件:圓盤轉速為480r/min;壓緊力為0.98MPa;總轉數為5000r/min;測試溫度為100、150、200、250、300和350℃。根據汽車行業標準QC/T564-2008在JF122制動慣性臺架實驗機上進行1∶1臺架試驗,試驗前后用精度0.01mm的螺旋測微器按圖2所示測量內片和外片以及制動盤的厚度,取其算術平均值得制動襯片和剎車盤的磨損厚度。采用JSM-6360LV型掃描電鏡對摩擦表面形貌進行觀察分析。2結果與分析2.1硬度和沖擊強度新型陶瓷基剎車片與樹脂基剎車片的物理性能及沖擊強度對比的測試結果如表1。由表1可以看出,新型陶瓷配方由于采用多種輕質多孔填料,且不含任何金屬成分(鋼纖維、泡沫鐵粉、重金屬等),和半金屬配方相比,陶瓷剎車片開孔隙度大,密度較低。同時,和樹脂基摩擦材料相比,陶瓷基摩擦材料的硬度也較低。這主要有以下幾個方面的原因:首先,陶瓷基剎車片表面有較多孔隙的存在,減少了材料本身承受外界載荷的有效面積,導致硬度測試時數值較小;其次,酚醛樹脂是由如亞甲基聯接的剛性芳環緊密堆砌而成,經高溫固化后,硬度較大;樹脂基配方中(普通半金屬配方)有較多的金屬成分(鋼纖維),也使得樹脂基摩擦材料整體硬度較高。沖擊強度方面,和陶瓷基剎車片相比,樹脂基剎車片中有機成分含量相對較多,特別是丁腈橡膠粉的加入,即在連續的剛性硬質的樹脂基體上彌散分布有適量柔韌的橡膠微粒,構成了所謂的“高分子合金”。當樹脂-橡膠組成基體時,由于橡膠粒子具有彈性,材料受到沖擊時,應力集中產生的裂紋發展到橡膠粒子時就被吸收掉,阻礙了裂紋的進一步擴大,從而減緩了材料的破壞程度,在宏觀上表現出來就是材料沖擊強度的提高;陶瓷配方中無機粘結劑雖然高溫粘結效果較好,但柔韌性欠佳,因此在沖擊強度測試中,陶瓷配方的沖擊強度基本接近樹脂配方。2.2熱衰試驗和能效試驗定速試驗中試樣的摩擦磨損性能測試結果如表2所示。從表2可以看出,不管是摩擦系數的穩定性還是材料的磨損率,新型陶瓷基剎車片都要優于樹脂基剎車片。從200℃到350℃的升溫過程中,樹脂基剎車片產生了較大的熱衰退,由200℃的0.44降到350℃的0.34,下降幅度達22.7%。磨損方面,150℃以前,樹脂基剎車片和陶瓷基剎車片相差不大,即兩種材料低溫磨損接近;200℃以后,由于陶瓷基體具備優異的高溫粘結效果,成倍地提高了材料的耐磨性能。在350℃時,陶瓷剎車片的磨損率僅為0.27,遠遠低于樹脂基剎車片的1.35,總的磨損率(0.95)也遠遠小于樹脂基剎車片(3.23)。兩種剎車片定速試驗后摩擦面表面形貌如圖3所示。從兩張摩擦面的SEM照片來看,經歷高溫摩擦后,陶瓷基剎車片表面平整光潔,無剝落掉塊現象(如圖3(a)所示)。這是由于陶瓷配方采用了大量人工合成的無機和有機填料,材料之間有良好的親和性,摩擦過程中形成了較好的摩擦層和轉移膜;同時,陶瓷粘結相在高溫下不會發生分解,且仍然具有良好的粘結效果,各種填料能牢靠地鑲嵌在基體里面,因此試驗過程中摩擦系數穩定,高溫熱衰退小。而樹脂基剎車片在低溫時摩擦膜較為完整,摩擦表面光滑;經過高溫摩擦后,高溫固化時樹脂的分解相對增加,分解形成的焦油狀物質粘著在摩擦表面,使原來摩擦材料與對偶材料的干摩擦轉變為邊界摩擦和半流體摩擦的混合摩擦,導致摩擦系數大幅下降,材料發生熱衰退現象。同時,由于樹脂的大量熱分解,降低了其粘結作用,因而材料磨損加劇。圖3(b)為樹脂基摩擦材料高溫試驗后的表面形貌,由圖可以看出,摩擦材料表面凹凸不平,有轉移膜,以及膜氧化、破裂后形成的碎片,材料發生了嚴重的熱衰退,熱氧化磨損嚴重。從定速試驗結果來看,新型陶瓷基摩擦材料表現出了優異的摩擦磨損性能;為了進一步模擬實際制動工況,針對某高檔車型對陶瓷及樹脂基剎車片進行了1∶1臺架試驗,試驗結果如圖4、圖5所示。效能試驗中,速度分別取50、100、130km/h,制動管路壓力為2、4、6、8、10MPa,以考察剎車片在不同速度、不同壓力下摩擦系數的穩定性。兩種剎車片的2效、3效試驗曲線見圖4。由圖4可以看出,陶瓷基剎車片的效能曲線較為平穩,其摩擦系數穩定性明顯高于樹脂基剎車片,表現出良好的速度和壓力相關性。兩種材料的衰退曲線如圖5所示:樹脂基剎車片一衰29%,二衰28%;陶瓷基剎車片一衰6%,二衰13%。很顯然,陶瓷基剎車片的衰退率遠遠小于樹脂基剎車片,其熱穩定性能好。衰退試驗中,前3次制動為基準試驗,一衰是在100km/h速度下連續制動10次,恢復試驗是在50km/h速度、風冷條件下制動12次。二衰除了在100km/h速度下連續制動為15次外,其余均與一衰相同。所以一衰最高溫度出現在第13次制動,而二衰出現在第18次制動的時候,其中二衰最高溫度超過了350℃(如圖6所示)。樹脂基剎車片摩擦系數隨制動次數變化曲線呈明顯的“V”字形(圖5(b)),大致可以分為三個階段。在第一階段(從室溫升到最高溫度)摩擦系數逐步下降,這主要是受摩擦熱的影響;摩擦系數都是在衰退試驗結束時達到最低點,這和制動溫度有著很好的對應關系。在第二階段(恢復試驗),摩擦系數逐步提高;主要是在恢復試驗初期,隨著試驗臺風冷裝置的開啟,制動溫度急劇降低,樹脂分解物隨之減少,摩擦形式由高溫時的混合摩擦變為干摩擦,摩擦系數穩步上升。在第三階段(磨合試驗),摩擦系數趨于平穩,這是因為樹脂分解的生成物被逐步擦落,新的工作表面形成,在制動過程中摩擦系數變化相對較小。和樹脂基剎車片相比,陶瓷基剎車片的摩擦系數表現出對制動次數的不敏感性,整個曲線無明顯的“大起大落”,摩擦系數波動范圍在0.08以內,材料耐熱性能良好。樹脂基剎車片在二衰過后有微弱制動噪音產生,這可能是由于樹脂高溫分解形成硬度較高的焦炭狀產物引起的;而陶瓷基剎車片整個制動過程中較為平穩,無制動噪音現象。兩種剎車片及制動盤的磨損情況見圖7所示。由圖7可知,兩個制動盤的磨損接近(0.032mm和0.030mm),而陶瓷基剎車片(0.097mm)的線性磨損量約為樹脂基剎車片(0.158mm)的2/3,也就是說其使用壽命可以提高到樹脂基剎車片的1.6倍左右。按正常使用情況,目前普通的樹脂基剎車片行駛公里數約為4萬公里,據此數據計算,陶瓷基剎車片的行駛公里數至少在6萬公里以上,使用壽命大大提高。兩種剎車片及對偶盤試驗后的表面宏觀形貌如圖8所示,不同的試樣表面磨損程度不同。陶瓷基剎車片摩擦表面較為光亮,而樹脂基剎車片相對灰暗一些,表面附有薄薄的一層磨屑,試驗結束后落灰較多。這說明陶瓷基剎車片的自清潔能力較強,制動過程中能不斷更新工作表面,形成穩定的摩擦層,與剎車盤形成較好的貼合。比較兩個對偶盤,兩個盤上都有很多像犁溝形成的同心環,但用手觸摸并無凹凸感,整個盤面光滑平整,這可能是由于樹脂等有機物以及一些填料在高溫下發生復雜的化學反應,涂覆在對偶盤上形成顏色深淺不一的圓環,給人視覺上一種犁溝形成的溝槽的感覺。經千分表測量陶瓷基剎車片的對偶盤平面度為0.11mm,小于樹脂基對偶盤的0.24mm。由圖8(b)可見,制動過程中,樹脂基摩擦片有輕微的傷盤現象,其對偶盤外環邊緣有一條較深的溝槽,明顯是硬質顆粒夾雜在盤和片之間,在摩擦正壓力的作用下切削制動盤形成的,這也就能很好地解釋樹脂基剎車片制動過程中出現的輕微噪聲現象。3樹脂基復合材料1)利用無機纖維和有