一篇对刹车片工艺有帮助的论文.pdf

一种新型无石棉汽车盘式制动衬片的研制一种新型无石棉汽车盘式制动衬片的研制 王亮王亮魏兴海魏兴海张金喜张金喜李贵生李贵生 中国科学院山西煤炭化学研究所山西 太原 030001 摘要摘要用缩合多环多核芳香烃结构的热固性沥青系 COPNA树脂为粘合剂短切沥青炭纤维等混 杂纤维为增强剂研制桑 2000 型汽车盘式制动衬片在混料过程中克服了炭纤维的结团问题热压成型 的工艺参数为比压 25 30MPa成型温度 170 180成型时间 1min mm后处理升温制度为110 140170200各恒温 1h230恒温 2h用上述工艺研制的产品试样其性能完全符合 GB5763 1998 标准 基本满足德国大众公司制定的 PV3212 标准要求经装车路试司机认为该制动衬 片在刹车过程中舒适平稳在一般公路和都市路面上行驶平均使用寿命在 3 万公里以上 关键词关键词沥青树脂沥青炭纤维汽车盘式制动衬片工艺及性能 1 引言引言 在汽车工业中制动衬片属于关键材料之一它的优劣不仅影响行驶性能而且关 系着司乘人员的生命安全因此汽车发明以来用更安全舒适的制动材料取代前一代 产品是该领域的主要研究课题之一六十年代之前汽车制动材料主要以石棉制品为主 当石棉致癌充分证实后许多国家纷纷立法限制石棉在该领域中的应用因此人们开 始对无石棉制动材料的研究 七十年代中期 美国本迪斯公司率先推出由钢纤维取代石棉 传统的石棉制品被无石棉制品所取代 1 这种无石棉材料金属含量可达 50w 以上故 称为半金属材料尽管该材料的性能优于石棉制品但仍不能满足日益发展的汽车工 业提出的苛刻条件八十年代初期出现了各种混杂纤维增强的制动材料其目的是弥补 钢纤维单一增强半金属制动材料的缺陷所采用的纤维有炭纤维芳纶纤维玻璃纤维 陶瓷纤维等由于多元纤维的采用制动衬片中的增强纤维在性能上可互补易设计出综 合性能优异的制动衬片配方因此利用多元混杂纤维增强无石棉制动材料取代半金属材 料是必然趋势 碳纤维具有轻而导热系数高耐高温摩擦系数稳定等特点它是一种很好的摩擦 材料增强剂目前碳纤维除飞机用碳 碳摩擦材料之外也有应用于汽车等摩擦材料的报 导 2 近年来这方面的专利也很多 3 4 我们研制的产品就是利用炭纤维等多元纤维做增 强剂的 至今为止国内外摩擦材料使用的粘结剂通常为酚醛树脂采用未改性酚醛树脂的 制品硬度高韧性和抗冲击强度差 5 为了克服上述缺陷人们对该树脂进行了各种改 性目前使用改性酚醛树脂有腰果壳改性酚醛树脂环氧改性酚醛树脂丁腈橡胶改性 酚醛树脂等通过改性制品性能有所好转但随着时间的延长特别是频繁刹车的情况 下制动衬片的表面温度急剧上升使树脂老化产生衰退从而刹车性能降低这是造 成事故的主要原因之一 6 而利用 COPNA 树脂作为摩擦材料的粘结剂可克服上述弊病COPNA 是英文 Condensed Polynuclear Aromatic 的缩写它是以煤焦油中的萘 蒽芘等缩合多环芳烃 或煤焦油沥青作为原料选取易形成稳定炭正离子结构的有机化合物通常用对苯二甲醇 PXG或苯甲醛BA为交联剂在酸催化剂如对甲基苯磺酸 PTS存在下经化学 反应制得其耐热性比酚醛树脂更好可与聚酰亚胺树脂相媲美在 800的耐热性优于 聚酰亚胺具有与炭的亲和性好耐磨等特性据报道日本使用 COPNA 树脂为粘结剂 研制的 RUN1KCOPNA1000 摩擦衬片可承受 1000的表面温度制品在这样的高温下几 1 乎不存在老化和热衰退现象刹车性能十分稳定 6 因此COPNA 树脂是制造摩擦材料 的一种理想原料笔者选用它为粘合剂对汽车盘试制动衬片进行了研制 2 实验仪器设备与原材料实验仪器设备与原材料 高速混合机型号 GH100Y 北京英特塑料机械总厂生产 45T 压力成型机上海第一橡胶机械厂生产 10T 万能材料试验机型号 DLY 10长春材料试验机厂制造 DWS 定速摩试验机 功率 7 5WK 线速度 7 5M S 比压 1MPa 样品尺寸 25mm25mm 7mm 二块吉林工业大学机电设备研究所生产 JF132 克劳斯摩擦试验机由计算机系统采集和处理数据由 TG55B 型标准天平和 螺旋测微计测量制动衬片的磨损吉林工业大学机电设备研究所生产 沥青系 COPNA 树脂自制 短切炭纤维由日本大阪煤气公司生产 钢纤维由河南南阳金属纤维实业公司生产 3 结果与讨论结果与讨论 3 1 制动衬片的配方研究制动衬片的配方研究 摩擦材料是由基体与填料复合而成就基体而言大致分为树脂类橡胶类等填 料可归纳为增强剂摩擦性能调整剂在研制工作中除本文所述的几种原料外还使用 了十几种其它原材料每种材料所起的作用均不同各组份的性能比例物理状态都会 直接影响制品的综合性能 在某种情况下填料比例极小的变化也会影响制品的性能和工艺 7 我们在研究过程中发现沥青系 COPNA 树脂与短切沥青炭纤维在配方中的含量必 须适中 只有这样才能发挥其长处 含有适量的沥青系 COPNA 树脂可提高制品的耐热性 改善制品的摩擦磨损性能和降低表面硬度 若配方中含量过高 则使制品的工艺性能变坏 在热压过程中因气体产生过多使制品易产生裂纹并在制动过程中发生热衰退表 1 为配 方中 COPNA 树脂含量过高的制品克劳斯摩擦试验机试验数据 表表 1 克劳斯摩擦试验机测试数据克劳斯摩擦试验机测试数据 评价指标 PV3212 标准要求 试样试验结果 工作摩擦系数m 0 3 0 4 0 324 最大摩擦系数max 0 5 0 454 最小摩擦系数min 0 2 0 158 冷摩擦系数k 无 0 316 衰退摩擦系数k 无 0 158 重量摩损二块平均 3 5g 2 0 厚度磨损二块平均 0 25mm 0 1 碳纤维在配方中的重量百分比含量适中可提高材料的耐热性耐磨性若含量太 大不但提高了制品的原料成本而且降低制品在低温下的摩擦系数 研制初期配方中的炭纤维含量较高该制品的定速摩擦试验数据如表 2 中 12 3 配方所示经调整配方适当减少炭纤维含量提高了制品在低温状态下的摩擦系数 试验结果如表 2 中 45 所示 2 表表 2 D MS 定速摩擦试验机试验报告定速摩擦试验机试验报告 升温摩擦系数 恢复摩擦系数 磨损率 10 1cm3 N m 配方 编号 100 150 200 250 300 350 300 250 200 150 100 100 150 200 250 300 350 1 0 28 0 30 0 35 0 41 0 49 0 49 0 49 0 46 0 45 0 20 0 19 0 24 0 24 0 33 2 0 27 0 31 0 36 0 45 0 48 0 52 0 49 0 47 0 45 0 10 0 13 0 15 0 21 0 15 3 0 26 0 31 0 34 0 43 0 48 0 48 0 46 0 45 0 41 0 13 0 17 0 21 0 24 0 29 4 0 36 0 46 0 48 0 55 0 56 0 52 0 53 0 51 0 52 0 51 0 42 0 24 0 26 0 32 0 34 0 31 0 22 5 0 37 0 45 0 46 0 50 0 52 0 54 0 52 0 53 0 52 0 48 0 45 0 23 0 30 0 29 0 27 0 24 0 25 3 2 制动衬片的制备工艺制动衬片的制备工艺 在产品制造工艺中有干法湿法半干法三种方式笔者采用干法工艺其工艺流 程由图 1 所示 钢背 干燥 涂胶 表面处理 印永久性标志 打毛刺 粘合剂 增强剂 摩擦性能调整剂 按配方称量 混合 冷压 热压 印标志 成品 包装 机加工 热处理 喷漆 图 1 本产品的工艺流程图 要想制得性能优异而质量稳定的摩擦材料除选用性能稳定的原料及合理配方外 制备工艺也十分重要尤其下列工艺过程 1 物料要混合均匀尤其是增强纤维不能结团 2 严格控制热压过程中的三个工艺参数温度比压时间 3 选择一种正确的后处理升温速率和最终处理温度 下面重点讨论这三方面的内容下面重点讨论这三方面的内容 3 2 1 混料工艺混料工艺 混料是很重要的工序其目的是将配方中所有物料均匀分散得到性质相对均一的 材料在混料过程中遇到最大的难题是炭纤维结团问题由于炭纤维在粉料中不能均匀分 散形成大量的小球导致配方比例在整个材料中严重失调严重影响制品的各种性能及 均匀性笔者查阅了大量相关文献没找到明确的解决方法为了克服这种现象经多次实 验最终通过改进设备分批投料高速搅拌的方法解决了上述难题判定混合效果的最 直接办法是用肉眼或显微镜观察混合后的物料我们采用上海大庆光学仪器四厂生产的 3 20 倍读数显微镜观察炭纤维在物料中的分散效果 3 2 2 成型工艺成型工艺 在热压成型过程中混合均匀的物料在受热压条件下会变为粘流态而填满整个模腔 并硬化成型在这个过程中物料在状态变化的同时还会发生复杂的化学变化按物料的 粘度变化可分为粘流阶段凝胶阶段和硬化阶段物料刚进模腔之后在受热条件下处于 流动软化或半软化的可塑状态这时合模时间越短越好否则因粉料产生局部老化而使 制品发生欠压关于成型温度是根据树脂的凝胶时间而定我们选用了 170 180 温度太低物料在模中的固化时间过长温度过高在成型过程中产生过多的气体使制品出 现裂纹对于成型压力经反复实验得出以下结论在一定比压范围内制品密度随着 成型压力增大而增加当比压增高到一定数值时密度就无明显变化图 2 为比压与制品 密度的关系 051015202530354045 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 成型温度 170 5 成型时 间 1min mm 压制 制 品 密 度 g cm 3 比 压 MPa 图2 比 压与 制 品 密 度 的 关系 根据图 2 所示的曲线选用了 25 30MPa关于时间它也是制得高质量制品的先决条 件为了提高生产效率将制品在压制过程中持续时间缩小到临界最小值据报导热压 时间在 40 90s mm 范围内即可在这个范围内的压制时间对制品的各种性能基本无影响 5 根据多次实验笔者选用了 1min mm 3 2 3 后处理工艺后处理工艺 将压制品从模具中取出后在较高温度下进行一段时间的热处理通常称之为后处 理工艺其目的有二其一确保制品完全固化其二消除制品在热成型过程中内部产 生的应力集中实验证明成型后的产品必须经过热处理方可使用否则实际装车路试过程 中制品由于固化程度不够而受热膨胀当膨胀量大于制动盘与制动片的间隙时就会发生 抱死而无法行车或由此产生行车事故 8 据报导我国磨擦材料生产厂家通常采用热处理终温为 160 180而国外则采用 220 250 9 为了将沥青 COPNA 树脂完全固化 后处理终温必须在 200以上 6 相关资料也有报 导以酚醛树脂为粘结剂的制品后处理终温在 220以上其热膨胀几乎为零 9 根据我们 的实验结果采用 110140170200各恒温 1h230恒温 2h 的后处理工艺 在多次摩擦磨损实验和路试过程中没有发现制品有膨胀现象 因此 笔者采用了上述工艺 3 3 制动衬片的机械性能制动衬片的机械性能 理想的汽车盘式制动衬片需要有适中的力学性能为了不划伤制动盘要求其表 面硬度不能太高除此之外在制动过程中要求没有噪音具有适当的摩擦系数及在高温 下的稳定性使用寿命长等 表 3 显示了我们研制产品的机械性能均达到德国大众公司和我国标准研制的产 4 品机械性能由表 3 所示 表表 3 煤化所研制的产品与英国路卡斯产品的机械性能 煤化所研制的产品与英国路卡斯产品的机械性能 我所产品 路卡斯产品 德国大众公司标准 我国标准 密度 g cm3 2 76 2 64 硬度 HB 19 0 15 0 压缩强度 MPa 1270 0 664 0 弯曲强度 MPa 549 0 293 0 剪切强度 MPa 5 27 5 02 大于 5 0 大于 3 0 冲击强度 dJ cm2 3 7 4 0 大于 1 9 3 4 制品的摩擦磨损性能制品的摩擦磨损性能 从我国的国情出发由于多种原因大部分摩擦材料生产厂家不具备总成试验条 件产品质量控制及配方研究主要依赖定速摩擦试验机按 GB5763 1998 标准进行评价 此评价方法由于试验机条件所限试样为 25mm25mm7mm 与实际工况差距很大 所以只能做配方的粗选工作在粗选配方中较理想的试验数据如表 4 所示 表表 4 利用利用 D MS 定速摩擦试验机测得制品的摩擦磨损数据定速摩擦试验机测得制品的摩擦磨损数据 温度 100 150 200 250 300 350 0 39 0 43 0 40 0 40 0 40 0 39 试样 0 39 0 41 0 39 0 48 0 46 GB5763 1998 0 25 0 6 0 25 0 6 0 25 0 6 0 25 0 6 0 25 0 6 0 25 0 6 允许偏差 0 4 0 8 0 4 1 0 0 4 1 2 0 4 1 2 0 4 1 4 0 4 1 4 试样磨损量 10 7cm3 N m 0 21 0 21 0 31 0 15 0 15 0 1 GB5763 1998 10 7cm3 N m 0 51 0 77 1 02 2 04 3 57 7 14 从研制配方的角度来看总成惯性试验台具有重要作用针对指定的车型按照实际 工况进行模拟试验 在此基础上再通过路试可作出对材料性能的优劣评价 7 利用惯性试 验台可全面评价制品的摩擦系数与温度速度管路压力的关系评价制品的磨损性能及 恢复性能等但这种试验费用昂贵时间长为了降低测试费用提高研制效率笔者在 研制过程中重点采用了克劳斯摩擦试验机对研制产品的性能控制和配方确定 它以制动器 实物作试件与其它小试样进行测试的摩擦试验机相比免去了尺寸模拟几何形状模拟等 环节故能较好地模拟制动摩擦材料的使用条件该试验是按照德国大众公司制定的 PV2312 等技术标准与测试标准进行的评定内容与台架密切配合衔接所以两者的试 验结果不仅可比性好并且得到的数据具有较好的重复性 11 笔者研制的试样用该设备 进行多次测试代表性的测试数据如表 3 所示 表表 3 利用利用 JF 132 克劳斯摩擦试验机测得实验数据克劳斯摩擦试验机测得实验数据 评价指标 PV3212 标准要求 试样试验结果 工作摩擦系数m 0 3 0 4 0 335 最大摩擦系数max 0 5 0 515 最小摩擦系数min 0 2 0 236 5 冷摩擦系数k 无 0 374 衰退摩擦系数f 无 0 236 重量摩损二块平均 3 5g 2 15g 厚度磨损二块平均 0 25mm 上述配方的试样装入桑 2000 型出租车上在一般公路和都市路况下进行路试平均 使用寿命在 3 万公里以上司机反映该制动衬片刹车时无噪音舒适平稳 4 结论结论 1 青系 COPNA 树脂及沥青短切炭纤维在配方中的比例适中可发挥其耐热性耐 磨性等优势 2 制取性能优异质量稳定的盘式制动衬片过程中除选用性能稳定的原材料和合理 配方外还必须严格控制各个工艺过程尤其是以下三个方面一在混料工艺中 必须将物