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        w(石墨)對NAO摩擦材料摩擦磨損性能的影響*

        2016-06-05 07:50:10王曉芳朱文婷
        化工科技 2016年2期
        關(guān)鍵詞:磨損率摩擦系數(shù)摩擦

        王曉芳,姜 娟,朱文婷

        (咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

        汽車制動摩擦材料大多數(shù)是以無機(jī)或有機(jī)纖維作為增強(qiáng)材料,樹脂和橡膠為粘合劑,并以各種填料作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑的高分子多元復(fù)合材料[1]。隨著汽車功率、速度和載荷的不斷提高,工作條件日益苛刻,對摩擦材料的綜合性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的石棉摩擦材料和半金屬摩擦材料已不適合現(xiàn)代汽車工業(yè)的要求,為此,人們研制開發(fā)了無石棉有機(jī)物(Non-asbestos organic:NAO)摩擦材料[2-3]。NAO摩擦材料由日本Akebono 公司最先研制成功,它是一種新型的高性能汽車制動摩擦材料,采用陶瓷、礦物纖維或耐高溫的有機(jī)纖維替代石棉纖維和鋼纖維,克服了石棉摩擦材料對人體的危害和傳統(tǒng)半金屬摩擦材料高密度、易生銹、易產(chǎn)生噪音、損傷對偶等缺點(diǎn)。目前,這種材料已成功應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國家的諸多車型上,被認(rèn)為是今后摩擦材料發(fā)展的主要方向[4-5]。

        在制動過程中,作為制動盤的摩擦材料將吸收整個汽車動能80%的能量,致使制動盤上的溫度迅速升高,某些接觸區(qū)域的“閃溫”高達(dá)600 ℃。在此溫度下,聚合物基摩擦材料中的有機(jī)組分將發(fā)生分解,導(dǎo)致摩擦力降低,摩擦系數(shù)下降,產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象,并伴隨較大的磨損量,甚至導(dǎo)致剎車失靈[6-7]。為了避免此類情況的出現(xiàn),需要摩擦性能調(diào)節(jié)劑對其性能進(jìn)行改善。石墨具有層片狀晶體結(jié)構(gòu),具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐高溫性能,是一種典型的摩擦性能調(diào)節(jié)劑,廣泛應(yīng)用于半金屬摩擦材料[8-9]。作者把石墨引入NAO摩擦材料中,研究其對NAO摩擦材料摩擦磨損性能的影響,從而解決NAO摩擦材料發(fā)展中遇到的問題,改善摩擦制品性能。

        1 實驗部分

        1.1 原材料與儀器

        粘結(jié)劑酚醛樹脂、橡膠粉:山東圣泉材料有限公司;增強(qiáng)纖維硅酸鋁復(fù)合纖維、礦物復(fù)合纖維和海泡石纖維:清遠(yuǎn)市博爾纖維有限公司;填料石灰石、石墨、重晶石、石油焦、云母、蛭石和鋯英石:西安科耐摩擦材料有限公司。

        6202型混料機(jī):北京環(huán)亞天元機(jī)械技術(shù)有限公司;XLB-D400×400型側(cè)板式硫化機(jī):青島亞華機(jī)械有限公司;S-4700掃描電子顯微鏡:日本Hitachi公司;ES320D靜水力學(xué)密度測量天平:深圳市華恒儀器有限公司;XD-MSM定速式摩擦試驗機(jī):咸陽新益摩擦密封設(shè)備有限公司;2BC1251型擺錘沖擊試驗機(jī):揚(yáng)州正藝試驗機(jī)械有限公司。

        由于石灰石在NAO摩擦材料中成本較低,對摩擦性能影響較小,主要起填充體積空間的作用,因此,以石墨和石灰石為變量即w(石墨)提高量相應(yīng)于w(石灰石)減少量,能夠體現(xiàn)出石墨的作用,設(shè)計的摩擦材料配方見表1。

        表1 摩擦材料配方 w/%

        1.2 試樣的制備

        按照表1稱取原料,將原料一次投入混料機(jī)內(nèi),混料時間約5 min,使其分散均勻,無白點(diǎn),無纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。將混合均勻的原料按規(guī)定投料量加于壓模中一次熱壓成型,其中熱壓溫度160 ℃,熱壓壓力30 MPa,保溫保壓時間60 s/mm,在第一分鐘放氣3次。

        1.3 性能表征

        使用靜水力學(xué)密度測量天平測定材料的體積密度;依照GB5765—86標(biāo)準(zhǔn)采用簡支梁沖擊強(qiáng)度試驗機(jī)進(jìn)行沖擊強(qiáng)度試驗,其中試樣規(guī)格為55 mm×10 mm×6 mm,采用掃描電子顯微鏡觀測材料沖擊斷口形貌。

        使用XD -MSM定速摩擦試驗機(jī),按照GB 5763 —2008標(biāo)準(zhǔn)測試材料的摩擦磨損性能,試樣尺寸為25 mm×25 mm×5 mm,壓力為0.98 MPa,圓盤轉(zhuǎn)速500 r/min,分別測試100、150、200、250、300和350 ℃下圓盤旋轉(zhuǎn)5 000 r的升溫摩擦系數(shù)和磨損率,然后從300 ℃分別降溫至250、200、150和100 ℃,在每個溫度點(diǎn)圓盤轉(zhuǎn)動1 500 r測定摩擦材料的降溫摩擦系數(shù)。對偶材質(zhì)為HT250灰鑄鐵,珠光體組織,硬度為HB180~220。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 密度

        不同w(石墨)的摩擦材料樣品的密度變化圖見圖1。

        w(石墨)/%圖1 w(石墨)對ρ(材料)的影響

        由圖1可看出,未添加石墨的摩擦材料樣品密度最大,其值為2.36 g/cm3。隨著石墨的加入,摩擦材料的密度逐漸降低。當(dāng)w(石墨)=10%時,摩擦材料密度最小,其值為2.28 g/cm3。摩擦材料密度降低的原因可歸結(jié)為相對于石灰石的密度(2.65~2.8[10]),石墨的密度較小(2.1~2.3),在配方設(shè)計中隨w(石墨)的增多,w(石灰石)降低,因此采用相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨取代石灰石,材料的密度會降低。進(jìn)一步分析表明,當(dāng)w(石墨)=6%時,摩擦材料的密度較大幅度降低,原因是由于石墨粉具有層片狀結(jié)構(gòu),當(dāng)w(石墨)較多時,大量的石墨片容易搭橋,導(dǎo)致熱壓成型時致密化困難,從而在材料內(nèi)部殘留較多孔隙。綜合分析摩擦材料使用時的舒適型要求,3#試樣密度值較為合適。

        2.2 沖擊強(qiáng)度

        不同w(石墨)的摩擦材料樣品沖擊強(qiáng)度的變化圖見圖2。

        w(石墨)/%圖2 w(石墨)對沖擊強(qiáng)度的影響

        由圖2可看出,隨著w(石墨)的增加,摩擦材料樣品的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)w(石墨)=4%時,摩擦材料樣品的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值4.35 kJ/m2,其數(shù)值明顯高于GB5765—86規(guī)定的摩擦材料的沖擊強(qiáng)度應(yīng)大于2.94 kJ/m2的要求。沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)最大值的原因可歸結(jié)為由于石墨粉的二維層片狀結(jié)構(gòu)所決定。當(dāng)石墨與增強(qiáng)纖維形成復(fù)合增強(qiáng)體系時,由于各增強(qiáng)體之間結(jié)構(gòu)和尺寸的差異使摩擦材料的互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng),從而使3#試樣在沖擊斷裂時能呈現(xiàn)較高的韌性[11]。

        為了進(jìn)一步分析摩擦材料樣品高沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生的原因,給出了3#樣品的沖擊斷口形貌圖,見圖3。

        圖3 w(石墨)=4%的3#試樣斷口形貌

        由圖3可看出,材料斷裂表面凹凸不平,石墨片與纖維交替拔出,表明斷裂過程吸收的能量增多,因此斷裂強(qiáng)度較高。對比圖2中結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)w(石墨)>4%時,隨石墨含量的增加摩擦材料的沖擊強(qiáng)度減小,這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因仍然與石墨的層片狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)w(石墨)較多時,材料內(nèi)部產(chǎn)生的搭橋現(xiàn)象越明顯,相應(yīng)的材料中孔隙增多,從而使材料的致密度和沖擊強(qiáng)度下降[12]。

        2.3 摩擦磨損性能

        2.3.1 升溫降溫摩擦系數(shù)

        不同w(石墨)的摩擦材料樣品的摩擦系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系圖見圖4。

        t/℃圖4 w(石墨)對升溫摩擦系數(shù)曲線的影響

        由圖4可看出,隨著溫度的升高,各試樣的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在200~250 ℃分別達(dá)到最大值。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),1#試樣的摩擦性能在200 ℃以下較好,超過200 ℃材料的摩擦系數(shù)迅速下降,表明材料發(fā)生了高溫摩擦性能衰退行為。而加有石墨粉的2#~6#試樣在250 ℃之后摩擦系數(shù)均遠(yuǎn)高于1#試樣,說明石墨粉可以明顯改善材料的高溫摩擦性能衰退現(xiàn)象,這和石墨的高溫黏著摩擦機(jī)理有直接關(guān)系[9]。對比2#~6#試樣可知,當(dāng)w(石墨)較少時,隨w(石墨)的增多材料的摩擦性能增強(qiáng),當(dāng)w(石墨)=4%材料的摩擦性能最好,能有效得保證高速重載情況下的剎車效率和可靠性。而當(dāng)w(石墨)>4%,隨著w(石墨)的增多,材料的摩擦性能下降,高溫階段下降尤其明顯。摩擦系數(shù)的變化與石墨結(jié)構(gòu)有關(guān)系,當(dāng)w(石墨)=4%時能夠部分覆蓋摩擦面,兼有粘著摩擦和磨粒摩擦機(jī)理,摩擦系數(shù)最高。而w(石墨)進(jìn)一步增多時,摩擦過程中石墨片在外力作用下趨于平行于摩擦面,石墨顆粒在磨擦表面鋪展形成穩(wěn)定光滑的摩擦膜,此時以黏著摩擦為主,所以,摩擦系數(shù)也相應(yīng)降低。

        2.3.2 磨損率

        摩擦材料的磨損率是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),磨損率越低,剎車片使用壽命越長。為了進(jìn)一步分析石墨含量對磨損率的影響,給出了不同石墨含量的摩擦材料樣品的磨損率隨溫度變化的曲線圖,見圖5。

        t/℃圖5 w(石墨)對各溫度下磨損率的影響

        由圖5可看出,在100~250 ℃各摩擦材料試樣均具有較小的磨損率。隨著溫度的繼續(xù)升高,磨損率數(shù)值出現(xiàn)了較大的差異,尤其是300 ℃和350 ℃高溫下這種分化更加明顯。從300 ℃和350 ℃時的磨損率可看出,不含石墨的摩擦材料樣品高溫磨損率最高,隨著w(石墨)的增多,磨損率逐漸降低,當(dāng)w(石墨)=10%時磨損率達(dá)到最低值,其數(shù)值和低溫下的磨損率基本相接近,表明其耐磨性最為優(yōu)良。此外,從圖5中還可看出,w(石墨)=6%的4#試樣在350 ℃下的磨損率不足1#試樣磨損率的一半,而w(石墨)=10%的6#試樣在350 ℃下的磨損率僅為1#試樣的五分之一,說明當(dāng)石墨粉可以有效降低摩擦材料的高溫磨損率,從而提高提高材料的耐磨性。如前所述,摩擦表面的片層石墨粉在制動時會平行摩擦表面分布,當(dāng)w(石墨)較多時會形成穩(wěn)定的摩擦膜,而且石墨會以涂抹的方式使對偶表面也分布滿石墨層,摩擦材料與對偶材料的磨損實質(zhì)為石墨片之間的磨損,磨損程度非常輕微,磨損率很低[13]。與國家標(biāo)準(zhǔn)對比可知,在所有實驗溫度下磨損率均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

        3 結(jié) 論

        采用熱壓固化法制備了不同w(石墨)的NAO摩擦材料,研究了w(石墨)對材料物理性能、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明,w(石墨)對摩擦材料的低溫摩擦系數(shù)影響較小,對高溫摩擦因數(shù)的影響較為明顯。當(dāng)w(石墨)=4%時可以有效改善摩擦材料樣品的密度、沖擊強(qiáng)度、高溫摩擦因數(shù)和高溫抗磨損性能。

        參 考 文 獻(xiàn):

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