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1、 4 _ s U R!c ET E C H N O L V 叭 !。!毒 技 术 1。9 1 年 第 如 孝 翌 新型碳基摩擦材料的研制 西南技术工程斫究所 段 渝秦采锋 于川江 擅薹介 绍新 型湿式碳基摩擦材料配方筛选，工艺试验、性能 测 试的研制 过程，并对该研制材料的装车试验及推广应用情况作出了详细的叙述 1 前 言 美词摩擦材料摩擦试验 石墨一树脂 离合器 碳基(亦 称石墨一 树 脂基)摩擦 材 料 是 国外七 十年代 初成熟 发展起来并已商品化的 一种新 型湿式摩擦 材料，大 量 应 用 于重 负 荷，高转速，高 比压工况条件下的离合器摩 擦片上。在一 定工 况条件下，与铜基、铁 基
2、 粉末 冶金，纸 基等 有机摩擦材料相 比，具 有 更 优 良的摩擦特性。其 材料 与产 品属 国外 专 利，只有外国少数公司能够 生产。我 国近十 年来 引进 了大 量重 载矿用汽车及高功率变速 使用 的都 是碳 基材料摩擦片。国家每 年都要 箱花 费大 量外汇进 口备件。2 摩擦材料的作用和要求 摩擦 材料也称为摩 阻材料，主要作用 是 增大相对滑动构件之间的摩擦系数，从而达 到制动和传 递矩 目的。目前大 功率传 动变速 箱大 都采用摩 擦离 台器，离合器摩擦片是关键的功能性部件。离台器摩擦 片是 由钢 芯板 与表面衬层摩擦 材 料组成。摩 擦材料的摩擦性能 优劣 直接关系 到离合器 的
3、性能。离合器通过 活塞产 生的压力 使 主、被动 离台器摩 擦片之间产 生滑磨 与摩擦，最后达 到接台，实现功率传递，离合器 的摩擦力矩 就是厦 动机输出或工作机 输入 需要 的力矩 离合器摩擦 片在接台过 程中，要 经受 冲 击、压缩、剪切 等多种 应力的交替作用。因 此 摩擦材料提 出非常苛 刻的要 求。2 1 动摩 擦系 数高 而稳定 摩擦 材料 的动摩擦系数通常 随条件变 化 时将产 生差异，当压力、速 度、温 度 变 化 时，摩擦系数有所波动。碳基 摩擦材料在温 式工况条件 下的动摩擦系数为0 O 9 0 1 2，在高 比压、重负荷、高转速 工况条件 下，表现 了良好 的摩擦系数平
4、稳性，特 别是存线速度 超过3 0 m，$-i 后，动摩擦系数仍 稳 定在O 0 8 上。而常用 的铜基粉末冶金摩擦材料，在 此工况条件下仅 有O O 4 左右。2 2 静 动摩擦系数 比值 尽可 能接 近于1。静 功摩擦系数 比值反 映 了离台 器 接 台 平柔性和冲击力的大小。其比值越接近于1，离合器接合时产生的冲击力越小，接台越平 稳，铜基粉末冶金摩擦材 料的静 动摩擦系数 比值为1 9 2 ，碳基摩擦材料一 般小 于1 5。2 3良好 的耐热性能 摩擦材 料在接合过程中，将产 生较 多的 温度，如果材料基体 自身热分 解 温 度 低，热传导性能差，热容量小，摩擦特性也随之 恶化，因 此
5、，一 种优 良的摩擦材 料，应 该有 1 g 9 o 年9 月1 T 收到 裴 面 按 辱 维普资讯 http:/ 垦 榆秦等 新型碳 基 譬警材 矸 0 良好 的摩擦热 稳定性。碳基 摩擦材料热分 解 温度达3 0 0 多度，能 够承 受高 速 措 磨时产 生 的高温，而 且即使在润滑油流量很小的情况 下正 常工作。2 4 优 良的功能 吸收能 力 摩擦材料 在摩擦过程 中，要吸 收很高的 能量，其 吸收能量 容量越大 离台器传递功 率越大。据测试铜 基粉 末冶金摩擦材料 与碳 基摩擦材料，当滑磨功 较小时前者允许传 递功率不 超过2 3 1 2 2 W c m 后者 允许传 递 功率可达3
6、 4 6 8 4 W c r a。2 5机械性能 良好 摩擦材料 是用 烧结、粘接等不同的工艺 方法 咕附于钢芯板上的，因 此要 求材料 自身 具有较高 的抗冲击、剪切、粘着等机械 性能。2 6耐摩 损性能 耐摩损性能直接关系 到摩擦材料 的使用 寿命，在湿式条件下，一 般要求 摩擦材料的 磨 耗率小 于l 0-7 mi l l J。5 碳基摩擦材料的研制 3 1 试 验 方法 的 确 定 由于碳基摩擦材 料属于国外 专利，国内 只有少量报道，配方及工 艺资料基本无 法收 集。为 了摸清碳基摩擦材料 的性能 指标和使 用 工况，我们多次 J 有关单 位调研，进行 寓 合 器剖部分析，分 析各档
7、位摩擦片数量，传 动 比、工 作油 压、油 温、扭矩输入(出)等 工况条件。在掌握了这些数据后，参照国内 外 有关试验 规范，将取得的美国碳基摩擦材 料制 成多种试 样，在不 同试 验 机 上 反 复试 验，并 与国外 有关 碳基 摩擦材料试 验曲线进 行对 比编制 了Q C FJ 2 0 1-8 9湿式 碳基 摩 擦材料性能测 定法 和一系 列材料机 械物理 性能测试 方法，确 定以MM 1 0 0 0型 摩 擦材 料试 验机 作为主要摩擦性能 劂试 设备。3 2配 方筛 选 及选 材 依 据 3 2 1 基体 组元的筛选 摩擦材 料的强度，热 传导 性、耐油 性、耐 磨 损性和 摩擦特性，
8、在很大 程度上要取决 于 基本 组元的组 织结构，物理 化学性质，作 为 工作 面的基体 在摩擦 时发生形变 及磨 损产 物 的生成，势必造成进一 步的破 坏。此外 还要 将吸收大 量热 能迅速传递出 去。由于基体 组 元是靠有机 粘接剂 粘台在一 起，要求 与其 它 组 元 有 良好 的亲 台 性 我们 对进 口碳基摩擦材 料 进 行 了 X衍 射，金相 显微镜，电子扫 描微镜分析，断定 碳基摩擦材 料的基体 组元为碳素类物质。碳素类物质 国 内我们了解 的 就 有 数 十 种，哪一种才能 适台作为 碳基 材料的基质组 元呢?我们 采用x衍 射仪对每个物理机 械性 能 优 良的碳素类物质进
9、了 结 晶 度、择优趋 向、晶粒形状、硬度、熔点 等项 目的分析 比 较，然后分组制成试样，进行同工况条件下 的摩擦试 验，将测得的数据绘 出曲线 进行择 优选 择。最后确定 以代号为 C 的 碳 素类物 质 作为 基本组元，圈 l为 电子扫描显微镜通 过背反射 获得 的美国DP 一 8 9 6 1 和 我 所 TMs 一2 碳基 摩擦材料组织结构照片。我 们选 用的 碳素类 物质 c”，经 测试 和 使用证明，具 有 良好 的 自润滑和抗磨 损性 能 和 很高 的机械 性能。在 多种 比压和速 度条件 下，摩擦系数高而平稳，而且熔点和导热系 数大 于铸铁，钢和铅，其 比热和线膨 胀系数 高，
10、是一 种理想的摩擦材 料。3 2 2粘接剂的选 择 与合成 碳基摩擦材 料主要靠 有机 粘接 剂强化 粘接剂 的特 性决 定 了成型工艺，材料强度，吸油率，耐磨性，耐油性 和 耐热性 能。碳基材 料要 在 比 压 为3 8 MP a，线速 度 为4 0 m s：Z况 条件 下工 作，在 离 台 器接台 时 材 料要经受极大 的应 力作用，瞬时摩擦表面 温 度 超过 3 0 0 。对于粘接剂的选择和合 成 我 们 主要考 虑 了以下几个 方面：耐高温 热分解 温度大 于3 0 0 耐大气老化，要求能够在一般存放 条件下，五年时间内，机械强度不发生明显 一 一 维普资讯 http:/|6 s u
11、R FA C E T E C 9 9 Y V o 1 2 0 1 2 1 9 9 1 表 面 技 术 l 的 1 年 第 2 0 卷 第 2 期 体螽 要 喾 爱 秦 孟 捍 臻 熙 嚣 i 耨 基 体 组 织 背 反 射 照 片 3 0 k V 0 、三 一 基 体 苎 构 30 k V i 0 00 I鼍 l 碳 基摩 擦 材料组 织结 构 变 化。耐油性能优 良，可 以 在 1 2 0 油温 件 下长 期工 作丽不失效。粘结性能优 良，在摩擦片使 用过 程 中，摩擦层 不能 发生龟裂，脱 层、掉 块现象。工艺性能 良好：压制 时不放 出低分 子物质，不产 生气泡，便于脱模，配制工 艺简
12、单易行，操作施工方便，便于流水线生产操作。通过 划选 择和 合成 的有机粘接剂用红外 光谱，差 热分析进行 TDA 等的测定，从 而 判断有机成分的熔点，结晶结构的转移 点，沸点，升华点，脱水反 应，分解反应的 温度 以及热稳定性。研制 出 6 0 6 1 8 6 l 0 几 种有 机 粘接剂，其中作 为 基 体 结 构 粘 接 荆的 8 6 l O”的TDA曲线 与进口材 料 粘接剂样 品的曲线极其 相似，热分 解温度 r值 甚至比 进 口材 料样品 高1 0，说明研制 的粘 接剂 耐 热性能具有相当水平。3 2 3摩 擦 调整 剂 的 选 择 摩擦调整剂 的作 用，主要 是使 摩擦材料 具
13、 有确定 的摩擦系数，作 为粉 末冶金 唪擦材 利傅用 的摩擦 调整剂 名 目繁多，主要是天然 矿 石，金属氧 化化，碳化物等，但 是碳基摩 擦材料 由于其特 性，对摩擦调 整剂具有特 殊 的要求，经过多次试 验，我们确定 了选材依 据为 物理 性能优 良，具有高 的熔 点和 离解 热|足够的机械强度，适宦的硬度I不 产 生晶型转 变，良好 的相容性和分 散性，对配偶件 擦伤尽可能小 3 3工 艺研 究 碳 基摩擦材 料的主要 成 分 是 碳 索类物 质、粘接 剂、增 塑 剂、抗 氧 化 剂，摩 擦 调 整 剂、填 料等级元。摩擦材 料的优 良摩 擦特性 和热稳定性，不但取决 于成 伤原料 的
14、选择和 配 L t，也取决 于其工 艺制造 方法。碳基摩擦材料的制职工艺研究，主要 是 对混粉方法与选用设备、混粉单重，制粒方 法、制粒 粒度、干 燥程度、成型模具、成型 加科方式、成 型压 力模 压 比 重，压 制 温 度、时 间、钢 芯 板 前处 理 后 处 理、精 加 工 工 艺等工 序和工 艺参数 进行 研究。经 多次试 验最后确 定 了代号为“TMS 一 2”的碳基 摩 擦 材料的工艺方法，表1 是。TMS 一 2”碳 基摩擦 材料的机械物理性 能。4 性能试 验 4 1 试 验方法、设备、试样 4 1 1 试 验方法：按Q C FJ 2 0 1-8 9 执行。4 1 2 试验设备：
15、改 进了的MM 1 0 0 0 型 摩 擦材料试 验机。4 1 3 试 祥规格：试 样见 图2 试 样 油机：宝石花 型，硬度 HB l 1 对偶材料：6 5 Mh l 硬 度HRC 3 8 4 2 试 验 数 据 4 2 1 静摩擦系数 按Q CFJ 2 o 卜8 9 标 准，静摩 擦系 数是在 润滑油温T=6 0，油量Q=s ml m mi n 比 压P 为别为1 3 0 MP a，1 5 0 MP a，2 5 MP a，l l 移 7 f 电 维普资讯 http:/ 试验 项 目 密 硬 度 抗拉 强度 抗压 强度 剪 切 强度 吸 油 章 段渝秦等新型碳基摩擦材料的拜制 裹 1 TM$
16、一 2 符 号 单 位 P g c m3 HB kg f mm3 0 b M Pa c M Pa d j M P a 一 嘶 数 值 13 一I9 1 1 2 5 4 O 5 5 5 试验方法 Q CFG 0 6 8 9 Q CFG l o 一8 0 Q CFG 1 0 8 一 0 Q CFG i o 一8 9 Q CF G 1 o 6 8 0 Q CF G1 0 B 一8 9 图 2 试 样 图 2 7 0 M Pa，29 0 MP a，工况 条件下，对试验机 主轴施加切向 力，测得试 样与对偶发 生相 对 滑 动时 力矩 临界点取 得的。具体 数据 见表2。4 2 2动摩 擦系 数 动摩擦
17、系数测试条件为；油温T=8 0，油 量 a=8 ml c mZ mi n，比压 P=1 3 0 MP a，1 5 M Pa 18 0 MPa,20 0 M Pa 27 0 M Pa，2 9 0 MP a，线速 度 V=8 m s，l 0 m s，1 3 m s，l 5 m s，l 8 m s。表 3 4是试 验 测得 的,t d P 值 和u d v 值。囊2 e J-p 黄慕 4 2 3耐 热 系数 耐热 系数的 测定 是对材料单位摩擦功，单 位摩擦 率的测定，以确定材 料功 能许 多极 限，判断材料热 负荷 性能。42 3 1 试验 条件 油 温 T=6 0 油 量 a=8 m c m。r
18、ai n 惯 量I=0 3 k g t r t 比 压P-2 9 Mp a 线速度；1 5 m S 一 接台 时间T；1 2 s 4 2 3 2 试 验 结 果 最大单 位摩擦力：Ne ma x=2 3 2 1 2 J c ma 最大单 位摩擦功 率：Wma x=3 3 1$5 W Cmg 耐热 累致；q=7 7 0 3 0 4 2 4 磨 耗 率 经数轮试 验，测得“TMS 一 2 碳基 摩擦 材料磨 耗 率：K 一6 0 2 l 0-8 c m。J 4 3 TMS 一 2”碳基摩擦材料 与国外 同类材 料摩擦性能 的对 比。为 了正确评价“TMs 一 2”碳基摩擦材料 的性能，使用美 国
19、同类材料(美国阿里逊公 司生产 的DP 一 8 9 6 l 变速箱 离台 器片碳基摩擦 材料)进行 同工 况条件下的 摩擦试 验。测得 的各项 性能 指标 对 比数据 见表6 对比数据表明，TMS 一 2 碳基摩擦材料 的 研制 工作具有相 当的水平，材 料的 各项 性能 指标 达到 了国外 同类材料 水平。5 装车试 验和推广应用 5 1 装车试验 维普资讯 http:/ 1 8 SURFACE TECHNOLOGY Vo 1 2 0 81 2 1 9 9 1 表面技术 1 9 9 1 年第2 0 卷第2 期 寰5 u d-P 美摹 一 l 6 m s 囊 u d v 美熏 P一1 6 MP
20、 a 试样编号 V(m s)囊5 TM S-2 与D P-B ll B l 的懂t对比 为了考核T MS _ 2 碳基摩擦材料 实 际 使 用情 况和 可靠性，必须 进行 装车试验。1 9 8 7 年 8月，我们在武汉钢 铁公司、大 冶铁矿进行 了碳基材料摩擦片 的装车试验，具体试 验情况如下：5 1 1 试 验有关 设备 参数 l l 车型：美国豪佩克5 0 B 矿 用汽车 载重 量：4 5 3 O t 自重 量：3 5 0 3 6 t 配备动力：康 明斯VT-1 7 1 0 6 3 5 柴油发动机 飞轮马力：6 0 0 HP(4 4 3 k W)2 1 0 0 r ml n l 5 0 0
21、 r mi n 最大 输出扭矩；2 3 6 9 N 1 2 1 。变速器 型号：阿里逊CL BT 6 0 6 I 锁定型变扭器型号：阿里逊CT 6 8 0 变 速器速 比：四个前进档分 别为。I，4：1 I，2 6 8 1，I，2 0 1 一 l，1 3 5：1，V，1 0 0：l 倒档为；5 1 2 l l 5 1 2 试 验 场 地 大 冶铁 矿为深 陷开 采，汽车运输线路为 二级砂石路面，坡度大，平均坡度6 嘶(最大 8 嘶)平均远距2 7 公里 车辆运行期间起步 换档频繁，工作条件 较为 恶劣。1 3 试 验 情况：装车试 验片_共2 O 付，于 1 9 8 7 年6 月 5 日 首先
22、 在矿 自编 号5 5 车变速器中安装试 验 后 因其它故 障拆开检修，经试 验现 场技 术人员 鉴定，试 验用 TMS 一 碳基摩 擦片性能 良 好，工作正常，没有 任 何不 良现 象，满足变 速 器的各项技术指标。随后 又 在5 5 车六个 档位中 与美国原装碳基摩擦片j 民装，进行 两 种材料 性能 对比试验。同时又 先 后在5 l 、5 2 、5 6。、6 6 等车辆上装 用了试验片，经过 一段 时间的考核 使用，没 有发 现试 验片有任 何 不良损坏和早 期磨 损现象。至 1 9 8 8 年4,q，对试 验用变速 器维修 拆检，作 了“TMS 一 2”与美国原装碳基 材料 摩擦 片的
23、磨损量对比检 测，证明在3 0 0 0 小 时内，两种摩擦片状态参 维普资讯 http:/ 段 瀹 秦 等 里 宴 警材 0 一 数基本一 致 此时试验车辆工作 时间已 超过 8 0 0 0 小 时，工作行程达4 5 万公里，达 到车辆 使 用维 护的_；=极保养 期，试验取得 了极大成 功。试 验表明：“TMS 一 2 碳基 材料摩擦 片，综台性能 良好，工作可 靠，各项 性能指标迭 到了国外同类产品的水平，可以替代进口产 品。5 2 推 广 应 用 从 l 9 8 8 年起，我所“TMS-2 碳基 材料 摩 擦片投入 试生产 和批量 生产，先后在 武汉 钢铁 公司、鞍 山锕铁公 司、马鞍
24、山钢铁 公司、攀枝 花钢铁公司 等国内近十 家 企 业 推广使 用。到 目前为止，累计提供“TMS 一 2”碳基 摩 擦片和 对偶片 数千 套，取 得 了可喜 的成绩 据用户单位提供的数据：1 9 8 8 年，大冶 铁矿全部l 5 台WAB C 0 O B 矿用汽 车，停止 进口使用美国碳基材料 摩 擦 片，垒 部采用“TMS 一 2”碳基材料摩擦片。共完成矿岩运 量5 2 2 9 9 6 9 万吨，平 均单 台运 量8 4 8 6 6 万 吨 在 此期 间，该矿将“TMS 一 2”碳基材料摩擦 片用于车辆大修 及矿 区维修 点，共 计 检 修 C LB T6 0 6 1 型变速 器3 6 台
25、次，保证 了生产 运 输任 务的顺利完成。1 9 8 9 年，鞍钢矿 山公司开始在意大利产 DP6 5 5 重 型矿用汽 车变速 器上使用 TMS-2-碳基材料 摩擦片，至今年6 月 份，实际 生产 运 行2 5 0 0 小 时，没 有发现任 何质量 问题，汽车 工作状况正常，满足 了汽 车摩擦片检修 替换 的需要。该公司认为“该 号产 品可 以替 代 进 口备件使 用。目前“TMS 一 2”碳基材 科摩擦 片已 经在 国内许多企业的进 口矿用汽车，如：W B CO 5 0 B，DF6 5 5，特 雷克斯8 3-0 7 上推广应用。用户单 位反 映 良好，取得 了较大 的经济 效益 和社会 效
26、益。大 冶铁矿统计表明：“自改 用 TMS 一 2 碳 基材 料摩擦片和对 偶片，每 年既节省5 9 7 万美元外i 亡，又 及时满足设备检修 之需”。具有 明显 的经济效益 和社会效益，改变 了该 配件 长期依赖进 口的局面，为进 口汽 车零备 件替代进口，创出了新路子。该项技术和产 品 曾被推荐为国防科工委 1 O 0 项 高 科 技项 目 之一，被机电部批准为进口替代产品(机电 科 1 9 8 9，1 8 5 8 号文“关于公布第 二十 批推 荐 替代进口产品的通知。)6结语 TMS 一 2”碳基摩擦材料 的研制成功和 推广应用，开辟 了我国湿式 摩擦材料 研究和 生产应用 的新的技术领
27、域，对我 国军、零用 重 型车辆传 动装置 的研究与开发提供 了一 种 新的材料和接术途 径。对于我国进 口车辆零 备件 的替代进口工作做出了贡献，具有较大 的社会、经济 效益。De v e l o p me nt o f A Ne w Ty p e o f Ca r b o n-b a s e d 、，-F r i c t i o n M a t e r i a l s Du a n Yu q l n，Li a n g F e n g a n d Yu Ch u a n j i n n g 。(S o u t h we g t T e c h n i q u e En g i n e e r
28、 i n#I n s t i t u t e)Tl i s p a p e r i n t r o d u c e s a n e 可 p e o f we t c a r b o n-b a s e d f r i e t i o n ma t e r i a 1 s f o r i t s c。mp o i t l。n r e e n i n g，p r o c e s s t e s t i ng a nd pe r f 0 r man c e t e s t i n gI t a l s o d e s c r i b e s t h e p r a c t i c a l s e r v i c e t e s t i n g a s w e l l a s i t s e x p a n d i n a b p l i c t i o s i n d e t a i l 。r L Ke y wo r d f r i c t t o ma c,e r l a l$，f r i c t i o n t e s t i n g，g r a p I i t c r e s i n-c l u t c h 维普资讯 http:/