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1、摩擦材料学术交流会论文 1 摩擦控制添加剂在摩擦材料中的运用 上海中润汽车制动器有限公司上海中润汽车制动器有限公司 徐仁泉徐仁泉 随着汽车工业的迅速发展，对车辆行车制动的安全性和舒适性的要求越来越高。摩擦材料对车辆的安全性和舒适性有非常大的影响，因此要求摩擦材料要具有稳定的摩擦系数，其中包刮摩擦系数对压力,速度和温度的稳定性。盘式刹车片在制动时油压可高达 100Mpa，在不同的压力下制动，要求有一致的摩擦系数。摩擦系数对速度的稳定性，汽车在高速公路行驶时，其制动速度高达 225 公里/小时，速度增加时摩擦系数容易降低，因此，只有对速度的敏感性小，才能保证高速制动时有足够的摩擦力矩和保证在制动过
2、程的平稳，减少制动时的震动（JUDDER）和噪音（NOISE）。摩擦系数对温度的稳定性，由于频繁的连续制动，其刹车鼓表面恒定温度高达 700 度，许多大的摩擦材料公司都用台架试验制动时刹车鼓变为红色的图片作为其技术水平高的象征。以宣传其刹车片高温时的制动性能和摩擦材料的耐温性。在这样高的温度下，摩擦材料和摩擦对偶表面都会发生比较大的变化，保证在高温下有足够的制动力矩和耐磨性同时对对偶的磨损比较小是高质量的摩擦材料必须具备的特性。另一方面,由于车辆的增加,高速公路的大量建成。车辆的噪音和摩擦粉尘严重污染环境，高速制动时的摩擦稳定性和震动对安全也有非常重要的影响。摩擦控制添加剂在现代摩擦材料中为改
3、善摩擦材料的上述性能在各种温度下提供一致的摩擦系数，降低制动噪音和震动，减少摩擦材料摩擦系数的热衰退和速度衰退,减少刹车片和对偶摩擦盘的磨损起到很好的促进作用，近十年来，摩擦控制添加剂的使用迅速发展。可谓异军突起。几乎欧美等各国的摩擦材料制造商都广泛使用。大的公司用量在百吨以上，是制造现代摩擦材料中特别重要的原料之一，特别是负荷较重的盘式刹车片.。摩擦控制添加剂在欧洲称为（LUBOLID）由道康宁公司（DOW CORNING）生产。其主要组分为活性石墨，金属硫化物，卤化物，磷酸盐等混合物组成的复合固体润滑剂。试验部分：试验用具有代表性的盘式刹车片对比样品来源于市场的盘式刹车片。一：基本配比和工
4、艺 1：用摩擦控制添加剂的-盘式刹车片基本配比如下：各种纤维：10-30%金属的卤化物 5-10%黏合剂 4-8%高碳材料 5-30 摩擦控制添加剂 3-8%其他 适量 2：基本工艺如下：混料-压制-热处理-磨加工。三：试验结果和讨论：1：按照国家标准 GB5763-1998 的试验结果见图 1 和图 2 2：按照欧洲摩擦材料协会的标准 AK TEST 1与用 1#样品(加入摩擦稳定添加剂)市售的 OES 的 2#样品在台架试验机摩擦特性的试验结果比较见图 2 3。试制的样品物理性能见表 1，台架的磨损结果见表 2 表 1：试验样品的物理性能 密度 DENSITY g/cm3 2.4 气孔率%
5、PROCITY 15 硬度 HARDNESS(HRR)75 摩擦材料学术交流会论文 2 表 2：台架试验磨损结果 pad wear（mm）disc wear（mm）pad wear（g）disc wear（g）1#0.45 0.026 9.2 5.8 2#1.1 0.04 18.1 10.5 3：试验结果讨论：从试验结果看，使用摩擦控制添加剂以改善摩擦磨损性能，从各种试验的结果看，其摩擦性能都比较稳定。众所周知，有机黏合剂在高温时由于有机物的分解容易产生液体或气体，使摩擦材料在高温时产生热衰退，高温分解，燃烧，会使摩擦材料的磨损急剧增加，同时，使材料的摩擦性能不稳定，如果较大地减少有机黏合剂用
6、量，其高温磨损会更大或使摩擦材料失效。由于摩擦控制添加剂的由耐温大于 500 度的不同熔点的材料组成，当摩擦材料使用到达这一温度时，有机黏合剂已经开始分解和失效，或者由于有机图 2含 有 摩 擦 稳 定 添 加 剂 的 样 品 和 国 内 OES样 品 台 架 试 验 制 动 效 能 的 比 较THE DYNO TEST OF BRAKI NG EFFECTIVEN ESS COMPARE W ITH LUBLOD AN D OES00.10.20.30.40.50.64.14.24.34.44.5671112.112.2效 能 编 号摩擦系数FRICTION COEFFICIENT含 有 摩
7、 擦 稳 定 添 加 剂 润 滑 剂OES制 动 效 能 编 号 说 明4。1 40km/h 4。2 80-40 km/h4。3 120-80km/h 4。4 160-1 30km/h4。5 180-150km/h 6。冷 摩 擦 40km/h7。高 速 制 动 200 km/h 11。一 次 衰 退 后 80-30km/h12。1 升 温 效 能 100-500度 80-30/km/h12。2高 温 效 能 500度 80-30 km/h效 能 试 验 条 件：制 动 压 力 10-90bar图1加入摩擦稳定添加剂的材料的定速(GB 5763-1998)试验结果00.10.20.30.40.
8、5100150200250300350平均磨损2摩擦盘表面恒定温度摩擦系数00.10.20.30.40.5体积磨损率10-7C和重量磨损克LB1体积磨损率LB1重量磨损（克LB1升温LB1恢复摩擦材料学术交流会论文 3 黏合剂高温的炭化使摩擦性能发生异常，摩擦控制添加剂恰好能弥补这一不足，起到了保护材料和润滑摩擦调整剂的作用。由于部分高温易熔硫化物和氟化物的加入保证了重负荷摩擦材料的最重要的温度区间的摩擦磨损性能。因此，摩擦控制添加剂中的金属硫化物和氟化物和熔点低的软金属，能在高温时起到无机黏结作用，这类无机黏合剂的加入改善了摩擦材料的高温磨损。同时也稳定了摩擦系数。见图 3 由于摩擦控制添加
9、剂中的金属卤化物硫化物在高温时与其他材料如碳产生置换反应，以及在高温时分解的游离硫还能和摩擦材料中的其他金属反应产生新的金属硫化物，如硫化铜，硫化铁，这类硫化物产生表面转移减少摩擦副磨损的作用2。摩擦控制添加剂能减少静摩擦与动摩擦之间的差异得以极大降低.图 4 是比较的结果。由于摩擦系数稳定，刹车噪声降低或消除.而摩擦水准不应因添加剂加入而降低，而是稳定在所要求的水准.要求设计不影响摩擦水准,而能消除静摩擦与动摩擦之间差异的特殊添加剂.这些添加剂被发现能降低或消除刹车噪声.同时,摩擦稳定,波动消除.震颤有时来源于向刹车盘表面转移的材质形成厚碎屑.必须选择能形成薄的均运的转移膜并能防止厚碎屑形成
10、的添加剂.摩擦控制添加剂有助于在摩擦材料表面和对偶表面同时生成转移膜，这需要化学家的许多技术已在高水准下保持摩擦,而不增加磨损率.还需要鉴别能导致在材质表面的抗磨损的摩擦层和形成薄的完整的转移层的特殊添加剂.粘接良好的转移层防止金属表面免受磨损.图 5 是制动时形成表面转移膜的照片，摩擦付两面都生成比较薄的转移膜的材料磨损比较低。图图 4:4:在连续刹车中制动装置的摩擦力记录在连续刹车中制动装置的摩擦力记录 上上：刹车片基质刹车片基质 下下:基质基质+添加剂添加剂 在摩擦材料制动时，摩擦控制添加剂和其他摩擦材料组分在摩擦过程中的陶瓷化，还产图 3:含 有 摩 擦 稳 定 添 加 剂 的 1#样
11、 和 2#样 品 市 售 O E S 台 架 衰 退 性 能 的 比 较(试验 条 件 速 度 1 0 0 k m/h,温 度 室 温 到 5 5 0 度(刹 车 前),制 动 减 速 度 4 0%gF A D E T E S T C O M P A R E 1#(C O N T A I N L U B L O D)A N D 2#(O E S)00.10.20.30.40.50.61234567891 01 11 21 31 41 5制 动 次 数(B R A K I N G T I M E)摩擦系数摩擦系数1#F A D E 12#F A D E 11#F A D E 22#F A D E
12、 2摩擦材料学术交流会论文 4 生转移，生产转移膜，同时摩擦材料自身产生自增强作用，保证摩擦材料在工作中有足够的强度，硬度等物理性能，能防止在高温时材料氧化，燃烧，保持摩擦材料的摩擦稳定性,和提高摩擦材料的抗烧蚀性能。能降低有机黏合剂在高温时的分解速度，提高材料 图图 5:在干滑动接触中在干滑动接触中,金属表面不同厚度的转移层的形成类型金属表面不同厚度的转移层的形成类型 的使用寿命。而摩擦添加剂中的低熔点材料，在制动过程中，和其他材料产生物理化学作用。以改善材料在高温时的摩擦磨损磨。在通常的情况下，摩擦材料的磨损随着温度的升高，按几何级数的比例增加，但从图 2 可以看到，加入摩擦控制添加剂的试
13、样高温时体积磨损和重量磨损都明显低于对比的刹车块，台架试验结果也相类似。我们也对国外一些高质量的样品进行试验，其结果也相似。在欧洲，几个著名的摩擦材料公司每年用量都很大，足以看出其在摩擦材料中调整摩擦的重要性。在摩擦材料的制动过程中刹车片剂刹车盘的疲劳寿命在过去的几年内,已得以改进.但摩擦系数已经提高到=0.5,这是由于添加了具有高摩擦的填充剂而取得的.这些填充剂与刹车盘摩擦,增加了磨损.摩擦控制添加剂的协同作用能降低磨损。协同作用的机理见图 6 图片另发 图图 6 固体润滑剂的协同作用效果固体润滑剂的协同作用效果 摩擦材料学术交流会论文 5 目前市售的 盘式刹车片大多为半金属的摩擦材料，为了
14、提高耐磨性一般树脂含量比较高，有的还加入大量的有色金属粉末如铜粉。以提高耐磨性，但树脂含量高会影响摩擦材料的高温性能，有色金属粉末价格昂贵。摩擦控制添加剂和其他金属硫化物，氟化物等的加入，可以明显减少有机黏合剂的用量。代替一部分昂贵的金属粉末。改善摩擦材料的高温摩擦磨损性能。这是其他一般的原料无法替代的。另一方面，摩擦制动的摩擦学实际上是一个表面问题.为了满足对高稳定摩擦,良好的舒适标准,低磨损率的摩擦学要求,需要形成摩擦层和对金属刹车盘具有优异粘附性的转移层.转移层和摩擦层内的粘合力应当比二者之间的粘附力强.但在二者之间还必须保持高水平的粘附力以保证高水平的摩擦.摩擦层和转移层的质量决定了摩
15、擦水平,摩擦稳定性,刹车的舒适性,刹车零件的磨损寿命.由于摩擦控制添加剂在制动过程中高温反应产物硬度都比较低，可以减少摩擦材料制动时的噪音和震动。低的噪音和震动都是现代摩擦材料的重要性能。摩擦材料的工作机理是一个非常复杂的物理化学过程，一个好的配方往往有许多种原料组成。开发和研究适合中国国情的摩擦材料原材料非常重要，近几年来，虽然国内已经有不少经营摩擦材料原材料的公司。但对于摩擦材料的开发人员，研究摩擦材料原料的机理，例如：研究摩擦材料在高温时的反应机理，高温时材料的表面烧结层，目前，陶瓷型增强摩擦材料以摩擦性能稳定，特别是国外摩擦性能，制动噪音小，耐磨性好，几个国外公司都在开发，采用摩擦控制
16、添加剂，硫化物，氟化物和其他易烧结的无机材料作为高温无机黏合剂和摩擦调整剂；从原材料方面保证摩擦材料具有合适的密度和气孔率以减少工作中的噪音和震动，特别是选好关键的原材料的定点是十分重要的。另一方面：在工艺上的多样化也很重要，例如研究冷压法3，等体积模压法，辊压法；根据特别需要二次加工的颗粒料等。以及专用的各种摩擦材料设备。有些关键的原材料往往在特定的工艺条件下才会起到特别的作用。四：结论：1：摩擦控制添加剂在摩擦材料中明显改善了高温摩擦磨损性能。是现代摩擦材料的重要原料之一。2：摩擦控制添加剂对降低噪音，震动和生成转移膜方面的作用，需要进一步试验研究。3：应进一步加强对摩擦材料摩擦机理，以及摩擦材料原材料工艺和装备的综合研究。参考 文献 1：AK-standard friction material EURO-SPEC2 1998 2 张宁等：低温离子渗硫层的摩擦学性能的研究摩擦学报 1999 第 4 期 3 徐仁泉：冷压盘式刹车片摩擦磨损性能的研究摩擦学报 1998（3）