重型汽車制動摩擦片的正交試驗與優(yōu)化設計＊

張寶玉 姚冠新

（1.江蘇大學；2.鹽城工學院）

1 前言

樹脂基纖維增強制動摩擦片具有優(yōu)異的摩擦磨損性能和低廉的價格，因而在重型汽車上得到了廣泛應用。但在實際應用中，樹脂基摩擦片存在較嚴重的熱衰退性，即當使用溫度超過250℃時磨損率會急劇增加，達到350℃以上時摩擦因數(shù)就會出現(xiàn)嚴重衰退[1～4]，因此限制了其在重型汽車上的應用。

針對樹脂基摩擦片的熱衰退問題，很多學者進行了相關研究[5～10]，本文將通過對粘結劑進行適當?shù)母男裕谜辉囼灧ǚ治隽死w維、樹脂和填料等引起樹脂基摩擦材料熱衰退性能的差異，并進行了配方優(yōu)化，以找到可適用于重型汽車工況的新型抗熱衰退制動摩擦片。

2 試驗材料與試驗工藝

試驗用摩擦片為含有16種成分的有機摩擦片（NAO），其成分見表1。基體采用研制的共混改性樹脂，該共混改性樹脂起始分解溫度為342℃，350℃時的熱失重僅為6.8%，500℃時的熱失重為24%，與未改性酚醛樹脂相比，起始分解溫度提高了41℃，失重率分別降低了0.7%和0.6%。

表1 摩擦片成分

制動摩擦片的生產(chǎn)工藝流程如下。

a.混料。按照配方中各物料的配比稱量物料后投入混料機中并充分攪拌，達到均勻混合后將得到的酚醛樹脂壓塑粉取出，然后放入試樣袋中并編號待用。

b.壓模預熱。酚醛樹脂壓塑粉的熱壓成型溫度為150～160℃。壓制前，先將壓模預熱到此溫度范圍。

c.壓制工藝條件。壓制溫度為160℃，壓制壓力為30 MPa，30 s后放氣1次，視情況可放氣2次，保溫保壓時間為60 s。

d.熱處理。先將經(jīng)壓制脫模制得的試樣放到烘箱中，當溫度升至130℃后保溫1 h；然后升溫至165℃后保溫1 h；再升溫至180℃保溫5 h；最后冷卻至室溫，并根據(jù)測試要求對試樣進行加工處理。

在平面直角坐標系中，圓C1：(x+1)2+(y-6)2=25，圓C2：(x-17)2+(y-30)2=r2.

3 正交試驗設計

3.1 試驗目的

正交試驗的目的是研究配方成分在高溫下對摩擦片熱衰退性能的影響，以及摩擦片在高溫下的摩擦磨損機理，以得到具有最佳抗熱衰退性能的配方。

3.2 確定試驗因數(shù)

根據(jù)配方，考察的因數(shù)為6種成分，每種成分都取2個水平，選用L16（215）的正交表較合適。因少量的芳綸漿粕就可導致摩擦材料的性能產(chǎn)生明顯差異，所以將其水平差異定為1%～3%，其它成分的水平差異定為4%～6%（質(zhì)量百分比）。表頭設計見表2，因素水平見表3。

表2 正交表表頭設計

表3 正交試驗的因素水平

3.3 性能測試

利用XD-MS定速式摩擦試驗機進行摩擦性能測試，樣品尺寸為25 mm×25 mm×6 mm，測試壓力為0.98 MPa。在升溫試驗中，在規(guī)定的溫度100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃下測量摩擦因數(shù)，然后降溫至100℃再分別測試各點的摩擦因數(shù)。

利用HR-150DT型洛氏硬度計測量試驗前試樣的硬度，每個試樣測試5點，取測試結果的平均值。利用組合式XJ-50Z型沖擊試驗機測試沖擊強度，試樣尺寸為55 mm×10 mm×6 mm，沖擊強度取3個試樣的平均值。利用JEOL-JXA-40A掃描電鏡（SEM）觀測試樣磨損后的表面微觀形貌。

4 試驗結果分析

4.1 力學性能分析

試樣沖擊強度和硬度測試結果見表4。

表4 試樣沖擊強度和硬度測試結果

由表4可知，試驗沖擊強度均能滿足GBn257—86和重汽規(guī)定的沖擊強度 （≥4.0 kJ/m2）要求。摩擦材料的沖擊性能與基體的柔韌性以及增強纖維的類型、含量、排列方式和界面性能等因素有關。該共混改性樹脂的柔韌性比純酚醛樹脂高，同時改性增大了分子鏈段運動位阻，因此保證了試樣的沖擊強度在合適范圍。該試驗中使用的芳綸漿粕具有高強度和高模量，因此保證了所研制的摩擦材料具有較高的強度。

4.2 摩擦磨損性能分析

1～16號配方的摩擦磨損性能測試結果見表5。表中平均摩擦因數(shù)為所測試各點摩擦因數(shù)的平均值；摩擦因數(shù)標準偏差 S=Sqrt[（∑（μi-μ）2/（N-1）]，反映的是數(shù)值相對于平均值的離散程度。

表5 摩擦磨損性能測試結果

表6 摩擦因數(shù)的極差分析

表7 350℃下磨損率的極差分析

由表6和表7可知，各列的極差是不同的，極差越大，說明此因素的水平改變對試驗指標的影響越大。極差最大的那一列表明該因素的水平改變對試驗指標的影響最大，該因素就是要考慮的主要因素。因數(shù)影響顯著性由大到小的排列見表8。

表8 各因素對試驗指標的影響顯著性

從正交試驗結果、方差分析結果及各因素對試驗指標的影響顯著性可知，因素C改變時對試驗平均摩擦因數(shù)的標準偏差的影響最大，因素F改變對350℃平均磨損率的標準偏差的影響最大。

通過以上分析可知，摩擦因數(shù)較優(yōu)水平的組合為A1B1C1D2E2F2；磨損率較優(yōu)的水平組合為A2B1C2D1E2F2。分別以該2組水平組合為配方試制試樣并進行摩擦磨損性能試驗，配方試樣號為17號和18號，測試結果見圖1。

從圖1可看出，所有摩擦因數(shù)和磨損率都在GB5763—1998規(guī)定的在不同溫度摩擦因數(shù)的上、下限和磨損率的上限范圍內(nèi)。17號配方試樣的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，而18號配方試樣的磨損率較低。因熱衰退受摩擦因數(shù)的影響較大，而17號配方試樣的摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，因此可認為該配方可作為中重型汽車制動片使用。

4.3 表面形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對摩擦后試樣的摩擦表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)制動器摩擦副之間有潤滑膜、氣墊膜和轉移膜等表面膜存在，其中潤滑膜和轉移膜能較明顯地觀察到。圖2為經(jīng)正交分析得出的摩擦試片摩擦后的表面形貌。

由圖2a可看出，在150℃溫度下，沿摩擦方向制動摩擦片摩擦表面有很明顯的劃痕，原因是在低溫下磨損，制動摩擦片與對偶盤之間的界面作用主要是機械作用為主，當對偶盤與摩擦襯片相對運動時，在循環(huán)應力的作用下，硬的顆粒或表面硬的凸起物從其表面分離出來，會在摩擦片軟表面上產(chǎn)生犁溝，發(fā)生了磨粒磨損，使得摩擦襯片的摩擦因數(shù)和磨損率上升。

由圖2b可看出，當溫度達到250℃時，制動摩擦片表面接觸點在壓力作用下發(fā)生塑性變形并趨于均勻化，在摩擦表面上形成了分布均勻連續(xù)的摩擦層，無明顯的樹脂分解產(chǎn)物，從表面脫落的顆粒暴露于磨損表面，纖維表面有犁溝，帶有明顯粘著磨損痕跡。

由圖2c可看出，當溫度達到300℃時，制動摩擦片摩擦表面有明顯的凹坑，樹脂在此溫度下已開始分解，粘結性能開始下降，明顯觀察一摩擦表面粘附了細小的磨屑，并有輕微的纖維斷裂和拔出現(xiàn)象，這是疲勞磨損和熱磨損的結果。此溫度下，樹脂基體在高溫下分解產(chǎn)生大量的氣體物，對偶件金屬表面的氧化膜又易吸附氣體，因而在摩擦面上形成了一層“氣墊膜”，使得摩擦因數(shù)降低，引起熱衰退。但由于使用的改性樹脂具有優(yōu)異的抗高溫性能，所以摩擦因數(shù)的下降并不明顯。

由圖2d可看出，當溫度達到350℃時，可觀察到因樹脂分解及纖維脫落、斷裂、被拔出而形成的坑洼不平的摩擦表面，周圍聚集著摩擦層破裂形成的磨屑，這主要是熱磨損和疲勞磨損的結果。在此溫度下，軟化熔融的樹脂在滑動界面上形成了一層低剪切強度的界面層，起到了潤滑劑的作用，形成了“潤滑膜”；同時酚醛樹脂基體高溫下分解而產(chǎn)生大量的氣體物，仍會在摩擦面上形成局域的一層“氣墊膜”，使得摩擦因數(shù)降低，造成熱衰退。由于材料中使用的芳綸纖維對基體起到良好的支撐作用，在高溫下呈現(xiàn)出粘著和塑性變形特征，有效地在對偶盤表面形成了“轉移膜”，使摩擦表面更光滑，從而改善了摩擦材料的耐磨性能，保證了摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。

綜上所述，“潤滑膜”和“氣墊膜”是導致熱衰退的原因，“轉移膜”對摩擦因數(shù)的穩(wěn)定具有積極的作用，而所使用的改性酚醛樹脂大大提高了熱分解溫度，延緩了其分解速率，使摩擦片具有穩(wěn)定的摩擦性能。

5 結束語

為研究重型汽車摩擦片抗熱衰退性能，分析了纖維、樹脂和填料對摩擦片熱衰退性能影響的差異，并進行了配方優(yōu)化。

a.4種纖維交互作用很明顯，對摩擦系數(shù)和磨損率具有明顯的影響，纖維的均勻分散，保證了增強材料的強度、韌性、表面性能及摩擦材料的高溫摩擦磨損性能，其中硅灰石纖維對摩擦系數(shù)的影響很大，含量不宜過高；在高溫時，樹脂對磨損率有較大影響，由于樹脂基體的分解，摩擦系數(shù)降低，磨損增大，因此樹脂的用量不宜過高。

b.優(yōu)化后的配方具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較低的磨損率，抗熱衰退性能優(yōu)異,可作為重型汽車摩擦材料使用配方。

c.通過對摩擦材料磨損前后微觀結構的觀察和性能研究可知，“潤滑膜”和“氣墊膜”會導致熱衰退的出現(xiàn)，而“轉移膜”對摩擦系數(shù)的穩(wěn)定具有積極的作用；在中高溫條件下主要為熱磨損、磨粒磨損，同時伴隨著粘著磨損。

1 叢培紅，吳行陽.制動用有機摩擦材料的進展.摩擦學學報，2011，31（1）:88～95.

2 Min Hyung Cho， Jeong Ju，Seong Jin Kim， Ho Jang.Tribological Properties of solid lubrieants（graphite，Sb2S3，MoS2） for automotive brake friction materials.Wear，2006，260:855～860.

3 高冬，姚冠新，夏園，等，減摩填料對重型汽車摩擦材料摩擦磨損性能的影響研究.潤滑與密封，2010，35（10）:68～71.

4 Kim Y C，Cho M H，Kim S J，et al.The effect of phenolic resin，potassium titanate，and CNSL on the tribological properties of brake friction materials.Wear，2008，264（3/4）:204～210.

5 Hayashi Noriyuki， Matsui Akihiko， Takahashi Sadamu.Effect of surface topography on transferred film formation in plastic and metal sliding system.Wear，1999，225（1）:329.

6 Lu Y.A combinatorial approach for automotive friction materials:Effects of ingredients on friction performance.Composites Science and Technology，2006，66（3/4）:591～598.

7 吳訓錕，王昌松，馮新.晶須狀填料對酚醛樹脂摩擦材料性能的影響.潤滑與密封，2007，32（11）:122～126.

8 劉偉.基于填料粒度對離合器摩擦材料性能影響的研究.纖維復合材料，2009，26（1）:19～30.

9 郭新濤.復合材料摩擦片熱衰退機理初步研究.玻璃鋼/復合材料， 2002，6:15～16.