HGM—B型高摩合成閘瓦生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋分析及措施

寧洪

摘 要：針對(duì)HGM-B型高摩合成閘瓦生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋缺陷問(wèn)題，系統(tǒng)分析其形成原因，并從原材料、成型工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)等三方面提出了相應(yīng)的防止措施。

關(guān)鍵詞：高摩合成閘瓦；原材料；成型工藝；模具

1 概述

隨著科技進(jìn)步和鐵道車(chē)輛高速重載的發(fā)展，HGM-B型高摩合成閘瓦作為鐵路貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的重要配件，已得到全面推廣應(yīng)用。我公司自2007年6月取得HGM-B型高摩合成閘瓦生產(chǎn)資質(zhì)以來(lái)，在生產(chǎn)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題，經(jīng)分析研判和反復(fù)的生產(chǎn)實(shí)踐，通過(guò)采用對(duì)原材料、成型工藝和模具等方面進(jìn)行重點(diǎn)卡控等手段，閘瓦的裂紋問(wèn)題得到了有效的控制，提高了閘瓦的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，保證了鐵路運(yùn)輸安全的需要。

2 產(chǎn)生原因

HGM-B型高摩合成閘瓦主要由瓦背和摩擦材料經(jīng)高溫?zé)釅憾纬?，其摩擦材料由粘結(jié)劑、耐熱補(bǔ)強(qiáng)劑、填料和助劑組成，其中丁腈橡膠和改性酚醛樹(shù)脂為粘結(jié)劑，石墨、鋁礬土、鉀長(zhǎng)石粉、還原鐵粉、海泡石和沉淀硫酸鋇為填充料、鋼纖維和復(fù)合纖維為耐熱補(bǔ)強(qiáng)劑，硫磺、促進(jìn)劑、氧化鋅和硫酸鋇為助劑。上述原材料按一定比例混合后，經(jīng)塑煉、混煉、破碎等工序便形成了生產(chǎn)高摩合成閘瓦的摩擦材料。HGM-B型高摩合成閘瓦見(jiàn)圖1所示。

從上述高摩合成閘瓦的生產(chǎn)過(guò)程和原材料構(gòu)成看，產(chǎn)生裂紋缺陷的原因存在多元性，通過(guò)對(duì)摩擦材料自身特性及各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析，具體產(chǎn)生裂紋的主要原因如下：

2.1 內(nèi)部氣體壓力產(chǎn)生的裂紋

HGM-B型高摩合成閘瓦的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其中粘結(jié)劑改性酚醛樹(shù)脂化學(xué)反應(yīng)形成水并釋放出氨氣等，此外，原材料本身含有水等揮發(fā)性物質(zhì)，在壓制過(guò)程中，揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生的氣體會(huì)在在高溫下膨脹，如果這些氣體不能被順利從閘瓦體中排除，在脫模、卸除壓力時(shí)，由于閘瓦體內(nèi)部氣體壓力較大，而摩擦材料仍處于較高溫度具有一定彈性，閘瓦體內(nèi)的氣體膨脹逸出，從而使閘瓦體表面出現(xiàn)裂紋。

2.2 固化處理過(guò)程中形成的裂紋

在固化處理過(guò)程中，粘結(jié)劑改性酚醛樹(shù)脂會(huì)繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體積收縮，造成壓制材料產(chǎn)生應(yīng)力，從而造成在摩擦體和鋼質(zhì)瓦背之間產(chǎn)生裂紋。

2.3 脫模過(guò)程中形成的裂紋

在從模具中卸出合成閘瓦時(shí)，模具強(qiáng)度和剛性不夠，導(dǎo)致閘瓦受力過(guò)大產(chǎn)生裂紋；壓力機(jī)上下模板不平，頂出裝置設(shè)計(jì)不合理，如果脫模時(shí)頂偏，造成閘瓦局部受力過(guò)大，使高溫下的閘瓦受力不均也易產(chǎn)生裂紋。

2.4 模具加熱不均勻造成的裂紋

如果模具加熱管分布不均勻，整個(gè)模具就加熱不均勻，使合成閘瓦的固化速度及程度不均勻，這不僅會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力分布不均，也不利于低分子揮發(fā)物排出，很容易導(dǎo)致裂紋。

3 防止措施

針對(duì)上述產(chǎn)生裂紋的原因，我公司通過(guò)從原材料、成型工藝參數(shù)以及模具等生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)卡控，從而可有效控制裂紋缺陷的產(chǎn)生。HGM-B型高摩合成閘瓦生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

3.1 控制原材料水分

在稱量配料前首先檢查原材料是否受潮、結(jié)塊，出現(xiàn)受潮、結(jié)塊現(xiàn)象不能投入使用，同時(shí)為了有效控制原材料水分，對(duì)原材料進(jìn)行烘干處理，使其水分控制在0.8%以下，這樣可以解決由于原材料揮發(fā)水分過(guò)高而引起的裂紋問(wèn)題。

3.2 調(diào)整成型工藝方法及參數(shù)

壓制過(guò)程中的壓制溫度、壓制壓力和保壓時(shí)間是成型工藝主要三個(gè)控制參數(shù)，合理調(diào)整成型工藝參數(shù)，可有效控制裂紋的產(chǎn)生。

3.2.1 采用多次排氣、多次加壓的方法

合成閘瓦的摩擦材料在填裝模具過(guò)程中容易帶入空氣，為解決這個(gè)問(wèn)題，壓制過(guò)程中采用多次排氣、多次加壓方式。在壓制過(guò)程中，壓制壓力需逐步分段上調(diào)，五步壓制成型。具體為：首先在上模下壓后需進(jìn)行排氣，待第四次排氣完成后，將加壓至15Mpa進(jìn)行壓制，使模具料腔中的原料填實(shí)壓緊，并盡可能多的排出摩擦材料中的空氣。

3.2.2 選擇合理的壓制溫度

合成閘瓦摩擦材料中粘結(jié)劑作用是將鋼纖維、復(fù)合纖維和填充料粘結(jié)在一起，而粘結(jié)劑的固化需要一定的溫度，因此，壓制前，應(yīng)將下壓頭及模腔溫度控制在160±5°C范圍之內(nèi)，如果壓制溫度過(guò)低，致使固化不充分，制成的閘瓦材料強(qiáng)度低，易產(chǎn)生大面積鼓起；如果壓制溫度過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)靠近模壁的粘結(jié)劑過(guò)早固化，內(nèi)部低分子物無(wú)法排出，泄壓后易產(chǎn)生小氣泡或裂紋。

3.2.3 選擇合理的保壓時(shí)間

如果壓制時(shí)間過(guò)短，合成閘瓦摩擦材料中靠近模壁的粘結(jié)劑雖已固化，而內(nèi)部的粘結(jié)劑尚未完全固化，卸壓后內(nèi)部氣體膨脹，合成閘瓦材料強(qiáng)度不夠，很容易產(chǎn)生大面積鼓泡或裂紋。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，五次壓制保壓時(shí)間分別為10秒鐘、25秒鐘、25秒鐘、600秒鐘、900秒鐘為宜。

3.2.4 適當(dāng)降低固化處理升溫速度

固化處理中一定注意升溫速度，升溫速度過(guò)快，使得摩擦材料不能夠固化均勻，導(dǎo)致閘瓦出現(xiàn)裂紋。

3.2.5 適當(dāng)降低固化處理溫度

固化處理中溫度過(guò)高容易使合成材料產(chǎn)生應(yīng)力收縮，導(dǎo)致閘瓦出現(xiàn)裂紋，為達(dá)到合成閘瓦內(nèi)外固化充分均勻，最好降低固化處理溫度。綜合考慮，固化處理溫度應(yīng)選擇在155±5°C 范圍之內(nèi)。

3.3 合理設(shè)計(jì)模具

3.3.1 合理選用模具材質(zhì)及結(jié)構(gòu)

?？虿捎?5#與Cr12材料拼接的結(jié)構(gòu)，其中?？蛩闹艿谋嘲逵?5#鍛造后熱處理，模腔拼塊采用鍛造的Cr12材料加工而成，采用該結(jié)構(gòu)不僅解決了模具的強(qiáng)度和剛性，而且保證了合成閘瓦在模腔里不變形。對(duì)?？騼?nèi)成型產(chǎn)品的腹膜也采用45#鍛造后熱處理，對(duì)腹膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量避免尖銳的拐角，這樣既增加了腹膜的強(qiáng)度，又可有效避免合成閘瓦在壓制過(guò)程中拐角處產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成的裂紋。

3.3.2 合理設(shè)計(jì)脫模工裝

采用下出料結(jié)構(gòu)脫模，由上模頭向下壓出，確保頂出裝置作用在合成閘瓦上的壓力均勻且合理，避免合成閘瓦因受力過(guò)大或不均而出現(xiàn)裂紋，而且，底部小推車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì)了軸承滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用起來(lái)更省力、更靈活。

3.3.3 均勻布置模具加熱管

壓制溫度對(duì)合成閘瓦質(zhì)量控制非常重要，我公司采用加厚模具墻板厚度和電熱管從內(nèi)部分區(qū)加熱的方式，避免了傳統(tǒng)外圍加熱方式的不足，確保模具整體導(dǎo)熱均勻，不易形成局部高溫點(diǎn)，同時(shí)模具外圍加保溫層，用耐火石棉將模具與外界隔開(kāi)，并采用電子溫控儀表分別控制模具各區(qū)的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具各區(qū)域溫度的精確控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

在公司的具體實(shí)踐中，我們針對(duì)高摩合成閘瓦在生產(chǎn)過(guò)程中存在容易出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了認(rèn)真的分析研判，并采取了積極有效的解決辦法，通過(guò)不懈努力，經(jīng)公司近年來(lái)的實(shí)踐證明，上述辦法對(duì)解決閘瓦裂紋問(wèn)題，降低閘瓦次品率效果十分明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]張富生.壓制溫度對(duì)新型高摩合成閘瓦材料力學(xué)性能的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.4.

[2]劉書(shū)銀.高摩合成閘瓦在大秦鐵路使用中出現(xiàn)的問(wèn)題及分析[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009.5.

[3]裴頂峰.高摩系數(shù)合成閘瓦的研制[J].工程塑料應(yīng)用，2003.1.