汽車制動摩擦材料成型工藝的研究進展

(青島理工大學機械與汽車工程學院 山東 青島 266520)

引言

汽車制動摩擦材料在汽車制動中起著至關重要的作用，而在制動摩擦材料生產過程中，需要好多種工序加工才使得摩擦材料達到人們的需求。摩擦材料制備工序可以分為稱料、混料、壓制成型、熱處理、磨削、開槽倒角、包裝后處理等，而在這些工序中，最重要的和對摩擦材料性能影響最大是壓制成型工藝。成型工藝是將混合料在一定的溫度、壓力下壓制固化一段時間，形成具備一定力學性能和摩擦磨損性能的摩擦材料。摩擦材料的內部組分主要有增強纖維、粘合劑和填料等組成，成型工藝的主要作用就是利用樹脂的黏流和凝膠過程中的流動性和可塑性，使樹脂形成交聯結構粘結起來具有特定外形的整體。成型溫度過低固化不完全會使摩擦材料硬度和剪切強度過低，溫度過高會導致摩擦材料出現鼓泡、破損等缺陷，成型壓力太小會使混合料在模腔中流動性變差而導致成型不均勻，壓力太大又會使摩擦材料致密性太大而加大噪聲的影響。因此在摩擦材料成型過程中，合理的成型工藝參數不僅能有效提高摩擦材料的性能，而且還可以降低生產成品，節約能源，如何選擇和調配成型工藝參數是制備摩擦材料的重要一環。

一、成型工藝

汽車制動摩擦材料成型工藝中對制品性能影響的因素有許多種，模壓溫度、成型壓力、壓制時間、放氣次數和加壓速度等均會對摩擦材料的性能有一定的影響，經研究表明，模壓溫度、成型壓力和壓制時間這三個因素對摩擦材料的影響最為顯著，因而將這三個工藝參數成為成型工藝的“三要素”。成型工藝按照模壓溫度高低可以分為熱壓成型、溫壓成型和冷壓成型，目前國內大多數汽車摩擦材料制造企業使用的還是熱壓成型工藝，冷壓成型在樹脂基摩擦材料中局限較大，而溫壓成型一直在摩擦材料行業研究的熱點，但在現有的工藝技術下溫壓成型尚不能成為摩擦材料行業的主流。熱壓成型工藝下的摩擦材料固化完全，致密性好，但材料硬度較大，孔隙率低，而溫壓工藝下摩擦材料孔隙率較低，能夠降低制動過程中的噪音。

為了得到合理的成型工藝參數組合，使得摩擦材料具備優良的性能和節約成本，摩擦材料行業通過許多種方法對工藝參數進行優化。最先使用的優化方法是重復試驗法，就是將可能的工藝參數組合挨著進行試驗，但事實證明該方法不但費時費力，而且效果也并不明顯。為了更科學、更迅速地找到特定摩擦材料的最佳工藝參數，均勻設計法、正交實驗法、響應面法等數學研究方法被應用在了摩擦材料工藝參數優化上。

摩擦材料的力學性能和摩擦磨損性能主要有材料的配方和工藝所決定，在確定好材料配方的情況下，通過調整工藝參數來改善摩擦材料的性能是優化材料性能的主要手段。摩擦材料的性能包括力學性能、摩擦磨損性能和噪音等，力學性能主要有硬度、壓縮率、剪切強度等，摩擦磨損性能包括摩擦系數和磨損率。汽車在制動過程中，摩擦材料需要提供適宜的摩擦系數，良好的磨損率，優良的硬度和壓縮率，足夠的剪切強度，還有較小的噪聲等，而成型工藝的調整能有效地改善摩擦材料的性能。

成型工藝對制動摩擦材料質量的影響主要取決于溫度、壓力和時間，的設定值的差異都會改變摩擦材料的性能。①成型溫度對摩擦材料的影響。摩擦材料中酚醛樹脂的固化需要在一定的溫度下才能反應，酚醛樹脂固化速度受溫度影響較大，溫度140℃下酚醛樹脂的固化速度較慢，成型溫度高于150℃時固化速度較快。當成型溫度較低時，樹脂固化速度慢，摩擦材料的硬度和剪切強度達不到標準，磨損增大，會加速摩擦材料的使用壽命。當成型溫度較高時，樹脂固化速度較快，摩擦材料表層迅速固化，內部產生的氣體和水分難以排出，會導致壓制品出現鼓泡、破損等缺陷。②成型壓力對摩擦材料的影響。一定的成型壓力能夠摩擦材料在成型過程中具備良好的流動性，保證制品內部材料分散均勻和達到制品的外觀要求。成型壓力會影響到制品的密度和機械強度，足夠的壓力能夠使壓制品更加結實。樹脂固化時產生的水分和氣體也需要足夠的壓力排出，否則也會造成鼓泡等弊病。但太大的成型壓力也會危害摩擦材料的質量，較高的成型壓力會使制品硬度較大、高噪音和溢料等問題。③壓制時間對摩擦材料的影響主要體現在樹脂的固化，摩擦材料在模具里待的時間越長固化越完全，但考慮到效率和成品問題，熱壓成型的制品都會放進熱處理箱進行完全固化。

二、國內外研究現狀

近年來，摩擦材料領域對成型工藝的研究非常廣泛，從成型方式的講，大部分研究學者還是專攻于熱壓成型工藝，也有些學者對溫壓成型工藝和冷壓成型工藝進行探索，對于摩擦材料成型工藝的研究優化方法各異，不論何種方法，都有重大的研究成果。

(一)熱壓成型

由于熱壓成型的摩擦材料優良的致密性、較高的機械強度和穩定的摩擦特性，摩擦材料行業熱壓成型還是當今摩擦材料成型工藝的主流。國內外研究學者通過正交實驗法和響應曲面法等方法對摩擦材料的成型工藝進行優化，篩選出最優的工藝參數，分析了工藝參數對摩擦材料性能的影響。

鐘厲[1]等研究了復合纖維低樹脂基摩擦材料的熱壓成型工藝，運用正交試驗和模糊綜合評價的方法篩選出最佳工藝參數組合為成型壓力20MPa、熱壓溫度170℃、壓制時間5 min和熱處理時間8 h，分析得出成型壓力對硬度影響最大，熱壓溫度對摩擦系數影響最大，壓制時間對剪切強度影響最大，熱處理時間對磨損率影響最大。馬云海[2]等研究了礦物纖維增強酚醛樹脂基摩擦材料的熱壓成型工藝對摩擦材料性能的影響規律，采用均勻設計的方法進行試驗，分析了成型工藝參數對摩擦材料的摩擦因數、沖擊強度的回歸關系，建立了摩擦因數、沖擊強度與熱壓工藝參數的二次響應曲面回歸模型。楊昆鵬[3]等研究發現保壓時間對摩擦系數穩定性影響較大，成型溫度的波動對于摩擦材料的硬度改變最大，而材料的沖擊強度和壓縮性能都與硬度有著很大關聯。徐洋[4]等采用響應面法結合Design-Expert軟件對有機摩擦復合材料建立了制備工藝參數與摩擦系數、磨損率的二次響應曲面回歸模型，并通過摩擦材料的微觀形貌分析了成型工藝對摩擦磨損特性的影響。

(二)溫壓成型

溫壓成型技術很早就已經被國內外學者研究，但目前摩擦材料行業溫壓成型工藝的使用率非常低。摩擦材料中粘合劑大多是酚醛樹脂，而低溫狀態下樹脂固化速度較慢，研究學者們先后用改性樹脂進行研究得到一些成果，溫壓成型后制品的孔隙率較高，噪音低，結合節能環保，溫壓成型必將是未來摩擦材料成型工藝的發展趨勢。

魏景峰[5]等研究了鼓式制動摩擦材料的溫壓成型工藝，選用腰果殼油改性的酚醛樹脂作為粘合劑，研究表明溫壓制備下的摩擦材料具備良好的摩擦磨損性能、適中的孔隙率及良好的沖擊強度，在模壓溫度100℃左右、成型壓力60MPa、保壓時間5min的條件下，制備的溫壓材料具有適合的孔隙率和沖擊強度、較高的最大應變。朱挺[6]等研究離合器的溫壓成型工藝，提出三組分改性酚醛樹脂和混雜纖維溫壓工藝制備離合器摩擦材料，工藝參數表明，當成型溫度110～120℃、模壓壓力15～35MP、保壓時間1～2min時制備得到的摩擦材料具備較高的沖擊強度和優良的摩擦磨損性能。

(三)冷壓成型

劉曉[7]等研究了提出采用新型高性能無機粘結劑作基體,鋼纖維和芳綸纖維混雜作增強還原鐵粉、石墨、石油焦、硫酸鋇、棕鋼玉等作填料,通過低溫成型的工藝來制備高性能摩擦材料。工藝參數為：模壓溫度為30℃～50℃，成型壓力為40MPa～50MPa，保壓時間為15分鐘，干燥工藝為室溫自然干燥12小時。與一般的熱壓摩擦材料相比較，在該成型工藝制備的摩擦材料具備優越摩擦磨損性能，硬度明顯低，摩擦系數變化穩定，噪音小。張育軍[8]等研究了冷壓和熱壓工藝下離合器摩擦材料的性能對比，發現冷壓工藝制備的摩擦材料具備孔隙率高、硬度低和摩擦系數穩定等特點。

三、成型工藝的發展方向

隨著汽車的逐步發展，人們對于制動摩擦材料的要求越來越高，不僅要求摩擦材料具備優良的摩擦磨損性能，還要摩擦材料制動噪聲低、落灰少，因此摩擦材料成型工藝發展必須符合汽車行業綠色環保的主題，從摩擦材料的制備到使用，兼具性能和環保，才是汽車摩擦材料發展的趨勢。就摩擦材料成型工藝而言，降低成型溫度會是未來成型工藝的發展方向，溫壓成型和冷壓成型將會成為了以后研究的熱點，研究學者必須要摩擦材料中酚醛樹脂的低溫固化速度較慢這一弊端，如何對酚醛樹脂改性以及酚醛樹脂固化促進劑的使用會是成型工藝發展的重要突破口，另外，成型溫度和成型壓力之間相互作用對樹脂固化的影響也是研究學者亟待解決的問題。