混煉方式對合成閘瓦性能的影響*

張憲清,張國文,李雪春,吉 媛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

合成閘瓦是在軌道交通車輛應(yīng)用的基礎(chǔ)制動摩擦材料，在空氣制動系統(tǒng)中提供摩擦力來保證車輛的制動安全，通過合成閘瓦與車輪的摩擦將列車動能轉(zhuǎn)化為熱能從而達到停車的目的。合成閘瓦的性能對于軌道車輛的安全性及舒適性要求具有決定性影響[1-3]。

合成閘瓦以橡膠和樹脂為基體、短纖維為增強材料、各種填料為性能調(diào)節(jié)劑及添加劑，三者通過強力的剪切達到混合均勻，再通過熱壓方式來成型。混煉作為合成閘瓦生產(chǎn)過程中非常重要的一步，其任務(wù)就是將配方中的橡膠及樹脂和各種助劑、增強纖維及填料等混合均勻，對合成閘瓦的后序加工和制品的質(zhì)量起到了決定性的作用[4-5]。

目前國內(nèi)合成閘瓦生產(chǎn)過程中混煉分為開煉和密煉。有關(guān)混煉工藝，例如混煉順序、混煉溫度等對橡膠性能的影響的研究較多[6]，但對合成閘瓦性能的影響研究較少[7]。有關(guān)密煉與開煉對合成閘瓦性能差異的影響未見文獻報道。

本文擬采用萬能材料試驗機、簡支梁沖擊試驗機及摩擦磨損試驗機等設(shè)備，研究不同混煉方式對于合成閘瓦加工性能、力學(xué)性能及摩擦性能的影響規(guī)律，期望能為優(yōu)化合成閘瓦混煉工藝及提升產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

1 實驗部分

1.1 原料

橡膠：牌號 NANCAR 1041，南帝化學(xué)工業(yè)有限公司；玄武巖纖維：周口市奇峰礦物纖維有限公司；鋁礬土：靈壽縣乾宇礦產(chǎn)品加工廠。

1.2 儀器及設(shè)備

雙輥開煉機：KL-6x14型，佰弘機械(上海)有限公司；密煉機：10 L，佰弘機械(上海)有限公司；液壓壓力機(帶模具)：200 t，南通巨能液壓機廠；簡支梁沖擊試驗機：XCJ-5，MTS系統(tǒng)中國有限公司；洛氏硬度計：荷蘭伊諾公司；電子萬能材料試驗機：1 t，MTS系統(tǒng)中國有限公司；制動動力試驗臺：鐵科縱橫(天津)科技發(fā)展有限公司。

1.3 合成閘瓦配方

合成閘瓦的基礎(chǔ)配方見表1。

表1 合成閘瓦基礎(chǔ)配方

1.4 樣品制備

按照合成閘瓦的混合工藝，分別采取開煉和密煉方式進行混合，其中開煉混合采用開煉機，先投橡膠，后投入纖維和填料的混合物，開煉時間為6 min。

密煉工藝采用10 L密煉機進行混煉，先投橡膠，后投入纖維和填料的混合物，混煉時間為6 min。

熱壓成型溫度為160 ℃，時間為40 min，硫化壓力為25 MPa。

1.5 測試方法

壓縮強度按照 GB/T 1041進行測試，速度為1 mm/min，樣品尺寸為25 mm×10.4 mm×10.4 mm；壓縮模量按照 GB/T 1041 進行測試，速度為1 mm/min，取值范圍：應(yīng)變?yōu)?.05%～0.25%，樣品尺寸為25 mm×10.4 mm×10.4 mm；沖擊強度按照GB/T 1043.1進行測試，樣品尺寸為15 mm×10 mm×120 mm；洛氏硬度按照GB/T 3398.2進行測試，樣品尺寸為50 mm×50 mm×25 mm；平均摩擦系數(shù)按照TB/T 2403—2010進行測試，采用TM-Ⅱ制動動力試驗臺，模擬軸質(zhì)量為16 t，制動壓力為30 kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混煉方式下的溫度效應(yīng)分析

圖1是不同混煉方式下物料的溫升曲線與時間的關(guān)系。從圖1可以看出，和開煉相比，密煉過程中物料溫度升高較快。530 s時，密煉機里物料溫度為134 ℃，而開煉機里物料溫度為68 ℃，比密煉機低了66 ℃。分析認為，由于密煉過程的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、剪切擠壓程度均高于開煉，在混合過程中，物料間摩擦力更大，因此物料的溫升也較高較快。

t/s圖1 混煉方式對物料溫度的影響(2#配方)

2.2 混煉方式對合成閘瓦沖擊性能的影響

沖擊性能是合成閘瓦韌性的體現(xiàn)，沖擊強度越高說明合成閘瓦材料韌性越高，在應(yīng)用過程中閘瓦出現(xiàn)掉塊的概率越低。針對現(xiàn)場合成閘瓦的應(yīng)用工況，合成閘瓦必須保證具有一定的沖擊強度，才能在循環(huán)制動過程中不出現(xiàn)掉塊等現(xiàn)象。

從現(xiàn)有國內(nèi)合成閘瓦的應(yīng)用情況看，掉塊較少的閘瓦沖擊強度一般高于3.0 kJ/m2。同時從城軌應(yīng)用的角度考慮，由于電制動的使用，城軌合成閘瓦磨耗壽命普遍高于6年，為了保證合成閘瓦在6年的熱空氣、制動熱影響下老化后仍然具備一定的韌性而不掉塊，必須先保證合成閘瓦具有較強的沖擊強度。

表2 混煉方式對合成閘瓦沖擊性能的影響

從表2可以看出，不同混煉方式，對沖擊性能的影響有所區(qū)別。三個不同橡膠含量的配方開煉的沖擊強度均高于密煉。橡膠含量越高，沖擊強度越高；開煉機制出的閘瓦的沖擊強度與密煉機的比值分別為1.23、1.21、1.10，密煉沖擊強度較開煉的分別低18.8%、17.1%和9.1%，可以看出，兩者差距逐漸減小。

混煉過程中剪切力會促使高韌性高彈性的橡膠變成低分子低鏈段小分子物質(zhì)，并在強烈的機械剪切及摩擦作用下達到物料分散均勻，由于密煉機混煉時物料受到的剪切作用比開煉機大得多，因此密煉機里物料溫升較快。在較高的溫度及較大的剪切力作用下，橡膠分子鏈斷裂更顯著[8]。分子鏈變短，外力作用下可產(chǎn)生的形變就小，吸收的能量變小，導(dǎo)致承載外力的能力減弱，宏觀上表現(xiàn)為閘瓦韌性變差，沖擊強度減小，因此密煉機混煉的合成閘瓦沖擊強度小于開煉的。

密煉機轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子表面各點與軸心距離不等，因此產(chǎn)生不同的線速度，使兩轉(zhuǎn)子間的速比變化很大，促使物料受到強烈的摩擦、撕裂和攪拌作用，與開煉方式比，物料受到的剪切及摩擦作用力較高，對于物料的撕裂及破碎大于開煉，在達到物料混合均勻的情況下，纖維的斷裂程度高于開煉。纖維的加入對于吸收沖擊應(yīng)力具有較大的作用，纖維越長，閘瓦的沖擊韌性越好，沖擊強度越高。因此，密煉機混煉的閘瓦沖擊強度小于開煉的。

隨著橡膠含量增大，纖維和填料量減小，剪切力減弱，物料溫升逐漸變小，橡膠分子鏈及纖維的斷裂趨勢減弱，因此，密煉機制出的閘瓦的沖擊強度與開煉機的差距逐漸減小。

2.3 混煉方式對合成閘瓦壓縮性能的影響

壓縮性能分為壓縮強度和壓縮模量，壓縮性能與合成閘瓦的使用性能及摩擦性能密切相關(guān)。由于不同的標(biāo)準(zhǔn)對于合成閘瓦要求不同，制動壓力不同，因此對于合成閘瓦壓縮性能要求也不一致。從保證現(xiàn)場安全使用的角度入手，壓縮強度越高，合成閘瓦承受制動壓力的能力越高，承受壓縮應(yīng)力裂紋擴展的門檻越高。

壓縮模量是單位壓縮應(yīng)力下應(yīng)變的表現(xiàn)，其性能高低與閘瓦的貼合及制動熱分布密切相關(guān)，閘瓦壓縮模量越低，越容易貼合，制動過程中出現(xiàn)噪音的概率越低，較低的壓縮模量有利于閘瓦與車輪的良性摩擦，因此閘瓦應(yīng)該具備較高的壓縮強度及較低的壓縮模量，保證其安全使用。

在同配方及工藝情況下，對比分析開煉及密煉對于合成閘瓦壓縮性能的影響，如表3所示。

表3 不同混煉方式對合成閘瓦壓縮性能的影響

從表3可以看出，隨著橡膠含量增大，開煉及密煉的壓縮強度、壓縮模量都逐漸減小。同一個配方，和開煉相比，密煉的壓縮模量和壓縮強度均較小，密煉壓縮強度較開煉分別低20.0%、17.5%和15.2%，密煉壓縮模量較開煉分別低22.9%、19.3%和13.0%。分析認為，由于橡膠含量增大，纖維填料占比逐漸減小，閘瓦的壓縮強度和壓縮模量逐漸減小；由于密煉的剪切力大，橡膠分子鏈及纖維斷裂越顯著。橡膠分子鏈及纖維變短，在閘瓦受外力時，纖維所錨固的分子鏈就相對減少，因此閘瓦就容易變形，宏觀上表現(xiàn)為壓縮模量及壓縮強度的減小[9]9。

2.4 混煉方式對合成閘瓦硬度的影響

合成閘瓦硬度對制動過程中的噪音及磨耗有重要影響，在固定工況條件下，硬度越高，越容易出現(xiàn)制動噪音及車輪有害磨耗，因此不同的標(biāo)準(zhǔn)對于合成閘瓦硬度有著嚴(yán)格規(guī)定，一般不超100(HRR)，因此混煉方式對硬度的影響也有必要進行分析，如表4所示。

表4 不同混煉方式對合成閘瓦硬度的影響

從表4可以看出，三個不同配方下，開煉的硬度均高于密煉，密煉硬度較開煉的分別低31.8%、29.5%和27.9%。這是因為密煉過程對橡膠混合料的擠壓、剪切效果更好，纖維斷裂程度加劇，硬質(zhì)顆粒及大顆粒物料更容易被剪碎，并均勻分散在混合體系中，因此造成硬度降低。

2.5 混煉方式對摩擦性能的影響

合成閘瓦摩擦性能關(guān)系著軌道車輛的運營安全，良好的摩擦性能可以保證車輛具備可靠的停車精度及長久的使用壽命，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性及抗衰退能力對于保證車輛停車安全具有重要的意義。因此本文重點分析了不同混煉方式對摩擦性能的影響，如表5所示。

表5 不同混煉方式下合成閘瓦的摩擦性能

從表5可以看出，在40～120 km/h速度范圍內(nèi)，密煉方式的合成閘瓦常用制動摩擦系數(shù)衰減值為0.107，緊急制動摩擦系數(shù)衰退值為0.102；開煉方式的常用制動摩擦系數(shù)衰減值為0.058，緊急制動摩擦系數(shù)衰減值為0.055，從數(shù)值上看開煉方式的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性高于密煉方式。分析認為，密煉方式更易將橡膠及纖維剪斷，變?yōu)檩^小的橡膠分子鏈及纖維，隨著制動過程中溫度升高，小分子物質(zhì)擴散變快，閘瓦整體表現(xiàn)為壓縮模量變大，摩擦系數(shù)降低[9]9-10。由于密煉方式導(dǎo)致小分子物質(zhì)擴散速度及程度較開煉更為顯著，因此密煉的平均摩擦系數(shù)比開煉的變化大，即熱衰退更顯著。

3 結(jié) 論

(1)與開煉相比，采用密煉機制備的合成閘瓦，密煉過程物料溫度升高較快。

(2)與開煉相比，采用密煉機制備的合成閘瓦，沖擊強度較低，但隨著橡膠含量增大，沖擊強度的差距逐漸減小。

(3)與開煉相比，采用密煉機制備的合成閘瓦，壓縮強度、壓縮模量及硬度較低。

(4)與開煉相比，采用密煉機制備的合成閘瓦，平均摩擦系數(shù)隨著制動速度不同波動較大。