汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料制備及摩擦性能

宋真玉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

剎車片即剎車皮，是汽車剎車系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的安全控制零部件，直接決定著汽車剎車效果的好壞，因此好的剎車片是人與汽車安全的最佳保護(hù)載體。剎車片主要有鋼板、粘接隔熱層、摩擦塊共同構(gòu)成，鋼板通過涂裝進(jìn)行防銹處理，以SMT-4爐溫跟蹤儀進(jìn)行涂裝溫度分布狀態(tài)檢測(cè)，以有效確保質(zhì)量；隔熱層則基于不傳熱材料所構(gòu)成，作用是有效隔熱；摩擦塊則由摩擦材料、黏合劑共同構(gòu)成，汽車剎車時(shí)，被擠壓于剎車盤或者剎車鼓上生成摩擦力，以實(shí)現(xiàn)車輛減速目的。長期受摩擦力作用，摩擦塊逐漸被磨損，通常成本越低，剎車片就越易于磨損，因此就剎車片來講，如何選擇摩擦塊材料才是最主要的，其直接決定著剎車片的制動(dòng)性能[1]。

傳統(tǒng)汽車剎車片大多以半金屬摩擦材料、石棉材料為主，但是其很容易出現(xiàn)噪聲過大、振動(dòng)太強(qiáng)、磨損率偏高、使用壽命較短等不良現(xiàn)象。相對(duì)于一般半金屬材料，陶瓷材料在摩擦性能層面更具優(yōu)勢(shì)，不僅熔點(diǎn)高，硬度大，且磨損率較低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，比重小，因此在摩擦材料中倍受青睞，已成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)對(duì)象。目前，我國有專利設(shè)計(jì)了汽車剎車片用高分子復(fù)合材料，其由100份橡膠、30～58份石墨與焦炭混合物、15～20份玻璃纖維、15～27份鋼棉、15～2份樹脂黏結(jié)劑、1～2份氧化鈣、7～10份二硫化鉬、5～9份金屬鈷、0.2～0.5份滑石粉構(gòu)成。此高分子材料基于各組分共同作用，構(gòu)成特定結(jié)構(gòu)，在吸熱性與散熱性方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，可在增加摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化摩擦系數(shù)穩(wěn)定性與可靠性[2]。在此基礎(chǔ)上，本文制備了汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料，并詳細(xì)分析了其摩擦性能。

1 陶瓷剎車片分析

所謂陶瓷剎車片是通過礦物纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維所生成的，顏色較淡、清潔干凈，但是成本較高。在汽車制動(dòng)時(shí)，可在摩擦表層產(chǎn)生約800～900 ℃高溫，甚至還會(huì)更高，此時(shí)便會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)，以促使制動(dòng)片更具穩(wěn)定性與可靠性。傳統(tǒng)剎車片制動(dòng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，因此制動(dòng)性能相對(duì)較差。據(jù)此可知，陶瓷剎車片具有其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)特性，即不會(huì)產(chǎn)生噪聲，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，抗熱衰退性良好，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)，安全性高，剎車距離短，質(zhì)量非常輕，需與陶瓷剎車盤共同使用，這樣才可有效發(fā)揮其最佳性能[3]。

2 材料制備

2.1 原 料

為對(duì)比分析汽車剎車片純銅基材料與基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦性能的顯著差異，面向四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料與純銅基剎車片陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)比較[4]。第一組剎車片以青銅材料作為基礎(chǔ)粉末，其他四組剎車片則添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.5%、2.5%、4%的Al2O3金屬陶瓷粉末。青銅基粉末直徑約0.1～70 μm，Al2O3粉末直徑為3～110 μm。青銅化學(xué)成分具體如表1所示。

表1 青銅化學(xué)成分 %

2.2 制 備

為制備所需要的剎車片樣本，先于TurbulaT2C設(shè)備內(nèi)混合粉末，再將混合物分別于300、450、600 MPa液壓力下壓制成型，并以初步測(cè)試獲取最佳壓力值，最后將定型后剎車片傳送于燒結(jié)爐進(jìn)行加熱燒結(jié)。為獲取最佳燒結(jié)溫度，試驗(yàn)溫度設(shè)定為700、750、800、850 ℃。基于測(cè)試并詳細(xì)記錄汽車剎車片于不同溫度狀態(tài)時(shí)的性能狀況，最終明確最佳燒結(jié)溫度，并以最佳溫度為前提進(jìn)行燒結(jié)。汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)工藝過程[5]具體如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料燒結(jié)工藝過程

由圖1可知，不同材料所制備剎車片樣本在燒結(jié)過程中一共持續(xù)約80 min。其中10～35 min段為預(yù)熱階段，預(yù)熱溫度約450 ℃，負(fù)責(zé)充分全面細(xì)化晶粒，去除制備中產(chǎn)生的礦物油質(zhì)。然后溫度逐步上升到850 ℃，開展25 min燒結(jié)，最后取出放置于空氣中自然冷卻。

2.3 方 法

以JB3680-84試驗(yàn)法基于MM-1000型摩擦試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn)工作，溫度控制在60～400 ℃，樣本為25 mm×25 mm×7mm的長方體。以測(cè)試不同材料制成的剎車片樣本在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦系數(shù)、磨損量等相關(guān)參數(shù)，深入探究分析剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料的摩擦性能[6]。

3 結(jié)果分析

3.1 密度與硬度結(jié)果分析

基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)前后密度具體如表2所示。

表2 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)前后密度 %

由表2可知，燒結(jié)前與燒結(jié)后剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料的密度會(huì)受Al2O3含量影響，隨著含量增加，密度逐步減小，并且燒結(jié)之后，整體密度都明顯比燒結(jié)前密度低，這就代表金屬陶瓷復(fù)合材料經(jīng)過燒結(jié)之后，壓縮性能發(fā)生了巨大變化，而壓縮性能與材料硬度密切相關(guān)。

基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)前后硬度具體如表3所示。

表3 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)前后硬度 Hv

由表3可知，燒結(jié)之前，剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料受Al2O3含量影響，其硬度隨之增加，這主要是由于Al2O3陶瓷粉末硬度相對(duì)于青銅材料較大，在整體上增加了材料硬度；燒結(jié)之后，剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料的整體硬度直接增大到105 Hv，硬度提高了約99.8%，這主要是由于燒結(jié)工藝很容易對(duì)加工金屬形成加工硬化作用，急劇增加其硬度，且對(duì)于陶瓷材料的影響非常小。然而陶瓷復(fù)合材料硬度過大，會(huì)導(dǎo)致汽車剎車時(shí)生成巨大摩擦噪聲，且會(huì)損壞剎車片，而添加Al2O3陶瓷粉末，可確保剎車片硬度值保持于平緩狀態(tài)，維持于合理的硬度范圍內(nèi)，如此便可延長剎車片使用壽命，強(qiáng)化剎車片疲勞強(qiáng)度[7]。

3.2 摩擦系數(shù)結(jié)果分析

基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦系數(shù)具體如表4所示。

表4 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦系數(shù)

由表4可知，溫度控制在80～350 ℃時(shí)，不添加Al2O3的剎車片摩擦系數(shù)值在0.21～0.27浮動(dòng)；添加0.5%Al2O3的剎車片摩擦系數(shù)于0.15～0.16浮動(dòng)，系數(shù)最小；添加1.5%Al2O3的剎車片摩擦系數(shù)于0.17～0.23間浮動(dòng)；添加2.5%Al2O3的剎車片摩擦系數(shù)于0.25～0.30浮動(dòng)；添加4%Al2O3的剎車片摩擦系數(shù)于0.34～0.40浮動(dòng)，由此可以看出，隨著Al2O3含量增加，金屬陶瓷復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨之變大。而剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨溫度增加，呈現(xiàn)略微的下降形態(tài)[8]。

3.3 磨損量結(jié)果分析

基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料磨損量具體如表5所示。

表5 基于不同含量Al2O3的金屬陶瓷復(fù)合材料磨損量 %

由表5可知，不添加Al2O3的剎車片磨損量約24.2%；添加0.5%Al2O3的剎車片磨損量約17.1%；添加1.5%Al2O3的剎車片磨損量約15.6%；添加2.5%Al2O3的剎車片磨損量約15.2%；添加4%Al2O3的剎車片磨損量約14.4%。由此可以看出，隨著Al2O3含量增加，剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料磨損量逐步減小，而添加Al2O3陶瓷粉末與不添加Al2O3陶瓷粉末的剎車片磨損量差值約10%。這就表明，Al2O3陶瓷粉末可有效抑制汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料運(yùn)行時(shí)的磨損，還可延長汽車剎車片使用壽命[9]。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文制備了汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料，并深入探究了其摩擦性能。得出結(jié)論，燒結(jié)工藝可有效改善剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料密度與硬度，而添加Al2O3陶瓷粉末可有效改善剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料整體硬度，確保硬度值處于合理變化范圍之內(nèi)，可延長使用壽命；隨著溫度增加，汽車剎車片表層摩擦系數(shù)變小，而隨Al2O3陶瓷粉末含量增加，表層摩擦系數(shù)變大，于4%Al2O3陶瓷粉末含量時(shí)，摩擦性能最佳；Al2O3陶瓷粉末可有效抑制剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料的磨損，可延長剎車片使用壽命。