礦山自卸車用剎車片摩擦材料研究

趙 麗,龍 威,周小平,吳培貞

(1.湖北工業大學材料與化學工程學院,武漢 430068; 2.襄陽湖北工業大學產業研究院,湖北 襄陽 441100; 3.棗陽風神摩擦材料有限公司,湖北 棗陽 441021)

0 引言

礦山自卸車主要行駛在坡陡彎多的礦山道路上,面臨短時間頻繁制動與長下坡制動的工況,因此對制動系統的穩定性及可靠性要求更高。剎車片是制動系統的重要元件,由摩擦材料制成。高性能的礦車剎車片要求摩擦材料的摩擦系數合適,抗熱衰退性能好,磨損率較低。

傳統的石棉作為摩擦材料的增強纖維,熱衰退嚴重,磨損率大,不適合在礦車制動形成的高溫下使用,故通常用鋼纖維代替石棉纖維。鋼纖維導熱性好,能強化剎車片的熱傳導能力,令剎車片具有良好的熱穩定性及導熱性,從而改善剎車片的熱衰退[1-4]。但使用金屬纖維容易對偶面造成損傷,價格較貴[5],且礦山自卸車的剎車片更換比較頻繁,在保證剎車片性能的前提下,企業生產剎車片還要考慮經濟效益。

替代石棉的非金屬纖維單獨應用于摩擦材料中還存在一些缺陷[6],但將兩種或三種纖維混雜,協同作用良好,比單一纖維更能有效降低材料的磨損率[7]。在摩擦材料中加入強化散熱填料可提高剎車片的導熱能力,改善熱衰退[4,8-9]。

針對礦山自卸車存在的問題,將混合纖維作為增強材料、金屬粉作為導熱填料的摩擦材料配方,根據配方制備試樣進行摩擦試驗,得到了較為滿意的效果。

1 實驗部分

1.1 原材料及配方

摩擦材料的基本配方由黏結劑、增強纖維及填料構成。

選用硼改性樹脂作為黏結劑,將石墨、焦炭粉、炭黑等作為摩擦性能調節劑,把碳纖維、玻璃纖維及礦物纖維混雜作為增強纖維。經前期實驗分析、調整得到摩擦材料的基本配方:黏結劑16%、增強纖維20%、填料64%。在此基礎上額外加入4種比例的同一種金屬粉,組成了礦山自卸車剎車片摩擦材料的4個配方。

1.2 剎車片制備方法

將黏結劑、填料放入高速混料機中攪拌10 min,再將增強纖維及不同比例的金屬粉放入混料機持續攪拌5 min。將混合的粉料放入XH-406B-30-300熱壓成型機中壓制試樣,熱壓溫度為170 ℃、熱壓時間12 min、成型壓力34 MPa。將混料進行熱壓處理后再放入熱處理爐內進行固化處理,熱處理溫度170 ℃,處理時間3 h。經過熱壓、固化處理后,獲得基本配方相同、金屬粉含量不同的試樣,試樣編號為1#、2#、3#、4#,對應的金屬粉含量逐漸增加。

1.3 性能測試

利用洛氏硬度計測定了4個試樣的洛氏硬度。采用咸陽新益摩擦密封設備有限公司生產的XD-MSM定速摩擦實驗機,按GB/T5763-2008測定摩擦系數,測定了試樣測試前后的質量及密度。

2 結果與分析

2.1 硬度

4個試樣的平均洛氏硬度分別為78、78、79、75 HRB。

剎車片硬度會影響剎車片性能,值過大,其與對偶面實際接觸面積小,會降低摩擦系數,減小摩擦力,令剎車片制動效果不明顯,導致車輛行駛中產生較大噪聲;值過小,會與對偶面產生黏著磨損,降低剎車片使用壽命。由以上數據可知,4個配方試樣的洛氏硬度介于75～80 HRB,能夠滿足礦山自卸車剎車片的需求。可以看出,隨著金屬粉含量增加,試樣的洛氏硬度變化并不明顯。

2.2 定速摩擦試驗

表1列出了制備試樣的定速摩擦試驗衰退摩擦系數、恢復摩擦系數測試結果及試樣摩擦前后的質量及密度。為了便于比較分析,列出了一種增強纖維、未添加金屬粉的0#剎車片試樣相關數據。

表1 定速摩擦試驗結果Tab.1 Results of constant speed friction test

2.2.1 衰退摩擦系數

根據表1的衰退摩擦系數數據,得到各試樣摩擦系數隨溫度升高變化的曲線(見圖1)。由圖1可知,所有試樣的摩擦系數隨溫度升高均先增加至最大值,再隨溫度升高而下降,在350 ℃降到最低。其中,0#試樣的摩擦系數在150 ℃達到最大值。隨著溫度繼續升高,摩擦系數急劇下降,1#、2#、3#試樣的摩擦系數在200 ℃達到最大值。溫度升至250 ℃時,摩擦系數緩降。溫度繼續升高,摩擦系數陡然下降。4#試樣的摩擦系數在溫度升至150 ℃時為0.47。溫度升至200 ℃時為0.46,略有下降。隨溫度升高陡然下降。說明添加了金屬粉的混合纖維摩擦材料將摩擦系數發生熱衰退的拐點提高至200 ℃。

圖1 衰退摩擦系數隨溫度變化曲線Fig.1 Curve of decay friction coefficient with temperature

2.2.2 摩擦性能

使用定速摩擦試驗機測定試樣衰退及恢復摩擦系數,能方便控制產品質量,但并不能據此直接判斷剎車片性能。有必要對試驗數據進行處理,從中找出體現摩擦材料性能的代表性數值,令判斷更加準確、直觀[10]。將表1所示的各組相關數據進行處理,結果列于表2。

表2 定速摩擦試驗數據處理Tab.2 Data processing of constant speed friction test

F300=[(μF100℃-μF300℃)/μF100℃]×100%;

F350=[(μF100℃-μF350℃)/μF100℃]×100%;

R=(μR100℃/μF100℃)×100%;

衰退率表明了摩擦材料的熱衰退程度。從表2可知,0#試樣300 ℃時衰退率F300為48.48%,其余試樣的F300大部分小于10%,說明0#試樣的熱衰退嚴重。升至350 ℃時,較多試樣的衰退率F350達到50%以上,說明在高溫下所有摩擦材料熱分解均加劇。

大部分試樣的恢復率R大于100%,說明降溫至100 ℃時,剎車片試樣的摩擦系數μR100高于μF100,表明試樣摩擦系數恢復性較好。

衰退摩擦系數偏差ΔμF代表了摩擦材料的熱穩定性。在表2中,1#～4#試樣的ΔμF均小于0#試樣,說明這4個配方試樣的熱穩定性好于0#試樣。

重量磨損比值ΔMW代表剎車片的磨損率[10]。由表2可見,0#試樣的ΔMW接近2,而1#～4#試樣的ΔMW均小于1。相較于0#試樣,這4個配方的剎車片熱磨損率小。

根據以上分析可知,由混合纖維添加金屬粉制備的剎車片試樣性能優于單一纖維、不添加金屬粉制備的剎車片。

2.2.3 摩擦材料耐磨性

圖2是隨添加金屬粉量增加、試樣的重量磨損比值變化曲線。

圖2 重量磨損比值曲線Fig.2 Curve of weight wear ratio

由圖2可知,隨著金屬粉含量的增加,試樣的重量磨損比值呈現降低→升高→降低的變化。2#試樣的重量磨損比值最低,說明此配方的剎車片更耐磨。

由以上實驗數據可知,2#試樣的300 ℃衰退率值為9.38%,恢復率值為106.45%,結合其衰退摩擦系數平均值(0.374)、衰退摩擦系數偏差(0.17)及重量磨損比值(0.671),表明此配方的剎車片綜合性能最佳。

3 結論

以3種纖維混合作為增強纖維、添加金屬粉的摩擦材料,可提高礦山自卸車剎車片發生熱衰退的溫度,減緩熱衰退,改善熱穩定性,提高耐磨性,其綜合性能優于未添加金屬粉的單一纖維的摩擦材料。摩擦材料磨損率與金屬粉添加量并不呈現線性關系,2#配方制備的剎車片性能最優。