刹车片材料基本知识、摩擦材料和发展方向

-1-摩擦材料一、概论摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。它主要包括制动器衬片（刹车片）和离合器面片（离合器片）。刹车片用于制动，离合器片用于传动。任何机械设备与运动的各种车辆都必须要有制动或传动装置。摩擦材料是这种制动或传动装置上的关键性部件。它最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。如离合器片传递动力，制动片吸收动能。它们使机械设备与各种机动车辆能够安全可靠地工作。所以说摩擦材料是一种应用广泛又甚关键地材料。摩擦材料是一种高分子三元复合材料，是物理与化学复合体。它是由高分子粘结剂（树脂与橡胶）、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组成及其它配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。摩擦材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能要求。它们被广泛应用在汽车、火车、飞机、石油钻机等各类工程机械设备上。民用品如自行车、洗衣机等作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。二、摩擦材料发展简史自世界上出现动力机械和机动车辆后，在其传动和制动机构中就使用摩擦片。初期的摩擦片系用棉花、棉布、皮革等作为基材，如：将棉花纤维或其织品浸渍橡胶浆液后，进行加工成型制成刹车片或刹车带。其缺点：耐热性较差，当摩擦面温度超过120℃后，棉花和棉布会逐渐焦化甚至燃烧。随着车辆速度和载重的增加，其制动温度也相应提高，这类摩擦材料已经不能满足使用要求。人们开始寻求耐热性好的、新的摩擦材料类型，石棉摩擦材料由此诞生。石棉是一种天然的矿物纤维，它具有较高的耐热性和机械强度，还具有较长的纤维长度、很好的散热性，柔软性和浸渍性也很好，可以进行纺织加工制成石棉布或石棉带并浸渍粘结剂。石棉短纤维和其布、带织品都可以作为摩擦材料的基材。更由于其具有较低的价格（性价比），所以很快就取代了棉花与棉布而成为摩擦材料中的主要基材料。1905年石棉刹车带开始被应用，其制品的摩擦性能和使用寿命、耐热性和机械强度均有较大的提高。1918年开始，人们用石棉短纤维与沥青混合制成模压刹车片。20世纪20年代初酚醛树脂开始工业化应用，由于其耐热性明显高于橡胶，所以很快就取代了橡胶，而成为摩擦材料中主要的粘结剂材料。由于酚醛树脂与其他的各种耐热型的合成树脂相比价格较低，故从那时起，石棉－酚醛型摩擦材料被世界各国广泛使用至今。20世纪60年代，人们逐渐认识到石棉对人体健康有一定的危险性。在开采或生产过程中，微细的石棉纤维易飞扬在空气中被人吸入肺部，长期间处于这种环境下的人们比较容易患上石棉肺一类的疾病。因此人们开始寻求能取代石棉的其它纤维材料来制造摩擦材料，即无石棉摩擦材料或非石棉摩擦材料。20世纪70年代，以钢纤维为主要代替材料的半金属材料在国外被首先采用。80年代－90年代初，半金属摩擦材料已占据了整个汽车用盘式片领域。20世纪90年代后期以来，NAO（少金属）摩擦材料在欧洲的出现是一个发展的趋势。无石棉，采用两种或两种以上纤维（以无机纤维为主，并有少量有机纤维）只含少量钢纤维、铁粉。NAO（少金属）型摩擦材料有助于克服半金属型摩擦材料固有的高比重、易生锈、易产生制动噪音、伤对偶（盘、鼓）及导热系数过大等缺陷。目前，NAO（少金属）型摩擦材料已得到广泛应用，取代半金属型摩擦材料。2004年开始，随汽车工业飞速发展，人们对制动性能要求越来越高，开始研发陶瓷型摩擦材料。陶瓷型摩擦材料主要以无机纤维和几种有机纤维混杂组成，无石棉，无金属。其特点为：1.无石棉符合环保要求；2.无金属和多孔性材料的使用可降低制品密度，有利于减少损伤制动盘（鼓）和产生制动噪音的粘度。3.摩擦材料不生锈，不腐蚀；4.磨耗低，粉尘少（轮毂）。三、摩擦材料分类在大多数情况下，摩擦材料都是同各种金属对偶起摩擦的。一般公认，在干摩擦条件下，同对偶摩擦系数大于0.2的材料，称为摩擦材料。材料按其摩擦特性分为低摩擦系数材料和高摩擦系数材料。低摩擦系数材料又称减摩材料或润滑材料，其作用是减少机械运动中的动力损耗，降低机械部件磨损，延长使用寿命。高摩擦系数材料又称摩阻材料（称为摩擦材料）。1.按工作功能分可分为传动与制动两大类摩擦材料。如传动作用的离合器片，系通过离合器总成中离合器摩擦面片的贴合与分离将发动机产生的动力传递到驱动轮上，使车辆开始行走。制动作用的刹车片（分为盘式与鼓式刹车片），系通过车辆制动机构将刹车片紧贴在制动盘（鼓）上，使行走中的车辆减速或停下来。2.按产品形状分可分为刹车片（盘式片、鼓式片）、刹车带、闸瓦、离合器片、异性摩擦片。盘式片呈平面状，鼓式片呈弧形。闸瓦（火车闸瓦、石油钻机）为弧形产品，但比普通弧形刹车片要厚的多，25～30mm范围。刹车带常用于农机和工程机械上，属软质摩擦材-2-料。离合器片一般为圆环形状制品。异性摩擦片多用于各种工程机械方面，如摩擦压力机，电葫芦等。3.按产品材质分可分为石棉摩擦材料、无石棉摩擦材料两大类。A、石棉摩擦材料分为以下几类：a、石棉纤维摩擦材料，又称为石棉绒质摩擦材料。生产：各种刹车片、离合器片、火车合成闸瓦、石棉绒质橡胶带等。b、石棉线质摩擦材料。生产：缠绕型离合器片、短切石棉线段摩擦材料等。c、石棉布质摩擦材料。生产：制造层压类钻机闸瓦、刹车带、离合器面片等。d、石棉编织摩擦材料。生产：制造油浸或树脂浸刹车带。石油钻机闸瓦等。B、无石棉摩擦材料分为以下几类：a、半金属摩擦材料。应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片。其材质配方组成中通常含有30％～50％左右的铁质金属物（如钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉）。半金属摩擦材料因此而得名。是最早取代石棉而发展起来的一种无石棉材料。其特点：耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数大，能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求。但其存在制动噪音大、边角脆裂等缺点。b、NAO摩擦材料。从广义上是指非石棉－非钢纤维型摩擦材料，但现盘式片也含有少量的钢纤维。NAO摩擦材料中的基材料在大多数情况下为两种或两种以上纤维（以无机纤维，并有少量有机纤维）混合物。因此NAO摩擦材料是非石棉混合纤维摩擦材料。通常刹车片为短切纤维型摩擦块，离合器片为连续纤维型摩擦片。c、粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材料，系将铁基、铜基粉状物料经混合、压型，并在在高温下烧结而成。适用于较高温度下的制动与传动工况条件。如：飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动。优点：使用寿命长；缺点：制品价格高，制动噪音大，重而脆性大，对偶磨损大。d、碳纤维摩擦材料。系用碳纤维为增强材料制成的一类摩擦材料。碳纤维具有高模量、导热好、耐热等特点。碳纤维摩擦材料是各种类型摩擦材料中性能最好的一种。碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高及比重轻，特别适合生产飞机刹车片，国外有些高档轿车的刹车片也使用。因其价格昂贵，故其应用范围受到限制，产量较少。在碳纤维摩擦材料组分中，除了碳纤维外，还使用石墨，碳的化合物。组分中的有机粘结剂也要经过碳化处理，故碳纤维摩擦材料也称为碳——碳摩擦材料或碳基摩擦材料。四、摩擦材料的技术要求摩擦材料是车辆与机械的离合器总成和制动器中的关键安全零件，在传动和制动过程中，主要应满足以下技术要求：1.适宜而稳定的摩擦系数。摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个最重要的性能指标，关系着摩擦片执行传动和制动功能的好坏。它不是一个常数，而是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化的一个数。理想的摩擦系数应具有理想的冷摩擦系数和可以控制的温度衰退。由于摩擦产生热量，增高了工作温度，导致了摩擦材料的摩擦系数发生变化。温度是影响摩擦系数的重要因素。摩擦材料在摩擦过程中，由于温度的迅速升高，一般温度达200℃以上，摩擦系数开始下降。当温度达到树脂和橡胶分解温度范围后，产生摩擦系数的骤然降低，这种现象称为“热衰退”。严重的“热衰退”会导致制动效能变差和恶化。在实际应用中会降低摩擦力，从而降低了制动作用，这很危险也是必须要避免的。在摩擦材料中加入高温摩擦调节剂填料，是减少和克服“热衰退”的有效手段。经过“热衰退”的摩擦片，当温度逐渐降低时摩擦系数会逐渐恢复至原来的正常情况，但也有时会出现摩擦系数恢复得高于原来正常的摩擦系数而恢复过头，对这种摩擦系数恢复过头我们称之为“过恢复”。摩擦系数通常随温度增加而降低，但过多的降低也是不能忽视。我国汽车制动器衬片台架试验标准中就有制动力矩、速度稳定性要求。（QC/T239-1997货车、客车制动器性能要求；QC/T582-1999轿车制动器性能要求；T564-1999轿车制动器台架试验方法；QC/T479-1999货车、客车制动器台架试验方法），因此当车辆行驶速度加快时，要防止制动效能的下降因素。摩擦材料表面沾水时，摩擦系数也会下降，当表面的水膜消除恢复至干燥状态后，摩擦系数就会恢复正常，称之为“涉水恢复性”。摩擦材料表面沾有油污时，摩擦系数显著下降，但应保持一定的摩擦力，使其仍有一定的制动效能。2.良好的耐磨性。摩擦材料的耐磨性是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标。耐磨性越好，表示它的使用寿命越长。但是摩擦材料在工作过程中的磨损，主要是由摩擦接触表面产生的剪切力造成的。工作温度是影响磨损量的重要因素。当材料表面温度达到有机粘结剂的热分解温度范围时，有机粘结剂如橡胶、树脂产生分解、碳化和失重现象。随温度升高，这种现象加剧，粘结作用下降，磨损量急剧增大，称之为“热磨损”。选用合适的减磨填料和耐热性好的树脂、橡胶，能有效地减少材料的工作磨损，特别是热磨损，可延长其使用寿命。-3-摩擦材料的耐磨性指标有多种表示方法，我国GB5763-98“汽车制动器衬片”国家标准中规定的磨损指标（定速式摩擦试验机）100℃～350℃温度范围的每档温度（50℃为一挡）时磨损率。磨损率系样品与对偶表面进行相对滑动过程中做单位摩擦功时体积磨损量，可由测定其摩擦力的滑动距离及样品因磨损的厚度减少而计算出。但由于被测样品在摩擦性能测试过程中，受高温影响会产生不同程度的热膨胀，掩盖了样品的厚度磨损，有时甚至出现负值，即样品经高温磨损后的厚度反而增加。这就不能真实正确反映出实际磨损。故有的生产厂家除测定样品的体积磨损外，还要测定样品的重量磨损率。3.具有良好的机械强度和物理性能。摩擦材料制品在装配使用之前，有需进行钻孔、铆装装配等机械加工，才能制成刹车片总成或离合器总成。在摩擦工作过程中，摩擦材料除了要承受很高温度的同时，还要承受较大的压力与剪切力。因此要求摩擦材料必须具有足够的机械强度，以保证在加工或使用过程中不出现破损与碎裂。如：铆接刹车片：要求有一定的抗冲击强度、铆接应力、抗压强度等。粘结刹车片：盘式片要具有足够的常温粘结强度与高温（300℃）粘结强度，以保证摩擦材料与钢背粘结牢固，可经受盘式片在制动过程中高剪切力，而不产生相互脱离，造成制动失效的严重后果。离合器片要求具有足够的抗冲击强度、静弯曲强度、最大应变值以及旋转破坏强度，为了保证离合器片在运输、铆装加工过程中不致损坏，也为了保障离合器片在高速旋转的工作条件下不发生破裂。4.制动噪音低。制动噪音关系到车辆行驶的舒适性，而且对周围环境特别是对城市环境造成噪音污染。对于轿车和城市公交车来说，制动噪音是一项重要的性能要求。就轿车盘式片而言，摩擦性能良好的无噪音或低噪音刹车片成为首先产品。随汽车工业的发展，现对制动噪音人们越来越重视，有关部门已经提出了标准规定。一般汽车制动时产生的噪音不应超过85dB。引起制动噪音的因素很多，因刹车片只是制动总成的一个零件，制动时刹车片与刹车盘（鼓）在高速与高压相对运动下的强烈摩擦作用，彼此产生振动，从而放大产生不同程度的噪音。就摩擦材料而言，长期使用经验告诉我们，造成制动噪音的因素大致有：（1）摩擦材料的摩擦系数越高，越易产生噪音，达到0.45～0.5或更高时，极易产生噪音。（2）制品材质硬度高易产生噪音。（3）高硬度填料用量多时易产生噪音。（4）刹车片经高温制动作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又称釉质层。在制动摩擦时会产生高频振动及相应的噪音。