汽車制動摩擦材料成型工藝的研究進展

(青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)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(guān)重要的作用，而在制動摩擦材料生產(chǎn)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(xué)性能和摩擦磨損性能的摩擦材料。摩擦材料的內(nèi)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(lián)結(jié)構(gòu)粘結(jié)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(dǎo)致摩擦材料出現(xiàn)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(dǎo)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(shù)不僅能有效提高摩擦材料的性能，而且還可以降低生產(chǎn)成品，節(jié)約能源，如何選擇和調(diào)配成型工藝參數(shù)是制備摩擦材料的重要一環(huán)。

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(shù)和加壓速度等均會對摩擦材料的性能有一定的影響，經(jīng)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(shù)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(nèi)大多數(shù)汽車摩擦材料制造企業(yè)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(yè)研究的熱點，但在現(xiàn)有的工藝技術(shù)下溫壓成型尚不能成為摩擦材料行業(yè)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(shù)組合，使得摩擦材料具備優(yōu)良的性能和節(jié)約成本，摩擦材料行業(yè)通過許多種方法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。最先使用的優(yōu)化方法是重復(fù)試驗法，就是將可能的工藝參數(shù)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(xué)、更迅速地找到特定摩擦材料的最佳工藝參數(shù)，均勻設(shè)計法、正交實驗法、響應(yīng)面法等數(shù)學(xué)研究方法被應(yīng)用在了摩擦材料工藝參數(shù)優(yōu)化上。

摩擦材料的力學(xué)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(diào)整工藝參數(shù)來改善摩擦材料的性能是優(yōu)化材料性能的主要手段。摩擦材料的性能包括力學(xué)性能、摩擦磨損性能和噪音等，力學(xué)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(shù)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(shù)，良好的磨損率，優(yōu)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(diào)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(zhì)量的影響主要取決于溫度、壓力和時間，的設(shè)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(yīng)，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(dāng)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(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生的氣體和水分難以排出，會導(dǎo)致壓制品出現(xiàn)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(nèi)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(jié)實。樹脂固化時產(chǎn)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(zhì)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(xiàn)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，摩擦材料領(lǐng)域?qū)Τ尚凸に嚨难芯糠浅V泛，從成型方式的講，大部分研究學(xué)者還是專攻于熱壓成型工藝，也有些學(xué)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(yōu)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(yōu)良的致密性、較高的機械強度和穩(wěn)定的摩擦特性，摩擦材料行業(yè)熱壓成型還是當(dāng)今摩擦材料成型工藝的主流。國內(nèi)外研究學(xué)者通過正交實驗法和響應(yīng)曲面法等方法對摩擦材料的成型工藝進行優(yōu)化，篩選出最優(yōu)的工藝參數(shù)，分析了工藝參數(shù)對摩擦材料性能的影響。

鐘厲[1]等研究了復(fù)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(shù)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(shù)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(guī)律，采用均勻設(shè)計的方法進行試驗，分析了成型工藝參數(shù)對摩擦材料的摩擦因數(shù)、沖擊強度的回歸關(guān)系，建立了摩擦因數(shù)、沖擊強度與熱壓工藝參數(shù)的二次響應(yīng)曲面回歸模型。楊昆鵬[3]等研究發(fā)現(xiàn)保壓時間對摩擦系數(shù)穩(wěn)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(guān)聯(lián)。徐洋[4]等采用響應(yīng)面法結(jié)合Design-Expert軟件對有機摩擦復(fù)合材料建立了制備工藝參數(shù)與摩擦系數(shù)、磨損率的二次響應(yīng)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(shù)很早就已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者研究，但目前摩擦材料行業(yè)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(tài)下樹脂固化速度較慢，研究學(xué)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(jié)合節(jié)能環(huán)保，溫壓成型必將是未來摩擦材料成型工藝的發(fā)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(yīng)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(shù)表明，當(dāng)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(yōu)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(jié)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(shù)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(yōu)越摩擦磨損性能，硬度明顯低，摩擦系數(shù)變化穩(wěn)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(fā)現(xiàn)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(shù)穩(wěn)定等特點。

三、成型工藝的發(fā)展方向

隨著汽車的逐步發(fā)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(yōu)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(fā)展必須符合汽車行業(yè)綠色環(huán)保的主題，從摩擦材料的制備到使用，兼具性能和環(huán)保，才是汽車摩擦材料發(fā)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(fā)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(xué)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(fā)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(xué)者亟待解決的問題。