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(yè)大學材料與化學工程學院,武漢 430068; 2.襄陽湖北工業(yè)大學產(chǎn)業(yè)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(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性要求更高。剎車片是制動系統(tǒng)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(shù)合適,抗熱衰退性能好,磨損率較低。

傳統(tǒng)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(dǎo)熱性好,能強化剎車片的熱傳導(dǎo)能力,令剎車片具有良好的熱穩(wěn)定性及導(dǎo)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(yè)生產(chǎn)剎車片還要考慮經(jīng)濟效益。

替代石棉的非金屬纖維單獨應(yīng)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(xié)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(dǎo)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(dǎo)熱填料的摩擦材料配方,根據(jù)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(jié)劑、增強纖維及填料構(gòu)成。

選用硼改性樹脂作為黏結(jié)劑,將石墨、焦炭粉、炭黑等作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑,把碳纖維、玻璃纖維及礦物纖維混雜作為增強纖維。經(jīng)前期實驗分析、調(diào)整得到摩擦材料的基本配方:黏結(jié)劑16%、增強纖維20%、填料64%。在此基礎(chǔ)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(jié)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(xù)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(nèi)進行固化處理,熱處理溫度170 ℃,處理時間3 h。經(jīng)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(yīng)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(shè)備有限公司生產(chǎn)的XD-MSM定速摩擦實驗機,按GB/T5763-2008測定摩擦系數(shù),測定了試樣測試前后的質(zhì)量及密度。

2 結(jié)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(shù),減小摩擦力,令剎車片制動效果不明顯,導(dǎo)致車輛行駛中產(chǎn)生較大噪聲;值過小,會與對偶面產(chǎn)生黏著磨損,降低剎車片使用壽命。由以上數(shù)據(jù)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(shù)、恢復(fù)摩擦系數(shù)測試結(jié)果及試樣摩擦前后的質(zhì)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(guān)數(shù)據(jù)。

表1 定速摩擦試驗結(jié)果Tab.1 Results of constant speed friction test

2.2.1 衰退摩擦系數(shù)

根據(jù)表1的衰退摩擦系數(shù)數(shù)據(jù),得到各試樣摩擦系數(shù)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(shù)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(shù)在150 ℃達到最大值。隨著溫度繼續(xù)升高,摩擦系數(shù)急劇下降,1#、2#、3#試樣的摩擦系數(shù)在200 ℃達到最大值。溫度升至250 ℃時,摩擦系數(shù)緩降。溫度繼續(xù)升高,摩擦系數(shù)陡然下降。4#試樣的摩擦系數(shù)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(shù)發(fā)生熱衰退的拐點提高至200 ℃。

圖1 衰退摩擦系數(shù)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(fù)摩擦系數(shù),能方便控制產(chǎn)品質(zhì)量,但并不能據(jù)此直接判斷剎車片性能。有必要對試驗數(shù)據(jù)進行處理,從中找出體現(xiàn)摩擦材料性能的代表性數(shù)值,令判斷更加準確、直觀[10]。將表1所示的各組相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)果列于表2。

表2 定速摩擦試驗數(shù)據(jù)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(fù)率R大于100%,說明降溫至100 ℃時,剎車片試樣的摩擦系數(shù)μR100高于μF100,表明試樣摩擦系數(shù)恢復(fù)性較好。

衰退摩擦系數(shù)偏差ΔμF代表了摩擦材料的熱穩(wěn)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(wěn)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(jù)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(yōu)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(xiàn)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(shù)據(jù)可知,2#試樣的300 ℃衰退率值為9.38%,恢復(fù)率值為106.45%,結(jié)合其衰退摩擦系數(shù)平均值(0.374)、衰退摩擦系數(shù)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(jié)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(fā)生熱衰退的溫度,減緩熱衰退,改善熱穩(wěn)定性,提高耐磨性,其綜合性能優(yōu)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(xiàn)線性關(guān)系,2#配方制備的剎車片性能最優(yōu)。