CN103436222A - 一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法。该刹车片以镧系氧化物、增强纤维、粘结剂、调节剂和填充粉体为主要添加原料，采用混料、冷压和热压，并经过热处理进行改性制成。采用本发明的方法制备的产品耐高温，热衰退性能好，摩擦系数稳定，制动性能优良，耐磨性能好且使用寿命长，制动噪音小，合乎环保要求。能完全滿足矿用汽车载重吨位高、制动力矩大、制动次数频繁和发热量大的特定要求。

Description

一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法

技术领域

本发明属于摩擦材料的制备技术领域，具体涉及一种利用镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法。

背景技术

汽车刹车片最初是用棉花及皮革作为基材加热制成的，但由于耐热性差，制动效果不好，而被石棉摩擦材料刹车片所取代。20世纪60年代人们发现石棉材料是一种强致癌的工业原料，人们也逐渐认识到石棉对人类健康的危害性，随之石棉材料刹车片也就被迫退出了历史舞台。相继国内国外研制出半金属、粉末冶金、碳纤维、陶瓷纤维等多种摩擦材料刹车片，由于其良好的性能，而得到公路汽车大量使用，为汽车事业的发展做出了一定的贡献。

摩擦材料按产品材质可以分为：

（1）半金属摩擦材料，主要应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片，它是最早为取代石棉而发展起来的一种非石棉摩擦材料，其特点是耐热性较好、单位面积吸收功率高、导热系数大，基本上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、制动效果不佳等缺点。

（2）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、压制，并在高温下烧结而成，适用于较高温度下的制动与传动工况条件，例如飞机、重载汽车、重型工程机械的制动与传动等。

（3）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，碳纤维具有高摩量、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较好的一种，碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高且比重轻，因此特别适合生产飞机刹车片。

（4）陶瓷纤维摩擦材料，系用陶瓷纤维为增强材料制成的一类摩擦材料，具有良好的抗老化、低磨损和高温稳定的摩擦性能等特点。

（5）复合纤维型摩擦材料是用二种或二种以上纤维做基材，经过特定的工艺将其进行混合。主要以无机纤维为主，有时也加入少量的有机纤维。通常刹车片为短切纤维型摩擦片，离合器片为连续纤维型摩擦片。

矿用汽车，由于其载重量大、工况条件恶劣、制动次数频繁、发热量大的特定条件，短时工作温度达500℃以上，长时工作温度为200℃～300℃，工作压力为2MPa ~ 3MPa。针对矿用汽车运行的特定工况条件，传统的非石棉刹车片的不足之处如下所示：

热衰退

传统的非石棉摩擦材料的基体(即粘结剂)是热固性酚醛树脂和橡胶，当矿用汽车运行的过程时，摩擦材料在制动与传动过程中，它与金属对偶的摩擦表面会产生很高的温度，达到200~400℃，甚至更高，此温度已达到树脂和橡胶的热分解温度。树脂和橡胶中的大分子由于热降解产生液态或气态的低分子物质，在摩擦表面上形成一层很薄的液态或气态介质层，使原本为纯净摩擦或干摩擦的工况条件变为混合摩擦的情况，在宏观上反映为摩擦系数的下降或急剧下降，这称为热衰退。

热磨损和热龟裂

摩擦材料长时间处于高温工况条件时，导致树脂和橡胶大分子热分解的加剧，聚合物的分子主链和交联链断裂，网状结构被破坏，低分子物质产生和逸出。热分解的结果使树脂和橡胶碳化并失去重量。碳化使树脂失去粘结作用，由于失去重量使粘结剂数量减少，导致摩擦片表面渐渐形成龟裂，磨损加剧，有时甚至会造成材料从摩擦材料表面脱落，丧失工作功能。

对比2002年7月17日公开的专利申请（申请号：00134952.X），尽管其性能在一定程度上要优于传统的非石棉刹车片，但所含稀土种类繁杂，包含稀土矿物、混合稀土化合物及单一稀土化合物，元素种类更是千差万别，包含镧至钇等18中稀土元素。大多数稀土属于共生矿，通常伴生有铀、钍等天然放射性元素，对工作场所及周围环境造成污染。同时，并非所有的稀土元素在改善刹车片性能方面起到作用，因此有必要对稀土刹车片中所需稀土元素及种类进行甄别和研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法，本发明是在综合分析现有刹车片的摩擦材料技术特点应用效果后，寻找出了一种有效配方及刹车片的制备方法，采用本方法能稳定刹车片摩擦系数，降低磨损率，降低刹车时的噪音，延长刹车片的使用寿命，减少片层脱落、破碎和制动盘拉伤的现象。

一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法，其特征在于，以镧系氧化物、增强纤维、粘结剂、调节剂和填充粉体为添加原料，采用混料、冷压和热压，并经过热处理进行改性制成；其中，镧系氧化物包含氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕；增强纤维包含陶瓷纤维、低碳钢纤维、铬钼纤维、电解紫铜纤维；粘结剂包含丁腈橡胶改性的酚醛树脂、硫化锑、锡粉、硫磺；调节剂包含锆英砂、刚玉、无磁氧化铁粉、石油焦碳粉；填充粉体包含石墨、重晶石粉、云母、碳化硅、碳化硼；以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧0.1-5% 、氧化铈0.1-5%、氧化镨0.05-2%、氧化钕0.05-2%，

增强纤维：陶瓷纤维8-16%、低碳钢纤维18-23%、铬钼纤维5-13%、电解紫铜纤维3-10%，

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9-15%、硫化锑1-4%、锡粉1-4%、硫磺1-4%，

调节剂：锆英砂2-5%、刚玉3-10%、无磁氧化铁粉4-9%，石油焦碳粉5-16%，

填充粉体：石墨3-10%、重晶石粉3-8%、云母1-4%、碳化硅2-8%、碳化硼2-10%；

将按比例称取的原料进行混合，混料时，加入无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料过程在中真空中进行，真空度在-0.1~0.1Mpa；在0.3MPa ~ 0.6MPa之间进行冷压成型，时长为20 ~ 30秒；然后进行热压成型，压力为20MPa ~ 25MPa，温度为150℃ ~ 180℃，压制时间为20min；最终将制得的刹车片进行后序热处理，热处理温度控制如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。

作为本发明创新点，我们采用镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）四种稀土元素的氧化物作为矿用汽车刹车片配方的重要组分之一。该组物质具有突出的化学活性和优异的界面性能，可以显著提高摩擦材料的高温摩擦、高温磨损性能。于此同时，针对于多种稀土元素在摩擦材料中的应用，我们进行去伪存真，去粗存精，在有效节约资源能源的前提下，避免了环境的污染。

发明的效果

本发明的配方由于加入镧系元素后，可以起到两方面的作用，一是可以对粘结剂进行改变性能，使其可以耐高温，提高热衰退性能；二是可以降低磨损率，降低噪音。

本发明由于采取以上的配方和工艺，制作的产品总体具有以下优点和积极的效果：

（1）不含石棉、制动无噪音、合乎环境保护要求；

（2）耐高温、热衰退性能好，不会形成胶化层，片层不易脱落或破碎，摩擦系数达到要求而且稳定，制动性能好、切实保障了行驶安全；

（3）耐磨性能好，使用寿命大于3.5万公里；

（4）在潮湿、酸性气体环境中不腐蚀生锈，不发生力学衰退；

（5）相对对偶面磨损小，不会对制动鼓和制动盘造成损伤，适用于大吨位矿用汽车的各种制动模式。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施示例1及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧0.1% 、氧化铈5%、氧化镨0.05%、氧化钕2%，

增强纤维：陶瓷纤维8%、低碳钢纤维23%、铬钼纤维5%、电解紫铜纤维10%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9%、硫化锑1%、锡粉4%、硫磺1%；

调节剂：锆英砂2%、刚玉3%、无磁氧化铁粉4.85%，石油焦碳粉5%；

填充粉体：石墨3%、重晶石粉3%、云母1%、碳化硅8%、碳化硼2%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在-0.1MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.6MPa之间进行冷压成型，时长为20秒。然后进行热压成型，压力为20MPa，温度为150℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表1所示。

表1：利用实施例1配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

实施示例2及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧5% 、氧化铈0.1%、氧化镨2%、氧化钕0.05%；

增强纤维：陶瓷纤维8%、低碳钢纤维18%、铬钼纤维6%、电解紫铜纤维3%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂15%、硫化锑4%、锡粉1%、硫磺4%；

调节剂：锆英砂5%、刚玉8.85%、无磁氧化铁粉4%，石油焦碳粉5%；

填充粉体：石墨3%、重晶石粉3%、云母1%、碳化硅2%、碳化硼2%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在0.1MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.3MPa 之间进行冷压成型，时长为30秒。然后进行热压成型，压力为25MPa，温度为180℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表2所示。

表2：利用实施例2配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

实施示例3及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧1% 、氧化铈1%、氧化镨0.5%、氧化钕0.5%；

增强纤维：陶瓷纤维8%、低碳钢纤维18%、铬钼纤维5%、电解紫铜纤维3%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9%、硫化锑1%、锡粉1%、硫磺1%；

调节剂：锆英砂2%、刚玉3%、无磁氧化铁粉9%，石油焦碳粉5%；

填充粉体：石墨8%、重晶石粉8%、云母4%、碳化硅2%、碳化硼10%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在-0.1MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.3MPa 之间进行冷压成型，时长为20秒。然后进行热压成型，压力为20MPa，温度为150℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表3所示。

表3：利用实施例3配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

实施示例4及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧0.1% 、氧化铈0.1%、氧化镨0.05%、氧化钕0.05%；

增强纤维：陶瓷纤维16%、低碳钢纤维18%、铬钼纤维5%、电解紫铜纤维3%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9%、硫化锑1%、锡粉1%、硫磺1%；

调节剂：锆英砂2%、刚玉10%、无磁氧化铁粉4%，石油焦碳粉8.7%；

填充粉体：石墨10%、重晶石粉3%、云母1%、碳化硅2%、碳化硼5%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在0.1MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.3MPa 之间进行冷压成型，时长为30秒。然后进行热压成型，压力为22MPa，温度为160℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表4所示。

表4：利用实施例4配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

实施示例5及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧2% 、氧化铈1%、氧化镨1%、氧化钕1%；

增强纤维：陶瓷纤维8%、低碳钢纤维18%、铬钼纤维13%、电解紫铜纤维3%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9%、硫化锑1%、锡粉1%、硫磺1%；

调节剂：锆英砂2%、刚玉3%、无磁氧化铁粉4%，石油焦碳粉16%；

填充粉体：石墨3%、重晶石粉4%、云母2%、碳化硅5%、碳化硼3%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在0.05MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.4MPa之间进行冷压成型，时长为25秒。然后进行热压成型，压力为24MPa，温度为170℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表5所示。

表5：利用实施例5配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

实施示例6及试验结果

以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧2.5% 、氧化铈2%、氧化镨1%、氧化钕0.5%；

增强纤维：陶瓷纤维10%、低碳钢纤维20%、铬钼纤维7%、电解紫铜纤维5%；

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂,11.5%、硫化锑2%、锡粉1.5%、硫磺2%；

调节剂：锆英砂2-5%、刚玉3-10%、无磁氧化铁粉4-9%，石油焦碳粉5-16%；

填充粉体：石墨4.5%、重晶石粉4%、云母2.5%、碳化硅3.5%、碳化硼2.5%。

将按比例称取的原料进行混合，混料时，采用犁耙式混合机混合，加入浓度为99%(v/v)的无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料程序中增加抽真空工艺，保证该工序的真空度在0.05MPa。然后进行冷压成型，将混合后的原料放入模具的模腔中，选用500吨的压机，同时压力设置在0.5MPa之间进行冷压成型，时长为25秒。然后进行热压成型，压力为24MPa，温度为160℃，压制时间为20min。最终将制得的刹车片进行后序热处理，将热压成型的产品夹上夹具，然后将夹上夹具的产品置于烘箱之中，温度处理如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。并最终进行性能检测，结果如表6所示。

表6：利用实施例6配方制备的刹车片的摩擦系数、磨损率和外观质量。

综述以上各实施例：

从试验数据中看出，利用镧系元素改性的矿用汽车刹车片在矿用汽车上使用情况，其使用寿命长，摩擦系数稳定，磨损率低，相对对偶面磨损小等特点，并且不含石棉，不会产生石棉粉尘污染环境及致癌，制动无噪音，合乎环境保护要求，同时还耐温，热衰退性能好，不会形成胶化层，摩擦系数稳定，制动性能优良，刹车灵敏，切实保证了行驶安全。各种数据表明该配方制备的矿用汽车刹车片能满足矿用汽车载重量大、工况条件恶劣、制动次数频繁、发热量大的特定条件，符合国家的各类标准。

Claims (1)

1.一种镧系元素改性的矿用汽车刹车片的制备方法，其特征是：以镧系氧化物、增强纤维、粘结剂、调节剂和填充粉体为添加原料，采用混料、冷压和热压，并经过热处理进行改性制成；其中，镧系氧化物包含氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕；增强纤维包含陶瓷纤维、低碳钢纤维、铬钼纤维、电解紫铜纤维；粘结剂包含丁腈橡胶改性的酚醛树脂、硫化锑、锡粉、硫磺；调节剂包含锆英砂、刚玉、无磁氧化铁粉、石油焦碳粉；填充粉体包含石墨、重晶石粉、云母、碳化硅、碳化硼；以该配方的重量为基准，各种原料的配方百分比如下所示：

镧系氧化物：氧化镧0.1-5% 、氧化铈0.1-5%、氧化镨0.05-2%、氧化钕0.05-2%，

增强纤维：陶瓷纤维8-16%、低碳钢纤维18-23%、铬钼纤维5-13%、电解紫铜纤维3-10%，

粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂9-15%、硫化锑1-4%、锡粉1-4%、硫磺1-4%，

调节剂：锆英砂2-5%、刚玉3-10%、无磁氧化铁粉4-9%，石油焦碳粉5-16%，

填充粉体：石墨3-10%、重晶石粉3-8%、云母1-4%、碳化硅2-8%、碳化硼2-10%；

将按比例称取的原料进行混合，混料时，加入无水乙醇搅拌；首先添加镧系氧化物与粘结剂混合改性，然后再添加除粘结剂以外的其他原料搅拌配制；混料过程在中真空中进行，真空度在-0.1~0.1Mpa；在0.3MPa ~ 0.6MPa之间进行冷压成型，时长为20 ~ 30秒；然后进行热压成型，压力为20MPa ~ 25MPa，温度为150℃ ~ 180℃，压制时间为20min；最终将制得的刹车片进行后序热处理，热处理温度控制如下：室温至160℃为2小时，160℃保温2小时，160℃~180℃为1小时，180℃保温1小时，180℃ ~ 200℃为1小时，200℃保温1小时，200℃~220℃为1小时，220℃保温4小时，220℃至室温，自然冷却。