工艺参数对低树脂基刹车片性能的影响

2021年10月24日汽车技术评论1,071阅读模式

摘要：以正交试验法进行工艺参数设计，采用一次热压成型技术制备出低树脂基刹车片；利用多种分析测试设备测定低树脂基刹车片的摩擦磨损性能和机械物理性能；借助正交极差分析法判定各工艺参数对性能的影响程度，并观察磨损表面和磨屑的微观形貌。研究表明：热压温度对摩擦因数的影响最大，采用160 ℃热压温度处理的试样摩擦因数较高；固化时间对磨损率的影响最大，采用11 h固化时间的试样磨损率较低；压力对硬度的影响最大，采用22 MPa压力的试样硬度大；固化时间和热压温度都影响剪切强度，在一定范围内，固化时间越长热压温度越高则剪切强度越高。

随着人们对日常汽车行驶中的安全性、舒适性等需求的不断提高，对刹车片的性能提出了更高的要求。优质的刹车片所应该具备的性能主要包括稳定且合适的摩擦因数、优良的耐磨性、一定的机械物理性能以及较小的制动噪声等[1]。目前利用干法制造树脂基刹车片的工艺中应用最为广泛的是热压成型工艺[2]。其原理是：在成型过程中加压加热，使模压料流动充满模腔，其中充当黏结剂的树脂在热的作用下固化，形成具备特定性能且质地均匀致密的刹车片。

在热压过程中，树脂作为有机黏结剂会出现失水缩聚等现象，出现硬化反应，变成坚固的固态膜，进而将其他组分粘接在一起，形成不熔不溶的刹车片制品[3]。树脂在这个过程中会经历3个状态：黏流态、胶凝态以及硬化态。在黏流态下和胶凝态下树脂分别呈流动状态和软化状态，因此模压料只有在树脂还未硬化前才具有可塑性[4]。热压结束后，还需进行固化直至模压料心部完全硬化。因此，工艺参数的设定是保证同种配方刹车片质量的关键[5]。

热压成型和固化是刹车片制备中最为重要的2个过程，所涉及4种工艺参数分别是压力、热压温度、保压时间和固化时间。其中，为达到与工人生产效率相匹配和避免影响热压机效率的目的，保压时间设定为300 s。

普通树脂基刹车片(树脂质量分数15%～20%)存在250 ℃以后出现严重热衰退的问题。即便对树脂进行增韧和耐热改性处理，热衰退问题依然不容忽视[6-7]。低树脂基刹车片依靠少量改性酚醛树脂(质量分数7%～8%)和丁腈胶粉作为黏结剂，辅以能充当高温黏结剂的硫化锑等填料，能有效改善高温热衰退问题[8]。本文作者选择热压温度、压力和固化时间作为研究对象，探讨不同工艺参数对低树脂基刹车片摩擦磨损性能和机械物理性能影响。

1 试验部分

1.1 原材料

试验选用济南圣泉海沃斯生产的PF6530A改性酚醛树脂；博钛新材料科技有限公司生产的六钛酸钾晶须(200～30目)；美国杜邦生产的1414型芳纶浆粕(比表面积(8±0.5)m2/g，纤维平均长度2～2.5 mm)；荷兰LAPINUS纤维公司生产的RB215复合矿物纤维(直径d≥125 μm的渣球质量分数不超过0.2%)。

试验配方(质量分数)为：基体黏结剂10%，增强纤维35%，填料55%。除此之外，配方中还加入了100目鳞片石墨、600目轻质碳酸钙、325目氧化铝、180～325目硫化锑等填料作为摩擦性能调节剂，20～40目蛭石、30#～40#粒径焦炭作为空间填料。

1.2 工艺参数设计

文中将热压温度、固化时间和压力3个参数设为因素，每个因素选择2个水平，设计正交试验表1。

表1 正交试验表
Table 1 Orthogonal test table

1.3 试样制备

(1)称料。每组配方总质量1 kg，利用电子天平按比例称取原材料。

(2)混料。采用XL633型犁耙式混料机进行混料，先单独对芳纶浆粕进行开散处理10 min，再将其余增强纤维投入进行混杂处理15 min，最后将所有组分放一起混料25 min，获得模压料。

(3)热压成型。在XL100-63T热压机上的刹车片模具上刷好脱模剂并预热到120 ℃，在4个模腔中分别投入118 g模压料，盖上钢背。设定热压机工作参数以释放压力让原材料中挥发性介质逸散出来。

(4)固化。将热压成型的刹车片放入XL702C型台式干燥箱中进行固化。

(5)制样。利用试样切割机切取25 mm×25 mm×6 mm试样，每组试样取自同一块刹车片的摩擦面。

1.4 性能测试

试验前，对从每组刹车片上切取的两片试样进行编号。

(1)硬度测试:借助HR-150A型洛氏硬度计测量每片试样5个点的洛氏硬度，计算出平均值即为试样的硬度值。

(2)剪切强度测试:采用XL101型剪切强度试验机测试试样的剪切强度。根据热压机模具模腔底面积得到刹车片表面积A。对刹车片施加3 000 N的正压力，同时剪刀以(3 000±300) N/s的速率加载，直到横向剪断刹车片。测试系统会记录下加载曲线并输出最大剪切力F，计算出剪切强度τ。

(3)摩擦性能测试:利用XL112型定速式摩擦试验机测试摩擦磨损性能，按照GB5763-2008《汽车用制动器衬片》第四类衬片规范进行操作。摩擦盘的材质是HT250，经粒度为P240砂纸处理至其表面光洁无明显划痕，加载压力为0.98 MPa，转速为480 r/min。100 ℃以下进行多次磨合直至接触面积Ac≥95%；升温定速实验温度依次为100、150、200、250、300、350℃，每个温度摩擦盘转5 000转；恢复试验温度依次为300、250、200、150、100 ℃，每个温度摩擦盘转1 500转。试验过程中采用计算机记录各试验温度下的摩擦因数μ，测量试样磨损体积并计算磨损率V。

1.5 数据分析及微观形貌观察

(1)极差分析。通过正交表进行极差分析可得到3种工艺参数对刹车片性能的影响程度。

(2)微观形貌观察。借助日立S-3700N型扫描电子显微镜观察镀金试样的磨损表面和磨屑的微观形貌，分析磨损机制。

2 结果及分析

2.1 工艺参数对摩擦因数的影响

通过试验得到4种试样升温过程和恢复过程的摩擦因数，表2和表3分别给出了升温过程和恢复过程中摩擦因数的极差分析结果。升温过程和恢复过程中热压温度的极差值分别达到0.31和0.275，远高于压力和固化时间的极差值，所以热压温度对升温摩擦因数和恢复摩擦因数都有较大的影响，而压力和固化时间对摩擦因数的影响有限。

表2 升温摩擦因数极差分析
Table 2 Range analysis of fade friction coefficient

表3 恢复摩擦因数极差分析
Table 3 Range analysis of recovery friction coefficient

图1和图2分别示出了4种试样升温过程和恢复过程的摩擦因数变化趋势，可明显观察到，热压温度160 ℃下制备的T3和T4试样的摩擦因数明显高于热压温度150 ℃下制备的T1和T2试样。这是因为，当热压温度设定为150 ℃时，树脂硬化速度较慢，还有部分水分和其他一些低分子物质残存在基体之中，造成试样基体质地疏松，致使试样在摩擦过程中高温和交变压力的作用下，基体黏结强度大幅下降，不能有效提供摩擦力。

图1 升温摩擦因数
Fig 1 Fade friction coefficient

图2 恢复摩擦因数
Fig 2 Recovery friction coefficient

从图3(a)所示的磨损表面形貌图可见，T1试样试验磨损表面稳定摩擦层较少而且较为分散，大片的基体因摩擦层被撕裂而裸露出来，呈典型的黏着磨损状态，此时，摩擦层的缺失不能提供稳定的摩擦力导致摩擦因数较低。而T4试样的摩擦层较为稳定，摩擦因数也较高(见图3(d))。

图3 试样磨损表面SEM图
Fig 3 SEM micrographs of worn surfaces of samples

试验结果表明，摩擦因数整体上随热压温度的升高而升高，但热压温度仍需设定在一个合理范围，并不是越高越好。根据以前的试错法实验结果和表4关于PF6530A硬化速度与温度的关系表明，随着热压温度的升高，树脂硬化速度也越快，160 ℃通常已经是PF6530A所能适应的最高热压温度。如果热压温度继续升高，将会产生2种结果：一是树脂还未来得及完全浸润其余组分便已快速硬化，致使刹车片质地疏松且成分不均匀，摩擦因数低且磨损率大；二是高温使得与模具接触的树脂迅速硬化，随着保压过程的持续，模压料中部分挥发性介质和水分会变成蒸汽，而在压力作用下这些蒸汽难以通过表面硬化层排出。最终，蒸汽的存在致使刹车片制品内部存在较大的应力，这会大大加剧使用过程中出现起泡、肿胀甚至断裂等缺陷的风险[4]。

表4 PF6530A硬化速度与温度的关系
Table 4 Relationship between curing speed and temperature of PF6530A

2.2 工艺参数对磨损率的影响

通过试验得到4种试样在各个试验温度下的磨损率，表5给出了磨损率的极差分析，可知，固化时间的极差值最大，所以工艺参数中对磨损率影响最大的因素是固化时间。

表5 磨损率的极差分析
Table 5 Range analysis of wear rate

图4示出了4种试样在各个试验温度下磨损率的变化趋势。可较为明显地观察到，采用7 h固化时间的T1和T3试样的磨损率较大；采用11 h固化时间的T2和T4试样的磨损率较小。这是因为热压结束后，刹车片通常呈现“中软外硬”的非完全固化状态，需要放入干燥箱中固化。

图4 试样磨损率随试验温度的变化
Fig 4 Variation of wear rate of the samples with temperature

固化时间不足会导致2种后果：一是基体内部整体粘结强度不足；二是热量使基体内部挥发性物质快速逸散，易在表层和亚表层易形成残余应力致使塑性变形和位错运动更为剧烈。从图3(b)和图5(a)可看出，因固化时间相对充分，T2试样磨损表面犁沟较浅，且摩擦层较为稳定，磨屑也相对均匀且细小。而从图3(c)和图5(b)可看出，因固化时间不足，T3试样磨损表面犁沟较深，处于亚表层的增强纤维易被拉拔出，同时附带有部分基体组分，致使摩擦层呈严重撕裂状态；试样表面磨屑整体呈块状或片状，因而磨损率较大。

图5 试样磨屑SEM图
Fig 5 SEM micrographs of wear debris of the samples

2.3 工艺参数对机械物理性能的影响

刹车片的表面硬度处于HRM60～70对抑制制动噪声更为有利[9]。比较图6中4种试样硬度的变化趋势可知，试样硬度随着压力的升高而升高，其中T1和T4试样的洛氏硬度分别为HRM62和HRM 65，属于比较理想的范围，而T2和T3试样的洛氏硬度分别为HRM75和HRM 72，属于高硬度范围。压力增大，模压料中各组分间孔隙减少，基体致密度提高，最后反映为硬度的上升。22 MPa的压力使得试样已经超出了理想表面硬度的范围，如果继续提高压力不仅会导致刹车片制品质量不合格，还会降低模具使用寿命甚至损坏模具。

比较图6中4种试样的剪切强度可知，T1和T3试样的剪切强度较低，而T2和T4试样的剪切强度较高。说明在一定范围内，固化时间越长剪切强度越高。对比采用相同固化时间和压力的T2和T4试样，T4试样的剪切强度略高于T2试样，说明在一定范围内，热压温度越高剪切强度也越高。