钢纤维含量对汽车摩擦材料性能的影响

刘伯威，张小英，杨阳



钢纤维含量对汽车摩擦材料性能的影响

刘伯威1, 2，张小英2，杨阳2

(1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2. 湖南博云汽车制动材料有限公司，长沙 410205)

通过调整摩擦材料基础配方中钢纤维的含量，采用直接混合工艺制备不同组分的摩擦材料，对其进行理化性能、力学性能、摩擦性能及制动噪音测试。结果表明：随钢纤维含量增加，摩擦材料的密度、pH值和洛氏硬度均增大，常温压缩量减小；气孔率先减小，当钢纤维含量超过21%后，气孔率增大；名义摩擦因数(nom)先略微降低后升高，最低摩擦因数(min)磨损量和噪音发生率均增加，但当钢纤维含量超过21%后，磨损量和噪音发生率明显增加。

钢纤维；物理性能；力学性能；摩擦磨损性能；制动噪音

传统的石棉摩擦材料具有较高的摩擦因数，良好的耐热性、耐磨性及较低成本等特性，但从20世纪70年代石棉及其高温分解物被确认具有致癌性后，其应用受到严格限制。为了消除石棉摩擦材料对环境及人体的危害，美国本迪公司在20世纪70年代初开发出一种以钢纤维或金属粉末代替石棉纤维的半金属摩擦材料[1]。摩擦材料由粘接剂、增强纤维、填料三大部分混合后经热压制成，其中增强纤维为主要摩擦成份，起增强基体的作用，使摩擦材料能承受冲击、剪切等作用而不出现裂纹、断裂和崩缺等机械损伤，同时对摩擦磨损性能也起着至关重要的作用[2−3]。钢纤维具有优良的力学性能，其最显著的特点是导热性好，可使局部表面热量迅速扩散至内部，从而降低摩擦表面温度，避免表面温度过高，防止树脂基体因热分解而导致材料磨损加剧，延长摩擦块的使用寿命，因此在摩擦材料领域中广泛应用。但钢纤维也存在密度相对较大、易锈蚀、损伤对偶件、造价较高、硬度高等缺点，尤其是钢纤维含量过大时，在制动过程中易引起尖叫并产生颤抖等问题[4]。据研究，当钢纤维质量分数为20%~26%时，树脂基摩擦材料可以获得较好的摩擦磨损性能[5−7]。到目前为止，钢纤维对摩擦材料性能影响的研究已经有大量报道，但对摩擦材料制动噪音的影响未见报道。基于以上原因，通过在现有的低金属配方中添加钢纤维，综合研究钢纤维含量对摩擦材料的力学性能、摩擦性能及制动噪音的影响，以期为其在汽车摩擦材料中更好地应用提供参考依据。

1 实验

1.1 基本配方

本试验所用的低碳钢纤维长0.5 mm左右，其形貌如图1所示。由图可见，纤维表面粗糙，变形严重，这是由其刮削生产的方式所决定。钢纤维的基本物理性能列于表1。不同钢纤维含量的摩擦材料配方按表2设计。

1.2 工艺流程

针对所用原材料的物理性能及生产实践经验，生产工艺选择应用广泛的热压工艺，其工艺流程具体如下：配料(酚醛树脂、丁腈橡胶、钢纤维等)—混料—冷压—热压—热处理—机加工—样件。用自制的简易高速混料机混料，混料时间为3 min，混料机转速为 1400 r/min；在JFY60型小型气压机上采用一次成形方式模压成形，压制温度为(160±5) ℃，压力为11.5 MPa，压制工艺分为模压排气阶段及保压硬化阶段，具体压制工艺如表3所列。热压成形后的样品经热处理及后续机加工制得最终样品，热处理温度−时间曲线如图2所示。

1.3 性能测试

按照JC/T685—1998，QC/T583—1999，GB/T5766—2007和JASO C458—1986分别测试摩擦材料的密度、气孔率、硬度和pH值；根据ISO 6310道路车辆制动衬片压缩应变试验方法，测试刹车片样品在室温条件下压缩载荷为16 MPa时的变形量；根据SAE J2522测试不同制动速度、压力和温度条件下摩擦材料样品摩擦磨损性能的变化情况；在美国LINK 3900型NVH惯量实验台上，根据SAE J2521测试制动速度、制动压力、制动温度及制动方向等试验条件对制动噪音的影响；采用日本JSM−5600LV型扫描电镜测试原材料钢纤维和摩擦试验后样品的表面形貌。

图1 钢纤维在扫描电镜下的形貌特征

表1 钢纤维的物理性能[8]

表2 摩擦材料的基本配方

表3 刹车片样品压制工艺

图2 热处理温度−时间曲线

2 结果与分析

2.1 钢纤维含量对摩擦材料物理性能的影响

表4所列为钢纤维含量对摩擦材料气孔率、密度和pH值的影响。由表4可知，材料密度随钢纤维含量的增加而增大，这是由于钢纤维自身密度比较大的缘故。当钢纤维含量从0%增加到10%时，材料密度显著增加，这是由于钢纤维的加入改变了混合料的压制性能，材料中的气孔率显著降低。材料气孔率随钢纤维含量增加先减小后增大，当钢纤维含量从0%增加到21%时，气孔率从14.2%降到12.1%。其原因主要有两点：一是被替代的填料本身气孔率相对较大；二是钢纤维密度大于替代的填料密度，同等质量钢纤维的比表面积小于填料的比表面积，在树脂含量不变的情况下，钢纤维量的增加使树脂填充得更密实，从而孔隙度降低。但当钢纤维含量增加到30% 时，气孔率又从12.1%增大到13.7%，这是由于钢纤维含量过多，材料中因纤维搭桥而使孔隙率增加。摩擦材料的pH值随钢纤维含量增加而增大，但整体变化幅度不大。

2.2 钢纤维含量对摩擦材料力学性能的影响

图3所示为钢纤维含量对摩擦材料硬度和常温压缩变形量的影响。随钢纤维含量增加，洛氏硬度从49增加到64，一方面，这是由于钢纤维的硬度和结构强度都较高，并且与树脂粘结剂具有良好的相容性，因而材料的力学性能得到提高；另一方面，由于钢纤维的加入，材料的气孔率降低，抵抗压力变形的能力得以提高，从而使摩擦材料的硬度大幅升高。摩擦材料的常温压缩变形量与硬度呈相反的变化趋势，硬度越高，材料抵抗弹/塑性变形的能力越强，在外载荷作用下变形量就越小。因此，随钢纤维含量增加，摩擦材料压缩变形量减小，变形量从138 μm减小到99 μm。

2.3 钢纤维含量对摩擦材料摩擦磨损性能的影响

2.3.1 对材料名义摩擦因数的影响

图4所示为钢纤维含量对摩擦材料名义摩擦因数(nom)的影响。由图可以看出，随钢纤维含量增加，nom先减小后增大。钢纤维含量从0%增加到10%时，其值由0.35降低到0.34；当钢纤维含量从10%增加到21%时，摩擦因数从0.34增加到0.36；进一步增加到30%时，摩擦因数从0.36大幅增加到0.39。

在制动过程中制动块与对偶件的表面总是在某些点发生接触，导致它们的真实接触面积比名义接触面积少得多，其比值因摩擦材料的力学性能、接触面的粗糙度、工作温度等不同而发生变化[9]。当钢纤维含量为0%时，摩擦材料相对较软，制动过程中较软的材料易贴紧对偶面，从而实际接触面积较大，因此当钢纤维含量从0%增加到10%时，nom略微降低。当钢纤维含量增加时(10%～21%)，由于钢纤维在摩擦材料中起主增强作用，随其含量增加，在摩擦磨损过程中钢纤维被剥离、拉拔和剪切的可能性提高，脱落后在摩擦面上形成磨粒，犁削作用加大，所提供的摩擦力矩增大，因而摩擦因数升高。当钢纤维含量进一步增加时，由于树脂粘结剂的含量相对不足，对钢纤维以及矿物纤维(配方中的另一种增强纤维)等的粘结力进一步减弱，纤维拉拔、断裂后在摩擦面上形成大量的磨粒，因而材料的摩擦因数大幅度升高。

表4 钢纤维含量对摩擦材料气孔率、密度、pH值的影响

图3 钢纤维含量对摩擦材料硬度、压缩变形量的影响

图4不同钢纤维含量的摩擦材料名义摩擦因数

2.3.2 对材料抗热衰退性能的影响

钢纤维含量对摩擦材料热衰退性能的影响如图5所示。由图5(c)可见，在第2次制动过程中，制动盘初温从215 ℃升高到约350 ℃，随后制动盘的温度越来越高，在第11次制动结束时达到600 ℃左右。由图5(a)可见，在一衰试验阶段，随制动初始温度升高，所有材料的摩擦因数都出现不同程度的降低，最低摩擦因数随钢纤维含量增加而增大。当钢纤维含量为0%~21%时，所有试样的摩擦因数均在第6次制动(制动初温为398 ℃)时达到最低值，随后从第7次制动开始摩擦因数又逐渐升高；钢纤维含量为30%时，最低摩擦因数在第11次制动时达到最低值。

摩擦材料中的有机成分在温度高于250 ℃后开始分解且释放出液体H2O、小分子气体以及有机残炭化合物，使摩擦表面由干摩擦转变为湿摩擦，导致摩擦因数显著降低。由于钢纤维导热性好，大量的钢纤维使摩擦表面热量迅速扩散至内部，从而降低摩擦表面温度，避免摩擦材料中的有机成分发生热分解而产生“热衰退”现象[6−7, 10−12]，如图5(a)所示。钢纤维含量为30%在第11次制动时出现最低摩擦因数，且最低摩擦因数最大。

图5(b)为钢纤维含量对第2次衰退试验阶段材料摩擦因数的影响。当钢纤维含量为0%~21%时，摩擦因数的变化趋势与第1次衰退试验时摩擦因数的变化趋势类似。但钢纤维含量进一步增加到30%时，摩擦因数随制动次数增加呈直线下降，从0.59减小到0.37。在第1次制动时，由于材料基体表面大量的硬相钢纤维作为凸点对刹车对偶件产生的犁沟作用增加，增大犁沟过程中的挤压和剪切抗力。钢纤维含量为30%的样件由于树脂粘结剂的含量相对不足，对钢纤维及矿物纤维等的粘结力减弱。当连续制动多次后，在高温和压力作用下酚醛树脂热分解会导致粘接失效，表面连续摩擦膜被破坏，减小了实际接触面积，因而摩擦因数大幅度降低。

2.3.3 对磨损量的影响

图6所示为不同钢纤维含量的摩擦材料厚度磨损和质量磨损变化曲线，图7和图8所示为试样摩擦后的表面形貌。当钢纤维含量从0%增加到21%时，厚度磨损量从0.43 mm增加到0.7 mm，质量磨损量从7.35 g增加到10.4 g。钢纤维在摩擦材料中主要起增强作用，在与对偶件的摩擦磨损过程中，随钢纤维含量增加，其出现拉拔、剥离和剪切的可能性增加，钢纤维发生脱落造成不同类型的磨损，其中包括磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损，因此磨损量随钢纤维含量增加而增大。磨损量突增的原因为：一方面，当钢纤维含量过高时，树脂不能满足组分间充分粘结的需要，使组分间的结合不牢固，结合强度降低；当表面粘着点的强度大于组分和基体间的结合强度时，组分材料从基体上脱落的可能性大大增加，尤其是在温度较高时，树脂与纤维界面之间出热裂纹，从而使疲劳磨损更加显著，试验后材料表面出现纤维断裂、破坏，摩擦面上残存很多纤维拔出后留下的孔洞(如图7所示)。另一方面，钢纤维含量为21%的试样试验后摩擦表面光滑，形成连续的转移膜(图8(a))，磨损形式以粘接磨损为主；含量为30%的摩擦表面除了有少量的转移膜，还存在大量磨屑(图8(b))，磨损形式以磨粒磨损和粘着磨损为主，从而加剧了摩擦面的磨损。因此，当钢纤维的比例过高时，几种类型的磨损同时发生，导致磨损量大幅度增加。

图5 钢纤维含量对材料抗高温衰退性能的影响

图6 不同钢纤维含量的摩擦材料厚度磨损及质量磨损

图7 钢纤维含量为30%时试样摩擦试验后的SEM照片

图8 不同钢纤维含量的摩擦材料摩擦试验后的表面形貌

2.4 钢纤维含量对摩擦材料制动噪音的影响

在不同制动速度、制动温度、制动压力、制动方向等试验条件下，不同钢纤维含量的摩擦材料制动噪音发生频率及分贝值如图9所示。钢纤维含量不同，噪音发生频率分布也不同，但主要集中分布在8 000 Hz附近，分贝值最高达到110 dB，其噪音主要由拖磨及减速制动产生。图10所示为不同钢纤维含量对摩擦材料制动噪音发生频率及评分值的影响。钢纤维含量从0%增加到10%时，发生率从9.4%增加到14.1%，评分值从7.3减小到6.3；钢纤维含量为10%~21%时，噪音发生率变化不大；钢纤维含量进一步增加到30%时，噪音发生率明显增大，从16.3%增加到22.4%，评分值从5.8减小到4.9。

汽车制动噪音的产生十分复杂，主要由悬挂部件的共振或相互干涉引起，同时制动摩擦材料的材料组成、气孔率、压缩率、比模量和酸碱度等也与噪音的强度有关[13]。不同钢纤维含量对汽车摩擦材料的制动噪音有显著的影响，其原因是多方面的：第一，钢纤维的硬度较高，在摩擦磨损过程中，钢纤维会出现拉拔、剥离和剪切，在摩擦面上出现不规则的犁沟、麻坑及粘着微凸体。而制动力矩的大小与制动盘的接触面积、压紧压力、制动盘材料的摩擦因数和等效作用半径成正比，可用=表示(其中为制动力矩，为压紧压力，为接触面积，为摩擦因数，为摩擦力等效作用半径)，从上式可以看出，由于在摩擦面上出现了犁沟、麻坑及粘着微凸体，改变了材料的真实接触面积，致使制动力矩不断变化而产生振动，从而产生不同程度的制动噪音。第二，由于钢纤维与灰铸铁的摩擦对偶件同属铁基材料，在高温下两者极易发生粘着，摩擦对偶脱落的磨屑粘附在制动盘上，从而使制动盘厚度沿圆周方向不相等，制动盘的厚度变化会强迫制动分泵的活塞在制动过程中发生轴向传动，这不仅使制动压力发生变化，还导致接触压力分布不均匀，从而发生抖动[14−15]。第三，材料的可压缩性对材料的制动噪音特性有显著影响，提高材料的可压缩性在某种程度上会弥补制动盘厚薄差(DTV)对制动抖动的影响，适当提高摩擦材料的可压缩性是一种有效降低噪音发生率的措施[16]。随钢纤维含量从0%增加到30%，摩擦材料的常温压缩变形量从138 μm减小到99 μm，因而噪音发生率从9.4%增加到22.4%。

3 结论

1) 在陶瓷基复合材料中，随钢纤维添加量增加，材料的密度、硬度和pH值均增大；常温压缩量减小；气孔率先减小，当钢纤维质量分数超过21%后，气孔率增升高。

2) 随钢纤维含量增加，名义摩擦因数nom先略微降低后，最低摩擦因数min和磨损量增加；噪音发生率增大，评分值降低；但当钢纤维质量分数超过21%后，磨损量剧烈增加；噪音发生率明显增大。

图9 不同钢纤维含量的摩擦材料制动噪音发生频率及分贝值

图10 不同钢纤维含量的摩擦材料制动噪音发生频率及评分

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(编辑 高海燕)

Influences of steel fiber content on the performance of automobile brake materials

LIU Bowei1, 2, ZHANG Xiaoying2, YANG Yang2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha410083, China; 2. Hunan Boyun Automobile Brake Material Co., Ltd., Changsha 410205, China)

By changing the content of steel fiber based on the basic formula, the friction materials with different composite were prepared by directly mixed process. The physical and chemical properties, mechanical properties, tribological properties and brake noise test were completed. The results show that, when steel fiber content increases, the density of the friction material, pH and Rockwell hardness increase; however, the compressibility reduces at room temperature; the porosity firstly decreases and then increases when the steel fiber content is over 21%;nomslightly decreases and then increases;min, the amount of wear and the incidence of noise all increases, but when the steel fiber content is over 21%, the amount of wear and the incidence of noise significantly increase.

steel fiber; physical performance; mechanical property; friction and wear properties; brake noise

U465

A

1673−0224(2016)05−738−08

湖南省战略性新兴产业科技攻关与重大科技成果转化项目(2015GK1015)

2015−10−22；

2015−12−04

刘伯威，副教授，博士。电话：18674840490；E-mail: zxy@boyunbrake.com