HGM—B型高摩合成闸瓦生产中出现裂纹分析及措施

宁洪

摘 要：针对HGM-B型高摩合成闸瓦生产过程中容易出现裂纹缺陷问题，系统分析其形成原因，并从原材料、成型工艺参数和模具设计等三方面提出了相应的防止措施。

关键词：高摩合成闸瓦；原材料；成型工艺；模具

1 概述

随着科技进步和铁道车辆高速重载的发展，HGM-B型高摩合成闸瓦作为铁路货车制动系统中的重要配件，已得到全面推广应用。我公司自2007年6月取得HGM-B型高摩合成闸瓦生产资质以来，在生产中有时会出现裂纹等质量问题，针对问题，经分析研判和反复的生产实践，通过采用对原材料、成型工艺和模具等方面进行重点卡控等手段，闸瓦的裂纹问题得到了有效的控制，提高了闸瓦的外观和内在质量，保证了铁路运输安全的需要。

2 产生原因

HGM-B型高摩合成闸瓦主要由瓦背和摩擦材料经高温热压而形成，其摩擦材料由粘结剂、耐热补强剂、填料和助剂组成，其中丁腈橡胶和改性酚醛树脂为粘结剂，石墨、铝矾土、钾长石粉、还原铁粉、海泡石和沉淀硫酸钡为填充料、钢纤维和复合纤维为耐热补强剂，硫磺、促进剂、氧化锌和硫酸钡为助剂。上述原材料按一定比例混合后，经塑炼、混炼、破碎等工序便形成了生产高摩合成闸瓦的摩擦材料。HGM-B型高摩合成闸瓦见图1所示。

从上述高摩合成闸瓦的生产过程和原材料构成看，产生裂纹缺陷的原因存在多元性，通过对摩擦材料自身特性及各个生产环节系统分析，具体产生裂纹的主要原因如下：

2.1 内部气体压力产生的裂纹

HGM-B型高摩合成闸瓦的生产过程是一个复杂的物理和化学反应过程，其中粘结剂改性酚醛树脂化学反应形成水并释放出氨气等，此外，原材料本身含有水等挥发性物质，在压制过程中，挥发性物质产生的气体会在在高温下膨胀，如果这些气体不能被顺利从闸瓦体中排除，在脱模、卸除壓力时，由于闸瓦体内部气体压力较大，而摩擦材料仍处于较高温度具有一定弹性，闸瓦体内的气体膨胀逸出，从而使闸瓦体表面出现裂纹。

2.2 固化处理过程中形成的裂纹

在固化处理过程中，粘结剂改性酚醛树脂会继续发生化学反应，体积收缩，造成压制材料产生应力，从而造成在摩擦体和钢质瓦背之间产生裂纹。

2.3 脱模过程中形成的裂纹

在从模具中卸出合成闸瓦时，模具强度和刚性不够，导致闸瓦受力过大产生裂纹；压力机上下模板不平，顶出装置设计不合理，如果脱模时顶偏，造成闸瓦局部受力过大，使高温下的闸瓦受力不均也易产生裂纹。

2.4 模具加热不均匀造成的裂纹

如果模具加热管分布不均匀，整个模具就加热不均匀，使合成闸瓦的固化速度及程度不均匀，这不仅会导致局部应力分布不均，也不利于低分子挥发物排出，很容易导致裂纹。

3 防止措施

针对上述产生裂纹的原因，我公司通过从原材料、成型工艺参数以及模具等生产环节进行重点卡控，从而可有效控制裂纹缺陷的产生。HGM-B型高摩合成闸瓦生产工艺流程如图2所示。

3.1 控制原材料水分

在称量配料前首先检查原材料是否受潮、结块，出现受潮、结块现象不能投入使用，同时为了有效控制原材料水分，对原材料进行烘干处理，使其水分控制在0.8%以下，这样可以解决由于原材料挥发水分过高而引起的裂纹问题。

3.2 调整成型工艺方法及参数

压制过程中的压制温度、压制压力和保压时间是成型工艺主要三个控制参数，合理调整成型工艺参数，可有效控制裂纹的产生。

3.2.1 采用多次排气、多次加压的方法

合成闸瓦的摩擦材料在填装模具过程中容易带入空气，为解决这个问题，压制过程中采用多次排气、多次加压方式。在压制过程中，压制压力需逐步分段上调，五步压制成型。具体为：首先在上模下压后需进行排气，待第四次排气完成后，将加压至15Mpa进行压制，使模具料腔中的原料填实压紧，并尽可能多的排出摩擦材料中的空气。

3.2.2 选择合理的压制温度

合成闸瓦摩擦材料中粘结剂作用是将钢纤维、复合纤维和填充料粘结在一起，而粘结剂的固化需要一定的温度，因此，压制前，应将下压头及模腔温度控制在160±5°C范围之内，如果压制温度过低，致使固化不充分，制成的闸瓦材料强度低，易产生大面积鼓起；如果压制温度过高，则会出现靠近模壁的粘结剂过早固化，内部低分子物无法排出，泄压后易产生小气泡或裂纹。

3.2.3 选择合理的保压时间

如果压制时间过短，合成闸瓦摩擦材料中靠近模壁的粘结剂虽已固化，而内部的粘结剂尚未完全固化，卸压后内部气体膨胀，合成闸瓦材料强度不够，很容易产生大面积鼓泡或裂纹。经现场验证，五次压制保压时间分别为10秒钟、25秒钟、25秒钟、600秒钟、900秒钟为宜。

3.2.4 适当降低固化处理升温速度

固化处理中一定注意升温速度，升温速度过快，使得摩擦材料不能够固化均匀，导致闸瓦出现裂纹。

3.2.5 适当降低固化处理温度

固化处理中温度过高容易使合成材料产生应力收缩，导致闸瓦出现裂纹，为达到合成闸瓦内外固化充分均匀，最好降低固化处理温度。综合考虑，固化处理温度应选择在155±5°C 范围之内。

3.3 合理设计模具

3.3.1 合理选用模具材质及结构

模框采用45#与Cr12材料拼接的结构，其中模框四周的背板用45#锻造后热处理，模腔拼块采用锻造的Cr12材料加工而成，采用该结构不仅解决了模具的强度和刚性，而且保证了合成闸瓦在模腔里不变形。对模框内成型产品的腹膜也采用45#锻造后热处理，对腹膜的结构进行了优化设计，尽量避免尖锐的拐角，这样既增加了腹膜的强度，又可有效避免合成闸瓦在压制过程中拐角处产生应力集中而形成的裂纹。

3.3.2 合理设计脱模工装

采用下出料结构脱模，由上模头向下压出，确保顶出装置作用在合成闸瓦上的压力均匀且合理，避免合成闸瓦因受力过大或不均而出现裂纹，而且，底部小推车内设计了轴承滚动结构，使用起来更省力、更灵活。

3.3.3 均匀布置模具加热管

压制温度对合成闸瓦质量控制非常重要，我公司采用加厚模具墙板厚度和电热管从内部分区加热的方式，避免了传统外围加热方式的不足，确保模具整体导热均匀，不易形成局部高温点，同时模具外围加保温层，用耐火石棉将模具与外界隔开，并采用电子温控仪表分别控制模具各区的温度，实现对模具各区域温度的精确控制。

4 结束语

在公司的具体实践中，我们针对高摩合成闸瓦在生产过程中存在容易出现裂纹的现象及产生的原因，进行了认真的分析研判，并采取了积极有效的解决办法，通过不懈努力，经公司近年来的实践证明，上述办法对解决闸瓦裂纹问题，降低闸瓦次品率效果十分明显。

参考文献：

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[2]刘书银.高摩合成闸瓦在大秦铁路使用中出现的问题及分析[J].铁道技术监督，2009.5.

[3]裴顶峰.高摩系数合成闸瓦的研制[J].工程塑料应用，2003.1.