汽车刹车片金属陶瓷复合材料制备及摩擦性能

宋真玉

(陕西工业职业技术学院 汽车工程学院，陕西 咸阳 712000)

刹车片即刹车皮，是汽车刹车系统中最为关键的安全控制零部件，直接决定着汽车刹车效果的好坏，因此好的刹车片是人与汽车安全的最佳保护载体。刹车片主要有钢板、粘接隔热层、摩擦块共同构成，钢板通过涂装进行防锈处理，以SMT-4炉温跟踪仪进行涂装温度分布状态检测，以有效确保质量；隔热层则基于不传热材料所构成，作用是有效隔热；摩擦块则由摩擦材料、黏合剂共同构成，汽车刹车时，被挤压于刹车盘或者刹车鼓上生成摩擦力，以实现车辆减速目的。长期受摩擦力作用，摩擦块逐渐被磨损，通常成本越低，刹车片就越易于磨损，因此就刹车片来讲，如何选择摩擦块材料才是最主要的，其直接决定着刹车片的制动性能[1]。

传统汽车刹车片大多以半金属摩擦材料、石棉材料为主，但是其很容易出现噪声过大、振动太强、磨损率偏高、使用寿命较短等不良现象。相对于一般半金属材料，陶瓷材料在摩擦性能层面更具优势，不仅熔点高，硬度大，且磨损率较低，化学性质稳定，耐腐蚀，比重小，因此在摩擦材料中倍受青睐，已成为了当前研究的重点对象。目前，我国有专利设计了汽车刹车片用高分子复合材料，其由100份橡胶、30～58份石墨与焦炭混合物、15～20份玻璃纤维、15～27份钢棉、15～2份树脂黏结剂、1～2份氧化钙、7～10份二硫化钼、5～9份金属钴、0.2～0.5份滑石粉构成。此高分子材料基于各组分共同作用，构成特定结构，在吸热性与散热性方面独具优势，可在增加摩擦系数的基础上，强化摩擦系数稳定性与可靠性[2]。在此基础上，本文制备了汽车刹车片金属陶瓷复合材料，并详细分析了其摩擦性能。

1 陶瓷刹车片分析

所谓陶瓷刹车片是通过矿物纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维所生成的，颜色较淡、清洁干净，但是成本较高。在汽车制动时，可在摩擦表层产生约800～900 ℃高温，甚至还会更高，此时便会出现烧结，以促使制动片更具稳定性与可靠性。传统刹车片制动时，不会发生烧结现象，因此制动性能相对较差。据此可知，陶瓷刹车片具有其自身独特优势特性，即不会产生噪声，摩擦系数稳定，抗热衰退性良好，抗拉强度与抗压强度较强，安全性高，刹车距离短，质量非常轻，需与陶瓷刹车盘共同使用，这样才可有效发挥其最佳性能[3]。

2 材料制备

2.1 原 料

为对比分析汽车刹车片纯铜基材料与基于不同质量分数Al2O3的汽车刹车片金属陶瓷复合材料摩擦性能的显著差异，面向四种不同质量分数Al2O3刹车片金属陶瓷复合材料与纯铜基刹车片陶瓷复合材料进行试验比较[4]。第一组刹车片以青铜材料作为基础粉末，其他四组刹车片则添加质量分数分别为0.5%、1.5%、2.5%、4%的Al2O3金属陶瓷粉末。青铜基粉末直径约0.1～70 μm，Al2O3粉末直径为3～110 μm。青铜化学成分具体如表1所示。

表1 青铜化学成分 %

2.2 制 备

为制备所需要的刹车片样本，先于TurbulaT2C设备内混合粉末，再将混合物分别于300、450、600 MPa液压力下压制成型，并以初步测试获取最佳压力值，最后将定型后刹车片传送于烧结炉进行加热烧结。为获取最佳烧结温度，试验温度设定为700、750、800、850 ℃。基于测试并详细记录汽车刹车片于不同温度状态时的性能状况，最终明确最佳烧结温度，并以最佳温度为前提进行烧结。汽车刹车片金属陶瓷复合材料烧结工艺过程[5]具体如图1所示。

图1 复合材料烧结工艺过程

由图1可知，不同材料所制备刹车片样本在烧结过程中一共持续约80 min。其中10～35 min段为预热阶段，预热温度约450 ℃，负责充分全面细化晶粒，去除制备中产生的矿物油质。然后温度逐步上升到850 ℃，开展25 min烧结，最后取出放置于空气中自然冷却。

2.3 方 法

以JB3680-84试验法基于MM-1000型摩擦试验机开展试验工作，温度控制在60～400 ℃，样本为25 mm×25 mm×7mm的长方体。以测试不同材料制成的刹车片样本在实际运转时的摩擦系数、磨损量等相关参数，深入探究分析刹车片金属陶瓷复合材料的摩擦性能[6]。

3 结果分析

3.1 密度与硬度结果分析

基于不同质量分数Al2O3的金属陶瓷复合材料烧结前后密度具体如表2所示。

表2 基于不同含量Al2O3的金属陶瓷复合材料烧结前后密度 %

由表2可知，烧结前与烧结后刹车片金属陶瓷复合材料的密度会受Al2O3含量影响，随着含量增加，密度逐步减小，并且烧结之后，整体密度都明显比烧结前密度低，这就代表金属陶瓷复合材料经过烧结之后，压缩性能发生了巨大变化，而压缩性能与材料硬度密切相关。

基于不同质量分数Al2O3的金属陶瓷复合材料烧结前后硬度具体如表3所示。

表3 基于不同含量Al2O3的金属陶瓷复合材料烧结前后硬度 Hv

由表3可知，烧结之前，刹车片金属陶瓷复合材料受Al2O3含量影响，其硬度随之增加，这主要是由于Al2O3陶瓷粉末硬度相对于青铜材料较大，在整体上增加了材料硬度；烧结之后，刹车片金属陶瓷复合材料的整体硬度直接增大到105 Hv，硬度提高了约99.8%，这主要是由于烧结工艺很容易对加工金属形成加工硬化作用，急剧增加其硬度，且对于陶瓷材料的影响非常小。然而陶瓷复合材料硬度过大，会导致汽车刹车时生成巨大摩擦噪声，且会损坏刹车片，而添加Al2O3陶瓷粉末，可确保刹车片硬度值保持于平缓状态，维持于合理的硬度范围内，如此便可延长刹车片使用寿命，强化刹车片疲劳强度[7]。

3.2 摩擦系数结果分析

基于不同质量分数Al2O3的金属陶瓷复合材料摩擦系数具体如表4所示。

表4 基于不同含量Al2O3的金属陶瓷复合材料摩擦系数

由表4可知，温度控制在80～350 ℃时，不添加Al2O3的刹车片摩擦系数值在0.21～0.27浮动；添加0.5%Al2O3的刹车片摩擦系数于0.15～0.16浮动，系数最小；添加1.5%Al2O3的刹车片摩擦系数于0.17～0.23间浮动；添加2.5%Al2O3的刹车片摩擦系数于0.25～0.30浮动；添加4%Al2O3的刹车片摩擦系数于0.34～0.40浮动，由此可以看出，随着Al2O3含量增加，金属陶瓷复合材料的摩擦系数随之变大。而刹车片金属陶瓷复合材料摩擦系数随温度增加，呈现略微的下降形态[8]。

3.3 磨损量结果分析

基于不同质量分数Al2O3的金属陶瓷复合材料磨损量具体如表5所示。

表5 基于不同含量Al2O3的金属陶瓷复合材料磨损量 %

由表5可知，不添加Al2O3的刹车片磨损量约24.2%；添加0.5%Al2O3的刹车片磨损量约17.1%；添加1.5%Al2O3的刹车片磨损量约15.6%；添加2.5%Al2O3的刹车片磨损量约15.2%；添加4%Al2O3的刹车片磨损量约14.4%。由此可以看出，随着Al2O3含量增加，刹车片金属陶瓷复合材料磨损量逐步减小，而添加Al2O3陶瓷粉末与不添加Al2O3陶瓷粉末的刹车片磨损量差值约10%。这就表明，Al2O3陶瓷粉末可有效抑制汽车刹车片金属陶瓷复合材料运行时的磨损，还可延长汽车刹车片使用寿命[9]。

4 结 论

综上所述，本文制备了汽车刹车片金属陶瓷复合材料，并深入探究了其摩擦性能。得出结论，烧结工艺可有效改善刹车片金属陶瓷复合材料密度与硬度，而添加Al2O3陶瓷粉末可有效改善刹车片金属陶瓷复合材料整体硬度，确保硬度值处于合理变化范围之内，可延长使用寿命；随着温度增加，汽车刹车片表层摩擦系数变小，而随Al2O3陶瓷粉末含量增加，表层摩擦系数变大，于4%Al2O3陶瓷粉末含量时，摩擦性能最佳；Al2O3陶瓷粉末可有效抑制刹车片金属陶瓷复合材料的磨损，可延长刹车片使用寿命。