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汽车制动盘材料的研究及发展前景(2)新

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汽车制动盘材料的研究及发展前景(2)新汽车制动盘材料的研究及发展前景(2)新 汽车刹车盘材料的研究及发展现状 目 录 第一章 汽车刹车盘材料 ............................................................. 错误~未定义书签。 1.1几种常见的汽车制动盘 .................................................................................. - 1 - 1.2汽车制动盘材料的种类..................

汽车制动盘材料的研究及发展前景(2)新
汽车制动盘材料的研究及发展前景(2)新 汽车刹车盘材料的研究及发展现状 目 录 第一章 汽车刹车盘材料 ............................................................. 错误~未定义书签。 1.1几种常见的汽车制动盘 .................................................................................. - 1 - 1.2汽车制动盘材料的种类................................................................................... - 2 - 1.3汽车刹车盘材料的发展历程 ........................................................................... - 4 - 1.4汽车制动盘材料的性能要求 ........................................................................... - 9 - 1.5汽车制动材料需要解决的关键技术 .............................................................. - 10 - 第二章 汽车制动盘材料的研究现状 ................................................................. - 12 - 2.1国内外研究现状............................................................................................ - 13 - 2.2几种目前汽车制动盘材料的分析 ................................................................. - 15 - 第三章 汽车制动盘材料发展前景...................................................................... - 25 - 3.1国内外汽车制动摩擦材料发展趋势.............................................................. - 25 - 3.2 汽车制动盘的发展趋势 ............................................................................... - 25 - 3.3我国汽车制动盘材料的发展方向 ................................................................. - 26 - 参考文献 ................................................................................................................. - 27 - 致 谢 ..................................................................................................................... - 29 - 汽车刹车盘材料的研究及发展现状 插图清单 图1-1汽车制动盘 ???????????????????????????????????????????3 图1-2汽车刹车盘几种形式 ?????????????????????????????????????4 图1-3石棉类制动材料??????????????????????????????????????????5 图1-4金属基无石棉制动材料????????????????????????????????????5 图1-5半金属基无石棉制动材料??????????????????????????????????6 图1-6非金属基无石棉制动材料??????????????????????????????????6 图1-7粉末冶金摩擦材料????????????????????????????????????????8 图1-8新型混杂纤维摩擦材料????????????????????????????????????9 图1-9C/C复合材料?????????????????????????????????????????????9 图1-10新型陶瓷基摩擦材料?????????????????????????????????????11 图2-1灰铸铁材料??????????????????????????????????????????????18 图2-2制动盘零件与铸件图??????????????????????????????????????18 图2-3浇注系统示意图??????????????????????????????????????????19 汽车制动盘材料的研究及发展前景 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 格清单 表2-1不同铝基复合材料的力学性能????????????????????????????20 表2-2 3种制备工艺所得C/C-SiC复合材料的主要性能??????24 表2-3各国正在使用及研究看法的制动盘材质?????????????26 汽车刹车盘材料的研究及发展现状 摘 要 汽车制动材料是指利用材料的摩擦性能将汽车的动能转化为热能或其他形式的能量,从而实现汽车制动的材料。汽车制动盘材料的发展与汽车工业的发展是密不可分的,关系着汽车和驾驶人的安全问题,所以当前研制高性能、节能、节材、降耗、防污染、社会效益明显的汽车制动材料,推动汽车工业的发展,已经显得十分必要和迫切的课题。本文详细分析了制动盘的服役条件和性能要求,结合汽车制动盘材料的国内外发展现状,对现在常用的汽车制动盘材料进行了比较分析。分析了灰铸铁材料、铝基复合材料以及 C/C-SiC 制动材料等制动盘材料的优点及不足之处,讨论了制造工艺对制动盘性能的影响。通过分析比较,提出未来汽车制动盘新材料的发展方向,如铝-碳化硅复合材料,金属陶瓷涂层NiCr-CrC制动盘等。 32 关键词:制动材料;性能;新材料 汽车制动盘材料的研究及发展前景 Auto Brake Disc Materials Research And Development Prospects Abstract Automotive brake friction material properties of materials is the use of the car's kinetic energy into thermal energy or other forms of energy, to achieve automotive brake materials. Development and development of automobile industry automobile brake disc materials are inextricably linked. This article describes the history and development of automotive research status brake disc material, through the introduction of an overview of the typical materials of different periods of development, preparation and performance, understand the advantages and disadvantages of the brake disk material. While the modern development of new materials to make a brief overview of the development of understanding of automotive brake discs and research direction, the direction of future research analysis of automotive brake disc. Through the study and analysis, understand the need for development of new materials, developing high-performance, energy, materials, energy, pollution, social apparent car brake disc material, promote the development of the automotive industry, has become very necessary and urgent. Keywords: Brake Materials; Preparation; Performance; The New Material 汽车刹车盘材料的研究及发展现状 第一章 汽车制动盘材料 行车安全与制动系统的性能有着最直接的关系。随着汽车发动机的功率越来越大,汽车的行驶速度越来越快,汽车制动系统也在迅速地发展。在轿车的制动系统中,由于鼓式制动器的一些缺点,鼓式制动器正在逐渐被盘式制动器所取代。盘式制动器的工作方式是利用制动摩擦片与制动盘之间的摩擦力来使车辆减速或停止,实施制动时,汽车的动能会转化成大量的热能。 1.1几种常见的汽车制动盘 图1-1汽车制动盘 - 1 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图1-2 汽车刹车盘几种形式 制动钳和制动盘存在于盘式制动器上,汽车在行驶过程中, 制动盘随着车轮转动,制动钳是固定不动的,当刹车时,制动钳夹住制动盘完成制动作用。 盘式制动器散热快、重量轻、构造简单、调整方便。特别是高负载时耐高温性能好,制动效果稳定,而且不怕泥水侵袭,在冬季和恶劣路况下行车,盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔,以加速通风散热和提高制动效率。 1.2汽车制动盘材料的种类 (1) 石棉类制动材料。石棉类制动摩擦材料主要以石棉纤维作为增强纤维的一种有机基复合制动摩擦材料。石棉纤维具有熔点高、摩擦系数大、机械强度良好且与粘结剂有强的吸附力,具有优良的综合摩擦学性能。20世纪70年代以前,被广泛应用,并长期占据主导地位。但是,由于石棉的传热性能很差,不能迅速散发汽车制动产生的摩擦热,会导致刹车片热衰退层变厚,增加材料的磨损。同时,生产过程及使用中汽车制动导致石棉挥发对人体呼吸器官有严重损害的物质#目前,全球已禁止石棉类制动摩擦材料的进口、制造和加工。 - 2 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图1-3石棉类制动材料 (2) 金属基无石棉制动材料。金属基无石棉制动摩擦材料主要分为熔铸金属和粉末冶金制动摩擦材料两种。熔铸金属主要指铸铁、青铜等,因其易粘结和高温、高速下摩擦系数低等缺点而已被其它材料所取代。传统的粉末冶金制动摩擦材料主要有铜基和铁基两种。它主要是以金属粉末为基体,加入适当减摩剂和增摩剂烧结而成。铜基、铁基金属摩擦材料,可用于较高的使用温度,但是其价格高、制造工艺复杂、制动噪音大。对制动盘的擦伤和磨损大等缺点使其应用受到了限制。近几年,很多研究机构正致力于研究解决刹车盘磨损大的问题。 图1-4金属基无石棉制动材料 (3) 半金属基无石棉制动材料。半金属基无石棉制动摩擦材料是在有机摩擦材料与传统粉末冶金摩擦材料的基础上发展起来的一种新型制动摩擦材料。它采用金属纤维或金属非金属复合纤维替代石棉纤维生产制动摩擦材料。现在,多数汽车采用该类制动摩擦材料,其组成决定其有优良的综合摩擦学特性。但它也存在以下摩擦学缺点:钢纤维容易生锈,锈蚀后对刹车盘磨损严重,摩擦系数稳定性降低,其热传导率高,当摩擦温度高时,易于使 - 3 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 摩擦材料与钢基板间粘结树脂分解,致使其剥落失效,现在有专家研究对其其配方优化设计克服其缺点。 图1-5半金属基无石棉制动材料 (4) 非金属基无石棉制动材料。近几年,适应车辆高速化、轻型化的要求,人们开始研究开发更加新型的摩擦材料,譬如炭炭复合摩擦材料和陶瓷基复合摩擦材料。炭炭复合摩擦材料是用碳纤维增强碳基体的一种功能性复合材料。它的摩擦性能十分优异,具有高强度、高韧性及优良的抗摩擦性能。与传统的金属材料相比,重量减轻约40%,能耐 2000?以上高温且物理性能衰减缓慢,在刹车过程中其摩擦系数稳定适中#目前,飞机和赛车都采用了C/C复合摩擦材料。但其存在如下缺点:摩擦系数不稳定,抗氧化性能差。价格非常昂贵是限制其推广的主要原因。我国在C/C 复合制动材料制备技术上处于国际领先水平。 工程陶瓷基复合制动材料。工程陶瓷具有高热容量、低磨损率以及抗热冲击的特点,而且一般陶瓷都具有较高的摩擦系数。很多研究人员一直在尝试利用该无机非金属材料制造刹车材料,也取得了一定进展。但是工程陶瓷存在容易断裂的严重缺点,制约了它的广泛应用。近几年发现,工程陶瓷基体经纤维或晶须增强后,不仅强度提高,而且韧性大大上升,为它在制动摩擦 [1]材料领域的广泛应用提供了可能。 图1-6非金属基无石棉制动材料 - 4 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 1.3汽车刹车盘材料的发展历程 汽车制动摩擦材料是汽车摩擦式制动器的关键材料。纵观其发展,主要分为以下几个历史发展阶段:鼓式制动器与石棉型摩擦片占主导地位时期 (上世纪70年代中期以前);汽车制动器向盘式制动器与非石棉型摩擦片过渡时期 (上世纪 70 年代中期至上世纪 80 年代中期);盘式制动器与新型摩擦片大发展并得到工业化生产、大规模应用时期(上世纪80年代中期至今)。上世纪70年代中期至上世纪80年代中期,由于石棉型摩擦材料已明显地不能适应汽车工业的发展要求,发达国家迅速开展高性能汽车制动摩擦材料的研制工作,并取得了突破性进展,相继推出半金属型制动摩擦材料、烧结制动摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘结制动摩擦材料、复合纤维制动摩擦材料等#它们一致的特点是:无石棉成分,增强材料采用钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物等代用纤维;增强了金属成分,以提高使用温度和使用寿命;加入了多种添加剂,用以改善制动摩擦材料的稳定性、抗粘着性和抗热衰退,降低制动噪声并减少震颤现象[2]。 (1) 鼓式制动器与石棉型刹车片占主导地位。 20世纪70年代中期以前是摩擦材料发展的第一时期,汽车制动材料多采用石棉作为增强体。它是以石棉为骨架,其他添加剂和树脂复合而成,石棉在摩擦材料中的含量一般为30%,60%。由于石棉摩擦材料具有成本低、密度小、摩擦系数高、来源丰富等一系列优点,能满足摩擦材料的使用要求,因而获得了广泛的应用,长期占据统治地位。 (2) 汽车制动器向盘式制动器与非石棉摩擦材料过渡时期 70年代至80年代中期,随着汽车工业的飞速发展,石棉摩擦材料已不能适应现代汽车和社会发展的需要,同时由于石棉摩擦材料的致癌性,各国强烈要求禁止使用石棉摩擦材料。目前,国内外都在大力开展无石棉摩擦材料的研究,先后研制开发了十几种代替石棉制成的摩擦材料。归纳起来主要有以下几种:半金属摩擦材料,有机纤维摩擦材料,玻璃纤维摩擦材料,片状材料增强摩擦材料等。 (3) 盘式制动器与新型摩擦材料大发展并得到大规模应用阶段 20世纪80年代中期以来,汽车工业向高速、重载、舒适、环保、轻量化方向发展,制动系统得到不断的改进和完善。许多国家都致力于改进和开发新型无石棉摩擦材料,一大批新型制动材料相继涌现。最具代表性的有粉末冶金摩擦材料,新型混杂纤维摩擦材料,C/C复合材料及新型的陶瓷基摩擦材料。 - 5 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 1)粉末冶金摩擦材料 粉末冶金摩擦材料又称烧结金属摩擦材料,是以金属及其合金为基体,添加摩擦组元和润滑组元,通过压制成型,然后在高温中烧结而成。采用粉末冶金技术生产摩擦材料时,不但在性能上有突出的优点,特别是在组分的设计上极具灵活性。法国、瑞典、加拿大等国的高速列车均使用这种闸瓦,且取得不错的效果。但其对对偶的磨损偏大,成本与有机尚有待进一步改进。 图1-7粉末冶金摩擦材料 2)新型混杂纤维摩擦材料。 目前世界上已极少采用单一纤维作为制动材料的增强纤维,混杂纤维增强是摩擦材料的发展方向。所谓新型混杂纤维摩擦材料是指采用两种或两种以上的纤维增强同一种树脂基体的摩擦复合材料。采用混杂技术时,一般都采用性能和价格互补的两种纤维。研究认为炭纤维与芳纶浆粕的混杂表现出很好的摩擦学性能,芳纶纤维在材料摩擦过程中容易在对偶的界面上形成转移膜,摩擦曲线波动幅度比单一炭纤维增强的试样普遍要小,即加入了芳纶浆粕改善了摩擦系数的平稳性,证明了混杂的优异效应。中国专利利用一种价格极为低廉的叶蜡作为填料,采用硅酸铝纤维、钢纤维混杂增强制得一种新型混杂纤维摩擦材料。通过实验测得该种材料在不同温度下摩擦系数稳定、磨损率小、制动效果好,具有很大的市场竞争优势。欧洲专利涉及三种纤维混杂:10-15%的 aramid纤维,5-20%的棉花纤维,2-15%的炭纤维,所研制的摩擦材料比传统 [3]材料具有更佳的摩擦磨损性能。 - 6 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图1-8新型混杂纤维摩擦材料 3)C/C复合材料 C/C复合材料,即炭纤维增强炭基体复合材料。自从1958年问世以来,由于其具有比重小(约为铁的1/5)、强度高(抗拉强度>2GP)、热膨胀系数小、耐高温等优点,在军工、航空、航天等方面取得了长足的发展。其在民用领域 Boeing747、Boeing757方面的应用也日益扩大,很多民用飞机(如波音系列: 等,空客系列:A330、A340等)和高档赛车(Ferrari F2005、Renault R25、 [23]Toyota TF105等)已开始装备C/C刹车副。目前国内中南大学、西北工业大学、中科院金属所、航天集团第四院43所、621所等几家单位的研究在国内居于领先水平。中南大学以博云新材料股份有限公司为依托,C/C刹车副已全面实现产业化、国产化。由于C/C复合材料采用化学气相沉积(CVD),液相浸渍炭化的生产工艺,生产周期较长,因此成本较高,价格昂贵(一副C/C刹车盘价格高达上万元),这也制约了其在更广阔领域特别是汽车领域的应用[4]。 图1-9C/C复合材料 - 7 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 (4) 新型陶瓷基摩擦材料 由于无石棉有机制动材料存在耐热性问题,半金属摩擦材料又存在密度较大、攻击对偶、产生噪音等不足,而尽管C/C复合材料能解决上述问题,但其成本较高。陶瓷摩擦材料具有密度适中、耐高温、耐腐蚀、价格适宜等优点,已被广泛的应用于制动领域。一般来说,陶瓷基摩擦材料中陶瓷的体积分数至少占到45%以上,有的甚至达到80%~90%。常用的性能优良的陶瓷有:SiC、B4C、Si3N4、Al2O3、AlN等。德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位对C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域进行了研究,并成功应用于保时捷高档轿车上。目前在国外,添加陶瓷纤维作为增强材料,利用改性树脂和橡胶为粘合剂,以多种人工合成的有机和无机材料作为摩擦性能调节剂制成的一种非金属摩擦材料,也叫做陶瓷基摩擦材料。 其特点是: 1) 无噪音。陶瓷配方不但很好的消除了行车制动噪音,而且通过对静摩擦系数和动摩擦系数的平衡,解决了半金属和少金属配方很难克服的低频噪音。 2) 无落灰,抗腐蚀能力强。陶瓷配方中没有金属成分的加入,很好的解决了金属纤维锈蚀的问题。对油酸不敏感,且其具有优异的摩擦粉尘性能,一般行车一千公里以内不会有明显的轮毂落灰现象。 3) 使用寿命长。陶瓷摩擦材料采用大量的有机和无机材料,材料之间有良好的亲和性能,并在制动过程中可以形成较好的摩擦膜和转移层,具有很好的润滑效果,大大提高了材料的使用寿命,与半金属相比,其使用寿命可提高1.5倍以上。 4) 绿色环保,制动舒适。陶瓷材料优异的理化性能以及不含重金属的配方,使制动材料具有噪音低、粉尘少的特点,且对环境无污染,完全符合日益 [5]提高的环保要求。 - 8 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图1-10新型陶瓷基摩擦材料 1.4汽车制动盘材料的性能要求 随着各国汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高,制动材料的运行条件越来越苛刻,人们对它的性能要求也越来越高,可简单将其概括为“三化”。 (1) 无石棉,无污染化 自从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及其高温挥发物属于致癌物后,各国家相继禁止使用石棉摩擦材料。我国于1999年10月1日开始实施国家标准《汽车制动系统结构、性能和试验方法》(GB12676-1999),其中明确规定“制动衬片应不含石棉”,并在标准实施起48个月后强制施行。随着人们生活水平的提高,汽车所造成的污染也越来越受到人们的重视,其中刹车片产生的污染也引起了人们的关注。就制动材料而言,对环境的污染主要来自制动过程中产生的噪音及磨屑中的重金属污染。为了控制噪音污染,我国于1996年通过了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》,欧洲各国也对机动车辆的噪声释放做出了严格规定。最近的环境研究显示重金属对环境构成极大的危害,关于重金属污染,在国内还没有被完全了解和关注,而国外已有报道。欧盟为此已采取措施禁止或严格限制在汽车构件中使用重金属,不久前在斯德哥尔摩发表的一项研究表明,摩擦材料是铜污染最大的祸首之一。尽管与其它 [25]汽车部件相比其所含的铜量较低,但制动片却产生了环境中30%的铜污染。在美国加州,由于刹车片重金属造成的河流和海湾污染已经引起了相关部门的重视,其中很多金属如锑、铅、锌等被怀疑有致癌性。因此,制动材料的低金属及无金属化成为研究重点之一。汽车厂商及摩擦材料供货商正在寻找替代品。TRW(美国天合汽车集团)在环境及安全上的技术创新使其在提供 - 9 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 无重金属制动片领域领先一步。通过深入的研究,TRW开发了矿物与陶瓷纤维的混合材料,不使用非环保材料,如紫铜、黄铜、锑铅等。中国也将从TRW [6]的这一成果中获益,一些环保制动产品将会逐步进入国内市场。 (2) 高速化 随着高速公路的普及及火车的再次提速,车辆的行驶速度越来越快。汽车在刹车过程中,制动材料吸收的能量基本和车速的平方成正比。以轿车为例,当车速为100km/h时,制动的热负荷达1130.436KJ。另外,目前小轿车和轻型货车大多从鼓式向盘式制动器转变。该制动器的散热性、热稳定性和水稳定性好,且易于维修和保养。但同时其摩擦面积也只有鼓式的1/4,1/6,单位面积吸收的能量增加4,6倍,高速制动时,摩擦副表面的闪点温度可达1000?,这就对制动材料的耐热性能提出了更高的要求。 轻量化 从上世纪70年代开始,能源危机及石油的短缺日趋严重,汽车轻量化的问题被提上日程。当今世界能源紧缺,节能必将是摩擦材料发展的一个重要方向。因此,汽车工业相应的将汽车从较重的后轮驱动改为更小、更轻、更省油的前轮驱动,出现了更小、更轻的刹车片。也就是说在具有优良摩擦性能的同时,较低密度的刹车片将会更具优势。对高档汽车的刹车片而言,一般都要求其密度低于2.5g/cm3。 因此,为满足上述性能要求,开发高性能环保型制动材料已成为摩擦材料行业的当务之急。泛泛而谈,制动材料应满足多方面的性能要求:a具有适中且稳定的摩擦系数。通常,不同厂商对摩擦系数要求各不相同。用在亚洲车型上的有机摩擦材料的摩擦系数值(µ)为0.30,0.35,在美国常用的半金属摩擦材料(µ)为0.35,0.40。而在欧洲,对速度及温度要求显著不同。所用的无石棉有机材料(NAO)摩擦摩擦系数的要求值达0.40,0.45;b高的耐磨性,即较长的使用寿命;c具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温 [7]机械强度;d对对偶无攻击性;e无噪声、低成本且对环境无污染等 1.5汽车制动材料需要解决的关键技术 近年来,国内外对汽车制动材料进行了广泛的研究,并取得了巨大的研究成果。但目前,汽车制动材料还需解决以下两项关键技术: (1) 提高摩擦材料粘结剂的性能。粘结剂是摩擦材料组成的核心,它性能的好坏直接影响刹车片的性能。一般来说,粘结剂应具有长寿命、良好的 [14]稳定性和较好的耐热性能,其中耐热性是关键。目前,人们普遍采用物理 - 10 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 和化学的方法对酚醛树脂进行改性,其耐热性能大幅度提高。但随着车速的提高,对摩擦材料的热衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘结剂的研究,已不再局限于树脂和橡胶,而且拓展到了利用金属粉末或金属硫化物在高温下具有的特殊性能,减少树脂在摩擦材料中的使用比例,以弥补树脂及橡胶在高温下的不足。因此,尽管采用高性能树脂能提高摩擦材料的耐热性能,但其改善毕竟有限,我们应更多的关注和利用金属粉末及金属硫化物的性能或开发一些新型的无机粘结剂。同时,材料的热传导性虽然是影响耐热性的间接因素,却非常重要。因此,为了降低制动温度,提高耐热性能,可以从提高制动材料的导热系数入手,加快散热速度,防止材料因温度过高导致性能下降。 (2) 随着现代环保意识的增强,人们对汽车产生的噪音的问题越来越关注。因此,减少刹车片诱发的制动噪音成为一个重要的研究课题。汽车刹车片噪音,涉及到制动器的总成结构,而不单是制动材料本身的问题。目前,科学界对噪音的产生及形成机理还没有统一的定论。一般认为,其原因不外乎三种:一是刹车片与对偶不匹配,产生共振或伤盘;二是刹车片的摩擦稳定性差;三是刹车片与制动对偶随制动比压、温度、速率的变化,双方材质互为粘附。为解决此问题,一般可以添加一些润滑剂和增韧剂,积极开发轻质和性能优越 [8]的多孔填料,以降低制动噪音。 - 11 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 第二章 汽车制动盘材料的研究现状 盘式制动器具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点,可广泛应用于飞机、铁路、车辆和工程机械。对盘式制动器的早期研究侧重于试验研究其摩擦特性,随着用户对其制动性能和使用寿命要求的不断提高,有关其基础理论与应用方面的研究也在深入进行。 1.国内外研究现状 2.1.1国外研究现状 制动盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用,性能优良的制动盘是汽车安全行驶的前提条件之一。虽然经过多年的应用与发展,但是从早期的石棉制动盘到目前广泛使用的铸铁制动盘,在环保、质量等方面都存在一些缺陷,并不能完全满足市场需求。汽车产业的迅猛发展,汽车产量的大幅度增加,降低能源消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求,迫使人 [2]们不停的开展对汽车制动盘的研究。 国外早期的制动盘是用石棉纤维填充酚醛树脂制造而成的,其中石棉由硅酸盐矿物质得,含有一定数量的结晶水。由于强制制动时制动盘表面瞬间温度可达到500到600摄氏度,所含的结晶水快速遗失,往往造成制动盘制动性能发生热衰退,同时制动盘自身磨损,再加上石棉在加工、使用中其粉 [3]尘具有致癌作用,因此石棉制动盘渐渐被禁用。 从20世纪60年代开始,美、欧、日等国家大面积推广使用的第二代刹车盘是半金属石墨复合材料制造的一。其主要成分是钢纤维、石墨、金属粉 [4]及其辅料,用改性酚醛树腊粘结成型。半金属刹车盘比石棉刹车盘耐磨性提高25,以上,摩擦系数高、导热性好加工易成型。同时,这种刹车盘也出现钢纤维在潮湿环境中易生锈、刹车时噪音大等缺点。 后来,由于铸铁具有一定的强度和良好的耐磨性,材料和制造成本都较低,长期以来一直是汽车刹车盘使用的材料。为了提高铸铁的强度和耐热性,避免使用过程中的“热裂”,在铸铁中加入Ni、Cu、Mo、Cr等合金元素。世界各国所采用刹车盘铸铁材料各有不同。英、美等国主要用高碳低合金铸铁 - 12 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 (C>7.36,,Si<1.5,,含Mo、Cu或Ni等元素);前苏联则采用Cr、Ni、Mo的合金铸铁,其碳含量为3.2,,3.5,,硅含量为1.9,,2.5,。蠕墨铸铁具有良好的热疲劳抗力,因此国外在80年代中后期对其在制动器上的应用开始了研究。G(Cueva等人在摩擦试验机上研究了蠕墨铸铁、灰铸铁HT250、高碳灰铸铁、含Ti灰铸铁四种材质刹车盘的耐磨性,刹车盘以500rpm的速度旋转,施加0.72和4MPa的循环压力,测试前后分别称量刹车盘的重量。研究结果表明,蠕墨铸铁更耐高温、更耐磨。为了提高铸铁的热传导特性,也有关于高导热铸铁的研究。汽车在高速行驶、频繁刹车的情况下,刹车盘 [10]产生的温度能达到500,600?,极容易对刹车盘和轮毂产生伤害。 近十多年来,用金属基复合材料制造汽车刹车盘的报道很多。在材料方面,1986年开始用真空搅拌混合专利技术生产可重熔的颗粒增强铝基复合材料铸锭,铸锭重熔后,采用砂型、金属型、熔模、消失模、压铸、挤压铸造等工艺生产形状复杂、表面光洁、尺寸精确的高质量铸件。比如,用10,,20,A12O3。颗粒增强的A12024复合材料刹车盘,与铸铁刹车盘相比,重量减轻40,,60,,散热迅速且噪音小。研究表明,含25,SiC的铝基复合材料,其模量、强度、导热性都明显优于HT200,而重量减轻50,,60,。SiC颗粒能明显提高基体的耐磨性能,Dural公司对A356与20,SiC增强的该合金复合材料以及铸铁的耐磨性进行对比研究,结果表明,复合材料的耐磨性明显优于基体合金,也优于铸铁。研究“表明颗粒增强铝基复合材料刹车盘的主要优点是可使重量比铸铁件减少50,,60,,比如5.4kg铸铁刹车盘改用复合材料后,重量仅为2.5kg,减小了惯性力,增加了制动的加速度,以致减 [8]少刹车距离。影响刹车盘质量的一个重要因素是导热性,铝基复合材料的导热性是铸铁的5,7倍,因此产生的热量很容易散失,提高了刹车盘的性能。颗粒增强铝基复合材料刹车盘已经处在试验阶段,并安装在赛车上。1996年日本研制了SiC颗粒增强A1合金刹车盘。 1.2国内研究现状 国内学者和生产厂家对汽车刹车盘研究较多的有无石棉半金属刹车盘和铸铁刹车盘两种,有关铝基复合材料刹车盘的报道很少见到。 无石棉半金属刹车盘的制作工艺有热压法和冷压法两种。1994年报道了华中爽等人用热压法制作刹车盘。原料为酚醛树腊、丁苯橡胶、钢纤维、摩擦性能好的调节剂及其它填料。压制的模具温度为180,190?。1997报道了有关无石棉半金属刹车盘的研究情况。半金属刹车盘由粘合剂、钢纤维和填料三大部分热压而成。2002年报道,吉林大学韩英淳等人研制了碳纤维复合 - 13 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 材料汽车用无石棉刹车盘。原料为碳纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂(HT200 [9]铸铁粉、固体润滑剂、摩擦剂)等。原料按比例配好后进行混料、热压成形、热处理、据图纸磨削加工。1998年徐仁泉等人研究了冷压刹车盘的摩擦磨损性能。原料为钢纤维、聚酰胺酯等。其制各工艺包括原料混合-冷压-预磨-热处理-磨平-表面焦化处理等几个步骤。用自制冷压刹车片在桑塔纳轿车上进行了行车试验。结果表明:行车50000km时磨损厚度为5mm,制动性能和表面状况良好。2002年报道了郝华伟等人关于盘式刹车片冷压配方及工艺的研究。材料为石棉纤维、有机粘结剂、钢棉、填充剂。混好的物科用单片模在24.5,34.3MPa下压制,静压l min出模。结果表明,冲击强度3.2dJ,cm2,硬度 [11]30HBS。 有关铸铁刹车盘的研究比较多。从1986年开始,李云堂等人研究了铁基粉末冶金刹车盘。实验工艺为69,还原铁粉、11,石墨粉、1,SiO:粉以及少量铜粉、二硫化钼粉、铅粉在混料机中混合1.5,2小时,另加入粘结剂、润滑剂、硬脂酸锌在500吨液压机上压成毛坯,经1050,1080?、2.5小时烧结,再据图纸机加工。技术要求为:动摩擦系数?0(28,抗压强度?150MPa,抗拉强度?50MPa,表面硬度35,65HBS,金相组织为珠光体+铁素体+渗碳体、 [12]游离石墨。 1994年山东九阳集团公司为美国福特公司制造了灰铸铁刹车盘,材质HT250,采用砂型铸造,热芯盒,覆膜砂,铸件性能达到抗拉强度280,310MPa,硬度190,210HBS。 据2000年报道,西安交通大学陈跃、沈百令等人研究了铸铁刹车盘,毂材料摩擦磨损特性。结果表明:蠕墨铸铁的摩擦系数高于球铁,在高速、高接触压力条件下,与灰铁相当;其磨损率接近球铁,约为灰铁磨损率的二分之一。同时,蠕铁对配副方半金属摩擦材料造成的磨损,与灰铁相当,约为球铁的55,,故蠕铁与半金属材料配副的综合耐磨性能最好。从摩擦系数的稳定性和摩擦系数达到最大值所需的时间上来看,蠕铁的性能亦优于球铁和 [13]灰铁。 刹车盘铸件属薄壁小件,技术要求高,国内生产刹车盘的企业,大多采用手工模板造型、树脂覆膜砂热芯盒、粘土砂湿型、冲天炉熔炼铁液,合金成分变化大,给生产过程管理和铸件的质量控制带来一定的难度,影响企业的经济效益。通常,汽车刹车盘的技术要求为:1)铸件外轮廓全部加工,精加工后不得有任何缩松、气孔、沙眼等铸造缺陷。2)力学性能:Ra?250MPa, [15]HBSl80,240。而刹车盘铸件常见的缺陷有:铸件中出现气孔、缩松、沙眼 - 14 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 等:金相组织中A型石墨超标;石墨组织粗大,力学性能不达标,加工后粗糙度差;布氏硬度过高导致加工困难或硬度不均匀。 相比之下,有关铝基复合材料汽车刹车盘的研究文献很少看到。仅仅在1998年报道上海交通大学王文龙等人的试验表明,在刹车工况摩擦试验条件下,基体为ZLl01、LD2的SiC增强铝基复合材料比铸铁材料摩擦表面温度低, [16]摩擦系数稳定。复合材料的磨损量随着SiC含量的增高而明显减少,基体种类对磨损量的影响相对较小。台架试验结果表明,在高速频繁制动条件下,相对于铸铁刹车盘,复合材料刹车盘具有较大的制动力矩和较高的刹车稳定性,能明显提高制动性。 从国内外汽车刹车盘的研究与使用现状及发展趋势来看,铝基复合材料汽车刹车盘是今后的主要发展方向,同时,国内的研究与国外的研究相比, 14]差距较大。很有必要开展这项研究工作[。 2几种目前汽车制动盘材料的分析 显然制动盘(鼓)材料的成分、组织及其性能对摩擦副性能有很大的影响,因此是摩擦制动器研究中不可忽略的一个主要方面,但是与摩擦材料相比,制动盘材料种类十分单一且相对发展较慢。目前使用和正在研究的制动盘材料主要有铸铁和金属基复合材料两大类。 2.1灰铸铁材料 铸铁具有一定的强度和良好的耐磨性,是金属基无石棉制动材料的一种。材料和制造成本都较低,因此长期以来一直是汽车制动盘使用的材料。常用的有HT15-33和HT20-40。为了提高铸铁的强度和耐热性,避免使用过程中的“热裂”,在铸铁中加入一些合金元素如:Ni、Cu、Mo、Cr等。世界各国 所采用制动盘铸铁材料各有不同,英、美等国主要用高碳低合金铸铁(C>7.36%,Si<1.5%,含Mo、Cu或Ni等元素),前苏联则采用Cr、Ni、Mo的合金铸铁,其碳含量为3.2%,3.5%,硅含量为1.9%,2.5%。蠕墨铸铁具有良好的热疲劳抗力,因此国内外在80年代中后期对其在制动器上的应用开始 [5]了研究,预计可能应用于汽车制动鼓。为了提高铸铁的热传导特性,也有关于高导热铸铁的研究。但是,目前绝大多数的汽车制动盘仍采用铸铁。其主要缺点一是密度大,这不利于减轻车重二是导热性差,其工作表面温度很高 且温度梯度大,易形成热点而产生热裂。 - 15 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图2-1灰铸铁材料 灰铸铁制动盘的铸造工艺 根据制动盘零件的结构进行简化,因为底面槽深2. 5 mm,所以将底面的圆槽设为不铸出槽。这样可以简化铸造工艺,在铸件上采用机械加工方式将槽加工出来。制动盘零件图、铸件图如图4-1所示。 图2-2 制动盘零件与铸件图 分型面选择在两个对称的砂芯中间位置。浇注位置在砂芯表面,浇注系统采用半封闭式。F直:F横:F内=1. 2:1. 4:1。这种方式金属液容易充满铸型,具有一定的挡渣能力,金属液的流速减小,故充型的平稳性较好和对 [26]型腔的冲涮力较小。 灰铸铁具有良好的自补缩能力,浇注系统对铸件有一定的补缩作用,对本零件是否要冒口是设计的关键,根据铸铁液态收缩的体积收缩率计算出冒口 [15]的尺寸,分别在上下型设置为顶冒口和边冒口。浇注系统结构如图4-2所示。 - 16 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 图2-3 浇注系统示意图 (1)造型和制芯 选用Z3112型多触头高压造型机造型。型砂的配比为:新砂30%,旧砂70%,膨润土2. 5% ~3. 5%,煤粉0. 8% ~1. 5%,水分4. 0% ~5. 5%。采用热芯盒法制芯,芯砂为石英砂(70 /100目),加入2. 5%呋喃,型粘结剂,固化剂使用配比为1:3:3的氯化铵、尿素和水,加入量为树脂的20%,加入0. 1%邻苯二甲酸二辛酯的增塑剂。采用TXS32竖直分型射芯机造芯,固化温度220e,固化时间为2~3 min。 (2)熔炼与孕育 [22]HT250具有较好的强度、耐磨性、耐热性,而且减震性能良好,铸造性能也较好,适用于制造汽车制动鼓、制动盘。炉料为Z15生铁+回炉料+废钢+渗碳剂+硅铁等进行合理的成分配比。采用工频感应炉熔炼,出炉温度为 [25]1490~1510?。 选用合适的孕育剂和孕育方法,使得孕育处理在改善材质的力学性能和石墨形态的同时,能有效抑制由孕育处理引起的各种缺陷。型内孕育具有孕育衰退小、孕育作用强、孕育剂用量少等优点。通过过滤片时孕育是一种较新的型内孕育方法,在横浇道设置装有孕育剂的发泡陶瓷滤片,浇注时铁液流经滤片得到孕育处理,同时又可以防止残渣进入铸件型腔。选择75SiFe为 [26]孕育剂,粒度为0.3~0.7 mm,加入量为铁液的0.15% ~0. 2%。 2.2 铝基复合材料 减轻车重和提高制动材料的导热性同时具有良好的摩擦系数特性及耐磨性是适应汽车发展的必然要求。 铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等,此外,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐 - 17 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。这些特点使其成为潜在的新一代制动盘材料。 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能。 (1) 低密度 铝基复合材料的密度一般在2.8左右,基本上与一般铝合金相当,比刚低23。 (2) 良好的尺寸稳定性 许多增强物都具有很小的热膨胀系数,加入相当含量的增强物可降低材料膨胀系数,从而得到热膨胀系数小、与尺寸稳定好的铝基复合材料。 (3) 强度、模量与塑性 增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性。大量研究表明,SiC增强的铝基复合材料较相应的铝-硅合金具有较高的强度,并随着SiC体积分数的增大,其强度和模量均有较大程度的提高,而塑性却降低。另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能,这样不容金属与合金基体及不同增强体的优化组合,就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异 [16]的综合性能。表4-1是不同的铝基复合材料的力学性能。 增强相/基体 增强相含量(vol%) 拉伸强度/MPa 弹性模量/GPa 伸长率(%) Al2O3/Al-1.5Mg 20 226 95 5.9 SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3 SiCP/ZL101 20 375 101 1.64 CF/Al 26 387 112 表2-1 不同铝基复合材料的力学性能 (4) 耐磨性 高的耐磨性是铝基复合材料的特点之一。目前对耐磨性的研究主要集中在铝基复合材料-钢摩擦副,而且增强颗粒体积分数大都在10%,35%,而对铝基复合材料-刹车材料摩擦副的摩擦磨损性能研究却特别少。 (5) 疲劳与断裂韧性 铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有:增强物与集体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在集体中的分布等。界面结合状态良好,可以有效的传递载荷,并阻止裂纹扩展,提高材料的断裂韧性。 - 18 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 (6) 热能性 增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选用低膨胀的Al-Si合金作为基体和采用不同粒径的颗粒制备高体积分数的复合材料。 传统的汽车制动盘用铸铁制造,存在很多缺点,美国研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了40%,60%,而且提高了耐磨性,噪音明显减小,摩擦散热快。铝基复合材料作为制动盘材料的研究起步较晚,铝基复合材料作为新一代制动盘材料较铸铁具有明显的优势,但其价格较高。且有关研究尚处于起始阶段,绝大部分的研究都处于实验阶段,前述的这些有限的研究都是其宏观摩擦学性能研究,而关于其在制动摩擦工况下摩擦磨损规律和摩擦磨损机理的系统研究甚少因此仍需进行大量的研究。 虽然铝基复合材料作为新一代的制动盘材料表现出较强的吸引力,但制动器性能不仅与制动盘本身有关,更重要的是与摩擦衬片组成的摩擦副的整体性能有关,能否研究和开发出与铝基复合材料相配的合适的摩擦材料,也是决定铝基复合材料能否推广应用的关键因素。 2.3 C/C-SiC 制动材料材料 C/C复合材料是20世纪50年代末期开发研制出的一种新型材料,具有摩擦性能好、密度低(一般小于2g/cm3)、比强度高、耐高温、比热容高、导热性能好、热膨胀系数小、抗热震性能好的特点。但C/C摩擦材料的工艺复杂,生产周期长,成本高,在高温氧化环境下易氧化,湿态环境下摩擦系数不稳定,故较多应用在飞机上,而在汽车应用方面则受到限制,只用在一些高级跑车、赛车上。将C/C-SiC复合材料用于摩擦材料的研究始于20世纪90年代。C/C-SiC摩擦材料具有密度低(一般小于2g/cm3)、耐高温(1000e以上的温度下仍具有很高的摩擦系数和低磨损率)、强度高、韧性高、耐磨性好、热导率高、抗氧化性能好、摩擦性能高而稳定、耐腐蚀、不受天气变化的影响等优点,代表着当前制动材料的最高水平,已经在一些跑车如Por-sche、Ferrari和Daimler Chrysle上得到应用。 C/C-SiC复合材料制备工艺技术的关键是:1)纤维损伤尽量少;2)纤维/基体(F/M)界面形成适当的结合强度; 3)克服基体致密化的瓶颈效应低的制备成本。目前制备C/C-SiC复合材料的工艺主要有热压烧结法(Heat press-sinter,HPS)、先驱体转化法(Liquid polymer infiltration,LPI)、化学气相 - 19 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 浸渗法(Chemical vapor infiltra-tion,CVI)和反应熔体浸渗法(Reactive melt infil-tration,RMI),但真正能实现制备异型C/C-SiC摩擦材料的只有LPI法、 [17]CVI、RMI法及其组合的方法。 (1)先驱体转化法 先驱体转化法是在一定的温度和压力下,将适当理论比值的金属有机化合物(如聚炭硅烷)浸渗到多孔纤维预制体中,然后经过干燥和热处理,使先驱体发生热解并得到所需的基体。这种方法最先应用于C/C复合材料,近来在制备SiC、Si3N4、BN和SiBCN基复合材料中也得到广泛的应用。对先驱体的性能要求是: 1)足够的流动性以使之能浸渗到预制体的孔隙中; 2)对预制体表面的润湿性好;3)有合适的化学键和高的热解产率; 4)在空气中是稳定的。该法的主要优点有:能获得成分均匀的单相或多相组元的陶瓷基体;并能制备出形状复杂、近尺寸的复合材料部件。其主要缺点是:先驱体在干燥和热解过程中,由于溶剂和低分子量组元的挥发,以及小结构基团的分解等因素的综合作用,使得热解过程中基体产生很大的收缩并出现裂纹。另外,先驱体热解所得产物的产率很低,为了获得致密度较高的复合材料,必须经过多次浸渗和高温处理(典型的达6~10次),制备周期长。 (2)化学气相浸渗法 化学气相浸渗法是设法使气相物质(先驱体)在加热的纤维表面或附近产生化学反应,浸渗到纤维预制体中沉积得到陶瓷基复合材料(CMCS)。其主要优点是:1)能在低压低温(1 000e左右)下进行基体的制备,材料内部残余应力小,纤维受损伤小; 2)能制备硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多种陶瓷材料,并可实现微观尺度上的成分设计;3)能制备形状复杂和纤维体积分数高的近尺寸部件;4)在同一CVI反应室中,可依次进行纤维/基体界面、中间相、基体以及部件外表涂层的沉积。主要缺点是:1) SiC基体的致密化速度低、生产周期长(300 h以上)、制造成本高;2) SiC基体的晶粒尺寸极其微小(约10 nm),复合材料的热稳定性低;3)复合材料不可避免地存在着10%~15%的残留孔隙,影响了复合材料的力学性能和抗氧化性能。 SiC基体的沉积速度主要取决于沉积化学反应动力学与气体在预制体孔隙网络中的传输,研究者根据两种不同利用CVI的基本原理研制出了等温等压CVI法(ICVI)、液相浸渗热梯度CVI法(LFCVI)、热梯度强制对流CVI法(FC-VI)、脉冲CVI法(PCVI)和连续同步CVI法(CSCVI)。ICVI是将纤维预制体放在等热反应室,反应物气体主要通过扩散渗入到纤维预制体中,发生化学反应并原位沉积,废气通过扩散向外散逸,沉积速度慢,周期长,但可大 - 20 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 批量制备异型件。LFCVI法将炭纤维预制体作为发热体直接浸入液相CH3SiCl3(MTS)的冷壁反应室中,通过预制体外表面的热辐射损失产生由里到外的热梯度。预制体可加热到1 000~1 300e,MTS液相沸腾蒸发,以CVI的方式在预制体的孔隙网络中从里向外快速沉积。整个工艺在常压下进行,致密化速度可比报道过的ICVI工艺快2个数量级。FCVI法采用热梯度与强制反应物气体流动的方法加速致密化,预制体一端被加热而另一端被冷却,反应物气体从冷端加压喷入,与ICVI法相比较,预制体热区的温度得以提高(MTS-H2沉积SiC,约1 200e),由于压力强制反应物气体流动,浸渗时间显著降低,生成率相对提高。PCVI法通过交替充入反应物气体与抽出废气,可加快沉积速度,主要包括以下几步: 1)反应室抽真空; 2)通入反应物气体;3)浸渗反应沉积,过程可以是几秒钟。从理论上分析,PCVI能产生均匀的致密度和减短沉积时间,但这些优点在实验中还没有充分体现。CSCVI法充分利用了CVI工艺的优点,在制备C/SiC复合材料的过程中,纤维预制体的制备与SiC基体的热解沉积同步进行,从而实现增韧相与SiC基体在宏观和微观尺度上同步复合,反应物气体渗入的深度仅为一层(或几层)碳布,因此能突 [18]破沉积过程中出现的瓶颈现象,制备密度均匀的高致密度厚壁部件。 (3)反应熔体浸渗法 20世纪50年代,反应熔体浸渗法首先由UKAEA(United Kingdom Atomic Energy Author-ity)作为粘结SiC颗粒而发展起来的,也称为自粘结SiC或反应粘结SiC。20世纪70年代,通用电器公司(General Electric Company)利用RMI工艺研究出了一种Si/SiC材料,即著名的SILCOMP工艺。SILCOMP工艺是液Si渗入炭纤维的预制体中,液Si与炭纤维反应生成具有纤维特性SiC,制得Si/SiC复合材料。Hucke在此基础上研究了有机物裂解制得具有均一微孔的碳多孔体,然后液Si渗入多孔体制得高强度的Si/SiC复合材料。20世纪80年代,德国材料科学家Firzer首先用液硅浸渗C/C多孔体制备C/C-SiC复合材料,称为反应熔渗(RMI)或熔融渗硅(molten/liquid silicon infiltration, MSI/LSI)。德国航空中心(German Aerospace Center,DLR)进一步发展了该工艺,并已制备出刹车盘等产品。RMI工艺具有制备周期短、成本低、近净成形等优点,是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。但是,RMI工艺在制备C/C-SiC复合材料时也存在着不足:制备过程中易造成增强相炭纤维的衰 [19]退,使复合材料力学性能偏低、断裂韧性差,出现灾难性断裂。 - 21 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 Technology CV1 42-47 2.1-2.2 300-320 90-100 450-500 450-500 44-48 3 Fiber LP1 42-27 1.7-1.8 240-270 60-80 330-370 430-450 35 3 RM1 55-65 1.8-1.9 120-190 50-70 200-290 210-320 35 1-2 Density 表2-2 3种制备工艺所得C/C-SiC复合材料的主要性能 Tensile C/C-SiC制动材料主要由炭纤维、热解炭、石墨和SiC组成,密度为2.0 g/cm3左右,材料中两种典型的孔隙(纤维束内单丝纤维间的微观孔隙和纤维 [9]束间的宏观孔隙)都填充了SiC和炭基体。 Modulus of C/C-SiC陶瓷制动材料的性能特点如下: elasticity (1)密度低。密度2.0 g/cm3,而粉末冶金制动材料的密度多在4.7~6.4 g/cm3,这样做成同样体积的刹车片意味着前者更加轻量化,将比原刹车材料Flexural 质量减轻60%左右。 Strength (2)摩擦因数高,制动性好。动摩擦因数在0.3%~0.39%之间可调,静摩擦Compressive 因数>0.45。在湿态下摩擦因数稳定且略高于干燥状态下的摩擦因数。制动曲Strength 线平稳,可接受更多的制动摩擦冲击。 (3)耐磨性好,使用寿命长。在同样的制动条件下,C/C-SiC复合材料刹车Shear 片的磨损远低于其他类型的制动材料,对偶件的磨损也能远低于其他类型的strength 制动材料。不仅延长了刹车片的寿命5倍以上,也增加了刹车盘对偶件的服Coefficient 役期,将比采用粉末冶金刹车材料的寿命提高1倍以上。 of thermal (4)制动噪音低,无火花。制动噪音明显低于粉末冶金刹车片的制动噪音,expansion 且制动过程中没有出现火花。 (5)抗氧化耐环境能力强。C/C-SiC在1 600e以下具有良好的抗氧化能力,在潮湿环境中不腐蚀生锈,也不发生力学强度和摩擦性能衰减,能适应各种气候,这是其他刹车材料无法达到的。 (6)综合成本低。由于质量轻、寿命长、维护简单、采购和使用成本大大 - 22 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 降低,性价比合理。 目前,由于汽车工业在客观上要求汽车制动材料适应这种发展,所以新型制动材料的开发和制动材料所有性能的提高是未来的发展趋势。C/C-SiC所具有的优良的摩擦磨损性能决定了其是一种比较有发展前途的制动材料。不过,C/C-SiC的研制大多还处于实验室阶段,其工业化制备工艺还不成熟,阻碍了其工业化生产应用。C/C-SiC的工业化制备技术以及生产应用的研究将是未来的发展趋势。短纤维模压法为其工业化大批量生产提供了可能性,研究人员进行了大量的研究。不过,短纤维模压法也存在着如短纤维的分散性等问题,一定程度上响了材料的性能。短纤维模压法将是未来的一个研究重点。 2.3铝-碳化硅复合材料 铝合金制动盘一方面由于磨损严重,另一方面有抱闸可能,所以其摩擦性能难以令人满意。采用碳化硅粒子增强的铝基复合材料制动盘有许多优点。这些碳化硅粒子在限制磨损的同时改善了制动盘的摩擦性能。一般而言,铝 [7]合金基体具有耐高温机械性能。最好采用如AS7G06、AV4NT或AS18UNG等牌号的铝合金,增强材料碳化硅的粒径为12um,所占体积百分比为8%~20%。 采用“Vortex”法制备CMA制动。即向装有半流体状态铝合金的浇包内逐渐加入增强材料,然后机械搅拌以获得混合效果,待增强材料分布均匀后,迅速将浇包温度升高至液相线以上 20? ,30?,以便借助于重力向砂型或钢制模型内浇注制动盘。这种制备方法操作简单,且限制了增强材料和基材之间的化学反应。机械搅拌半液体混合物缓和了混合物粘稠化,避免了增强材料和基材之间的偏析和纤维(增强材料) 的团聚。重力浇注适用于制造含少量纤维(VF < 10,) ,形状简单的铸件。对直径160mm、厚15.75 mm的制动盘,宜采用铝合金AS18UNG基体和平均粒径为12m的碳化硅粒子。碳化硅粒子的质量分数确定为8,,浇注的厚度应具有和厚11.25mm钢制动盘 [20]相同的热容。这种制动盘被称为“AS8%”制动盘。 2.4金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2制动盘 采用等离子喷涂获得的金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2的硬度可高达800HV。它与新开发的钛酸铝闸片匹配时,证明其不但具有稳定的摩擦因数,同时也显示了特别好的性能。因钛酸铝具有极佳的高温耐冲击强度和适中的硬度 [20](420HV ),它已成为一种很好的闸片材料 。 经对盘形制动装置进行试验:制动盘的表面涂层采用NiCr-Cr3C2材料(厚度为250 m),底涂层采用NiCrA1Y材料(厚度为80m ),闸片采用钛酸铝 - 23 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 A12TiO5相匹配,它使“金属陶瓷涂层制动盘和陶瓷闸片”这一对摩擦副具有优良的耐磨性和稳定的摩擦因数。各国正在使用及研究开发的制动盘材料 [21]及性能比较见表5-1 。 表2-3各国正在使用及研究看法的制动盘材质 材料 密度强度研究的国-2特点 /(g.cm用途 /MPa 家 分类 材料名称 ) 摩擦特性片状石墨铸铁 250 7.2 客车、动车 各国 稳定、廉价 摩擦特性Ni-Cr-Mo低合日本、德稳定、合金250 7.2 高速动车 金铸铁 国 化 铸 高强度石蠕虫状石墨铸旧线动车、英国、日铁 墨形状改500 7.2 铁铁 客车 本 系 变 系 金奥氏体等温淬高强度热400 7.2 正在研究 日本 属火处理铸铁 处理 材摩擦材料+铸铁-铸钢包新干线高料 强度材料200+500 7.2+7.8 日本 层材料 速动车 复合 高强度耐日本、德铸钢 800 7.8 ICE等 热裂 国 钢 日本新干系 高强度耐日、法、锻钢 800 7.8 线、TGV、热裂 德 ICE 非 金碳/碳纤维复质量轻耐1.5,正在研究、日、法、150 复属 合材料 热裂 1.8 在TGV试用 德、英 合系 材金日、法、料 铝合金基复合质量轻耐属300 2.9 正在研究 德、英、材料 磨 系 美 - 24 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 第三章 汽车制动盘材料发展前景 中国汽车行业前景广阔,预计2009年汽车产量将达到1273.7万辆,2010、2011年将持续保持增长,预计增长率在19%至20%之间。2009年中国将为世界第一汽车生产大国,同时中国汽车消费量占全球总消费量比例已达12%,在2015年左右国内汽车销售也有望超过美国,成为第一大汽车消费市场。到2020年,中国本土汽车产量将达到2000万辆左右,其中两成产品将进入国际市场。汽车行业的高速发展势必带动盘式制动器行业的发展,汽车 [22]盘式制动器发展前景非常值得期待 3.1国内外汽车制动摩擦材料发展趋势 目前,国内外汽车制动摩擦材料的研究还主要是从材料成分设计出发,各国采用的方法虽然多种多样,但其目的仍是为了全面提高新型无石棉摩擦材料的性能,满足汽车工业高速度发展和保护环境的要求,做到人与自然的协调发展。 现代科学技术的发展,必然促进汽车制动摩擦材料工艺配方研究上的多样化和最佳化,最大限度地满足和适应汽车工业对制动摩擦材料的要求#在材料成分方面,单一增强纤维有不可避免的缺点,玻璃纤维表面光滑,与树脂 [23]浸润效果差,导致两者粘结性较差;钢纤维易生锈失效等问题;碳纤维性能虽好,但工艺复杂,成本偏高,限制了推广。 目前,各国普遍重视使用混杂纤维,譬如半金属摩擦材料中使用钢纤维与碳纤维、钢纤维与玻璃纤维以及铜纤维与碳纤维等,混杂使用两种或两种以上纤维,兼顾各方优点,能够充分发挥各种纤维自身的优点,研制出性能优良、成本较低的制动摩擦材料。因此,混杂纤维仍是当今汽车制动摩擦材料研究的方向之一。针对普通制动摩擦材料高温下酚醛树脂会发生分解,发生“热衰退”的缺点,好多企业和科研机构致力于改性酚醛树脂的研究,目前普遍采用腰果壳油改性酚醛树脂、三聚氰胺腰果壳油改性酚醛树脂、丁苯改性酚醛树脂等改性树脂,采用该类酚醛树脂,显著提高了制动材料的工作温度。因此,开发新型改性酚醛树脂作为粘结剂是当今汽车制动摩擦材料研 [24]究的又一新方向。 3.2 汽车制动盘的发展趋势 随着路面质量和汽车技术的发展,汽车的行驶速度越来越高,但随之而来的交通安全事故也日益严重,给人们的生命和财产造成了巨大的损失。虽然汽车安全技术(如制动防抱死系统(ABS)、安全气囊等)在一定程度上提高了驾驶的安全性,但最基本和根本的问题仍是提高制动器性能。为了适应高速制动条件下制动器表面高温造成的热衰退,必须提高制动器的高温工作性能 - 25 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 和抗热衰退能力及过恢复性能。全球范围内气温变暖的温室效应和不断发生的环境污染恶性事故,给人们的生活环境造成较大的威胁,迫使人们更加注重环境保护,也对汽车工业提出了更高的环保要求。当今世界能源危机促使人们认识到能源资源有限,增强了对节能摩擦学的研究,汽车燃油的严格控制更加速了这方面的研究。除采取减摩措施提高发动机效率外,另一有效途 [19]径就是减轻汽车重量。实现汽车轻量化的途径有两种:一种是减小汽车整车或零部件的尺寸。另一种是采用轻型材料。对制动器而言,减小其尺寸意味着其热负荷的加重,因此必须提高材料的高温性能和热传导性能。用能够满足使用要求的轻型合金或复合材料代替传统钢铁材料是汽车提高燃油经济性的有效途径,已经为世界范围内的汽车制造商所关注并在大力研究和开发。因此研究和开发具有节能和环保特征的轻型制动器是未来汽车制动器的一个 [25]较具应用潜力的研究方向。 3.3我国汽车制动盘材料的发展方向 目前,我国有些无石棉汽车刹车材料的研制和生产,如半金属及混杂纤维型材料,虽取得了一些成果, 但在连续、大量、高速及优质生产方面,与国外相比仍存在着很大差异。差距具体表现为: (1) 国外上述材料在生产时多采用计算机模糊控制系统进行自动化配料、 称量,而我国大都是人工操作。 摩擦材料各组分如何搭配,如何减少试验次数,以最低的成本、最高的工作效能确定最优配方,是一项创造性的工作。但今曰国内的配方设计,仍 [26]过分依赖经验和大量的试验,获得的配方性能只是相对较好,而非最优 。 (2) 国外上述材料在生产过程中工艺参数采用自动化控制。这不仅大幅度提高了产品质量,减少了废品,改善了环境,而且劳动生产率高,热压机效率高,物料分散性好,产品密度均匀,实现了一人多机。 (3) 在制品外型尺寸精度方面,国外是小于0.05ITlln,国内则是小于0.3mm。国内很多企业既无产品标准,又无一定的检测设备,对原材料不作分析,产品性能重复性、再现性差,使用中常出现质量问题。 (4) 国外非常重视制品表面烧灼处理,而国内对制品基本是没有烧灼处理。 (5) 在产品防噪声、防腐蚀及打印商标等工艺操作方面:国外采用自动化或机械化,而我们在这方面的手段、工艺落后。 (6) 国内需要加强原材料的研究。目前国内对原材料的开发研究不够,产品质量普遍不高,无法与发达国家相比。但也有个别单位所开发的产品在一些主要性能上,达到了引进车的技术要求 。 (7) 国内在相关工艺、工装设备上要匹配。国内传统的刹车片常采用干法工艺,但在具体实施上,配料的准确性、混拌和时间、混料方式、热压时间、压力和温度等不能完全按照工艺要求进行。所以国内要提高粉料、混合、热 - 26 - 汽车制动盘材料的研究及发展前景 压及热处理等关键工艺设备水平,完善工艺操作和质量检测及控制手段确保 [27]产片大批量生产质量的稳定性。 参考文献 [1] JACKO M G,TSANG P H S,RHEE(Automotive friction materials development during the past decade[J](Wear100(1984):503( [2] 周顺隆(国外摩擦材料发展现状[J](摩擦磨损,1983(4):32( [3] NEITYEL B(Weight reduction of disc systems with the utilization of new aluminum material[J](SAE,940335,1994( [4] 鲁道夫(汽车制动系统的分析与设计[M](北京:机械工业出版 社(1985( [5] 姜建东(砂轮表面轮廓的分形探索[J](机械科学与技术,1998,6: 988( [6] 贾贤(摩半金属擦材料研究概述[J](吉林工业大学学报,1994(1):114( [7] 张清海(非石棉盘式制动片的发展现状[J](汽车技术,1993(6):45( [8] 肖久梅,马文江等(新型无石棉摩阻材料用增强纤维研究进展[J](热 ):28-30( 固性树脂,2003(2 [9] 肖永清(国外汽车使用的摩擦材料及其发展[J](化工科技市场,2008 (5):35-38( [10]王红侠,姚冠新等(汽车制动器摩擦材料的研究现状和发展[J](现代 制造工程,2006(10):33-36. 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