用于刹车的摩擦材料的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于刹车衬垫的非石棉摩擦材料，其不含有金属纤维，铜和钛酸盐。该摩擦材料包括以体积百分比计的如下组分：16-24%的粘合剂，例如酚醛树脂；4-12%的纤维，例如芳纶纤维；2-5%的润滑剂，例如三硫化锑和另一金属硫化物的混合物；10-22%的至少一种磨料，例如矿物纤维，氧化镁以及云母的混合物。该摩擦材料进一步包括体积百分比为至少4%的橡胶粉末。该刹车衬垫可以由成本低廉的工艺制成，基本上包括混合组分，将摩擦材料冲压和固化到背板上，以及后烘烤该刹车衬垫。
【专利说明】用于刹车的摩擦材料
相关申请的交叉引用
[0001] 本申请是2008年10月3日提交的第12/245，222号美国申请的部分继续申请并要求其优先权，其全部内容通过弓I用并入此处。
【技术领域】
[0001]本申请涉及非石棉摩擦材料，尤其涉及用于车辆或工业机械的刹车的刹车衬垫的摩擦材料。
【背景技术】
[0002]用于刹车衬垫的非石棉基摩擦材料中的铜具有多种有益特性和使用性能，包括优良的加强强度，增高的高温摩擦系数以及优良的热传递特性。此外，铜具有多种其它特质以延长摩擦材料以及与摩擦材料接触的部件的寿命，同时减少刹车粉尘。然而铜很昂贵，因此本领域技术人员试图寻找成本更为低廉的材料以用于刹车衬垫。
[0003]用于刹车衬垫的非石棉材料通常还包括钛酸盐，例如Chiba等的美国专利6，656，240公开的摩擦材料。钛酸盐可以提供与石棉型材料相当的高温稳定性。钛酸盐材料(例如六钛酸盐和八钛酸盐)是有益的，因为它们以均匀且一致的转换层覆盖在转子表面上。然而，与铜类似，钛酸盐也比较昂贵，因此本领域技术人员试图寻找成本更为低廉的材料以用于刹车衬垫。
[0004]钢纤维被用于刹车衬垫的非石棉摩擦材料中以取代铜和钛酸盐。Kesaven等的美国专利6，220，405公开了包含钢纤维的无铜摩擦材料的例子。然而，钢纤维不具有铜的很多正面属性，并且更容易被磨损，从而使得与摩擦材料接触的转子的磨损量增加。钢纤维还产生粉尘，粉尘会快速且永久地污染车辆的轮辋的抛光表面。
[0005]包括大量粉尘的无铜非石棉刹车衬垫材料也已被开发出来。Kobayashi等的美国专利6，617，375公开了包括大量腰果粉(cashew dust)的无铜非石棉摩擦材料。然而,这些材料的加工带来高报废率，并且需要其它昂贵的加工步骤。
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面提供一种用于刹车的非石棉摩擦材料，其不含有铜，金属纤维和钛酸盐。该摩擦材料包括以摩擦材料的体积百分比计的如下组分:15-24%的粘合剂；
3-13%的纤维；2-6%的润滑剂。该润滑剂包括至少一种硫化物。摩擦材料进一步包括以体积计9-22%的至少一种磨料；以及以体积计46-65%的填料。该填料包括占摩擦材料体积的至少4%的橡胶粉末。金属纤维，钛酸盐以及铜占摩擦材料的体积百分比均不超过0.2%。
[0007]本发明的另一方面提供一种刹车衬垫，该刹车衬垫包括背板和固定于该背板的摩擦衬垫，其中，该摩擦衬垫由所述摩擦材料制成。
[0008]本发明的又一方面提供一种制备刹车衬垫的方法，该方法包括如下步骤:混合粘合剂，润滑剂，至少一种磨料，以及橡胶粉末以形成均匀混合物。该均匀混合物包括以混合物的总体积的体积百分比计的如下组成:15-24%的粘合剂；3-13%的纤维；2-6%的润滑剂；所述润滑剂包括至少一种硫化物；9-22%的至少一种磨料；46-65%的填料,所述填料包括占所述混合物的至少4%的橡胶粉末；不超过0.2%的金属纤维；不超过0.2%的钛酸盐；以及不超过0.2%的铜。该方法进一步包括在室温和4-25吨/片压力下冲压均匀混合物以形成混合物的摩擦衬垫；在265-295华氏温度和5-50吨/片压力下将摩擦衬垫和背板冲压到一起；以及在330-370华氏温度下烘烤冲压好的摩擦衬垫和背板。
[0009]尽管现有技术试图从摩擦衬垫组成中至少部分去除铜或铜化合物以及某些等级的钛酸盐，已知尚未成功实现，而不牺牲需要的使用特性，包括制动能力，寿命，最小转子磨损，最小刹车粉尘，以及最小车辆轮辋污染。
[0010]然而，本发明的摩擦材料以部分成本提供与含有铜和钛酸盐的摩擦材料类似的使用性能，克服了现有技术的缺点，这是完全出乎意料的。本发明的摩擦材料构成的刹车衬垫比其它摩擦材料(例如包含铜和钛酸盐的摩擦材料)降低30-50%的制造成本。
[0011]本发明的摩擦材料还具有优良的加工能力，包括高效率和意想不到的低报废率，这对降低制造成本有利。使用本发明的摩擦材料制备刹车衬垫的工艺报废率为原始材料的0.6%，相比现有技术(例如使用包含铜和钛酸盐的摩擦材料的工艺)的报废率降低了 25%。
[0012]本发明的摩擦材料意想不到地具有相同水平的摩擦力，衬垫寿命，噪声，以及包含铜或钛酸盐的非石棉材料的其它典型使用性能。由本发明的摩擦材料构成的刹车衬垫通过了下列车辆应用测试:FMVSS135 (14%边缘制动距离)；车辆寿命测试(最少30，000英里)；以及车辆噪声测试(零噪声)。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]结合下列具体描述，权利要求以及附图进行考虑，本发明将会更加容易理解，其中:
[0014]图1是构成典型刹车衬垫的典型摩擦材料的立体图。
【具体实施方式】
[0015]本发明公开一种用于刹车衬垫以及其它刹车材料的非石棉摩擦材料，其包括粘合剂；纤维；润滑剂(包括至少一种硫化物);至少一种磨料；填料(包括橡胶粉末);并且基本上不含铜，金属纤维以及钛酸盐。
[0016]摩擦材料20可以用于图1示出的刹车衬垫10。图1示出的刹车衬垫10仅是一种典型刹车衬垫，并且可以呈现任意尺寸，形状或构型。当用于刹车衬垫10时，该摩擦材料20通常粘合或以其它方式连接到背板30。
[0017]非石棉是指摩擦材料所包含的石棉的体积不超过加工后的摩擦材料的总体积的
0.2%，优选不超过0.1%，最优选为0%。
[0018]基本无铜是指摩擦材料基本不含铜或铜合金(例如黄铜和青铜)，并且所包含的每种含铜材料的体积不超过加工后的摩擦材料的总体积的0.2%，优选不超过0.1%，最优选为0%。
[0019]基本无金属纤维是指摩擦材料所包含的金属纤维(例如钢纤维或青铜纤维)的体积不超过加工后的摩擦材料的总体积的0.2%，优选不超过0.1%，最优选为0%。优选不用于摩擦材料中的金属纤维可以由任意金属或金属合金构成，并且长度通常为0.5mm至10mm。
[0020]基本无钛酸盐是指基本不具有作为石棉替代物被开发的化合物，例如钛酸钾，钛酸镁钾，钛酸锂钾，钛酸钙钾，其它六钛酸盐和八钛酸盐，以及其它钛酸盐。摩擦材料所包含的钛酸盐的体积不超过加工后的摩擦材料的总体积的0.2%，优选不超过0.1%，最优选为0%。
[0021]本发明的非石棉摩擦材料包括至少一种粘合剂，该粘合剂的体积为加工后的摩擦材料的总体积的约16-24%，优选为18-22%。粘合剂包括至少一种树脂，例如酚醛树脂，或者为直线的未改性的，或者改性的酚醛树脂形式。改性的粘合剂的例子包括硅树脂，丙烯酸树月旨，环氧树脂，以及腈。粘合剂用作将其它组分一起保持在摩擦材料中的基质。若需要用于特殊应用以获得预期使用性能时，粘合剂系统还可以包括两种或多种粘合剂的混合物，其中至少一种为酚醛树脂型粘合剂。在一个实施例中，树脂是酚醛树脂和非酚醛树脂的混合物。在另一实施例中，粘合剂是未改性的酚醛树脂，并且以16-24%或18-22%或21%的体积百分比存在。
[0022]摩擦材料的纤维的长度为0.5mm至10mm，体积为加工后的总摩擦材料的约4_12%，优选为4-8%。纤维优先选自芳纶纤维，聚丙烯腈(PAN)纤维以及纤维素纤维中的一种或多种。芳纶纤维优选具有在约0.92mm至1.26mm范围内且平均为1.09mm的长度。PAN纤维具有在约5.0mm至7.5mm范围内的长度。纤维素纤维具有小于Imm的长度。纤维为摩擦材料提供完整性和结构强度。在制造过程中，纤维还有助于预固化的预成型件的稳定性。因此，不同纤维和纤维长度可以用于控制摩擦材料的制造和使用性能。纤维的来源可以是人造的或天然的，纤维的形式可以是纯的或再生的。在一个实施例中，纤维包括芳纶，并且以
4-12%或4-8%或7%的体积百分比存在。
[0023]润滑剂包括至少一种硫化物，其体积百分比为约2-5%，优选为2-4%。在另一实施例中，润滑油的体积百分比不超过5%，或者不超过5%。摩擦材料包含润滑油以减少使用过程中的衬垫或圆盘磨损。候选的润滑材料包括金属硫化物，非金属硫化物，有机润滑剂，金属润滑剂或其组合。金属硫化物的例子包括但不仅限于硫化锡，三硫化锑，三氧化锑，硫化锌，以及硫化铁。有机润滑剂的例子为酞菁染料，金属润滑剂的例子包括锡粉和锌粉。金属硫化物包括例如以硫化锡为主成分之一的金属硫化物络合物。在一个实施例中，润滑剂包括三硫化锑和至少一种不同于三硫化锑的金属硫化物的混合物，其中每种物质的体积百分比为1-3%或2% ο
[0024]摩擦材料进一步包括至少一种磨料，例如硬质磨料或柔和磨料。磨料的体积为加工后的摩擦材料的约10-22%，优选为12-18%。更具体地，硬质磨料的体积通常为摩擦材料的约3-14%，柔和磨料的体积通常为摩擦材料的约3-14%。硬质磨料的例子包括某些矿物纤维，氧化锆，氧化铝，氧化镁，硅酸锆，硅土，二氧化硅，沙子，碳化硅，多铝红柱石，以及氧化铁。硬质磨料通常具有较高的摩氏硬度。磨料的其它例子包括多种等级的陶瓷纤维，包括络合矿物硅酸盐，例如硅酸钙镁，硅酸钙镁锆，硅酸钙镁铝，以及硅酸镁铝。其它本质上柔和的已知磨料包括不同化学成分的氧化铁，其它金属氧化物，以及具有相对较低摩氏硬度的材料和矿物。硬质磨料通常以低浓度使用，而柔和磨料通常以高浓度使用，以便获得相同的预期摩擦力水平。
[0025]在一个实施例中，磨料包括体积为摩擦材料总体积的3-8%，或4-7%，或5%的氧化镁。在另一实施例中，磨料包括体积不超过摩擦材料总体积的10%，或者不超过7%的氧化镁。
[0026]在另一实施例中，磨料包括氧化镁，矿物纤维(例如生物可溶等级的矿物纤维)以及云母的混合物，其中每种物质的体积为摩擦材料总体积的3-8%，或不超过7%，或5%。
[0027]摩擦材料所包含的其它组分构成组成的余量，并且通常分为填料和/或改性剂。填料至少包括橡胶粉末，并且通常包括多种组分的混合物。填料的体积为加工后的摩擦材料的46-64%，优选为49-57%。填料通常对于配料的体积，降低成本，减少噪声，以及促使转子表面涂覆均匀的转换层起到很大作用。适合的填料例子包括石灰，氧化钙，重晶石(包括硫酸钡)，石墨，石油焦炭，去硫焦炭，硅酸钙，橡胶(包括各种粉末橡胶，例如粉末丁腈橡胶以及再生橡胶)，以及摩擦粉尘(包括褐色粉尘，黑色粉尘，直线粉尘，改性粉尘或其它等级的摩擦粉尘)。
[0028]在一个实施例中，橡胶粉末填料的体积为摩擦材料总体积的4-16%，或9%。在另一实施例中，除了体积百分比为4-16%的橡胶粉末，填料还包括体积百分比为3-9%，或至少5%,或6%的石墨；体积百分比为3-9%，或6%的石油焦炭；体积百分比为15-30%，或21%的重晶石；体积百分比为4-16%，或9%的摩擦粉尘；以及体积百分比为1-3%，或2%的熟石灰。
[0029]此外，在一个实施例中，摩擦材料基本不含铁，因此包含体积为加工后的摩擦材料总体积的不超过5%,或不超过2%,或小于1%,或0%的铁。
[0030]在另一实施例中，摩擦材料基本不含润湿剂，因此包含体积为加工后的摩擦材料总体积的不超过5%，或不超过2%，或1%的润湿剂。润湿剂也称为表面活性剂，清洁剂，乳化齐U，发泡剂，或分散剂。润湿剂是一种通过降低液体的表面张力以增强液体的传播和渗透特性的化学物质或化学物质的混合物。润湿剂可以降低一种液体的表面张力，两种液体之间的界面张力，或者一种液体和一种固体之间的界面张力。
[0031]摩擦材料通过业内通常用于制造刹车衬垫摩擦材料的混合，冲压，固化操作进行加工和成型。这包括在标准滚筒式搅拌机中可选地使用犁和桨干拌组分，以便将组分混合成均匀混合物。混合时间总计约7分钟。
[0032]然后使用室温冲压操作，优选在4-25吨/片压力下将混合物冲压成预成型件或圆盘形式的摩擦衬垫。预成型时间约为5秒。工艺中的变化可以包括直接地或通过液体粘合系统将混合物松散地填充到冲压模具中。
[0033]然后将预成型件或圆盘放置到一侧带有金属背板的热块模具中，并且热压固化以使固化后的摩擦材料与背板粘合从而形成最终的刹车衬垫。摩擦材料可以直接地或者使用业内公知的衬层材料连接到背板上。冲压优选在5-50吨/片压力和265-295华氏温度下进行。冲压时间总计约250秒。
[0034]待售的刹车衬垫还要进行后烘烤操作。冲压后的摩擦衬垫和背板的烘烤优选在330-370华氏温度下的标准空气对流炉中进行。后烘烤时间总计约6小时。待售的刹车衬垫还要在打包进行商业销售之前进行一次或多次精加工。
[0035]刹车衬垫可以通过大体包括上述混合，冲压以及后烘烤步骤的工艺形成，也就是说，不需其它重大的或昂贵的工艺步骤。本发明摩擦材料的优良加工能力是完全意想不到的，并且有助于相对现有技术降低30-50%的成本。
[0036]下列实施例1，2和10提供使用本发明制备的并且具有显著使用性能的典型摩擦材料。实施例3-9提供对比的摩擦材料。每个实施例的摩擦材料通过上述混合，冲压，固化
和后烘烤操作被加工和成型为摩擦衬垫。此外，对每个实施例进行了某些制造性能评估，包
括混合，预成型，冲压，物理硬度，物理压缩性。此外，还对摩擦材料在室温下和在265-295
华氏温度下连接到背板以及某些使用性能(包括摩擦衬垫寿命，衬垫磨损，转子磨损以及成
本)进一步评估。以下所述的所有成分是以加工后的最终摩擦材料产品的总体积的体积百
分比计算，并且出于简化的目的四舍五入到最接近的整数。
本发明实施例1
【权利要求】
1.一种用于刹车的摩擦材料，其特征在于，包括以所述摩擦材料的体积百分比计的如下组分: . 16-24%的粘合剂； .4-12%的纤维； . 2-5%的润滑剂，所述润滑剂包括至少一种硫化物； .10-22%的至少一种磨料； .46-65%的填料，所述填料包括占所述摩擦材料的至少4%的橡胶粉末； 不超过0.2%的金属纤维； 不超过0.2%的钛酸盐；以及 不超过0.2%的铜。
2.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述粘合剂包括酚醛树脂。
3.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述粘合剂的体积百分比为18-22%。
4.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述纤维包括芳纶纤维，聚丙烯腈纤维以及纤维素纤维中的至少一种。
5.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述纤维的体积百分比为4-8%。
6.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述润滑剂的所述硫化物包括三硫化锑，以及至少一种不同于所述三硫化锑的金属硫化物。
7.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述润滑剂的体积百分比为2-4%。
8.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述磨料包括至少一种硬质磨料和至少一种柔和磨料，所述硬质磨料选自由矿物纤维，氧化锆，氧化铝，氧化镁，硅酸锆，硅土，二氧化硅，沙子，碳化硅，多铝红柱石，以及氧化铁构成的组，所述柔和磨料选自由矿物硅酸盐和金属氧化物构成的组。
9.如权利要求8所述的摩擦材料，其特征在于，所述磨料包括氧化镁，矿物纤维以及云母的混合物。
10.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述至少一种磨料包括体积百分比为2-8%的氧化镁。
11.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述至少一种磨料的体积百分比是所述摩擦材料总体积的12-18%。
12.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述填料进一步包括石灰，氧化钙，重晶石，石墨，石油焦炭，去硫焦炭，硅酸钙，再生橡胶以及摩擦粉尘中的至少一种。
13.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述填料的体积百分比为49-57%。
14.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述橡胶粉末包括丁腈橡胶。
15.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述橡胶粉末的体积百分比为7-11%。
16.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于， 所述粘合剂为酚醛树脂且体积百分比为18-22% ； 所述纤维为芳纶且体积百分比为4-8% ； 所述润滑剂为三硫化锑和至少一种不同于所述三硫化锑的金属硫化物的混合物且体积百分比为2-4% ； 所述至少一种磨料是矿物纤维，氧化镁和云母的混合物且体积百分比为12-18% ；所述填料是所述橡胶粉末，石墨，石油焦炭，重晶石，摩擦粉尘和熟石灰的混合物且体积百分比为49-57%;以及 所述橡胶粉末是丁腈橡胶且体积百分比为7-11%。
17.一种刹车衬垫，其特征在于，包括: 背板； 固定于所述背板的摩擦衬垫,制成所述摩擦衬垫的摩擦材料包括以体积百分数计的如下组成: 16-24%的粘合剂； 4-12%的纤维； 2-5%的润滑剂，所述润滑剂包括至少一种硫化物； 10-22%的至少一种磨料； 46-65%的填料，所述填料包括占所述摩擦材料的至少4%的橡胶粉末； 不超过0.2%的金属纤维； 不超过0.2%的钛酸盐；以及 不超过0.2%的铜。
18.如权利要求17所述的刹车衬垫，其特征在于，所述刹车衬垫由如下步骤加工制成: 混合粘合剂，润滑剂，至少一种磨料，以及橡胶粉末以形成均匀混合物，该混合物包括以混合物的总体积的体积百分比计的如下组成: 16-24%的粘合剂，4-12%的纤维，2-5%的润滑剂，所述润滑剂包括至少一种硫化物，10-22%的至少一种磨料,46-65%的填料,所述填料包括占所述混合物的至少4%的橡胶粉末，不超过0.2%的金属纤维，不超过0.2%的钛酸盐，以及不超过0.2%的铜； 在室温和4-25吨/片压力下冲压均匀混合物以形成混合物的摩擦衬垫； 在265-295华氏温度和5-50吨/片压力下将摩擦衬垫和背板冲压到一起；以及 在330-370华氏温度下烘烤冲压好的摩擦衬垫和背板。
19.一种制备刹车衬垫的方法，其特征在于，包括如下步骤: 混合粘合剂，润滑剂，至少一种磨料，以及橡胶粉末以形成均匀混合物，该混合物包括以混合物的总体积的体积百分比计的如下组成: 16-24%的粘合剂，4-12%的纤维，2-5%的润滑剂，所述润滑剂包括至少一种硫化物，10-22%的至少一种磨料,46-65%的填料,所述填料包括占所述混合物的至少4%的橡胶粉末，不超过0.2%的金属纤维，不超过0.2%的钛酸盐，以及不超过0.2%的铜； 在室温和4-25吨/片压力下冲压均匀混合物以形成混合物的摩擦衬垫； 在265-295华氏温度和5-50吨/片压力下将摩擦衬垫和背板冲压到一起；以及 在330-370华氏温度下烘烤冲压好的摩擦衬垫和背板。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，包括所述混合，所述冲压和所述烘烤步骤。
【文档编号】F16D69/02GK103906942SQ201280046468
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年8月18日
【发明者】维杰·萨勃拉曼尼亚 申请人:费德罗-莫格尔公司