一种耐磨衬件的制作工艺方法
【专利摘要】本发明涉及一种耐磨件及其制备方法，属于新材料科学领域，涉及的是矿山、采油、船舶、汽车、冶金、造纸、风电、动车、纳米材料砂磨机、矿石研磨设备等行业广泛使用的制动和耐磨摩擦材料及其制造技术，具体说是一种含有高分子环保纳米复合陶瓷材料的耐磨件真空压制成型制作工艺，配方由高分子粘合剂、结构增强纤维和耐磨纳米陶瓷材料，摩擦性能调节剂细成。
【专利说明】
一种耐磨衬件的制作工艺方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种耐磨件及其制备方法，特别涉及一种特种工程耐磨材料的制备，以及这种材料的成型方法，属于新材料科学领域，涉及的是矿山、采油、船舶、汽车、冶金、造纸、风电、动车、纳米材料砂磨机、矿石研磨设备等行业广泛使用的制动和耐磨摩擦材料及其制造技术，具体说是一种高分子的环保纳米复合陶瓷摩擦材料。
【背景技术】
[0002]耐磨损摩擦材料是用于诸多运动机械和装备中起传动、制动、减速、转向、驻车、耐磨衬件等作用的功能配件，可以说从有机械运动开始，人类就有了刹车制动的要求和抗磨损的要求，木块、牛皮、橡胶等都曾经被用来作为耐磨制动材料。
[0003]耐磨材料是通常应用在相对运动物件表面来延长物件使用寿命。或动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动或传动的部件。任何机械设备与运动车辆都必须有制动或传动装置，摩擦材料是这些制动和传动装置上的关键部件。它的主要功能是通过摩擦来吸收和传递动力，如离合器片传递动力，制动片吸收动能，它们使机械设备和各种机动车辆能安全地工作。耐磨损摩擦片被广泛地应用在汽车、火车、飞机、军工、石油钻机、风电设备、高铁、矿山栗送，矿石研磨、纳米粉体研磨等各类工程机械上。随着各种机械设备和车辆等行业不断向大功率、高速度方向发展，对摩擦材料的性能提出了越来越高的要求。
[0004]先进的摩擦材料必须具有良好的摩擦系数和耐磨损性能、高的弹性模量、足够的机械强度、高的耐热性(包括高的熔点和高的抗变形温度)、高的导热性和热容量，才能保证使用寿命达到设计要求、实现系统的小型化和轻量化，进而提高车辆的机动性和可靠性，和相对运动物件使用寿命，特别是风电系统的使用寿命和可靠性。而这些性能的同时获得必须依靠复合材料性能的提高。
[0005]目前市面上常见的复合摩擦材料其耐磨层材料有聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯或尼龙材料等类型，聚四氟乙烯耐磨层、超高分子量聚乙烯耐磨层虽然具有耐腐蚀、抗老化等优点，但是也存在有机械强度不高、成型收缩率大，二次加工困难、硬度低，耐磨损性差，耐蠕变性差等特点，单纯应用在耐磨结构件上存在机械强度低，耐磨损差等缺点，使用寿命达不到要求。然而，随着汽车高铁工业的飞速发展，汽车火车地铁等运输工具向高速、大型、重载方向发展，对制动的安全性提出更高的要求，相对于大客车、重载车，越来越多的车辆逐步由鼓式制动改为盘式制动，这对摩擦材料性能稳定性有更高的要求，对于鼓式制动片其单位面积上所承受制动的能量要远小于盘式片，在制动的过程中，大量热能聚集在摩擦件表面使其温度剧烈升高，这就要求车辆在高速连续制动的过程中必须有足够的耐高温和摩擦系数来保持安全制动距离，因此开发一种耐高温、有足够摩擦系数的特殊摩擦材料是研究的重要方向。
[0006]通常摩擦材料主要由三部分组成:1、粘合剂；2、增强纤维；3、耐磨材料及摩擦性能调节剂。必须根据所要达到的预期目标来进行各种配方和组成材料的选择，并选择合适的制造方法和生产工艺。
[0007]现有制动块的摩擦材料通常是用的半金属或低金属混合摩擦材料，它们在使用过程中容易出现制动噪音，粉尘较多且损伤制动盘。传统的金属制动块与对偶件(即制动块与制动盘)相互磨擦产生的金属噪声大，同时也容易使制动块与制动盘发生锈粘，耐高温特性也较差，对温度变化敏感，制动块的摩擦性能不稳定，特别是容易带静电，使摩擦掉的粉末不随车辆的运动被风带走，而是粘附在轮毂上，影响车辆的美观。
[0008]二十世纪八十年代诞生的半金属基摩擦材料的金属纤维替代了石棉纤维增强摩擦材料并迅速得到推广和普及，至今仍在全球范围内占据着摩擦材料产品份额中的半壁江山。但金属纤维(主要指钢纤维)与石棉纤维的物理、化学性能指标，存在着巨大的差异。欧洲和日本在摩擦材料领域的研究水平，基本代表了世界摩擦材料领域的最先进水平。某些生产环节和生活环境中要求使用的耐磨件中不含金属或者不含石棉。不含金属这样可以避免物料环境受到污染，高性能无石棉无金属摩擦材料也是目前世界范围汽车摩擦材料技术研发的方向。随着消费者对汽车舒适性要求的提高，刹车噪音越来越受到汽车厂商和消费者的关注。低金属或半金属配方的摩擦片由于制动性能优越、成本低，在车辆上应用也较多。
[0009]现有技术中，耐摩擦材料配方尘产工艺决定了其本身的性能，不匹配的增强纤维导致摩擦内部结合强度低，粘接强度差，摩擦材料的传扭能力差及机械强度低，导致摩擦材料的使用寿命较短。因此，需要一种制造成本低，且能使其各项性能更加优化的耐磨材料。
【发明内容】
[0010]本发明提供一种在风力发电、汽车、车工等领域使用的复合摩擦材料，具有优异的耐磨性能和良好的力学性能，同时生产工艺简单、生产效率高，产品质量稳定，价格低，具有良好的经济性。
[0011]为了克服现有耐磨擦材料综合性能差，不能满足各类用户要求的缺点，本发明提供一种高强度，易加工，摩擦性能优良，使用寿命长，无污染，高品质的摩擦材料及制造方法。
[0012]本发明提供一种耐磨件及其制备方法，特别涉及一种特种工程耐磨材料的制备工艺，其特征是由高分子粘合剂、结构增强纤维和耐磨纳米陶瓷材料，摩擦性能调节剂按配方均匀混合真空振动压制成型，或者真空振动加热压制成型。其中配方重量百分比粘合剂5-15 ;结构增强纤维0-25 ;耐磨纳米陶瓷材料50-95 ;摩擦性能调节剂0_20，填料0-95ο其中，粘合剂为各种树脂如酚醛树脂、聚四氟乙烯、丁腈改性树脂、聚氨脂、热塑性树月旨、不饱和树脂等，增强材料为玻璃纤维、芳纶纤维、海泡石纤维、蜂窝氧化锆纤维和金属纤维等，摩擦性能调节剂如碳化硅粉、晶体硼酸锌、晶体硼酸铝一种或者多种，耐磨纳米陶瓷材料选用景德镇百特威尔新材料有限公司专利技术产品制成纳米陶瓷粉或颗粒。(专利号201310174278.6专利名称一种超耐磨氧化铝陶瓷球及其制备方法)。填料是指无机陶瓷粉粒如硅酸锆粉粒、氧化锆、石英、石墨、石墨烯、刚玉、氢氧化镁、单晶硅、氧化锌、硼化合物等。粘合剂可以根据不同的使用环境温度环保要求作相应的选择比如有温度和耐溶剂要求可以选用聚四氟乙烯，对于常温水环境中可以选用普通聚氨脂、热塑性树脂、不饱和树脂等，本发明粘合剂的特例为高模数硅酸钠、钾、锂玻璃或其混合物；结构增强纤维玻璃纤维的使用是由于它具有良好的耐热性能和机械性能，耐磨性能也不错，价格便宜，芳纶纤维(例如，杜邦公司向品名为=Kevlar)质轻、比表面积大、强度高、耐高温、耐磨损、蓬松、与树脂的相容性好。摩擦性能调节剂碳化硅粉具有良好的导热性，可以避免摩擦材料制动时产生局部高温造成的刹车失灵，晶体硼酸锌，硼酸铝可以降低局部高温，也可以避免局部高温造成烟雾。
[0013]本发明提供的摩擦材料各成分的重量百分比为:
[0014]1、粘合剂5-15 ;2、结构增强纤维0-25 ;3、耐磨纳米陶瓷材料50-85 ;4、摩擦性能调节剂0-20、填料0-95。其中粘合剂为各种树脂如酚醛树脂、聚四氟乙烯、丁腈改性树脂、聚氨脂、热塑性树脂、不饱和树脂等；其中耐磨纳米陶瓷材料是用景德镇百特威尔新材料有限公司专利技术产品制成的纳米陶瓷粉或颗粒(专利号201310174278.6专利名称一种超耐磨氧化铝陶瓷球及其制备方法)。其中摩擦性能调节剂由碳化硅粉、晶体硼酸锌、晶体硼酸铝一种或者多种；其中填料是指无机陶瓷粉粒如硅酸锆粉粒、氧化锆、石英、石墨、石墨烯、刚玉、氢氧化镁、单晶硅、氧化锌、硼化合物等。
[0015]本发明工艺配方对于不同的使用场所作进一步阐述:
[0016]作为车用摩擦材料，其配方成分由基础树脂粘合剂、耐磨材料、增强纤维材料和填料组成。
[0017]步骤如下:(a)配料混料:按重量份称取基础树脂酚醛树脂12份，耐磨材料纳米陶瓷粉325目50份，耐磨材料纳米陶瓷颗粒80目10份，增强材料蜂窝氧化锆纤维15份，摩擦性能调节剂碳化硅粉100目5份，填料单晶硅10000目5份，加入到高速搅拌机中搅拌35分钟左右混合均匀；(b)混合均匀的原料装入模具抽真空振动高压成型；(C)加热190°C的温度下老化:(d)常温冷却得耐磨层制品。
[0018]本发明所要解决的问题是:提供一种无石棉无金属摩擦材料，它能够满足现代汽车制动系统特别是制动防抱系统-ABS系统对摩擦材料的高性能要求。
[0019]无石棉无金属车用摩擦材料的制备方法是:通过混合、真空振动模压、热处理、后处理工艺制成无石棉无金属车用摩擦材料。固化压制工艺是:温度150?200°C，压力140?200kg.f/cm2，压制时间3?5分钟。热处理:将成型产品放入烘箱中进行I?3小时的烘烤，温度为150?200°C。后处理工序:将烘烤后的产品通过磨削加工处理和附件装配工序，制成无石棉无金属车用摩擦材料。
[0020]本发明基于其组成中含有能够协同作用的多种有机及无机材料，并且无石棉无金属，即石棉、金属含量均为零，故有如下主要优点:
[0021]由于多种有机及无机材料科学合理的进行配合使用，使得本产品在消除制动噪声及热哀退，提高产品使用寿命，以及克服摩擦对偶向的粘连咬合等方面具有优越性，工艺简单，适于工业化生产，无公害，具有明显的经济和社会效益。
[0022]本发明汽车摩擦片的优点是:摩擦片内部结合强度高，粘接强度好，保持了摩擦材料的连续性，提高了摩擦片的传扭能力及摩擦片机械强度，延长摩擦片的使用寿命。
[0023]与现有含半金属或低金属混合摩擦材料制成的制动块相比，本发明有如下特点和进步:因本陶瓷摩擦材料为专利技术产品纳米陶瓷粉或颗粒，耐摩擦性能比普通汽车摩擦片耐磨I?3倍，因本陶瓷摩擦材料不含金属，故用本陶瓷摩擦材料制成的制动块与现有制动块最大差别是没有金属，所以就避免了传统金属制动块与对偶件，包括制动块与制动盘，相互摩擦的金属噪声，同时也可消除制动块与制动盘的锈粘着，又因陶瓷材料比金属材料更耐高温，对温度的敏感性小，所以生产出的制动块摩擦性能更加稳定，更加适用于高速和重载汽车的需要；由于本陶材料只有少量材料带静电，大多数材料都是无静电的材质，这种陶瓷摩擦材料制成的制动块，工作时摩擦的掉粉就会随车辆的运动而被风带走，不会粘附在轮毂上影响美观。总之，使用陶瓷摩擦材料生产的制动块摩擦系数稳定，不腐蚀轮毂，无制动噪音，粉尘少，环保，使用寿命长。
[0024]作为纳米砂磨机内腔用耐磨摩擦材料，其配方成分由基础树脂粘合剂、耐磨材料和摩擦性能调节剂组成。
[0025]步骤如下:(a)配料混料:按重量份称取基础树脂不饱和树脂12份，耐磨材料纳米陶瓷粉325目60份，摩擦性能调节剂碳化硅粉100目28份，加入到高速搅拌机中搅拌35分钟左右混合均匀；(b)混合均匀的原料装入模具抽真空振动高压成型；(C)加热90°C的温度下老化:(d)常温冷却得耐磨层制品。
[0026]作为纳米砂磨机内腔用耐油性耐磨摩擦材料，其配方成分由基础树脂粘合剂、耐磨材料和摩擦性能调节剂组成。
[0027]步骤如下:(a)配料混料:按重量份称取基础树脂聚乙烯粉400目12份，耐磨材料纳米陶瓷粉325目60份，摩擦性能调节剂碳化硅粉100目28份，加入到高速搅拌机中搅拌35分钟左右混合均匀:(b)混合均匀的原料装入模具抽真空120°C加热高压振动成型:(C)常温冷却得耐磨层制品。
【具体实施方式】
[0028]本发明盘式摩擦材料包括下列重量份的原材料制成:蜂窝氧化锆纤维10-15份、碳化硅粉15-20份、粘接剂6-8份、晶体硼酸锌或和晶体硼酸铝粉5-10份，所用粘接剂包括丁腈改性树脂。
[0029]本发明配方的设计思路是考虑到高温下摩擦片要有较高的摩擦系数，而碳化硅粉、晶体硼酸锌、晶体硼酸铝物质具有高温下稳定的化学性能，汽车制动摩擦盘表面温度可达700-800°C，碳化硅粉、晶体硼酸锌、晶体硼酸铝可在此温度下保持稳定并提供稳定的摩擦系数，因此，提高产品的耐热性，其主要表现为碳化硅粉的稳定和高导热性来降低材料的温度，来达到高温制动下对材料的保护，所述粘接剂采用丁腈改性树脂，要求树脂所含游离酚少，由于高温下树脂热分解，产生气体会形成气垫膜，降低摩擦系数，这就要求树脂及有机物成分不能过多。为了避免树脂过少造成粘接不均，要求树脂细度在200目-300目，混料充分均匀，一般在高温情况下有机粘接的摩擦材料的强度会降低，为此在减少树脂用量的时候要考虑材料的抗压强度，本发明采用蜂窝氧化锆纤维以提高材料的强度来满足耐冲击、剪切力，尤其在高温情况下一般有机纤维的强度会有明显的减弱，而蜂窝氧化锆纤维在高温下具有优良的韧性和稳定性，填料中包括摩擦性能调节剂和改善产品硬度的材料，本配方以耐磨材料纳米陶瓷粉为主，配合摩擦性能调节剂，有效解决高温下产品摩擦系数的衰退和过度磨损，有利于制动盘表面平滑起到保护对偶作用，能提高产品在高温下的耐磨性。
[0030]耐高温耐磨材料纳米陶瓷粉摩擦片的生产方法如下:
[0031](I)混料:先称取蜂窝氧化锆纤维10-15份、碳化硅粉15-20份、、晶体硼酸锌或和晶体硼酸铝粉5-10份，放入混料机中，搅拌2-3分钟，然后放入其它原材料搅拌10-15分钟。
[0032](2)抽真空预压成型:把混好的料投入到冷压模具中采用400-500kg/cm2压力高频振动成型冷坯。
[0033](3)热处理:在烘烤箱内进行热处理，从室温?140°C等速升温I个小时，保温2个小时，140?160°C升温I个小时，保温I?2个小时，160?180°C升温I个小时，保温2个小时180?200°C升温I个小时，保温4个小时。在降温到120 °C后打开炉门自然冷却到室温。
[0034]本产品的摩擦系数、磨损率、指定摩擦系数公差符合国家标准。通过对产品的装车路试，本发明刹车片可达到进口片要求，有广阔的市场前景。
[0035]本发明产品的洛氏硬度、密度、冷压缩指数较之传统产品有明显的改善。
[0036]其表明:在消除制动噪声、提高产品舒适性方向，本发明产品优于传统产品。而热传导率的改善保证了高温制动工况下制动油路不被汽化，从而保证了高温制动阶段的效能。热膨胀率的降低可以克服制动分离不彻底的现象。综合以上数据，本发明无石棉无金属摩擦材料完全能够满足现代汽车制动工况的使用要求，并且优于传统产品。
[0037]上述配明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种耐磨件及其制备方法其特征是由高分子粘合剂、结构增强纤维和耐磨纳米陶瓷材料，摩擦性能调节剂按配方均匀混合真空压制成型，其中配方重量百分比粘合剂5-15 ;结构增强纤维0-25 ;耐磨纳米陶瓷材料50-95 ;摩擦性能调节剂0-20 ;填料0_95。2.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的真空压制成包括振动压制成型，或者真空振动加热压制成型。3.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的高分子粘合剂可以为各种树脂如酚醛树脂、聚四氟乙烯、丁腈改性树脂、聚氨脂、热塑性树脂、不饱和树脂等。4.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的增强材料为玻璃纤维、芳纶纤维、海泡石纤维、蜂窝氧化锆纤维和金属纤维等。5.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的摩擦性能调节剂如碳化硅粉、晶体硼酸锌、晶体硼酸铝一种或者多种混合物。6.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的耐磨纳米陶瓷材料选用景德镇百特威尔新材料有限公司专利技术产品制成纳米陶瓷粉或颗粒。(专利号201310174278.6专利名称一种超耐磨氧化铝陶瓷球及其制备方法)。7.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的填料是指无机陶瓷粉粒如硅酸锆粉粒、氧化锆、石英、石墨、石墨烯、刚玉、氢氧化镁、单晶硅、氧化锌、硼化合物等。8.如权利要求1所述的一种耐磨件及其制备方法其特征是所述的粘合剂的特例为高模数硅酸钠、钾、锂玻璃或其混合物。
【文档编号】C04B14/48GK105884252SQ201510035702
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月19日
【发明人】范亚强, 李兴兵
【申请人】天津百特威尔纳米粉体科技有限公司