汽车制动摩擦材料成型工艺的研究进展

(青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东 青岛 266520)

引言

汽车制动摩擦材料在汽车制动中起着至关重要的作用，而在制动摩擦材料生产过程中，需要好多种工序加工才使得摩擦材料达到人们的需求。摩擦材料制备工序可以分为称料、混料、压制成型、热处理、磨削、开槽倒角、包装后处理等，而在这些工序中，最重要的和对摩擦材料性能影响最大是压制成型工艺。成型工艺是将混合料在一定的温度、压力下压制固化一段时间，形成具备一定力学性能和摩擦磨损性能的摩擦材料。摩擦材料的内部组分主要有增强纤维、粘合剂和填料等组成，成型工艺的主要作用就是利用树脂的黏流和凝胶过程中的流动性和可塑性，使树脂形成交联结构粘结起来具有特定外形的整体。成型温度过低固化不完全会使摩擦材料硬度和剪切强度过低，温度过高会导致摩擦材料出现鼓泡、破损等缺陷，成型压力太小会使混合料在模腔中流动性变差而导致成型不均匀，压力太大又会使摩擦材料致密性太大而加大噪声的影响。因此在摩擦材料成型过程中，合理的成型工艺参数不仅能有效提高摩擦材料的性能，而且还可以降低生产成品，节约能源，如何选择和调配成型工艺参数是制备摩擦材料的重要一环。

一、成型工艺

汽车制动摩擦材料成型工艺中对制品性能影响的因素有许多种，模压温度、成型压力、压制时间、放气次数和加压速度等均会对摩擦材料的性能有一定的影响，经研究表明，模压温度、成型压力和压制时间这三个因素对摩擦材料的影响最为显著，因而将这三个工艺参数成为成型工艺的“三要素”。成型工艺按照模压温度高低可以分为热压成型、温压成型和冷压成型，目前国内大多数汽车摩擦材料制造企业使用的还是热压成型工艺，冷压成型在树脂基摩擦材料中局限较大，而温压成型一直在摩擦材料行业研究的热点，但在现有的工艺技术下温压成型尚不能成为摩擦材料行业的主流。热压成型工艺下的摩擦材料固化完全，致密性好，但材料硬度较大，孔隙率低，而温压工艺下摩擦材料孔隙率较低，能够降低制动过程中的噪音。

为了得到合理的成型工艺参数组合，使得摩擦材料具备优良的性能和节约成本，摩擦材料行业通过许多种方法对工艺参数进行优化。最先使用的优化方法是重复试验法，就是将可能的工艺参数组合挨着进行试验，但事实证明该方法不但费时费力，而且效果也并不明显。为了更科学、更迅速地找到特定摩擦材料的最佳工艺参数，均匀设计法、正交实验法、响应面法等数学研究方法被应用在了摩擦材料工艺参数优化上。

摩擦材料的力学性能和摩擦磨损性能主要有材料的配方和工艺所决定，在确定好材料配方的情况下，通过调整工艺参数来改善摩擦材料的性能是优化材料性能的主要手段。摩擦材料的性能包括力学性能、摩擦磨损性能和噪音等，力学性能主要有硬度、压缩率、剪切强度等，摩擦磨损性能包括摩擦系数和磨损率。汽车在制动过程中，摩擦材料需要提供适宜的摩擦系数，良好的磨损率，优良的硬度和压缩率，足够的剪切强度，还有较小的噪声等，而成型工艺的调整能有效地改善摩擦材料的性能。

成型工艺对制动摩擦材料质量的影响主要取决于温度、压力和时间，的设定值的差异都会改变摩擦材料的性能。①成型温度对摩擦材料的影响。摩擦材料中酚醛树脂的固化需要在一定的温度下才能反应，酚醛树脂固化速度受温度影响较大，温度140℃下酚醛树脂的固化速度较慢，成型温度高于150℃时固化速度较快。当成型温度较低时，树脂固化速度慢，摩擦材料的硬度和剪切强度达不到标准，磨损增大，会加速摩擦材料的使用寿命。当成型温度较高时，树脂固化速度较快，摩擦材料表层迅速固化，内部产生的气体和水分难以排出，会导致压制品出现鼓泡、破损等缺陷。②成型压力对摩擦材料的影响。一定的成型压力能够摩擦材料在成型过程中具备良好的流动性，保证制品内部材料分散均匀和达到制品的外观要求。成型压力会影响到制品的密度和机械强度，足够的压力能够使压制品更加结实。树脂固化时产生的水分和气体也需要足够的压力排出，否则也会造成鼓泡等弊病。但太大的成型压力也会危害摩擦材料的质量，较高的成型压力会使制品硬度较大、高噪音和溢料等问题。③压制时间对摩擦材料的影响主要体现在树脂的固化，摩擦材料在模具里待的时间越长固化越完全，但考虑到效率和成品问题，热压成型的制品都会放进热处理箱进行完全固化。

二、国内外研究现状

近年来，摩擦材料领域对成型工艺的研究非常广泛，从成型方式的讲，大部分研究学者还是专攻于热压成型工艺，也有些学者对温压成型工艺和冷压成型工艺进行探索，对于摩擦材料成型工艺的研究优化方法各异，不论何种方法，都有重大的研究成果。

(一)热压成型

由于热压成型的摩擦材料优良的致密性、较高的机械强度和稳定的摩擦特性，摩擦材料行业热压成型还是当今摩擦材料成型工艺的主流。国内外研究学者通过正交实验法和响应曲面法等方法对摩擦材料的成型工艺进行优化，筛选出最优的工艺参数，分析了工艺参数对摩擦材料性能的影响。

钟厉[1]等研究了复合纤维低树脂基摩擦材料的热压成型工艺，运用正交试验和模糊综合评价的方法筛选出最佳工艺参数组合为成型压力20MPa、热压温度170℃、压制时间5 min和热处理时间8 h，分析得出成型压力对硬度影响最大，热压温度对摩擦系数影响最大，压制时间对剪切强度影响最大，热处理时间对磨损率影响最大。马云海[2]等研究了矿物纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的热压成型工艺对摩擦材料性能的影响规律，采用均匀设计的方法进行试验，分析了成型工艺参数对摩擦材料的摩擦因数、冲击强度的回归关系，建立了摩擦因数、冲击强度与热压工艺参数的二次响应曲面回归模型。杨昆鹏[3]等研究发现保压时间对摩擦系数稳定性影响较大，成型温度的波动对于摩擦材料的硬度改变最大，而材料的冲击强度和压缩性能都与硬度有着很大关联。徐洋[4]等采用响应面法结合Design-Expert软件对有机摩擦复合材料建立了制备工艺参数与摩擦系数、磨损率的二次响应曲面回归模型，并通过摩擦材料的微观形貌分析了成型工艺对摩擦磨损特性的影响。

(二)温压成型

温压成型技术很早就已经被国内外学者研究，但目前摩擦材料行业温压成型工艺的使用率非常低。摩擦材料中粘合剂大多是酚醛树脂，而低温状态下树脂固化速度较慢，研究学者们先后用改性树脂进行研究得到一些成果，温压成型后制品的孔隙率较高，噪音低，结合节能环保，温压成型必将是未来摩擦材料成型工艺的发展趋势。

魏景峰[5]等研究了鼓式制动摩擦材料的温压成型工艺，选用腰果壳油改性的酚醛树脂作为粘合剂，研究表明温压制备下的摩擦材料具备良好的摩擦磨损性能、适中的孔隙率及良好的冲击强度，在模压温度100℃左右、成型压力60MPa、保压时间5min的条件下，制备的温压材料具有适合的孔隙率和冲击强度、较高的最大应变。朱挺[6]等研究离合器的温压成型工艺，提出三组分改性酚醛树脂和混杂纤维温压工艺制备离合器摩擦材料，工艺参数表明，当成型温度110～120℃、模压压力15～35MP、保压时间1～2min时制备得到的摩擦材料具备较高的冲击强度和优良的摩擦磨损性能。

(三)冷压成型

刘晓[7]等研究了提出采用新型高性能无机粘结剂作基体,钢纤维和芳纶纤维混杂作增强还原铁粉、石墨、石油焦、硫酸钡、棕钢玉等作填料,通过低温成型的工艺来制备高性能摩擦材料。工艺参数为：模压温度为30℃～50℃，成型压力为40MPa～50MPa，保压时间为15分钟，干燥工艺为室温自然干燥12小时。与一般的热压摩擦材料相比较，在该成型工艺制备的摩擦材料具备优越摩擦磨损性能，硬度明显低，摩擦系数变化稳定，噪音小。张育军[8]等研究了冷压和热压工艺下离合器摩擦材料的性能对比，发现冷压工艺制备的摩擦材料具备孔隙率高、硬度低和摩擦系数稳定等特点。

三、成型工艺的发展方向

随着汽车的逐步发展，人们对于制动摩擦材料的要求越来越高，不仅要求摩擦材料具备优良的摩擦磨损性能，还要摩擦材料制动噪声低、落灰少，因此摩擦材料成型工艺发展必须符合汽车行业绿色环保的主题，从摩擦材料的制备到使用，兼具性能和环保，才是汽车摩擦材料发展的趋势。就摩擦材料成型工艺而言，降低成型温度会是未来成型工艺的发展方向，温压成型和冷压成型将会成为了以后研究的热点，研究学者必须要摩擦材料中酚醛树脂的低温固化速度较慢这一弊端，如何对酚醛树脂改性以及酚醛树脂固化促进剂的使用会是成型工艺发展的重要突破口，另外，成型温度和成型压力之间相互作用对树脂固化的影响也是研究学者亟待解决的问题。