汽车同步器齿环摩擦材料的制备及性能研究
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复合材料中金属成分过多 , 会使硬度过高 ; 同时 对对偶材料的磨损加大 , 并造成噪音过大 , 因而应配 一定比例的润滑剂 , 主要有 :
(1) 人造石墨 : 将含碳量和气孔率高的碳素材 料进行高温煅烧 , 再经过精细加工而制成的人造石墨 颗粒 , 可减少摩擦材料的热衰退 , 提高摩擦稳定性 , 防止摩擦材料对偶的表面金属转移 。
40
润滑与密封
总第 167期
三聚氰胺 - 酚醛改性 5160树脂作为基体树脂 。 腰果壳油的主要结构是苯环的间位上带一个 15
个碳的单烯或双烯烃长链侧基 , 因此可改善酚醛树脂 的柔韧性 , 提高冲击强度 , 在摩擦发热时可产生塑性 变形 , 增加了摩擦的接触面 , 从而提高了摩擦因数 ; 三聚氰胺具有杂环稳定结构 , 可提高酚醛树脂的固化 交联密度及耐热性 。 11112 增强纤维
图 2 汽车同步器齿环制造工艺总流程图
212 摩擦材料热压工艺 由于酚醛树脂在固化过程中会放出水分及其它小
分子物质 , 因此在热压工艺中必须设置排气工艺 , 防 止产品产生裂纹 、气孔等 。热压工艺参数如表 2 所 示。
表 2 热压工艺参数
工艺内容
时间 / s
压力 /MPa
Biblioteka Baidu
温度 / ℃
压片
40
15
(2) 二硫化钼 : 所选用的二硫化钼实际是二硫化 钼 、二氧化钼和三氧化钼的共混物 , 由超音速气流粉 碎而成 。当摩擦材料在高温时 , 填料和树脂等被炭化 而烧失 , 造成空隙过大 , 而三氧化钼在高温中变成六 晶体 , 促使自己体积成倍膨胀 , 起到了增摩 、制动的 效果 ; 二硫化钼覆盖在摩擦材料表面 , 能防止其它材 料的氧化 , 使其它材料不易脱落 , 粘附力增强 。
2005年 1月 第 1期 (总第 167期 )
润滑与密封
LUBR ICATION ENGINEER ING
Jan12005 No11 ( serial No1167)
汽车同步器齿环摩擦材料的制备及性能研究
俞忠新 1 胡 萍 1 张 涛 2 王宗跃 1 颜新天 1 李永强 1
(1. 武汉理工大学化学工程系 武汉 430063; 2. 武汉市建筑材料机械厂 武汉 430000)
摘要 : 选用腰果壳油 、三聚氰胺改性酚醛树脂作为粘结基体 , 碳纤维作为增强材料 , 加入铁粉 、铜粉等摩擦性能调 节剂 , 经过配方设计 、混合 、压制 、固化 , 制备了汽车同步器齿环摩擦材料 。对其摩擦磨损性能 、抗冲击性能 、硬度 、 胶粘剂拉伸剪切强度等性能进行了测定 。试验结果表明 : 摩擦材料的摩擦因数稳定在 013～0137, 磨损率 < 015 ×10 - 7 cm3 / (N ·m ) ; 冲击强度 > 30 N ·cm / cm2 ; 洛氏硬度 > 100; 在 2154 kN 最大载荷下的胶粘剂拉伸剪切强度 > 4106 M Pa。 可以满足汽车同步器齿环的工作要求 。
表 1 汽车同步器齿环摩擦材料配方
%
配方
5160# 碳纤维 铁粉 黄铜粉 石墨
硬脂
二硫
硫酸钡
树脂
酸锌
化钼
1#
30 36 9
2
5
1
16
1
2#
30 26 15 4
5
1
18
1
3#
28 20 25
5
15
1
10
1
2 摩擦材料制备 [ 9～10 ] 211 汽车同步器齿环制造工艺总流程
汽车同步器齿环由钢材制成 , 然后在齿环的内锥 面敷上一层摩擦材料 , 其工艺总流程如图 2所示 。
树脂作为粘结剂在摩擦材料中起着基体的作用 , 它将增强纤维和摩擦性能调节剂等紧密地结合在一
起 , 对材料的机械强度 、摩擦磨损性能 、热稳定性等 起着重要作用 。若复合材料中树脂比例过大 , 则摩擦 因数在高温时会降低 ; 比例过小 , 则复合材料机械强 度又不够 , 所以在保证材料有足够的强度和一定磨损 量的前 提下 , 应 尽量 减 少树 脂 用 量 , 一 般 用 量 为 15% ～30% (质量分数 ) [6～7 ] 。当纤维量超过一定限 额 , 其与树脂基体之间的粘结力下降 , 纤维更加容易 被剥离 、拉拔 , 靠纤维剪切所能提供的摩擦力矩减 小 。因此 , 纤维种类的选择及用量的控制是摩擦材料 研制的一个关键问题 [8 ] 。
选用碳纤维作增强材料 。碳纤维具有比强度高 、 比模量高 、耐热耐磨 、耐腐蚀及热膨胀系数小等一系 列优点 。在摩擦材料中结成网状结构 , 起到了增强增 韧作用 ; 在与对偶的摩擦过程中 , 碳纤维被剥离 、拉 拔和剪切 , 因而提供了一定的摩擦力矩 ; 纤维的比表 面积较大 , 所以当纤维量增加时 , 摩擦力矩增大 , 摩 擦因数也因此增加 。 11113 摩擦性能调节剂
160
排气
20
0
160
压片
40
15
160
排气
20
0
160
压片
240
15
160
出模
0
213 摩擦材料固化工艺 (图 3)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
传统的纯酚醛树脂制成的摩擦材料 , 一般模量过 高 、强度过低 、噪音大 、热分解温度低 、摩擦层的分 解残留物性能不稳定 。本文选用浙江产的腰果壳油 -
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2005年第 1期
俞忠新等 : 汽车同步器齿环摩擦材料的制备及性能研究
41
图 3 摩擦材料固化工艺流程图
关键词 : 汽车同步器齿环 ; 摩擦材料 ; 改性酚醛树脂 中图分类号 : TH11711 文献标识码 : A 文章编号 : 0254 - 0150 (2005) 1 - 039 - 3
Prepara tion and Property of the Fr iction M a ter ia ls
Keywords: automobile synchronizing ring of the automobile; friction materials; modified phenolic resins
同步器齿环是汽车变速器内换挡操作的关键零 件 。传统的同步器齿环用合金铜材料制造 , 尽管这种 材料的各项性能均满足工作要求 , 但价格太高 。近年 来 , 同步器齿环的制造技术在国外有了突飞猛进的发 展 [1 ] , 主要表现在两个方面 : 采用新型材料 , 例如新 型铜合金材料 、铜基双金属材料 、钢质及双金属材料 与复合材料等 ; 采取新型成型工艺设备 , 例如精锻 、 粉末冶金锻造 、液态模锻 、旋转冷滚压锻造等 。近年 来国内一些生产厂家也在开发以钢代铜来制造同步器 齿环 , 但由于钢材的摩擦性能不及铜材 , 因此必须采 用复合的方法来解决这一难题 。本文作者以改性酚醛 树脂为粘接组分 , 以碳纤维为增强改性组分 , 另加入 性能调节剂 、填料等 , 经混合 、压制制成摩擦材料 , 粘贴于钢制同步器齿环内锥面组成复合体系 , 如图 1 所示 。该复合体系能满足同步器齿环工作时的耐磨 性 、较高的摩擦因数 、良好的韧性及抗击和抗震动性
(1) 膨胀铁粉 : 主要成分为 Fe3O4 , 有一定的气 孔率 , 较低的密度及硬度 , 成片状形 , 容易吸附 , 粘 接力强 , 有一定的可塑性 、耐磨 、耐高温 、耐氧化 。
(2) 黄铜粉 : 选用 591 型铜 , 经过除油药膜加 工而成 , 它能均匀地分布于摩擦材料的表面 , 对其它 材料具有很强的粘接力 , 还具有吸热快 、散热快 、耐 高温 、耐磨等优点 。
Abstract:A kind of phenolic resin modified by cashew nut oil and melam ine was p resented. This resin was reinforced by carbon fibre, with expansion iron powder, brass powder, etc as the comp lex reinforcing agents. A new frictional resistant composite of automobile synchronizer tooth ring was obtained through formulation designing, m ixing, moulding p rocess. The friction coefficient and wear ratio, the impact strengths, the hardness and the intensity of the adhesive of friction materials were measured. The result of the test shows that a new frictional resistant composite of automobile synchronizer tooth ring with the friction factor of 013～0137, wear ratio < 015 ×10 - 7 cm3 / (N ·m ) , impact strength > 30 N ·cm / cm2 , hardness > 100, under 2154 kN greatest load the intensity of the adhesive > 4106 MPa was obtained, which can meet the request of au2 tomobile synchronizer tooth ring1
收稿日期 : 2004 - 01 - 05
能 , 可提高同步器齿环的使用寿命 、降低生产成本 、 减少环境污染 (无石棉 ) , 具有较好的经济和社会效 益。 1 原材料筛选及配方设计 111 原材料筛选
同步 器 齿 环 摩 擦 材 料必须在室温到 250 ℃ 左右的中温区内有平稳 的摩 擦 磨 损 性 能 、良 好 的 韧 性 、抗 冲 击 性 能 、 抗震动 性 能及 足 够 的 机 图 1 同步器齿环产品示意图 械强 度 。为 了 达 到 上 述 使用性能要求 , 摩擦材料通常由高分子粘结剂基体 、 增强纤维 、摩擦性能调节剂等三元体系构成 [2～5 ] 。 11111 树脂基体的选择
(3) 硫酸钡 (BaSO4 ) : BaSO4 的硬度适中 , 它在 材料表面的含量随树脂等其它组分的分解而相对增
加 , 它的摩擦因数几乎不受摩擦热的影响 , 可以稳定 高温时复合体系的摩擦因数 。
(4) 硬脂酸锌 : 加入硬脂酸锌金属皂 , 可增加复 合体系的润滑性 , 便于脱模 。 112 配方设计
选择合适类型的摩擦性能调节剂和适当的比例 , 会使摩擦材料的摩擦性能保持在最佳状态 。一般包括 固体润滑剂和增摩剂 , 固体润滑剂主要有铁粉 、铜 粉 、石墨 、二硫化钼等 , 其主要作用是提高其耐磨性 和摩擦稳定性 , 减少振动 、噪音等 ; 增摩剂主要有金 属氧化物 、硫酸钡等 , 用以提高摩擦因数 、耐衰退性 及自净效能 。本文选用以下调节剂 :
of Synchron iz ing R ing of Autom ob ile
Yu Zho ngxin1 Hu P ing1 Zha ng Tao2 W a ng Zo ngyue1 Ya n Xin tia n1 L i Yo ngq ia ng1
(1. D epartment of Chem istry Engineering of W uhan U niversity of Technology,W uhan 430063, China; 2. W uhan A rchitecture M eterialM echanical Plant,W uhan 430000, China)
(1) 人造石墨 : 将含碳量和气孔率高的碳素材 料进行高温煅烧 , 再经过精细加工而制成的人造石墨 颗粒 , 可减少摩擦材料的热衰退 , 提高摩擦稳定性 , 防止摩擦材料对偶的表面金属转移 。
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润滑与密封
总第 167期
三聚氰胺 - 酚醛改性 5160树脂作为基体树脂 。 腰果壳油的主要结构是苯环的间位上带一个 15
个碳的单烯或双烯烃长链侧基 , 因此可改善酚醛树脂 的柔韧性 , 提高冲击强度 , 在摩擦发热时可产生塑性 变形 , 增加了摩擦的接触面 , 从而提高了摩擦因数 ; 三聚氰胺具有杂环稳定结构 , 可提高酚醛树脂的固化 交联密度及耐热性 。 11112 增强纤维
图 2 汽车同步器齿环制造工艺总流程图
212 摩擦材料热压工艺 由于酚醛树脂在固化过程中会放出水分及其它小
分子物质 , 因此在热压工艺中必须设置排气工艺 , 防 止产品产生裂纹 、气孔等 。热压工艺参数如表 2 所 示。
表 2 热压工艺参数
工艺内容
时间 / s
压力 /MPa
Biblioteka Baidu
温度 / ℃
压片
40
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(2) 二硫化钼 : 所选用的二硫化钼实际是二硫化 钼 、二氧化钼和三氧化钼的共混物 , 由超音速气流粉 碎而成 。当摩擦材料在高温时 , 填料和树脂等被炭化 而烧失 , 造成空隙过大 , 而三氧化钼在高温中变成六 晶体 , 促使自己体积成倍膨胀 , 起到了增摩 、制动的 效果 ; 二硫化钼覆盖在摩擦材料表面 , 能防止其它材 料的氧化 , 使其它材料不易脱落 , 粘附力增强 。
2005年 1月 第 1期 (总第 167期 )
润滑与密封
LUBR ICATION ENGINEER ING
Jan12005 No11 ( serial No1167)
汽车同步器齿环摩擦材料的制备及性能研究
俞忠新 1 胡 萍 1 张 涛 2 王宗跃 1 颜新天 1 李永强 1
(1. 武汉理工大学化学工程系 武汉 430063; 2. 武汉市建筑材料机械厂 武汉 430000)
摘要 : 选用腰果壳油 、三聚氰胺改性酚醛树脂作为粘结基体 , 碳纤维作为增强材料 , 加入铁粉 、铜粉等摩擦性能调 节剂 , 经过配方设计 、混合 、压制 、固化 , 制备了汽车同步器齿环摩擦材料 。对其摩擦磨损性能 、抗冲击性能 、硬度 、 胶粘剂拉伸剪切强度等性能进行了测定 。试验结果表明 : 摩擦材料的摩擦因数稳定在 013～0137, 磨损率 < 015 ×10 - 7 cm3 / (N ·m ) ; 冲击强度 > 30 N ·cm / cm2 ; 洛氏硬度 > 100; 在 2154 kN 最大载荷下的胶粘剂拉伸剪切强度 > 4106 M Pa。 可以满足汽车同步器齿环的工作要求 。
表 1 汽车同步器齿环摩擦材料配方
%
配方
5160# 碳纤维 铁粉 黄铜粉 石墨
硬脂
二硫
硫酸钡
树脂
酸锌
化钼
1#
30 36 9
2
5
1
16
1
2#
30 26 15 4
5
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28 20 25
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2 摩擦材料制备 [ 9～10 ] 211 汽车同步器齿环制造工艺总流程
汽车同步器齿环由钢材制成 , 然后在齿环的内锥 面敷上一层摩擦材料 , 其工艺总流程如图 2所示 。
树脂作为粘结剂在摩擦材料中起着基体的作用 , 它将增强纤维和摩擦性能调节剂等紧密地结合在一
起 , 对材料的机械强度 、摩擦磨损性能 、热稳定性等 起着重要作用 。若复合材料中树脂比例过大 , 则摩擦 因数在高温时会降低 ; 比例过小 , 则复合材料机械强 度又不够 , 所以在保证材料有足够的强度和一定磨损 量的前 提下 , 应 尽量 减 少树 脂 用 量 , 一 般 用 量 为 15% ～30% (质量分数 ) [6～7 ] 。当纤维量超过一定限 额 , 其与树脂基体之间的粘结力下降 , 纤维更加容易 被剥离 、拉拔 , 靠纤维剪切所能提供的摩擦力矩减 小 。因此 , 纤维种类的选择及用量的控制是摩擦材料 研制的一个关键问题 [8 ] 。
选用碳纤维作增强材料 。碳纤维具有比强度高 、 比模量高 、耐热耐磨 、耐腐蚀及热膨胀系数小等一系 列优点 。在摩擦材料中结成网状结构 , 起到了增强增 韧作用 ; 在与对偶的摩擦过程中 , 碳纤维被剥离 、拉 拔和剪切 , 因而提供了一定的摩擦力矩 ; 纤维的比表 面积较大 , 所以当纤维量增加时 , 摩擦力矩增大 , 摩 擦因数也因此增加 。 11113 摩擦性能调节剂
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排气
20
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压片
40
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排气
20
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213 摩擦材料固化工艺 (图 3)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
传统的纯酚醛树脂制成的摩擦材料 , 一般模量过 高 、强度过低 、噪音大 、热分解温度低 、摩擦层的分 解残留物性能不稳定 。本文选用浙江产的腰果壳油 -
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2005年第 1期
俞忠新等 : 汽车同步器齿环摩擦材料的制备及性能研究
41
图 3 摩擦材料固化工艺流程图
关键词 : 汽车同步器齿环 ; 摩擦材料 ; 改性酚醛树脂 中图分类号 : TH11711 文献标识码 : A 文章编号 : 0254 - 0150 (2005) 1 - 039 - 3
Prepara tion and Property of the Fr iction M a ter ia ls
Keywords: automobile synchronizing ring of the automobile; friction materials; modified phenolic resins
同步器齿环是汽车变速器内换挡操作的关键零 件 。传统的同步器齿环用合金铜材料制造 , 尽管这种 材料的各项性能均满足工作要求 , 但价格太高 。近年 来 , 同步器齿环的制造技术在国外有了突飞猛进的发 展 [1 ] , 主要表现在两个方面 : 采用新型材料 , 例如新 型铜合金材料 、铜基双金属材料 、钢质及双金属材料 与复合材料等 ; 采取新型成型工艺设备 , 例如精锻 、 粉末冶金锻造 、液态模锻 、旋转冷滚压锻造等 。近年 来国内一些生产厂家也在开发以钢代铜来制造同步器 齿环 , 但由于钢材的摩擦性能不及铜材 , 因此必须采 用复合的方法来解决这一难题 。本文作者以改性酚醛 树脂为粘接组分 , 以碳纤维为增强改性组分 , 另加入 性能调节剂 、填料等 , 经混合 、压制制成摩擦材料 , 粘贴于钢制同步器齿环内锥面组成复合体系 , 如图 1 所示 。该复合体系能满足同步器齿环工作时的耐磨 性 、较高的摩擦因数 、良好的韧性及抗击和抗震动性
(1) 膨胀铁粉 : 主要成分为 Fe3O4 , 有一定的气 孔率 , 较低的密度及硬度 , 成片状形 , 容易吸附 , 粘 接力强 , 有一定的可塑性 、耐磨 、耐高温 、耐氧化 。
(2) 黄铜粉 : 选用 591 型铜 , 经过除油药膜加 工而成 , 它能均匀地分布于摩擦材料的表面 , 对其它 材料具有很强的粘接力 , 还具有吸热快 、散热快 、耐 高温 、耐磨等优点 。
Abstract:A kind of phenolic resin modified by cashew nut oil and melam ine was p resented. This resin was reinforced by carbon fibre, with expansion iron powder, brass powder, etc as the comp lex reinforcing agents. A new frictional resistant composite of automobile synchronizer tooth ring was obtained through formulation designing, m ixing, moulding p rocess. The friction coefficient and wear ratio, the impact strengths, the hardness and the intensity of the adhesive of friction materials were measured. The result of the test shows that a new frictional resistant composite of automobile synchronizer tooth ring with the friction factor of 013～0137, wear ratio < 015 ×10 - 7 cm3 / (N ·m ) , impact strength > 30 N ·cm / cm2 , hardness > 100, under 2154 kN greatest load the intensity of the adhesive > 4106 MPa was obtained, which can meet the request of au2 tomobile synchronizer tooth ring1
收稿日期 : 2004 - 01 - 05
能 , 可提高同步器齿环的使用寿命 、降低生产成本 、 减少环境污染 (无石棉 ) , 具有较好的经济和社会效 益。 1 原材料筛选及配方设计 111 原材料筛选
同步 器 齿 环 摩 擦 材 料必须在室温到 250 ℃ 左右的中温区内有平稳 的摩 擦 磨 损 性 能 、良 好 的 韧 性 、抗 冲 击 性 能 、 抗震动 性 能及 足 够 的 机 图 1 同步器齿环产品示意图 械强 度 。为 了 达 到 上 述 使用性能要求 , 摩擦材料通常由高分子粘结剂基体 、 增强纤维 、摩擦性能调节剂等三元体系构成 [2～5 ] 。 11111 树脂基体的选择
(3) 硫酸钡 (BaSO4 ) : BaSO4 的硬度适中 , 它在 材料表面的含量随树脂等其它组分的分解而相对增
加 , 它的摩擦因数几乎不受摩擦热的影响 , 可以稳定 高温时复合体系的摩擦因数 。
(4) 硬脂酸锌 : 加入硬脂酸锌金属皂 , 可增加复 合体系的润滑性 , 便于脱模 。 112 配方设计
选择合适类型的摩擦性能调节剂和适当的比例 , 会使摩擦材料的摩擦性能保持在最佳状态 。一般包括 固体润滑剂和增摩剂 , 固体润滑剂主要有铁粉 、铜 粉 、石墨 、二硫化钼等 , 其主要作用是提高其耐磨性 和摩擦稳定性 , 减少振动 、噪音等 ; 增摩剂主要有金 属氧化物 、硫酸钡等 , 用以提高摩擦因数 、耐衰退性 及自净效能 。本文选用以下调节剂 :
of Synchron iz ing R ing of Autom ob ile
Yu Zho ngxin1 Hu P ing1 Zha ng Tao2 W a ng Zo ngyue1 Ya n Xin tia n1 L i Yo ngq ia ng1
(1. D epartment of Chem istry Engineering of W uhan U niversity of Technology,W uhan 430063, China; 2. W uhan A rchitecture M eterialM echanical Plant,W uhan 430000, China)