改性粉煤灰微珠摩擦材料的摩擦磨损性能研究.doc

改性粉煤灰微珠摩擦材料摩擦磨损性能的研究*
曲烈，杨久俊，乐俐（天津城市建设学院材料科学与工程系）
孙金鹏，申坤瑞（河北省摩擦材料研究所）

Research on Frictional Wear Behaviour of Modified Fly Ash Beads Friction Material
Lie Qu, Jiujun Yang, Li Yue(Tianjin Institute of Urban Construction, Material Science and Engineering Department)
Jinpeng Sun, Kunrui Shen(Hebei Province Graduate School of Friction Material)

摘要：通过定速摩擦试验,研究了掺加工业固体废弃物中提取的粉煤灰微珠的半金属配方摩擦材料摩擦磨损性能。试验表明：与未加粉煤灰的对照组比，小粒径、大掺量的改性粉煤灰试样摩擦系数变大，尤其是在低温段（≤2000C）明显变大；掺浮石和掺矿渣的试样摩擦系数均明显变小，但仅在2000C时掺矿渣试样的摩擦系数稍有增加。与未加粉煤灰的对照组比，所有掺粉煤灰试件磨损率都明显增加。粒径小、掺量大的改性粉煤灰试样相对磨损较小，但在高温段磨损率变大。掺浮石的试样比掺矿渣的试样在高温段（≥2000C）的磨损率更大。掺加改性粉煤灰有类似掺加磨料的作用，但其高温段磨损率明显增大，其原因可能是由于硬度相差大而产生应力集中的裂缝缺陷，建议在原配方的基础上掺加复合填料来改变硬度匹配问题。
关键词：摩擦材料；摩擦磨损；粉煤灰微珠；偶联剂。

Abstract: Using fixed speed testing，the frictional wear behaviour of the semimetallic compound friction material which adulterate fly ash beads from industrial solid waste has been researched. The experiment showed: Compared with the group without fly ash, the friction factor of the group with higher content and small size modified fly ash is much larger, especially it’s obviously larger in the low temperature part (≤200℃); the friction factor of the group with floatstone and the group with scoria are both obviously smaller, but the friction factor of the group with scoria increases little, only in the 200℃. Compared with the group without fly ash, the wear-rate of all the fly ash groups increase obviously. The wear-rate of the group with higher content and small size modified fly ash is samller, but it’s larger in the hign temperature part. In the high temperature part(≥200℃), the wear-rate of the group with floatstone is much larger than the group with scoria. Adulterating modified fly ash takes the similar role as adding abrasive, but the wear-rate increase obviously in its high temperature part, the reason is that bigger difference of hardness makes the stress of crack defect concentrated, the suggestion to solve this problem is recruit small hardness filling.
Key words: friction material；frictional wear；fly ash beads；Coupling agent

随着现代工业的发展，人们对新型高性能摩擦材料的需求不断增加，特别是对能源危机和环境保护呼声的日益高涨，以节能和环保为目标，采用多学科技术的交叉，研究具有节能和环境保护特征，更高效更可靠的绿色摩擦材料是我国工业发展的必然趋势。我国制备汽车制动器和离合器所用的摩擦材料，几乎都是用树脂或橡胶材料作为粘合剂的，用无机、有机

* 本研究得到天津市科委科研项目基金资助。
和金属等作为增强剂，非金属、金属和有机物作为摩擦性能调节剂来制作的，其比例组成为：粘合剂约占5—25%；增强剂约占20—50%；摩擦性能调节剂约占30—60%；工艺调节剂约占0.5—1%。其中摩擦性能调节剂占摩擦材料配方中较大比例，它可以使材料保持较稳定的摩擦系数和较小的磨损率，常采用非金属矿物制得。常用的可提高摩擦系数的矿物有重晶石（硫酸钡）、硅灰石、铬铁矿、氧化铝、长石、陶土、矾土（刚玉）等。常用保持摩擦系数平稳、摩擦表面润滑的矿物有石墨、二硫化钼、云母、滑石等[1-4]。在传统的配方体系中，这些摩擦调节剂均采用的是非金属矿物，不仅成本较高，而且使用天然矿物材料消耗不可再生资源。
从可持续发展的观点来看，利用工业固体废弃物发展绿色摩擦材料作为摩擦调节剂，不仅可降低成本，而且也保护了环境与资源，并且对促进循环经济的发展有重大意义。现有文献中，仅见过改性粉煤灰用作塑料材料填料的报道，尚未有用粉煤灰和改性粉煤灰作为摩擦材料增摩调节剂的实验数据可供研究参考，因此改性粉煤灰用作摩擦材料的摩擦磨损性能值得作进一步研究。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
树脂6816；矿物纤维（101）；钢纤维；丁腈胶粉；蛭石；硫酸钡；石墨；粉煤灰；表面改性粉煤灰；矿粉；浮石粉。
1.2 试验设备与试验方法
试验设备
硬度按照GB/T5766—1996《摩擦材料液压硬度实验法》，在莱州华银试验机厂生产的XHRD—150电动塑料洛氏硬度计上进行实验；摩擦系数和磨损率按照GB5763—1998《汽车制动器的衬片》标准，在二汽设备制造厂生产的D—MS定速式摩擦试验机进行实验；抗
剪强度按照《汽车制动器衬片材料内抗剪强度实验方法》QC/T473—99，在济南试验机厂生产的WE—100型（最大试验力100KN）液压式万能试验机进行实验。
试验方法
将树脂、矿物纤维投入到高速混料机预松开，使树脂与钢纤维、矿物纤维等混合均匀，然后将摩擦颗粒、性能调节剂与其它填料放入混料机中，按照设计的混料时间将物料混合均匀。按照通常的热压工艺条件进行压制成型。然后在高温下进行摩擦片的二次固化，使产品的物理与化学性能更加趋于稳定，工艺流程如下：

压制
热处理
钢板冲裁
喷砂
涂胶
烘干
混料
配料
原材料干燥
磨削
喷漆
包装
剪切

硬度
制样
密度
定速
台架

1.3 试验配方设计
本试验研究设计了十个配方，见表1。

表1 掺粉煤灰的摩擦材料试验配方设计 单位：%
原材料
A1*
A2*
B1
B2
C1
C2
D1
D2
E1
E2
树脂（6816）
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
矿物纤维（101）
5
25
5
5
5
5
5
5
5
5
钢纤维
20
0
25
25
25
25
25
25
25
25
硫酸钡（500目）
25
25
20
20
20
20
20
20
20
20
还原铁粉
4
4
0
0
0
0
0
0
0
0
铬铁矿（200目）
3
3
4
4
4
4
5
3
5
5
石墨
15
15
11
11
11
11
12
9
12
12
摩擦颗粒
6
6
0
0
0
0
0
0
0
0
丁腈胶粉
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
蛭石（60～80目）
4
4
0
0
0
0
0
0
0
0
铜粉
5
5
0
0
0
0
0
0
0
0
粉煤灰
0
0
22**
22***
0
0
0
0
0
0
改性粉煤灰
0
0
0
0
22**
22***
20**
25***
14
14
矿渣粉
0
0
0
0
0
0
0
0
6
0
浮石粉
0
0
0
0
0
0
0
0
0
6
注：* A1、A2为某厂的生产配方，其中A1为半金属纤维配方，A2为非金属配方;
** 粒径为150～200μm；***粒径为45～75μm。

2 试验结果
2.1定速摩擦试验结果
表2 定速摩擦试验结果
项目

试
样
摩擦系数 μ
磨损率10-7cm3/（N·m）
100℃
150℃
200℃
250℃
300℃
350℃
100℃
150℃
200℃
250℃
300℃
350℃
A1
0.40
0.34
0.34
0.34
0.28
0.26
0.18
0.25
0.37
0.52
0.67
0.96
A2
0.35
0.32
0.36
0.29
0.26
0.27
0.12
0.27
0.34
0.63
0.72
1.00
B1
0.36
0.28
0.32
0.26
0.26
0.26
0.19
0.37
0.45
0.59
1.21
1.60
B2
0.30
0.28
0.31
0.26
0.27
0.26
0.37
0.50
0.90
1.12
1.30
1.56
C1
0.40
0.35
0.30
0.31
0.27
0.26
0.27
0.42
0.76
1.04
1.35
1.60
C2
0.39
0.36
0.36
0.34
0.29
0.27
0.25
0.31
0.72
1.00
1.14
1.59
D1
0.38
0.33
0.34
0.29
0.29
0.26
0.27
0.34
0.80
0.98
1.18
1.85
D2
0.39
0.41
0.38
0.38
0.29
0.27
0.21
0.35
0.59
1.04
1.16
1.86
E1
0.38
0.35
0.36
0.30
0.27
0.26
0.15
0.42
0.75
0.96
1.09
1.85
E2
0.40
0.32
0.32
0.29
0.27
0.26
0.22
0.40
0.69
1.06
1.60
1.83

2.2 剪切强度
表3 剪切强度试验结果
试样

项目
A1
A2
B1
B2
C1
C2
D1
D2
E1
E2
剪切强度(N/cm2)
360.5
393
413.5
562
401
369
360.5
416.5
396
356.5

2.3 硬度
表4 硬度试验结果
试样

项目
A1
A2
B1
B2
C1
C2
D1
D2
E1
E2
硬度（HRS）
72
88
79
86
78
80
72
76
70
80

3 讨论与分析
3.1 掺粉煤灰对摩擦材料摩擦系数的影响
从现代摩擦理论来说，摩擦分为内摩擦和外摩擦两大类，外摩擦又分为静、动摩擦两类，动摩擦又分为滑动摩擦和滚动摩擦。滑动摩擦可根据摩擦面间存在润滑剂的情况分为干摩擦、边界摩擦（边界润滑）、混合摩擦（混合润滑）及流体摩擦（流体润滑）。干摩擦理论分机械啮合、粘着、分子机械能量理论。机械啮合理论认为，两个粗糙表面接触时，接触点互相啮合、摩擦力间的阻力总和，故表面越粗糙，摩擦力越大。粘着理论认为，在荷载作用下，摩擦副只是部分封顶接触，单位接触面上的压力完全达到材料屈服极限产生塑性流动。汽车用制动器和离合器摩擦副多数处于干摩擦状态，摩擦材料与对偶之间接触产生的摩擦力由“粘着”阻力和机械变形阻力组成。在外力作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑性变形，吸附在摩擦表面上的污染膜，有可能因高压在变形过程中受到破坏、剥落或被挤出，造成基体间的直接接触而产生“粘着”。吸附理论认为：任一固体表面状态的能量，都是处于不稳定的状态，当两个物体接触时，就是发生分子间吸力或斥力的条件，其大小取决于物体之间的距离及其表面的性质。[5-6]
从表2和图1-4可看出与对照组A1相比，掺不同粒径未改性粉煤灰的试样摩擦系数都明显变小；掺小粒径改性粉煤灰的试样摩擦系数明显变大，反之掺大粒径改性粉煤灰的试样变小；掺量大的改性粉煤灰试样摩擦系数明显变大，反之掺量少的改性粉煤灰试样明显变小；掺矿渣、浮石的试样摩擦系数明显减小，但在2000C时掺矿渣试样的摩擦系数稍有增加。通过对试验结果的比较,可以看出掺量大的小粒径改性粉煤灰的试样，由于用偶联剂改性，增强了粉煤灰与酚醛树脂界面粘接，增大了摩擦系数。一般而言,使用磨料可以提高摩擦材料在高温时的摩擦性能。因此,为了稳定摩擦系数通过增加磨料(碳化硅) 的配比可以适当提高高温摩擦系数,但也会增加磨损。本研究中粒径小、掺量大的改性粉煤灰起到了类似增加磨料的作用。在低、高温时主要以粘着理论摩擦为主，即在荷载作用下摩擦材料与对偶之间接触产生的摩擦力由“粘着”阻力和机械变形阻力组成。在外力作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑性变形，造成基体间的直接接触而产生“粘着”。

图1 不同粒径的粉煤灰对摩擦材料摩擦系数的影响

图2 不同粒径的改性粉煤灰对摩擦材料摩擦系数的影响

图3不同掺量粉煤灰对摩擦材料摩擦系数的影响

图4不同填料对摩擦材料摩擦系数的影响

3.2掺粉煤灰对摩擦材料磨损率的影响
对于制动摩擦来说，摩擦与磨损是摩擦过程中既相关又矛盾的两个方面，摩擦系数越高，其所产生的剪切阻力越大，因而摩擦材料越易破坏，产生的磨损就越大，材料的使用寿命越短。而在生产中所需要的是有一定的摩擦阻力而又致引起过大磨损的摩擦材料。制动副主要有三种磨损形式：粘着磨损、磨料磨损和热疲劳磨损。粘着磨损：在高温、高压下，由于接触的均匀性和分散性不好，接触点形成局部粘着点。当粘着点受剪切所产生的摩擦阻力大于表面膜与基体材料本身的流动极限时，在法向和切向力的联合作用下，表面膜将破裂。摩擦面的表面材料粘到另一面上产生材料的转移，一般是较软材料移到较硬材料表面上。摩擦副粘着磨损与衬片的硬度成反比，与衬片中金属物质的含量、载荷成正比。磨料磨损：对于摩擦材料，摩擦初期由于表面粗糙及表面温度不高，硬质点在切向力的作用下将材料表层划伤，对有机摩擦衬片的材质，其磨粒呈卷曲状。热疲劳磨损：在制动过程中，每经一个接触斑点就是一变形波。由于循环热应力的作用，表面或表层将产生裂纹，裂纹扩展至小块磨粒而剥落。对于有机摩擦衬片，在填料—粘合剂或填料—填料界面间总存在一些粘合强度的薄弱点而成为裂纹的根源。[7-9]
从表2和图5-8可看出与对照组A1相比，所有的试件都增加了磨损率，说明掺粉煤灰和其它矿物填料的改性方法仍有待进一步提高。通过对比试验,可以看出对于未改性粉煤灰试样，粒径变小的试件反而增加了磨损率；对于改性粉煤灰的试样，减小粒径、增大掺量将减少磨损率。掺浮石的试样比掺矿渣的试样磨损率大，尤其是在高温段。改性粉煤灰试样在减小粒径、增大掺量的条件下磨损率减少的原因，可能是由于增大掺量、减小颗粒粒径后将使摩擦材料内部变得更加密实，另一方面掺铝酸脂偶联剂后增加了粉煤灰与酚醛树脂的界面粘接强度使得摩擦材料磨损率变小和不易破坏。由图6和图7可看出，大掺量小粒径的改性粉煤灰在高温段的磨损率更大。有的研究人员认为[5]，有机摩擦衬片在低温时以磨粒磨损为主，即摩擦初期由于表面粗糙及表面温度不高，硬质点在切向力的作用下将材料表层划伤。高温时以粘着磨损和热疲劳磨损为主，即在高温、高压下，由于接触的均匀性和分散性不好，接触点形成局部粘着点。当粘着点受剪切所产生的摩擦阻力大于表面膜与基体材料本身的流动极限时，表面膜将破裂；并在制动过程中，由于热疲劳作用，表面或表层裂纹扩展至小块磨粒而剥落，界面成为裂纹的根源。由此可见，改性粉煤灰试件高温段的磨损机理是粘着磨损和热疲劳磨损机理。作者认为还有一个原因也应考虑，即由于掺加粉煤灰后颗粒硬度提高较大，加上在高温时树脂软化，基相和界面相弹性模量降低，造成了硬颗粒粉煤灰与软化的树脂弹性模量（刚度）不兼容，引起额外的应力集中问题，使得改性粉煤灰试件在高温时的磨损增加。掺加改性粉煤灰颗粒在摩擦材料中其作用类似于掺加磨料，即掺加碳化硅磨料会提高摩擦系数,同时也会增加磨损。

图5 不同粒径的粉煤灰对摩擦材料磨损率的影响

图6 不同粒径的改性粉煤灰对摩擦材料磨损率的影响

图7 不同掺量粉煤灰对摩擦材料磨损率的影响

图8 不同填料对摩擦材料磨损率的影响

3.1 掺粉煤灰对摩擦材料剪切强度和硬度的影响
从表3-4和图9-10可见，掺加未改性和改性后的粉煤灰试件的剪切强度和硬度值均接近或大于掺加粉煤灰试件对照组的值；仅试件B2的剪切强度值明显高于其它试件，原因可能是试验过程中操作失误造成的。掺矿渣试件的剪切强度值比掺浮石的剪切强度大，但掺浮石试件的硬度高于掺矿渣的硬度值。一般而言，增摩材料是摩擦调节剂的主要部分，低温增摩填料宜采用硬度小的，高温增摩填料宜采用硬度大的填料[2]。但在本研究中，发现掺粉煤灰后制品的硬度增大，但制品在低温段摩擦系数上升较大，在高温段摩擦系数反而上升不大，故我们的试验结果与原有一般理论预期不一致。欲解决由于硬度相差大产生的应力集中缺陷问题，可补充硬度小的填料来改进原有配方。另外，增摩材料的硬度高，其制品的剪切强度也高；这就可以解释为什么掺粉煤灰后制品剪切强度增大的现象。

图9 不同摩擦材料剪切强度的对比

图10 不同摩擦材料硬度的对比
3 结论
与未掺粉煤灰的对照组A1相比，掺不同粒径未改性粉煤灰的试样摩擦系数都明显变小；但掺小粒径、大掺量的改性粉煤灰试样摩擦系数（但在0.4以下）明显变大；掺浮石、掺矿渣试样的摩擦系数明显变小，但仅在2000C时掺矿渣试样的摩擦系数稍有增加。与对照组A1相比，掺矿物填料的所有试件磨损率明显增加；对于未改性粉煤灰试样，粒径变小的试件磨损率明显增加；对于改性粉煤灰的试样，减小粒径、增大掺量将有利于减少磨损率。掺浮石的试样比掺矿渣的试样磨损率大，尤其是在高温段。总之，本试验中发现掺量较大、粒径小的改性粉煤灰作用类似于掺加磨料，摩擦系数变大且低温段增加明显，磨损率较高且高温段增加更明显，故建议采用复合矿粉来调整粉煤灰和树脂以便符合材料的硬度指标或弹性性能。
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