摩擦材料 本发明涉及特别适用作车闸材料的摩擦材料。
这种类型的摩擦材料包含纤维材料、填料和粘合剂。尽管石棉长期以来大量用作纤维材料，但最近已在寻求使用不同材料以改善相关工作人员的环境，以及防止由石棉引起的环境污染。
陶瓷纤维、金属纤维和有机纤维已知为取代石棉的纤维材料。已知的陶瓷纤维包括玻璃纤维、氧化铝纤维、矿物纤维和钛酸钾纤维。已知的金属纤维包括不锈钢纤维、铜纤维和黄铜纤维。已知的有机纤维包括芳族聚酰胺纤维。
迄今氧化铝-二氧化硅和/或钛酸钾纤维已用作陶瓷纤维。氧化铝-二氧化硅的硬度高，但钛酸钾的硬度低。氧化铝-二氧化硅的摩擦系数(μ)高，当钛酸钾的摩擦系数不很高。由于钛酸钾可有效地防止车闸的吱吱声，所以有时使用它们的混合物。然而，为了获得具有高摩擦系数的混合物而增加氧化铝-二氧化硅的比例使得材料因氧化铝-二氧化硅的硬度而易于损坏闸片。
研究取代氧化铝-二氧化硅的陶瓷材料后，我们(本发明的发明人)发现，硼酸铝(9Al2O3·2B2O3)纤维可用作氧化铝-二氧化硅的代用品。
图2图示了我们发现的在氧化铝-二氧化硅和硼酸铝纤维混合物中硼酸铝的比例与其平均摩擦系数(μ)之间存在的关系。从中可清楚地看出，μ的值从含有2％(体积)硼酸铝的混合物开始显示出急剧的上升，并随着硼酸铝比例的增加继续显示增加地总倾向，但如果硼酸铝的比例超过20％(体积)，就不再获得更好的结果。
由于也需要含有低硬度的钛酸钾以防止车闸的吱吱声，因此按照本发明，纤维材料含有不多于20％(体积)的硼酸铝纤维。
我们也发现，硼酸铝纤维在高温下(300℃)耐磨性非常低，如图1中的比较实施例1所示。因此我们制造了含有4％(体积)硼酸铝纤维、12％(体积)钛酸钾和总共15％(体积)的BaSO4和CaCO3的垫片(如图3所示)，并比较了它们在高温下的耐磨性。
结果我们发现，加入至少5％(体积)BaSO4能使得高温下垫片的磨耗降低，如果其比例超过20％(体积)，易于产生讨厌的车闸吱吱声。
因此，本发明在于含有纤维材料、填料和酚醛树脂的摩擦材料，其中纤维材料含有2-20％(体积)的硼酸铝纤维，而填料含有5-20％(体积)的硫酸钡。
由于使用适量的硼酸铝纤维，可以生产具有令人满意的高摩擦系数的材料。
适量硫酸钡的加入使得摩擦垫片在高温下具有令人满意的高耐磨性，而引起的闸片磨耗不比任何常规材料制成的垫片更严重。
因此，本发明材料的摩擦系数高，同时也具有不引起任何讨厌的闸片磨耗的性能，也具有令人满意的高水平的抗褪色性和热导率。
作为本发明摩擦材料的陶瓷纤维取代氧化铝-二氧化硅，特别适用作车闸的材料。它也可以用于包括用作离合器面饰材料和用作车闸和工业设备中离合器的材料在内的其它用途。
图1图示了在300℃时垫片(包括由含有BaSO4的材料生成的垫片)的磨耗与BaSO4比例的关系；
图2图示了氧化铝-二氧化硅和硼酸铝纤维混合物的平均摩擦系数(μ)与硼酸铝纤维比例的关系。
现在通过只是具体表达本发明的实施例和比较实施例，进一步详细地描述本发明。
实施例1-4和比较实施例1-4
(1)实验样品的制备：
(1-1)组分
由表1所示的组分制备样品。首先解释这些组分推荐的比例。
使用2-20％(体积)的芳族聚酰胺纤维(诸如对位型类纸浆纤维)以制造耐用性提高、不易于损坏转子的材料。如果它们的比例低于2％(体积)，则获得的组合物难于进行塑坯预塑，而如果其比例超过20％(体积)，则获得的材料在高温下的摩擦系数太低。
使用5-30％(体积)的陶瓷纤维(诸如钛酸钾、氧化铝-二氧化硅或硼酸铝纤维之类)以制造摩擦系数提高的材料。如果它们的比例低于5％(体积)，则几乎不能获得的摩擦系数令人满意地提高的材料，而如果其比例超过30％(体积)，则获得的材料讨厌地易于损坏闸片。
使用2-10％(体积)铜纤维以制造防止车闸的吱吱声并在高温下强度提高的材料。如果它们的比例低于2％(体积)，则可以预期几乎不能产生任何实际结果，而如果其比例超过10％(体积)，则获得的材料讨厌地易于粘附到转子上。
后面将提出硼酸铝和氧化铝-二氧化硅纤维的比例。
使用3-20％(体积)的有机填料(诸如腰果、蜜胺树脂或酚醛树脂粉之类)以制造在低接触压力下具有稳定摩擦系数的材料。如果其比例低于3％(体积)，则它的加入没有用处，而如果其比例超过20％(体积)，则获得的材料在高温下的摩擦系数太低。
使用5-20％(体积)的石墨作为固体润滑剂。如果其比例低于5％(体积)，则它加入的用处很小，而如果其比例超过20％(体积)，则获得的材料的摩擦系数太低。
使用5-20％(体积)的无机填料(诸如二硫化钼、硫化锌、硫化铅或三硫化锑等)作为油性润滑剂。如果其比例低于5％(体积)，则它加入的用处很小，而如果其比例超过20％(体积)，则获得的材料的摩擦系数太低。
使用不超过20％(体积)的BaSO4(硫酸钡)或CaCO3(碳酸钙)或它们的混合物作为填料。如果其比例超过20％(体积)，则产生更严重的车闸吱吱声。
使用2-10％(体积)的金属粉(诸如铜粉、铜-锌或铜-锡合金粉末或铁粉等)以制造能够防止车闸吱吱声并在高温下具有令人满意的高摩擦系数的材料。如果其比例低于2％(体积)，则它加入的用处很小，而如果其比例超过10％(体积)，则导致闸片的磨耗增加。
使用8-20％(体积)的酚醛树脂作为粘合剂。如果其比例低于8％(体积)，则它只产生很低的粘合作用，而如果其比例超过20％(体积)，则获得的材料在高温下的摩擦系数太低。
表1
(体积％)
比较 实施例 比较实施例
实施例
1 1 2 3 4 2 3 4
芳族聚酰胺纤维 4 4 4 4 4 4 4 4
陶瓷纤维 12 12 12 12 12 12 12 12纤维 铜纤维 3 3 3 3 3 3 3 3材料 硼酸铝纤维 4 4 4 4 4 - - -
氧化铝-二氧化硅 - - - - - 4 4 4
纤维
有机填料 18 18 18 18 18 18 18 18
石墨 10 10 10 10 10 10 10 10
无机填料 14 14 14 14 14 14 14 14
BaSO4 - 5 10 12 15 - 5 15
CaCO3 15 10 5 3 - 15 10 -
金属粉 3 3 3 3 3 3 3 3粘合剂 酚醛树脂 17 17 17 17 17 17 17 17
合计 100 100 100 100 100 100 100 100
由以下组分制备样品，这些组分含有4％(体积)芳族聚酰胺纤维、12％(体积)钛酸钾纤维、3％(体积)铜纤维、18％(体积)有机填料、10％(体积)石墨、14％(体积)无机填料、3％(体积)金属粉和17％(体积)酚醛树脂作为一般组分，还含有总共19％(体积)的各实施例相互不同的其它组分，如表1和下面所示：
比较实施例1-4％(体积)硼酸铝纤维和15％(体积)CaCO3；
实施例1-4％(体积)硼酸铝纤维和5％(体积)BaSO4和10％(体积)CaCO3；
实施例2-4％(体积)硼酸铝纤维和10％(体积)BaSO4和5％(体积)CaCO3；
实施例3-4％(体积)硼酸铝纤维和12％(体积)BaSO4和3％(体积)CaCO3；
实施例4-4％(体积)硼酸铝纤维和15％(体积)BaSO4；
比较实施例2-4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维和15％(体积)CaCO3；
比较实施例3-4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维和5％(体积)BaSO4和10％(体积)CaCO3；
比较实施例4-4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维和15％(体积)BaSO4。
如上所示，在比较实施例2-4中，使用氧化铝-二氧化硅纤维代替硼酸铝纤维。这两种类型纤维的细节示于下面表2中。
表2纤维 硼酸铝 氧化铝-二氧化硅化学分子式 9Al2O3·2B2O3 Al2O3·SiO2商标名 Shikoku Kasel的 Toshiba Monoflux的
ALBOREX RFC400-SL平均纤维直径 0.5-1.0μm 2-4μm平均纤维长度 10-30um 300-500μm
比较实施例2的余量为4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维和15％(体积)CaCO3。比较实施例3的余量为4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维、5％(体积)BaSO4和10％(体积)CaCO3。比较实施例4的余量为4％(体积)氧化铝-二氧化硅纤维和15％(体积)BaSO4。
(1-2)塑坯预塑：
每个以上所示的组分的组合物用已知的混合器均匀地混合，它们的混合物在常温下在模塑机中用100kg/cm2的压力进行10秒的塑坯预塑，以制造塑坯。
(1-3)模塑：
在模塑温度为160℃、应用压力为250kg/cm2的模塑机中，在热和压力下模塑15秒。
(1-4)加热处理：
将模塑的产物放入温度为200℃的加热炉中进行8小时的热处理，然后让其冷却。
(1-5)研磨：
研磨热处理的产物以产生摩擦材料。
(2)摩擦试验：
在摩擦材料上进行根据JASO的C-406的一般效力试验，获得其效力第1-4数值的平均数作为它的“平均摩擦系数(μ)”。结果示于下面的表3中。
表3
比较 实施例 比较实施例
实施例
1 1 2 3 4 2 3 4主要 硼酸铝 4 4 4 4 4 - - -组分 氧化铝-二氧化硅 - - - - - 4 4 4(体积％) BaSO4 - 5 10 12 15 - 5 15
CaCO3 15 10 5 3 - 15 10 -
平均μ 0.439 0.444 0.443 0.443 0.444 0.401 0.402 0.398垫片的 100℃ 0.17 0.20 0.18 0.16 0.20 0.17 0.15 0.20磨耗 200℃ 0.63 0.61 0.64 0.59 0.64 0.61 0.63 0.62(mm) 300℃ 1.43 0.90 0.80 0.78 0.75 0.98 0.96 0.97圆盘的 100℃ 2 5 3 6 7 5 4 5磨耗 200℃ 14 13 12 14 13 13 14 14(mm) 300℃ 20 19 19 20 20 20 19 20
如表3所示，具体表达本发明的实施例1-4产物的平均系数(μ)为0.443或0.444，而比较实施例1的平均系数为0.439。另一方面，比较实施例2-4的平均系数(μ)为0.398-0.402，比具体表达本发明的任何产物的低大约10％。这些结果证实，含有硼酸铝纤维的摩擦材料(实施例1-4和比较实施例1)的摩擦系数高于含有氧化铝-二氧化硅纤维的摩擦材料(比较实施例2-4)。任何这种材料的平均摩擦系数也被认为取决于它含有的硼酸铝的量，但这点将在后面讨论。
(3)垫片和圆盘的磨耗试验：
根据JASO的C-427-83的磨耗试验在100℃、200℃和300℃的不同温度下在垫片和圆盘上进行，以测定材料1000次制动引起的磨耗。垫片由按照上述制成的摩擦材料制成，而圆盘由FC250制成。试验结果示于表3中。
在300℃测定的圆盘的磨耗为19mm或20mm，实施例之间的差异不明显。另一方面，由比较实施例1和实施例1-4材料形成的垫片在300℃显示实际磨耗差异，其范围为0.75-1.43，而由比较实施例2-4的材料形成垫片在300℃显示几乎相等的磨耗，为0.96-0.98。
参考图1，图1是通过沿纵坐标的垫片在300℃的磨耗(mm)(如表3所示)对沿横坐标的BaSO4的比例(体积％)绘图得到的。由比较实施例1材料形成的垫片比那些由比较实施例2-4形成的垫片差，显示到目前为止较大量的磨耗。由实施例1-4材料形成的、含有至少5％(体积)BaSO4的垫片比那些由比较实施例2-4材料形成的垫片好，显示令人满意的较小量的磨耗。
我们也发现，含有高于20％(体积)BaSO4的材料很少能够停止车闸的吱吱声。因此，本发明的材料含有5-20％(体积)的BaSO4。
实施例5-9和比较实施例5
现在讨论硼酸铝纤维推荐的比例。表4显示了一组实施例，其组分只在硼酸铝和氧化铝-二氧化硅纤维的含量上相互不同。
表4
(体积％)
比较实施例 实施例
5 5 6 7 8 9
芳族聚酰胺纤维 6 6 6 6 6 6纤维 铜纤维 3 3 3 3 3 3材料 硼酸铝纤维 - 2 4 9 14 18
氧化铝-二氧化硅 23 21 19 14 9 5
纤维
有机填料 8 8 8 8 8 8摩擦 石墨 10 10 10 10 10 10控制剂 无机填料 9 9 9 9 9 9
BaSO4 18 18 18 18 18 18
金属粉 5 5 5 5 5 5粘合剂 酚醛树脂 18 18 18 18 18 18
合计 100 100 100 100 100 100
图2是通过每个材料中硼酸铝纤维的比例和材料的平均摩擦系数(μ)进行绘图获得的。由图2可清楚地看出，与不含任何硼酸铝纤维的比较实施例5材料相比，含有2％(体积)硼酸铝纤维的实施例5材料的μ值没有显示出很大的增加，但实施例6-8显示出μ值急剧的增加。因此，我们总结出，含有低于2％(体积)硼酸铝纤维的材料不具有令人满意的高摩擦系数。我们也发现，含有高于20％(体积)硼酸铝纤维的任何材料从由实施例8材料(含有14％(体积)硼酸铝纤维)获得的摩擦系数峰值逐渐降低后，表现出摩擦系数的急剧降低。因此，本发明的材料含有2-20％(体积)硼酸铝纤维。