KH-550改性钢纤维对半金属摩擦材料摩擦学性能的影响

李国庆;曹阳;周元康;聂华伟;朱文祥

【摘 要】In order to make the better integration of steel fiber with the matrix resin in the semi-metallic friction materials and further improve its friction and wear performance, the surface of steel fiber was modified by silane coupling agent, the modification effect of different methods was assessed by WGH-30/6 infrared spectrophotometer. The friction and wear performance of the semimetal friction materials prepared by KH-550 modified steel fiber was tested in a XD-MSM constant speed friction testing machine according to the GB5763-98 standard,the wear mechanism was analyzed. The results show that the semimetal friction materials prepared by KH-550 modified steel fiber have stable friction coefficient, the average friction coefficient is increased by 10% ,the average wear rate is decreased by 30% , especially in high temperature of 350 ℃,the wear rate is decreased by 47%.%为使半金属摩擦材料中的钢纤维组分能与基体树脂更好地融合,使用硅烷偶联剂对钢纤维组分进行表面改性,用WGH-30/6红外分光仪研究不同改性方法的改性效果,按照GB5763-98在XD-MSM定速式摩擦试验机上考察不同改性钢纤维制备的半金属摩擦材料的摩擦磨损性能,并分析摩擦磨损机制.结果表明:半金属摩擦材料中的钢纤维经过硅烷偶联剂KH-550表面改性处理后,平均摩擦因数上升10％且比较稳定,平均磨损率下降30％,在高温350℃时,磨损率下降了约47％. 【期刊名称】《润滑与密封》

【年(卷),期】2011(036)009 【总页数】5页(P63-67)

【关键词】硅烷偶联剂;钢纤维;表面改性;摩擦因数;磨损率 【作 者】李国庆;曹阳;周元康;聂华伟;朱文祥

【作者单位】贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550003 【正文语种】中 文

【中图分类】O313.5;TH117.1

摩擦材料是以矿物为主的无机材料与有机材料复合而成，以高聚物 (橡胶与树脂)为黏结剂、有机和无机纤维为增强材料，矿物粉体和有机粉体为填料，经过复合、加工而制成的功能材料［1］。半金属摩擦材料的组分中金属成分占到30%～40%。钢纤维因其具有优良的力学性能，如高韧性、强耐磨性、良好的导热性和耐热性，在半金属摩擦材料中作为增强组分得到广泛应用。增强材料的主要作用是改善复合材料的强度和韧性，使材料能承受冲击、剪切、拉伸等机械力的作用而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤［2］。由于钢纤维是金属组分，与高分子的基体树脂性质差异很大，因此与碳氢链高分子物质 (黏结剂)相容性不理想、结合力不强，导致当钢纤维组分含量较高时磨损率大大增加，摩擦因数和抗热衰退能力都不稳定。由于半金属摩擦材料中钢纤维占24%以上，它与黏结树脂的结合状况直接影响其摩擦磨损性能。陈东［3］、邹军等人［4］均做过一些钢纤维对半金属摩擦材料

摩擦学性能影响的相关研究。

硅烷偶联剂是一种有机－无机杂化的双官能团化合物，与亲水的钢表面和疏水的黏结剂都会发生化学吸附或化学反应，形成比较牢固而耐久的分子键或化学键，在黏结剂和金属组分 (被黏物)之间起着化学桥的作用［5］。

本研究作者用硅烷偶联剂KH-550对钢纤维做表面改性处理，在钢纤维表面形成疏水表面提高其与基体树脂的结合能力，从而改善半金属摩擦材料的摩擦学性能。 1 试验部分 1.1 材料和仪器 1.1.1 原材料

(1)表面改性用试剂:硅烷偶联剂KH-550(上海耀华化工厂生产);乙醇 (市购);醋酸，分析纯;

(2)摩擦材料组分:酚醛树脂 (PF-6530A)、钢纤维、铜纤维、石墨、泡沫铁粉、非石棉复合纤维、云母、氧化铝粉、硅灰石、重晶石粉、钾长石等。 1.1.2 主要设备仪器

(1)摩擦试样制备设备:Y71-170T摩擦材料热压机，DHG-9035A型电热恒温鼓风干燥箱，XS-HD热处理烘箱等。

(2)测试与检测设备:XD-MSM定速式摩擦试验机，EPMA-1600电子探针，WGH-30/6型双光束红外分光光度计等。 1.2 钢纤维的表面改性处理

称取一定质量的硅烷偶联剂KH-550与乙醇均匀混合，配置成质量分数为5%的KH-550溶液，用醋酸调整溶液的pH值为3.5，同时不断搅拌溶液约30 min，使KH-550充分水解。然后将适量的钢纤维(与KH-550溶液的体积比不超过1∶3)放入配置的KH-550溶液中，不断搅拌，进行水浴加热至70℃左右停止，保持恒温30 min左右，滤掉液体将钢纤维在干燥箱中保持80℃脱水2 h，即得到经过硅烷

偶联剂KH-550改性处理的钢纤维。 1.3 摩擦试样的制备

按表1给出的半金属摩擦材料配方称取各组分，进行混合，分别使用未经过和经过表面改性处理的钢纤维参与混合，得到A、B两组混合料，将混合料在干燥箱中的80℃恒温下干燥30 min。将干燥后的混料在Y71-170T热压机上进行加热加压固化成型，再在加热箱中进行热处理获得半金属摩擦材料，热压成型及热处理工艺参数如表2所示。将热处理后的半金属摩擦材料进行切割打磨，制成25 mm×25 mm，厚度5～7 mm的A、B 2种试样，其中A试样为采用未经过表面改性处理的钢纤维增加的半金属摩擦材料，B试样为采用经过表面改性处理的钢纤维增加的半金属摩擦材料。

表1 摩擦材料的基本配方 (质量分数)Table 1 Basic formulations of friction material %类别 名称 比例黏结相 酚醛树脂 (PF-6530A)18增强相钢纤维 24铜纤维 3其他 10调节相泡沫铁粉 7石墨 8其他 6其他 各种填料 余量

表2 热压成型及热处理工艺参数Table 2 Hot pressing molding and heat treatment process parameters工艺参数 温度θ/℃ 时间t/min 压力p /MPa热压工艺170 12～15 6.5热处理120 60 —140 60 —170 240— 1.4 检测测试与性能试验 1.4.1 钢纤维改性的红外光谱检测

首先用水杨醛－乙醇溶液对KH-550改性的钢纤维进行萃取，使物理吸附于表面的改性剂充分溶解除去，再采用WGH-30/6型双光束红外分光光度计分别对硅烷偶联剂KH-550、未改性钢纤维、改性钢纤维进行红外光谱检测。 1.4.2 摩擦学性能试验

按照GB5763-1998《汽车用制动器衬片》在XDMSM定速式摩擦试验机上进行摩擦磨损试验。转速为500 r/min，压力为0.98 MPa，分别以50℃为间隔，从

100℃加热到350℃，每隔50℃运转5 000转，记录运转中的摩擦因数和运转后的磨损率。 2 结果与讨论

2.1 钢纤维表面改性的结果

红外吸收光谱检测结果情况如图1～3所示。

图1 KH-550的红外吸收光谱Fig 1 Infrared adsorption spectrum of KH-550

对比图2，3可以看出，在经过硅烷偶联剂KH-550改性处理的钢纤维的红外吸收光谱图3上，出现了834、783 cm－12个新的吸收峰，且恰与图1所示的硅烷偶联剂KH-550出现的吸收峰波数相吻合。这说明在钢纤维表面具有硅烷偶联剂KH-550的特征基团。由于改性的钢纤维经过了化学萃取，排除了偶联剂与钢纤维之间的物理吸附关系，故图3中新产生的吸收峰是改性偶联剂与钢纤维发生了化学吸附或化学键的结合，可以在较高温度下保持键合的势态。 2.2 摩擦材料的摩擦性能

A、B试样的摩擦因数和磨损率如表3，4所示。从表3可看出，A试样摩擦因数维持在0.29～0.35之间，B试样在0.32～0.39之间，与表5所示的国家标准比较均满足要求，且波动较小在±0.035之内。从表4可看出，A、B试样的磨损率随温度上升而增大，B试样在高温阶段磨损率上升较平缓，A试样在350℃时磨损率增加较大。但与表5所示的国家标准对照，二者的磨损率均大大优于国家标准。 表3 升温时各温度段摩擦因数Table 3 Friction coefficient in each temperature period when temperature rises试样100℃150℃200℃ 250℃ 300℃ 350℃ 平均值A 0.34 0.29 0.33 0.34 0.35 0.30 0.33 B 0.32 0.37 0.34 0.39 0.38 0.36 0.36

表4 升温时各温度段磨损率Table 4 Wear rate in each temperature period

when temperature rises 10 －7cm3·N－1·m －1试样100℃150℃200℃ 250℃ 300℃ 350℃ 平均值A 0.42 0.36 0.92 1.14 1.36 2.11 1.05 B 0.12 0.57 0.65 0.91 1.00 1.11 0.72

表5 盘式制动器用衬片摩擦性能国家标准 (GB5763-98)Table 5 National standard of friction performance of disc brake lining5～0.70 0.20～0.70允许偏差Δμ ±0.08 ±0.10 ±0.12 ±0.12 ±0.14 ±0.14磨损率 V/(×10－7cm3·N－1·m－1)≤100℃ 150℃ 200℃ 250℃ 300℃ 350℃摩擦因数μ 0.25～0.65 0.25～0.70 0.25～0.70 0.25～0.70 0.2项目0.50 0.70 1.00 1.50 2.50 3.50 2.3 减摩机制分析

从图4可以看出，经过硅烷偶联剂KH-550改性处理的钢纤维半金属摩擦材料B试样在各温度段的摩擦因数均比未处理的A试样有所提高。特别是在高温250℃以后，B试样的摩擦因数要比A试样的稳定，这是因为B组中的钢纤维经过硅烷偶联剂KH-550改性处理后，使原本钢纤维的亲水表面变成疏水表面，提高了与基体树脂的结合能力，包括钢纤维硬相与基体树脂之间，其他硬相与钢纤维之间的树脂黏接强度得到提高，使B试样在摩擦运行中硬相组分作用明显，一方面提高了试样表层的抗剪切强度τb，使材料表层剪切抗力增加，另一方面弱化了软相组分和高温下有机组分分解物的减摩作用，由于偶联剂与钢纤维间是耐高温的键合作用，使树脂在高温条件下与钢纤维结合力得到加强，故在高温条件下能够使摩擦因数稳定并维持较高的数值。

图4 不同试样在各温度下的摩擦因数Fig 4 Friction coefficient of different samples in each temperature

从图5所示的摩擦后试样表面形貌分析来看，B试样表面有比较明显的受挤压形成的宽而浅的摩擦沟痕，说明摩擦主要为黏着效应在起作用，且起犁沟作用对偶件的粗糙峰顶角θ很大。一般认为，摩擦力由对偶件对试样的剪切力和犁沟力构成，

当顶角θ较大时可以忽略犁沟力的影响［6］，主要是黏着效应的剪切抗力起作用，当相对较软的摩擦材料抗剪强度τb变大时摩擦力以及摩擦因数也增大。反之A试样由于黏接强度较弱，钢纤维等硬相组分在摩擦和热作用下较多地脱离基体，试样较弱的抗剪强度，导致剪切抗力下降，而脱落的硬相颗粒在摩擦面上的滚动效应也使切向阻力变小，导致摩擦因数小于B试样。

图5 试样磨损后的表面SEM形貌Fig 5 SEM morphologies of wom surface of samples(a)A sample(b)B sample 2.4 抗磨机制分析

从图6中可以看出，在低于200℃时，A、B 2组试样的磨损率差别不大，这是因为黏接树脂在较低温度下与各组分之间无论是吸附还是化学键结合均具有一定的结合强度，低温下的摩擦黏着较轻微同时磨屑的脱落量不大，此时的黏着磨损和磨粒磨损均处在较低的水平，磨损量的差异较小。但是在超过200℃以后，未经表面改性处理的A试样磨损率上升较快，B试样相对较慢。这是因为，一方面未经表面改性处理的A组试样在试验中温度达到200℃以上，钢纤维与基体树脂之间的物理吸附出现脱吸、分离，凸显结合能力较差的缺陷。在摩擦切向力作用下出现钢纤维的不断剥落，从而加大了试样的磨损。B组试样中的钢纤维经过硅烷偶联剂KH-550的表面改性处理后发生了化学变化。钢纤维在空气中氧化、水解表面形成含结晶水—OH羟基Fe或氢氧化铁与硅烷偶联剂水解后的硅醇发生下列反应:

其中Y—是含氮的官能团，R—是碳氢官能团。从该式可以看出硅烷偶联剂KH-550与羟基铁反应一端生成硅氧铁，另一端是含氮Y和含碳R的有机基团，可与高分子树脂进行键合，偶联剂成了有机无机物连接的分子桥。由于这种化学键桥作用极其牢固，在高温下也不易破坏。故高温条件下钢纤维与基体树脂的结合能力仍然很强，钢纤维从试样基体上脱落，转移形成磨屑的概率大大下降，减小了磨损。

从图5中可以看出，A试样在摩擦磨损试验后，表面出现较多的磨屑脱落形成的条形坑，这是钢纤维脱落转移后留下的，故磨损较大，而B试样白色的钢纤维发生严重变形但仍未发生脱落，说明钢纤维与基体的结合在高温下仍十分牢固，因此磨损大大降低。

图6 不同试样在各温度下的磨损率Fig 6 Wear rate of different samples in each temperature 2.5 热衰退分析

通过图4和图6可以看出，在300℃以上，A试样的摩擦因数减小和磨损率增加的幅度较大，似有衰减的迹象，但并不明显。B组试样的摩擦因数减小和磨损率增大无突变，即未出现明显的热衰减现象，抗衰减能力有所提高。 3 结论

半金属摩擦材料中钢纤维经过硅烷偶联剂KH-550表面改性处理后，摩擦材料试样的摩擦因数保持较好的稳定性，平均摩擦因数提高10%，在高温350℃时，摩擦因数提高约20%;平均磨损率减小30%，在350℃时磨损率降低了约47%;主要摩擦性能指标优于国标，在350℃没有明显的热衰退发生。这表明，对半金属摩擦材料中的含量较高的钢纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性处理，摩擦学性能可以得到显著改善。 参考文献

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