石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用

1、石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用 撰稿人：撰稿人：Nicholas T. Mares 报告人：张世忠报告人：张世忠 CFMSA 培训班培训班2008.3 石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用 本报告分五部分本报告分五部分 基本的配方 在不同的配方和市场中石墨和焦炭的应用种类 石墨和焦炭在摩擦材料中的功能 石墨和焦炭材料的分类石墨和焦炭材料的分类 几种有代表性的材料在盘式片的DEA测试 半金属配方半金属配方 金属纤维金属纤维 金属粉末金属粉末 摩擦粉摩擦粉 焦碳焦碳 石墨石墨 酚醛树脂酚醛树脂 重晶石重晶石 橡胶橡胶 陶瓷配方陶瓷配方 酚醛树脂

2、酚醛树脂 芳纶芳纶 重晶石重晶石 陶瓷纤维陶瓷纤维 铜纤维铜纤维 腰果壳腰果壳 橡胶橡胶 二硫化钼二硫化钼 石墨石墨 焦碳焦碳 硫化锑硫化锑 其它的金属硫化其它的金属硫化 物物 钛酸钾钛酸钾 其它填料其它填料 NAO 配方配方 各种有机纤维各种有机纤维 摩擦粉摩擦粉 橡胶橡胶 石石 墨墨 焦碳焦碳 酚醛树脂酚醛树脂 芳纶芳纶 云母云母 金属硫化物金属硫化物 配方配方 石墨和焦炭在配套产品的应用石墨和焦炭在配套产品的应用 配套产品配套产品 半金属配方半金属配方 陶瓷配方陶瓷配方鼓式片鼓式片烧结式的烧结式的 人造石墨人造石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 85 % 65 % 70% 65 % 60

3、% 65% 20 % 15 % 20 % 50% 40 % 45 % 鳞片石墨鳞片石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 15 % 35 % 30% 35 % 40% 35% 30 % 45 % 40 % 45 % 55 % 50% 隐晶质石墨隐晶质石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 50 % 35 % 35 % 5 % 5 % 5 % 晶质线状石墨晶质线状石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 石油焦石油焦 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 90 % 95 %

4、95 % 95 % 95 % 85 % 80 % 90 % 90% 10 % 65 % 70% 冶金焦冶金焦 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 10 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 20 % 10 % 10 % 0 % 65 % 70% 碳素在售后产品的应用碳素在售后产品的应用 售后产品售后产品 半金属配方半金属配方陶瓷配方陶瓷配方鼓式片鼓式片烧结式烧结式 人造石墨人造石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 75 % 50 % 60 % 60 % 50 % 65 % 10 % 10 % 20 % 40 % 40 % 45 % 鳞片石墨鳞片石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 25 % 50

5、% 40 % 40 % 50 % 35 % 35 % 50 % 40 % 55 % 55 % 50% 隐晶质石墨隐晶质石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 55 % 40 % 35 % 5 % 5 % 5 % 晶质线状石墨晶质线状石墨 美国美国 欧盟欧盟 亚洲亚洲 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 5 % 隐晶质石墨 焦碳在摩擦配方中的作用焦碳在摩擦配方中的作用 稳定摩擦力稳定摩擦力 很高的热性能，很高的热性能， 不伤摩擦面不伤摩擦面 能提高摩擦材料内部的孔隙率从而帮助减少噪音能提高摩擦材料内部的孔隙率从而帮助减少噪音 可以延长摩擦材料的寿命

6、可以延长摩擦材料的寿命 焦碳焦碳 石油焦石油焦 沥青焦沥青焦 冶金焦冶金焦 石油焦石油焦 煅烧海绵状石油焦煅烧海绵状石油焦 煅烧针状焦煅烧针状焦 煅烧圆形焦煅烧圆形焦 粒度从粒度从3英寸到英寸到5微米不等。微米不等。 大多数石油焦，含碳量在大多数石油焦，含碳量在99%以上，但是也可以上，但是也可 以提供含碳量为以提供含碳量为96%的石油焦。的石油焦。 海绵焦形态海绵焦形态 针状焦形态针状焦形态 圆形焦形态圆形焦形态 Equal Properties in all directions 焦碳性能焦碳性能 Type 类型类型 Carbon 含碳量含碳量 Size 粒度粒度 Pd 6500 psi

7、(g/cc) 压制密度压制密度 Pd 32500 psi (g/cc) 压制密度压制密度 Expansion 6500 psi% 膨胀率膨胀率 SA (M2/g) 表面积表面积 SV (g/in3) 斯科特容积斯科特容积 Tamp. Vol. (cc/g) 振实体积振实体积 海绵状海绵状 99 20X100 1.391.7411.231.6215.060.99 海绵状海绵状 99-2001.461.7314.707.828.551.00 针状焦针状焦99 20X100 1.601.9321.130.2813.401.06 针状焦针状焦 99-2001.711.9619.960.8710.580

8、.96 圆形焦圆形焦99.5620X100 1.371.6815.92.3816.90.87 冶金焦冶金焦92.2220X1001.271.629.980.4311.031.28 冶金焦冶金焦90.78-2001.371.6113.8416.588.381.11 现在我们来看看，不同种类的现在我们来看看，不同种类的 石墨和焦炭材料在相同的粒度石墨和焦炭材料在相同的粒度 下的性能比较。下的性能比较。 产品对照产品对照20目到目到100目目 Type 类型类型 Carbon 含碳量含碳量 Pd 6500 psi (g/cc) 压制密度压制密度 Pd 32500 psi (g/cc) 压制密度压制密

9、度 Expansion 6500 psi% 膨胀率膨胀率 SA (M2/g) 表面积表面积 SV (g/in3) 斯科特容积斯科特容积 Tamp. Vol. (cc/g) 振实体积振实体积 Art Conv 针状石墨针状石墨99.871.992.2325.50.812.71.17 Mold Stk 普通石墨普通石墨99.991.542.01241.212.731.15 Graphco 石墨化焦石墨化焦99.71.752.21561.713.121.12 Amorph 隐晶质石墨隐晶质石墨80.11.832.1611.4615.8116.220.86 A Flake A 鳞片石墨鳞片石墨96 2

10、.172.296.050.689.931.39 B Flake B 鳞片石墨鳞片石墨96 2.142.307.152.007.481.51 C Flake C 鳞片石墨鳞片石墨96 2.132.287.521.407.901.50 Sri Lankan 斯里兰卡斯里兰卡93.552.202.294.831.5217.600.85 Sponge 海绵状焦海绵状焦991.391.7411.231.6215.060.99 Needle 针状焦针状焦991.601.9321.130.2813.401.06 Met 冶金焦冶金焦92.221.271.629.980.4311.031.28 Fluid C

11、oke 圆形焦圆形焦99.561.371.6815.92.3816.90.87 产品对照产品对照 -200目目 Type 类型类型 Carbon 含碳量含碳量 Pd 6500 psi (g/cc) 压制密度压制密度 Pd 32500 psi (g/cc) 压制密度压制密度 Expansion 6500 psi% 膨胀率膨胀率 SA (M2/g) 表面积表面积 SV (g/in3) 斯科特容积斯科特容积 Tamp. Vol. (cc/g) 振实体积振实体积 Art Conv 针状石墨针状石墨99.81.922.21396.55.701.57 Mold Stk 普通石墨普通石墨99.91.722.

12、1116.116.156.291.39 Graphco 石墨化焦石墨化焦99.81.822.19348.94.391.82 Amorph 隐晶质石墨隐晶质石墨83.51.812.1612.1819.896.291.32 A Flake A 鳞片石墨鳞片石墨96 2.052.267.442.795.611.65 B Flake B 鳞片石墨鳞片石墨96 2.072.2515.313.675.281.70 C Flake C 鳞片石墨鳞片石墨96 2.072.278.532.617.701.4 Sri Lankan 斯里兰卡斯里兰卡98.772.042.257.132.506.941.27 Spo

13、nge 海绵状焦海绵状焦991.461.7314.707.828.551.00 Needle 针状焦针状焦991.711.9619.960.8710.580.96 Met 冶金焦冶金焦90.781.371.6113.8416.588.381.11 灰分分析的对比 Type 类型类型 Carbon 含碳量含碳量 Ash 灰分灰分 Al2O3CaOFe2O3K2OMgOMnO2Na2OSiO2Tio2 Needle 针状石墨针状石墨 99 1%3.711.8881.580.050.090.050.0510.721.41 Isotropic普通石墨普通石墨 991%1.360.517.840.210

14、.090.010.315.3762.07 Graphco石墨化焦石墨化焦 991%8.3919.9112.271.231.270.170.7749.461.55 Vein 晶质线装石墨晶质线装石墨 973%2.82.435.670.053.560.120.1354.550.24 Amor隐晶质石墨隐晶质石墨 8416%24.147.827.852.91.850.161.0452.431.55 Flake A 鳞片石墨鳞片石墨 964%12.6119.5415.541.358.060.142.538.40.33 Flake B 鳞片石墨鳞片石墨 964%10.694.1522.381.410.6

15、90.362.945.730.37 Flake C 鳞片石墨鳞片石墨96 4%52.630.0210.20.10.310.80.0435.530.05 Sponge 海绵状焦海绵状焦 991%3.189.4426.381.211.560.162.8110.370.46 Needle Coke 针状焦针状焦 991%27.293.1725.20.73.530.262.2234.730.61 Fluid Coke 圆形焦圆形焦 991%20.121.59.811.292.810.320.8138.920.84 Met Coke冶金焦冶金焦 901%28.351.527.032.070.780.05

16、0.4657.881.48 测试数据测试数据 前面我们介绍了石墨和焦炭，接下前面我们介绍了石墨和焦炭，接下 来的幻灯片将展示它们在实际应用来的幻灯片将展示它们在实际应用 中的测试数据。中的测试数据。 回归比力矩回归比力矩 回归比力矩（简称回归比力矩（简称RST)RST)用来替代以下数据用来替代以下数据 中的摩擦系数中的摩擦系数( (简称简称COFCOF） RSTRST不等于不等于COFCOF，但是成比例关系。单位是，但是成比例关系。单位是 Nm/kPaNm/kPa，等于有效的制动转矩除以制动系，等于有效的制动转矩除以制动系 统的压力。统的压力。 RSTRST方法是一种简单化的模型，被格林实方法

17、是一种简单化的模型，被格林实 验室所应用。验室所应用。 测试内容说明测试内容说明 最常用的半金属配方中石墨所占的比例大约占最常用的半金属配方中石墨所占的比例大约占17 （按重量比）。盘式刹车片成型后（按重量比）。盘式刹车片成型后, 使用制动测使用制动测 力计来测试。力计来测试。 该部分主要研究用在半金属配方盘式刹车片的各该部分主要研究用在半金属配方盘式刹车片的各 种石墨和焦炭材料。种石墨和焦炭材料。 碳素材料物理和化学属性碳素材料物理和化学属性 GradeTypeMoistureCarbonVolatileSulfur 4071Artificial graphite0.0299.860.170

18、.00436 GraphcoGraphitized coke0.00299.840.160.0185 1155Amorphous graphite0.7485.832.000.1640 DS9019Desulco graphite0.0199.970.140.00496 SD20/100Artificial graphite0.0199.990.140.00078 F108ANeedle Coke0.0199.690.150.429 孔隙分析孔隙分析 较低的真实密度说明石墨化焦和针状焦具有一些孔隙 结构， DS9019也具有相当多的孔隙结构。 假设碳素具有的比重是2.2,下面三种材料的内孔隙的

19、 比重为： True De ns ityP re s s e d De ns ity Gra deTy peg/c u.c m. 6,500 PSI 32,500 PSI% E x pa ns ion 4071Artificial graphite2.191.992.2329.43 GraphcoGraphitized coke2.081.722.2161.02 1155Amorphous graphite2.271.832.1511.56 DS9019Desulco graphite1.601.472.1278.36 SD20/100Artificial graphite2.191.962.

20、2428.39 F108ANeedle Coke2.111.571.9118.61 Graphco 5.5 DS9019 27.3% F108A 4.1% 4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A A rtificialGraphitizedA morphousDesulcoA rtificialNeedle G G r r a a p p h h i i t t e eC C o o k k e eG G r r a a p p h h i i t t e eG G r r a a p p h h i i t t e eG G r r a a p p h h i

21、i t t e eC C o o k k e e SiO215.2237.1962.501.5511.7553.69 A l2O31.8119.0118.551.832.6924.77 FeO260.0318.357.478.4544.234.49 TiO22.852.11.640.658.960.96 CaO12.7712.251.356.9130.38.63 MgO0.080.331.350.10.242.69 K2O0.081.223.140.580.002.81 Na2O0.160.461.351.830.881.61 MnO20.100.070.050.140.140.07 SO36

22、.880.00*2.610.00*0.00*0.00* NiO-5.67-3.810.720.00 V2O5-3.33-74.160.090.27 灰份分析灰份分析 半金属配方半金属配方 材料成分成分重量重量 %体积体积 % 固体润滑剂石墨16.725.0 碳填料焦炭6.210.0 金属铁铁粉&钢纤维58.126.0 粘结剂酚醛树脂8.121.9 无机填料硫酸钡等7.16.0 有机添加剂腰果和橡胶2.88.2 有机纤维预成型纤维1.02.9 半金属配方加工过程半金属配方加工过程 配方混合: Patterson Kelley 混料机 1. 批次重量- 3.2 kg 成型: 使用成型机来生产#FM

23、S1 7136-D215 盘式刹车片 摩擦材料的测试摩擦材料的测试 制动测试由格林实验室制动测试由格林实验室DEA测试完成。（测试结果以具体的比力矩为基础）测试完成。（测试结果以具体的比力矩为基础） 在在DEA功能测试的最后，通过测试比力矩来测试试验后的摩擦水平。功能测试的最后，通过测试比力矩来测试试验后的摩擦水平。 两轮磨损测试后就可以确定磨损的程度。两轮磨损测试后就可以确定磨损的程度。 通过检验每次制动后的衬片厚度来检测。通过检验每次制动后的衬片厚度来检测。 根据制动测试进行三次后，得到各种石墨的磨损率。根据制动测试进行三次后，得到各种石墨的磨损率。 刹车盘的磨损也进行测试和说明。刹车盘的

24、磨损也进行测试和说明。 每制动一百万次，测一次刹车盘的磨损。每制动一百万次，测一次刹车盘的磨损。 在测试的开始和结束时，测试刹车盘表面的磨损程度。在测试的开始和结束时，测试刹车盘表面的磨损程度。 测试结束后，评估盘式刹车片和刹车盘的总体情况。测试结束后，评估盘式刹车片和刹车盘的总体情况。 测试样品的产生测试样品的产生 . 使用以下两种方法进行预成型： 方法A 2.5 tons/in2 60 seconds 方法B-1.25 tons/in2 10 seconds 很明显方法A比方法B的压制效果更好，成型越薄强度越高，也就越满意，这样在试验中 就不容易粉碎。 下面的六种石墨和焦炭材料按照厚度的增

25、加（也就是强度的减少）排列顺序如下： 4071 SD20/100 F108A Graphco DS9019 在方法A中， DS9019的性能很软，其他材料的强度适中。在方法 B中，所有的材料成型都 很软，石墨化焦和DS9019的强度比其他材料更软, DS9019最软。 各种材料的厚度的比较各种材料的厚度的比较 DEA测试结果测试结果 EFFECTIVENESS vs GRAPHITE TYPE DEA Performance Test 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 CAG-101 4071 Artificial Graphite CAG-102 Grap

26、hco Graphitized Coke CAG-103 1155 Amorphous Graphite CAG-104 DS9019 Desulco Graphite CAG-105 SD20/100 Artificial Graphite CAG-106 F108A Needle Coke CAG-14 4071 Previous test CAG-17 1155 Previous test Regressed Specific T orque, Nm/kPa Overall Rated Average Post-Burnish Average All Rated Ramps Averag

27、e Fade Minimum All Others Minimum 图片中的平均摩擦水平清楚说明了大部分的摩擦性都相似，除了图片中的平均摩擦水平清楚说明了大部分的摩擦性都相似，除了 高纯度的隐晶质石墨具有较高的摩擦性能。高纯度的隐晶质石墨具有较高的摩擦性能。 下面的幻灯片提供了很多测试过程中摩擦性能的比较。下面的幻灯片提供了很多测试过程中摩擦性能的比较。 不同温度的平均摩擦水平不同温度的平均摩擦水平 AVERAGE FRICTION LEVEL vs GRAPHITE TYPE 315C & 425C Wear Sections 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 CA

28、G-101 4071 Artificial Graphite CAG-102 Graphco Graphitized Coke CAG-103 1155 Amorphous Graphite CAG-104 DS9019 Desulco Graphite CAG-105 SD20/100 Artificial Graphite CAG-106 F108A Needle Coke CAG-14 4071 Previous test CAG-17 1155 Previous test Regressed Specific T orque, Nm/kPa 315C Wear 425C Wear 在在

29、315度和度和425度的温度下，各种材料的摩擦水平。度的温度下，各种材料的摩擦水平。 SD20/100的磨损程度比的磨损程度比4071的要高。的要高。 4071 的磨损程度跟的磨损程度跟DS9019石墨化焦很相似，但是它们的在不同的温度下却表现处不同石墨化焦很相似，但是它们的在不同的温度下却表现处不同 的特点。的特点。 4071具有很好的摩擦稳定性，而具有很好的摩擦稳定性，而1155的摩擦损失是最大的。的摩擦损失是最大的。 磨损磨损1 1 CAG-101CAG-102CAG-103CAG-104CAG-105CAG-106CAG-14CAG-17 T T e e s s t t4071Grap

30、hco1155DS9019SD20/100F108A40711155 SectionArtificialGraphitizedAmorphousDesulcoArtificialNeedle PreviousPrevious GraphiteCokeGraphiteGraphiteGraphiteCoketesttest 315C W ear0.1750.1730.2090.1930.1850.1820.1650.196 425C W ear0.1800.1770.2130.1880.1920.1770.1770.192 格林实验室报告首先概括了格林实验室报告首先概括了15个刹车片的制动测试仪

31、的报告，然个刹车片的制动测试仪的报告，然 后每后每5个刹车片的分析数据，得到最终的平均磨损数据。所以这样个刹车片的分析数据，得到最终的平均磨损数据。所以这样 的数据很有代表性，能说明磨损测试过程中的摩擦性能的情况。的数据很有代表性，能说明磨损测试过程中的摩擦性能的情况。 FRICTION MATERIAL WEAR Thickness Loss per Stop 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 CAG-101 4071 Artificial graphite CAG-10

32、2 Graphco Graphitized coke CAG-103 1155 Amorphous graphite CAG-104 DS9019 Desulco graphite CAG-105 SD20/100 Artificial graphite CAG-106 F108A Needle coke CAG-14 4071 Previous test CAG-17 1155 Previous test T Th hi ic ck kn ne es ss s L Lo os ss s, , m mm m Performance test 315C Wear 425C Wear 每次制动后磨

33、损每次制动后磨损 磨损磨损2 2 AVERAGE FRICTION LEVEL vs GRAPHITE TYPE 315C & 425C Wear Sections 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 CAG-101 4071 Artificial Graphite CAG-102 Graphco Graphitized Coke CAG-103 1155 Amorphous Graphite CAG-104 DS9019 Desulco Graphite CAG-105 SD20/100 Artificial Graphite CAG-106 F108A Needle

34、 Coke CAG-14 4071 Previous test CAG-17 1155 Previous test Regressed Specific Torque, Nm/kPa 315C W ear 425C W ear 1.SD20/1001.SD20/100的磨损比的磨损比40714071人造石墨要高。人造石墨要高。 2.2.石墨化焦和石墨化焦和F108AF108A针状焦的磨损数据显示，其磨损性能跟针状焦的磨损数据显示，其磨损性能跟40714071相似。相似。 3.DS90193.DS9019脱硫石墨的磨损跟脱硫石墨的磨损跟40714071人造石墨和石墨化焦相似。人造石墨和石墨化焦相

35、似。 4.4. 40714071人造石墨具有很好的摩擦稳定性，人造石墨具有很好的摩擦稳定性，11551155的磨损最大。的磨损最大。 摩擦材料磨损摩擦材料磨损 TOTA L WEA RCAG-101CAG-102CAG-103CAG-104CAG-105CAG-106CAG-14CAG-17 per4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A40711155 SECTIONArtificialGraphitized AmorphousDesulcoArtificialNeedlePreviousPrevious graphitecokegraphitegraphiteg

36、raphitecoketesttest FRICTION MATERIAL THICKNESS LOSS (mm) Performance test0.858 0.895 2.288 0.724 0.960 1.030 1.012 0.948 315C Wear0.187 0.211 0.366 0.110 0.308 0.291 0.157 0.235 425C Wear0.245 0.225 0.538 0.258 0.386 0.343 0.283 0.382 Total test1.290 1.331 3.192 1.092 1.654 1.664 1.452 1.565 WEIGHT

37、 LOSS (grams) Performance test1717421420161920 315C Wear32633254 425C Wear45756657 Total test24 24 55 22 29 24 29 31 1.相比4071， SD20/100的磨损非常高。 2.F108A针状焦跟SD20/100具有相似磨损率。 3.石墨化焦跟4071人造石墨具有相似的磨损。 DS9019脱硫石墨在低温时 比4071的磨损要底，在425度时磨损几乎相似。 刹车盘磨损刹车盘磨损 1 1 ROTORCAG-101CAG-102CAG-103CAG-104CAG-105CAG-106CAG-14CAG-17 WEAR4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A40711155 perArtificial Graphitized Amorphous DesulcoArtificialNeedle PreviousPrevious SectionGraphiteCokeGraphiteGraphiteGraphiteCoketesttest THICKNESS LOSS (mm) Performance test-0.007-0.0010.0110.0160.0060.0030.0000.064 315C W