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酚醛树脂芳纶芳纶 重晶石

2、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%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

3、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 %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 %6

4、5 %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 %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 % 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

6、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 (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 20X1001.391.7411.231.6215.060.99海绵状海绵状 99

7、-2001.461.7314.707.828.551.00针状焦针状焦99 20X1001.601.9321.130.2813.401.06针状焦针状焦99-2001.711.9619.960.8710.580.96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。

8、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99.871.992.2325.50.812.71.17Mold Stk普通石墨普通石墨99.991.542.01241.212.731.15Graphco石墨化焦石墨化焦99.71.752.21561.713.

9、121.12Amorph隐晶质石墨隐晶质石墨80.11.832.1611.4615.8116.220.86A FlakeA 鳞片石墨鳞片石墨962.172.296.050.689.931.39B FlakeB 鳞片石墨鳞片石墨962.142.307.152.007.481.51C FlakeC 鳞片石墨鳞片石墨962.132.287.521.407.901.50Sri Lankan斯里兰卡斯里兰卡93.552.202.294.831.5217.600.85Sponge 海绵状焦海绵状焦991.391.7411.231.6215.060.99Needle针状焦针状焦991.601.9321.13

10、0.2813.401.06Met冶金焦冶金焦92.221.271.629.980.4311.031.28Fluid Coke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99.81.922.213

11、96.55.701.57Mold Stk普通石墨普通石墨99.91.722.1116.116.156.291.39Graphco石墨化焦石墨化焦99.81.822.19348.94.391.82Amorph隐晶质石墨隐晶质石墨83.51.812.1612.1819.896.291.32A FlakeA 鳞片石墨鳞片石墨962.052.267.442.795.611.65B FlakeB 鳞片石墨鳞片石墨962.072.2515.313.675.281.70C FlakeC 鳞片石墨鳞片石墨962.072.278.532.617.701.4Sri Lankan斯里兰卡斯里兰卡98.772.042

12、.257.132.506.941.27Sponge 海绵状焦海绵状焦991.461.7314.707.828.551.00Needle针状焦针状焦991.711.9619.960.8710.580.96Met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Al2O3CaOFe2O3K2OMgOMnO2Na2OSiO2Tio2Needle 针状石墨针状石墨99 1%3.711.8881.580.050.090.050.0510.721.41Isotropic普通石墨普通石墨 991%1.360.517

13、.840.210.090.010.315.3762.07Graphco石墨化焦石墨化焦 991%8.3919.9112.271.231.270.170.7749.461.55Vein 晶质线装石墨晶质线装石墨 973%2.82.435.670.053.560.120.1354.550.24Amor隐晶质石墨隐晶质石墨8416%24.147.827.852.91.850.161.0452.431.55Flake A 鳞片石墨鳞片石墨964%12.6119.5415.541.358.060.142.538.40.33Flake B 鳞片石墨鳞片石墨 964%10.694.1522.381.410.

14、690.362.945.730.37Flake C 鳞片石墨鳞片石墨964%52.630.0210.20.10.310.80.0435.530.05Sponge 海绵状焦海绵状焦991%3.189.4426.381.211.560.162.8110.370.46Needle Coke 针状焦针状焦991%27.293.1725.20.73.530.262.2234.730.61Fluid Coke 圆形焦圆形焦 991%20.121.59.811.292.810.320.8138.920.84Met Coke冶金焦冶金焦901%28.351.527.032.070.780.050.4657.8

15、81.48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，被格林实方法是一种简单化的模型，被格林实验

16、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GradeTypeMoistureCarbonVolatileSulfur4071Artificial graphite0.0299.860.170.00436GraphcoGraphitize

17、d coke0.00299.840.160.01851155Amorphous graphite0.7485.832.000.1640DS9019Desulco graphite0.0199.970.140.00496SD20/100Artificial graphite0.0199.990.140.00078F108ANeedle 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比重为：True De ns ityP re s s e d D

18、e ns ityGra deTy peg/c u.c m. 6,500 PSI 32,500 PSI% E x pa ns ion4071Artificial graphite2.191.992.2329.43GraphcoGraphitized coke2.081.722.2161.021155Amorphous graphite2.271.832.1511.56DS9019Desulco graphite1.601.472.1278.36SD20/100Artificial graphite2.191.962.2428.39F108ANeedle Coke2.111.571.9118.61

19、 Graphco 5.5DS9019 27.3%F108A 4.1%4071Graphco1155DS9019SD20/100F108AA rtificialGraphitizedA morphousDesulcoA rtificialNeedleG 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 i t t e eC C o o k k e eSiO215.2237.1962.501.5

20、511.7553.69A l2O31.8119.0118.551.832.6924.77FeO260.0318.357.478.4544.234.49TiO22.852.11.640.658.960.96CaO12.7712.251.356.9130.38.63MgO0.080.331.350.10.242.69K2O0.081.223.140.580.002.81Na2O0.160.461.351.830.881.61MnO20.100.070.050.140.140.07SO36.880.00*2.610.00*0.00*0.00*NiO-5.67-3.810.720.00V2O5-3.3

21、3-74.160.090.27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#FMS1 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

22、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

23、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

24、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 TYPEDEA Performance Test 0.000.050.100.150.200.250.30CAG-1014071ArtificialGraphiteCAG-102GraphcoGraphitizedCokeCAG-1031155AmorphousGraphiteCAG-104DS9019DesulcoGraphiteCAG-105SD20/100ArtificialGr

25、aphiteCAG-106F108ANeedle CokeCAG-144071PrevioustestCAG-171155PrevioustestRegressed Specific T orque, Nm/kPaOverall Rated AveragePost-Burnish AverageAll Rated Ramps AverageFade MinimumAll 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

26、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 TYPE315C & 425C Wear Sections0.000.050.100.150.200.25CAG-1014071ArtificialGraphiteCAG-102GraphcoGraphitizedCokeCAG-1031155AmorphousGraphiteCAG-104DS9019DesulcoGraphiteCAG-105SD20/100ArtificialGra

27、phiteCAG-106F108ANeedle CokeCAG-144071PrevioustestCAG-171155PrevioustestRegressed Specific T orque, Nm/kPa315C Wear425C Wear 在在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

28、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 1CAG-101CAG-102CAG-103CAG-104CAG-105CAG-106CAG-14CAG-17T T e e s s t t4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A40711155SectionArtificialGraphitizedAmorphousDesulcoArtificialNeedle PreviousPreviousGraphiteCokeGraphiteGraphiteGraphiteCoketesttest315C W ear0.1750.1730

29、.2090.1930.1850.1820.1650.196425C 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 WEARThickness Loss per Stop0.0000.

30、0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.012CAG-1014071ArtificialgraphiteCAG-102GraphcoGraphitizedcokeCAG-1031155AmorphousgraphiteCAG-104DS9019DesulcographiteCAG-105SD20/100ArtificialgraphiteCAG-106F108ANeedlecokeCAG-144071PrevioustestCAG-171155PrevioustestT Th hi ic ck kn ne es ss s L

31、 Lo os ss s, , m mm mPerformance test315C Wear425C Wear每次制动后磨损每次制动后磨损磨损磨损2 2AVERAGE FRICTION LEVEL vs GRAPHITE TYPE315C & 425C Wear Sections0.000.050.100.150.200.25CAG-1014071ArtificialGraphiteCAG-102GraphcoGraphitizedCokeCAG-1031155AmorphousGraphiteCAG-104DS9019DesulcoGraphiteCAG-105SD20/100Art

32、ificialGraphiteCAG-106F108ANeedle CokeCAG-144071PrevioustestCAG-171155PrevioustestRegressed Specific Torque, Nm/kPa315C W ear425C W ear1.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

33、墨和石墨化焦相似。人造石墨和石墨化焦相似。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-17per4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A40711155SECTIONArtificialGraphitized AmorphousDesulcoArtificialNeedlePreviousPreviousgraphitecokegrap

34、hitegraphitegraphitecoketesttestFRICTION MATERIALTHICKNESS 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.

35、565 WEIGHT LOSS (grams)Performance test1717421420161920315C Wear32633254425C Wear45756657Total 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 1ROTORCAG-101CAG-102CAG-103CAG-104CAG-105CAG-106CAG-14CAG-17WEAR4071Graphco1155DS9019SD20/100F108A40711155perArtificial Graphitized Amorphous DesulcoArtificialNeedle PreviousPreviousSectionGraphiteCokeGraphiteGraphiteGraphiteCoketesttestTHICKNESS LOSS (mm)Performance test-0.007-0.0010.0110.0160.0060.0030.0000.06431