混炼方式对合成闸瓦性能的影响*

张宪清,张国文,李雪春,吉 媛

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 标准计量研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081)

合成闸瓦是在轨道交通车辆应用的基础制动摩擦材料，在空气制动系统中提供摩擦力来保证车辆的制动安全，通过合成闸瓦与车轮的摩擦将列车动能转化为热能从而达到停车的目的。合成闸瓦的性能对于轨道车辆的安全性及舒适性要求具有决定性影响[1-3]。

合成闸瓦以橡胶和树脂为基体、短纤维为增强材料、各种填料为性能调节剂及添加剂，三者通过强力的剪切达到混合均匀，再通过热压方式来成型。混炼作为合成闸瓦生产过程中非常重要的一步，其任务就是将配方中的橡胶及树脂和各种助剂、增强纤维及填料等混合均匀，对合成闸瓦的后序加工和制品的质量起到了决定性的作用[4-5]。

目前国内合成闸瓦生产过程中混炼分为开炼和密炼。有关混炼工艺，例如混炼顺序、混炼温度等对橡胶性能的影响的研究较多[6]，但对合成闸瓦性能的影响研究较少[7]。有关密炼与开炼对合成闸瓦性能差异的影响未见文献报道。

本文拟采用万能材料试验机、简支梁冲击试验机及摩擦磨损试验机等设备，研究不同混炼方式对于合成闸瓦加工性能、力学性能及摩擦性能的影响规律，期望能为优化合成闸瓦混炼工艺及提升产品质量提供参考。

1 实验部分

1.1 原料

橡胶：牌号 NANCAR 1041，南帝化学工业有限公司；玄武岩纤维：周口市奇峰矿物纤维有限公司；铝矾土：灵寿县乾宇矿产品加工厂。

1.2 仪器及设备

双辊开炼机：KL-6x14型，佰弘机械(上海)有限公司；密炼机：10 L，佰弘机械(上海)有限公司；液压压力机(带模具)：200 t，南通巨能液压机厂；简支梁冲击试验机：XCJ-5，MTS系统中国有限公司；洛氏硬度计：荷兰伊诺公司；电子万能材料试验机：1 t，MTS系统中国有限公司；制动动力试验台：铁科纵横(天津)科技发展有限公司。

1.3 合成闸瓦配方

合成闸瓦的基础配方见表1。

表1 合成闸瓦基础配方

1.4 样品制备

按照合成闸瓦的混合工艺，分别采取开炼和密炼方式进行混合，其中开炼混合采用开炼机，先投橡胶，后投入纤维和填料的混合物，开炼时间为6 min。

密炼工艺采用10 L密炼机进行混炼，先投橡胶，后投入纤维和填料的混合物，混炼时间为6 min。

热压成型温度为160 ℃，时间为40 min，硫化压力为25 MPa。

1.5 测试方法

压缩强度按照 GB/T 1041进行测试，速度为1 mm/min，样品尺寸为25 mm×10.4 mm×10.4 mm；压缩模量按照 GB/T 1041 进行测试，速度为1 mm/min，取值范围：应变为0.05%～0.25%，样品尺寸为25 mm×10.4 mm×10.4 mm；冲击强度按照GB/T 1043.1进行测试，样品尺寸为15 mm×10 mm×120 mm；洛氏硬度按照GB/T 3398.2进行测试，样品尺寸为50 mm×50 mm×25 mm；平均摩擦系数按照TB/T 2403—2010进行测试，采用TM-Ⅱ制动动力试验台，模拟轴质量为16 t，制动压力为30 kN。

2 结果与讨论

2.1 不同混炼方式下的温度效应分析

图1是不同混炼方式下物料的温升曲线与时间的关系。从图1可以看出，和开炼相比，密炼过程中物料温度升高较快。530 s时，密炼机里物料温度为134 ℃，而开炼机里物料温度为68 ℃，比密炼机低了66 ℃。分析认为，由于密炼过程的转子旋转速度、剪切挤压程度均高于开炼，在混合过程中，物料间摩擦力更大，因此物料的温升也较高较快。

t/s图1 混炼方式对物料温度的影响(2#配方)

2.2 混炼方式对合成闸瓦冲击性能的影响

冲击性能是合成闸瓦韧性的体现，冲击强度越高说明合成闸瓦材料韧性越高，在应用过程中闸瓦出现掉块的概率越低。针对现场合成闸瓦的应用工况，合成闸瓦必须保证具有一定的冲击强度，才能在循环制动过程中不出现掉块等现象。

从现有国内合成闸瓦的应用情况看，掉块较少的闸瓦冲击强度一般高于3.0 kJ/m2。同时从城轨应用的角度考虑，由于电制动的使用，城轨合成闸瓦磨耗寿命普遍高于6年，为了保证合成闸瓦在6年的热空气、制动热影响下老化后仍然具备一定的韧性而不掉块，必须先保证合成闸瓦具有较强的冲击强度。

表2 混炼方式对合成闸瓦冲击性能的影响

从表2可以看出，不同混炼方式，对冲击性能的影响有所区别。三个不同橡胶含量的配方开炼的冲击强度均高于密炼。橡胶含量越高，冲击强度越高；开炼机制出的闸瓦的冲击强度与密炼机的比值分别为1.23、1.21、1.10，密炼冲击强度较开炼的分别低18.8%、17.1%和9.1%，可以看出，两者差距逐渐减小。

混炼过程中剪切力会促使高韧性高弹性的橡胶变成低分子低链段小分子物质，并在强烈的机械剪切及摩擦作用下达到物料分散均匀，由于密炼机混炼时物料受到的剪切作用比开炼机大得多，因此密炼机里物料温升较快。在较高的温度及较大的剪切力作用下，橡胶分子链断裂更显著[8]。分子链变短，外力作用下可产生的形变就小，吸收的能量变小，导致承载外力的能力减弱，宏观上表现为闸瓦韧性变差，冲击强度减小，因此密炼机混炼的合成闸瓦冲击强度小于开炼的。

密炼机转速高，转子转速的断面结构复杂，转子表面各点与轴心距离不等，因此产生不同的线速度，使两转子间的速比变化很大，促使物料受到强烈的摩擦、撕裂和搅拌作用，与开炼方式比，物料受到的剪切及摩擦作用力较高，对于物料的撕裂及破碎大于开炼，在达到物料混合均匀的情况下，纤维的断裂程度高于开炼。纤维的加入对于吸收冲击应力具有较大的作用，纤维越长，闸瓦的冲击韧性越好，冲击强度越高。因此，密炼机混炼的闸瓦冲击强度小于开炼的。

随着橡胶含量增大，纤维和填料量减小，剪切力减弱，物料温升逐渐变小，橡胶分子链及纤维的断裂趋势减弱，因此，密炼机制出的闸瓦的冲击强度与开炼机的差距逐渐减小。

2.3 混炼方式对合成闸瓦压缩性能的影响

压缩性能分为压缩强度和压缩模量，压缩性能与合成闸瓦的使用性能及摩擦性能密切相关。由于不同的标准对于合成闸瓦要求不同，制动压力不同，因此对于合成闸瓦压缩性能要求也不一致。从保证现场安全使用的角度入手，压缩强度越高，合成闸瓦承受制动压力的能力越高，承受压缩应力裂纹扩展的门槛越高。

压缩模量是单位压缩应力下应变的表现，其性能高低与闸瓦的贴合及制动热分布密切相关，闸瓦压缩模量越低，越容易贴合，制动过程中出现噪音的概率越低，较低的压缩模量有利于闸瓦与车轮的良性摩擦，因此闸瓦应该具备较高的压缩强度及较低的压缩模量，保证其安全使用。

在同配方及工艺情况下，对比分析开炼及密炼对于合成闸瓦压缩性能的影响，如表3所示。

表3 不同混炼方式对合成闸瓦压缩性能的影响

从表3可以看出，随着橡胶含量增大，开炼及密炼的压缩强度、压缩模量都逐渐减小。同一个配方，和开炼相比，密炼的压缩模量和压缩强度均较小，密炼压缩强度较开炼分别低20.0%、17.5%和15.2%，密炼压缩模量较开炼分别低22.9%、19.3%和13.0%。分析认为，由于橡胶含量增大，纤维填料占比逐渐减小，闸瓦的压缩强度和压缩模量逐渐减小；由于密炼的剪切力大，橡胶分子链及纤维断裂越显著。橡胶分子链及纤维变短，在闸瓦受外力时，纤维所锚固的分子链就相对减少，因此闸瓦就容易变形，宏观上表现为压缩模量及压缩强度的减小[9]9。

2.4 混炼方式对合成闸瓦硬度的影响

合成闸瓦硬度对制动过程中的噪音及磨耗有重要影响，在固定工况条件下，硬度越高，越容易出现制动噪音及车轮有害磨耗，因此不同的标准对于合成闸瓦硬度有着严格规定，一般不超100(HRR)，因此混炼方式对硬度的影响也有必要进行分析，如表4所示。

表4 不同混炼方式对合成闸瓦硬度的影响

从表4可以看出，三个不同配方下，开炼的硬度均高于密炼，密炼硬度较开炼的分别低31.8%、29.5%和27.9%。这是因为密炼过程对橡胶混合料的挤压、剪切效果更好，纤维断裂程度加剧，硬质颗粒及大颗粒物料更容易被剪碎，并均匀分散在混合体系中，因此造成硬度降低。

2.5 混炼方式对摩擦性能的影响

合成闸瓦摩擦性能关系着轨道车辆的运营安全，良好的摩擦性能可以保证车辆具备可靠的停车精度及长久的使用寿命，摩擦系数的稳定性及抗衰退能力对于保证车辆停车安全具有重要的意义。因此本文重点分析了不同混炼方式对摩擦性能的影响，如表5所示。

表5 不同混炼方式下合成闸瓦的摩擦性能

从表5可以看出，在40～120 km/h速度范围内，密炼方式的合成闸瓦常用制动摩擦系数衰减值为0.107，紧急制动摩擦系数衰退值为0.102；开炼方式的常用制动摩擦系数衰减值为0.058，紧急制动摩擦系数衰减值为0.055，从数值上看开炼方式的摩擦系数稳定性高于密炼方式。分析认为，密炼方式更易将橡胶及纤维剪断，变为较小的橡胶分子链及纤维，随着制动过程中温度升高，小分子物质扩散变快，闸瓦整体表现为压缩模量变大，摩擦系数降低[9]9-10。由于密炼方式导致小分子物质扩散速度及程度较开炼更为显著，因此密炼的平均摩擦系数比开炼的变化大，即热衰退更显著。

3 结 论

(1)与开炼相比，采用密炼机制备的合成闸瓦，密炼过程物料温度升高较快。

(2)与开炼相比，采用密炼机制备的合成闸瓦，冲击强度较低，但随着橡胶含量增大，冲击强度的差距逐渐减小。

(3)与开炼相比，采用密炼机制备的合成闸瓦，压缩强度、压缩模量及硬度较低。

(4)与开炼相比，采用密炼机制备的合成闸瓦，平均摩擦系数随着制动速度不同波动较大。