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論文摘要：本文分析了摩擦材料熱衰退和熱磨損的產生原因。通過采用耐高溫樹脂、超級棉纖維、蛭石等材料，研制出摩擦系數穩定，磨損小的鉆機用無石棉剎車塊。介紹了無石棉盤式鉆機剎車塊PSZ65A的研制過程及產品的各項性能，采用干法生產工藝。
盤式鉆機剎車塊是鉆井和修井設備中非常關鍵的部件，它的作用是在鉆機和設備起下鉆過程中，通過對鉆機剎車盤旋轉的制動，來控制上百噸鉆具的上、下運動，它的制動性能好與壞，直接影響到操作者的安全和設備的安全性。目前，隨著油田開采量的不斷加大，新型電動鉆機及修井設備改用液壓盤式剎車系統裝置不斷增加，原來以滾筒為主的剎車裝置由于安全性及可控性差逐漸趨于淘汰，盤式剎車系統由于剎車力矩大，起下鉆易于控制，制動平穩，安全性高等優點，已成為鉆機剎車系統改造的重點，因此鉆機用盤式剎車塊的用量在油田在逐年增加。無石棉盤式剎車塊，以它的無石棉和綠色環保，對人和周圍環境沒有污染，使用安全而得到油田操作員工的青睞。因此，我們承擔了長慶油田公司的《鉆機用無石棉盤式剎車塊的技術研究》項目，盡快研發成功并供應油田市場，為企業持續發展打下基礎。
一、樣品實驗部分
1技術要求（見表1）：
表1技術指標
項目常溫摩擦系數150℃～250℃熱摩擦系數
300℃磨損率
10-7mm3/Nm沖擊力
dj/cm2
盤式剎車塊0.38～0.57≥0.32≤0.66≥3.00
2配方組成：
2.12183型改性樹脂，山東桓臺金波樹脂廠，固化速度70-100秒；
2.2荷蘭LAPINUS超級棉纖維LFC-101型，纖維長度125±50mm，熔點﹥1000℃；
2.3鋁粉，濟南華興化工銷售有限公司，60-100目；
2.4鋼背，按圖紙設計要求自制。
3主要設備：
3.1400噸壓機（吉林工大設備研究所）；
3.2XD-MSM定速式摩擦材料試驗機（咸陽新益摩擦密封材料設備研究所）；
3.3XJ-40A塑料沖擊強度試驗機（吳忠材料試驗機廠）；
3.4犁耙式混料機（吉林工大設備研究所）。
4試樣制備工藝
4.1制備方法：
首先將樹脂與填料及纖維等材料按配方投料量投入犁耙式混料機，混料時間8-12分鐘出料；同時將預先處理好的鋼背，放入專用模具中，加入混合料進行熱壓成型、熱處理和機械加工，即得樣品。
4.2工藝流程：
原材料混料熱壓成型熱處理機械加工
鋼背
樣品
4.2.1熱壓成型工藝參數：溫度160±5℃；壓力25±2MPa；時間30s/mm；
4.2.2熱處理工藝參數：100±5℃/1h，140±5℃/2h，170±5℃/4h。
4.3材料配方：
在產品研發的時候，首先從配方著手，按照產品的技術要求和要達到的預期效果，選擇相應的材料。在摩擦材料中，主要組成成分有三大部分。
l增強纖維：主粘接強度要考慮到產品的強度要求及無石棉化，增強纖維采用了鋼纖維、超級棉LFC101、短切玻璃纖維等混合以達到耐磨、增加產品強度的作用；
l粘和劑：主要采用丁晴改性酚醛樹脂，以滿足各個溫度段的耐溫性和粘接強度；
l摩擦性能調節劑：考慮到該產品要求制動力矩大，需要較高摩擦系數，因此在配方設計中加入了復合冰晶石和三氧化二鋁等增磨材料。
l同時為了提高產品的導熱性，減弱高溫衰退，增加耐磨性，加入鋁粉等金屬粉末和蛭石粉等材料來增加產品的孔隙率，降低產品硬度，減少熱衰退產生。
按照上述配方設計思路，通過近二十幾組試驗篩選，終于研制出了HF07A鉆機用無石棉配方（wt%）：丁晴改性樹脂8-10，鋼纖維10-15,超級棉8-10，短切玻璃纖維3-5，鋁粉4-6，丁晴膠粉5-7，蛭石4-6，摩擦粉6-8，增磨材料8-12，填料20-25。
5性能測試：
5.1測試規范及設備
5.1.1摩擦系數和磨損率測試，按國標GB5763-2008及SY/T5023-1994測試規范，在XD-MSM定速式摩擦試驗機上進行測試。
5.1.2沖擊強度測試：按照GB5763-2008在XJ-40A型簡支梁擺錘沖擊強度試驗機上進行測試。
5.2試樣性能測試結果（見表2）。
表2試樣性能測試結果表
項目常溫摩擦系數150℃～250℃熱摩擦系數
300℃磨損率
10-7mm3/N.m沖擊力
dJ/cm2密度g/cm2
試制樣品10.420.380.524.012.30
試制樣品20.450.420.614.222.26
試制樣品30.410.370.563.882.31
二、批量實驗對比：
2.1批量試驗
從以上可以看出，小樣試驗測試數據完全符合技術要求，可轉入小批量生產。按照公司TS16949質量體系的開發要求，制定試生產控制計劃，并在生產線上進行了40件的小批量生產。產品型號PSZ65A,使用鉆機型號ZJ40LDB。HF07A配方在混料、熱壓成型、熱處理等工序均表現出良好的適應性，合格率達到97.5%。從其中抽取一片，按照GB5763-2008標準規范測試，數據如下表3。
對比小樣樣品和小批量生產產品，其性能重復性和穩定性很好，可以進行大批量生產。隨后我們將小批量生產產品送往國家非金屬礦產品質量監督檢驗中心進行檢測，結果符合SY/T5023-94標準(見檢驗報告)。之后，我們批量生產160片送陜北井隊進行現場試驗。現場試驗在2008年3月至10月進行，試用情況良好。
表3批量產品檢測數據
試驗機圓盤
溫度摩擦系數(u)磨損率(10-7cm3/N.M)
升溫降溫
100℃0.430.380.11
150℃0.420.380.13
200℃0.450.400.24
250℃0.410.440.28
300℃0.41/0.40
沖擊強度(dJ/cm2)3.93
密度(g/cm3)2.26
2.2與油田現使用產品測試數據對比（見表4）。
表4與油田現使用產品測試數據對比
項目乳山韓京公司產品油田用某單位產品
圓盤溫度摩擦系數磨損率(10-7cm3/NM)摩擦系數磨損率(10-7cm3/NM)
升溫降溫升溫降溫
100℃0.430.380.110.420.360.13
150℃0.420.380.130.380.310.27
200℃0.450.400.240.290.340.38
250℃0.410.440.280.310.371.00
300℃0.41/0.400.29/1.40
沖擊強度3.93dJ/cm4.63dJ/cm
密度2.26g/cm32.75g/cm3
從數據對比可以看出，乳山韓京公司的產品摩擦磨損性能均優于油田現使用產品，摩擦系數穩定，熱衰退小，磨損率相比較更小。摩擦系數高、穩定，就保證在連續起下鉆過程中產品有足夠的制動力矩；熱衰退小，更能保證在高溫工況下連續起下鉆過程中產品有足夠的制動力矩，安全性更高；磨損率小，可使產品壽命更長，減少更換次數，省時省工。
2.3討論
熱衰退與熱磨損：摩擦材料的基體（即黏結劑）是熱固性酚醛樹脂和橡膠。當摩擦片在制動與傳動過程中，它與金屬對偶的摩擦表面會產生很高的溫度，達到200-400℃，甚至更高。這已達到樹脂和橡膠的熱分解溫度區域。此時大分子由于熱降解產生液態或氣態的低分子物質，在摩擦表面上形成一層很薄的液態或氣態介質層，或此介質層只蓋住一部分表面，使原本為純凈摩擦或干摩擦摩擦的工況條件變為混合摩擦的情況，在宏觀上反映為摩擦系數的下降或急劇下降，這稱為熱衰退。在摩擦試驗機對摩擦片樣品測定摩擦性能表4中可以清楚地看到熱衰退現象。摩擦片長時間處于高溫工況條件下，導致樹脂和橡膠大分子熱分解的加劇，聚合物的分子主鏈和交聯鏈斷裂，網狀結構被破壞，低分子物質產生逸出。熱分解的結果是樹脂和橡膠的碳化和失去質量。碳化使樹脂失去黏結作用，失去質量使黏結劑數量減少，導致摩擦片表面漸漸形成龜裂，磨損加劇，有時甚至材料從摩擦片表面脫落，喪失工作功能。
在鉆機盤式片的研究過程中，主要采取了如下措施，來解決高溫熱衰退和熱磨損的問題。首先，黏結劑選擇了耐高溫的丁晴改性樹脂；其次，添加多孔材料如蛭石粉等來增加摩擦材料的孔隙率及內比表面積，在高溫時吸收黏結劑分解產生的小分子氣體，減少黏結劑對高溫摩擦系數的影響；第三，加入鋁粉等金屬無機材料防止高溫時失去質量，增加熱傳導，提高高溫摩擦系數，降低熱衰退的產生。
三、結論
3.1HF07A配方生產的無石棉鉆機盤式剎車塊PSZ65A型產品，各項性能指標符合SY/T5023-94標準要求，工藝參數滿足其生產要求，并可以批量生產供貨。同時，HF07A無石棉鉆機盤式剎車塊配方，也可以應用于其它型號規格的鉆機用無石棉盤式剎車塊的生產上。
3.2HF07A配方生產的盤式鉆機剎車塊具有摩擦系數穩定，在各溫度段熱衰退小，磨損率低等優點，解決了井隊原來使用摩擦塊制動力矩小，使用壽命短的缺陷。
3.3由于摩擦塊軟硬適中，對摩擦盤的磨損小，摩擦盤的使用壽命延長，這樣不僅減少了更換摩擦塊的次數，同時使摩擦盤的使用更長久，省工、省時、省材料，其經濟性也是顯而易見的。
3.4PSZ65A型無石棉盤式剎車塊由于加入了多孔型整體鋼背，整體強度增大，避免了剎車塊斷裂等問題的出現，安全性更可靠。
3.5項目研究取得成功。
3.6在長慶油田40631、40636、30652等井隊通過半年多現場試驗，井隊反映良好，也證明了該剎車塊的以上特點；拆卸下來的摩擦塊無龜裂，無裂紋，解決了摩擦塊出現裂紋及斷裂的問題。