复合硫化物替代硫化锑的研究

余思彬，孟增祥，曹 敏，汪 海，王 东

（黄石市鑫溢新材料科技有限公司，湖北 黄石 435109）

在摩擦材料原料应用中，硫化锑是一种非常好的功能材料，耐高温耐磨、抗热衰退性能优异，在半金属片、少金属片、陶瓷片配方中广泛应用[1]。然而硫化锑是有毒有害物质，接触锑及其化合物可致眼结膜和呼吸道刺激，发生支气管炎，较重者出现胸痛、呼吸困难、肺炎。口服中毒有急性胃肠炎，肝、肾及心肌损害。长期接触低浓度锑化合物粉尘可致鼻炎、鼻中隔穿孔、支气管炎、口腔炎、消化功能障碍、皮肤损害。锑的氧化物三氧化二锑可致癌，已被世界卫生组织国际癌症研究机构公布在2B类致癌物清单中，2018年欧盟市场逐步开始少用甚至禁用硫化锑。因此，寻找和开发具有与硫化锑相似摩擦性能的材料显得至关重要、迫在眉睫，也是大势所趋。

1 复合硫化物介绍

通过4年艰苦卓绝的努力，使用无毒无害、绿色环保的硫化物，终于设计和开发出能有效替代硫化锑在摩擦材料中应用的无锑复合硫化物材料。从试验情况以及市场反馈信息来看，该材料在摩擦材料应用中性能良好，取得了初步满意效果，可以完全替代硫化锑。

复合硫化物主要是以无毒无害的金属硫化物为骨架，其他功能材料共同复配组成的一种功能材料，能完全等量替代硫化锑在摩擦材料中的应用。复合硫化物主要含有Fe、S、Al、Mo及少量有机物质，不含六大类有害物质铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr)、聚溴二苯醚、聚溴联苯，无毒无害、绿色环保。外观为灰黑色粉末，具有润滑、抗热衰退、制动效能稳定、降噪等多种功能。

复合硫化物属于混合物，以硫化物FeS2和MoS2为主要材料，少量氧化铝和其他耐磨耐热功能材料为辅料，进行优化复配。

FeS2是黄铁矿的主要成分，晶体属等轴晶系。常有完好的晶形，呈立方体、八面体、五角十二面体及其聚形。立方体晶面上有与晶棱平行的条纹，各晶面上的条纹相互垂直。集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅黄(铜黄)色，条痕绿黑色，强金属光泽，不透明，无解理，参差状断口。摩氏硬度较大，达6～6．5，小刀刻不动，密度4．9～5．2g/cm3。FeS2有适宜的摩擦系数和耐磨性能[2]，在摩擦材料使用过程中，摩擦材料会因为摩擦热使温度升高[3]，FeS2在高温情况下会吸收热量分解生成Fe2O3，减缓了摩擦材料中有机粘结剂的热分解速度，同时Fe2O3也是一种摩擦系数适宜、耐磨性能很好的材料。

MoS2为辉钼矿的主要成分，黑色固体粉末，有金属光泽。MoS2在摩擦材料使用中，是一种高端的固体润滑剂，特别是在高温情况下，具有很优越的润滑耐磨性能。熔点1 185℃，密度4．80g/cm3(14℃)，莫氏硬度1．0～1．5。1 370℃开始分解，1 600℃分解为金属钼和硫。MoS2在400℃开始氧化，生成三氧化钼，三氧化钼是一种高效的阻燃剂，能再次提高摩擦材料的耐高温耐磨性能[4]。

少量氧化铝和其他耐磨耐热功能材料为辅料，调节复合硫化物常温下的摩擦性能和润滑性能，使得复合硫化物在摩擦材料使用的整个过程中都具有很好的摩擦性能[5-6]。

2 试验配方及试验方法

2.1 试验配方

试验使用有硫化锑原始配方A，复合硫化物等量替代硫化锑配方B，进行性能对比试验，配方详细情况见表1。

一般情况下，硫化锑在摩擦材料中用量为3%左右，本试验配方A中硫化锑用量5%，配方B中复合硫化物用量5%，能更好地突出硫化锑在摩擦材料中的作用，更好地对复合硫化物能否有效替代硫化锑在摩擦材料中应用进行验证。

2.2 试验方法

通过GB5763-2008摩擦性能试验、SAE J2522制动效能评估程序台架试验、SAE J2521噪音试验三种试验方法，进行硫化锑与复合硫化物性能对比试验。

3 试验结果

3.1 定速试验结果

使用配方A与配方B，按GB5763-2008试验方法进行硫化锑与复合硫化物在摩擦材料中的摩擦性能对比试验，试验结果见表2和图1。

表2 定速试验数据

图1 定速试验数据对比

通过图1可以明显得出，复合硫化物在升温200～350℃、降温350～200℃这两个高温区段，摩擦性能是明显优于硫化锑的，复合硫化物表现出了良好的抗热衰退性能。

3.2 台架试验结果

使用配方A与配方B，按SAE J2522制动效能评估程序台架试验进行硫化锑与复合硫化物在摩擦材料中的制动效能对比试验，试验结果见表3。

根据台架试验结果表3以及数据对比图2，硫化锑配方摩擦系数极差大，系数波动大，衰退率高，复合硫化物的摩擦系数平稳，系数波动小，热衰退小，应用到摩擦材料中，会大大提高制动性能以及舒适性、平稳性。因此复合硫化物的摩擦性能稳定性是明显优于硫化锑的。

表3 硫化锑台架试验结果

图2 台架试验数据对比

3.3 噪音试验结果

使用配方A与配方B，进行SAE J2521噪音试验，硫化锑与复合硫化物噪音试验对比结果见表4。

由表4可以看出，在相同的试验条件下，硫化锑发生噪音的概率为15．8%，复合硫化物发生噪音的概率为7．6%，复合硫化物的配方B比配方A的噪音发生概率降低了50%以上，特别是低温噪音，硫化锑低温发生噪音概率为50．9%，复合硫化物低温发生噪音概率为19．8%，降低了60%以上，复合硫化物具有良好的降噪效果和润滑性能[7-8]。

3.4 试验结果分析

从GB5763-2008摩擦性能试验结果表2和图1可以看出，复合硫化物在升温200～350℃、降温350～200℃这两个高温区段，摩擦性能是明显优于硫化锑的，复合硫化物表现出了良好的抗热衰退性能[9]。

SAE J2522制动效能评估程序台架试验表3及图2反映了复合硫化物不仅可以有效替代硫化锑在摩擦材料中的应用外，使用复合硫化物替代硫化锑后，产品的摩擦性能稳定性有显著提高。

SAE J2521噪音试验试结果表4可知，使用复合硫化物等量替代硫化锑后，制动噪音得到明显改善，发生噪音概率降低了50%以上，特别是低温噪音，减少了60%以上[10]。

表4 噪音测试结果

4 结论

综合以上试验以及分析情况，复合硫化物替代硫化锑具有如下性能。

(1) 复合硫化物完全可以等量替代硫化锑在摩擦材料中的应用，无毒无害、绿色环保。

(2) 复合硫化物高温情况下的摩擦性能优于硫化锑。

(3) 相对硫化锑，复合硫化物对摩擦制品摩擦性能稳定性有显著提升。

(4) 使用复合硫化物等量替代硫化锑后，制动噪音有明显的改善。