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论文摘要：本文分析了摩擦材料热衰退和热磨损的产生原因。通过采用耐高温树脂、超级棉纤维、蛭石等材料，研制出摩擦系数稳定，磨损小的钻机用无石棉刹车块。介绍了无石棉盘式钻机刹车块PSZ65A的研制过程及产品的各项性能，采用干法生产工艺。
盘式钻机刹车块是钻井和修井设备中非常关键的部件，它的作用是在钻机和设备起下钻过程中，通过对钻机刹车盘旋转的制动，来控制上百吨钻具的上、下运动，它的制动性能好与坏，直接影响到操作者的安全和设备的安全性。目前，随着油田开采量的不断加大，新型电动钻机及修井设备改用液压盘式刹车系统装置不断增加，原来以滚筒为主的刹车装置由于安全性及可控性差逐渐趋于淘汰，盘式刹车系统由于刹车力矩大，起下钻易于控制，制动平稳，安全性高等优点，已成为钻机刹车系统改造的重点，因此钻机用盘式刹车块的用量在油田在逐年增加。无石棉盘式刹车块，以它的无石棉和绿色环保，对人和周围环境没有污染，使用安全而得到油田操作员工的青睐。因此，我们承担了长庆油田公司的《钻机用无石棉盘式刹车块的技术研究》项目，尽快研发成功并供应油田市场，为企业持续发展打下基础。
一、样品实验部分
1技术要求（见表1）：
表1技术指标
项目常温摩擦系数150℃～250℃热摩擦系数
300℃磨损率
10-7mm3/Nm冲击力
dj/cm2
盘式刹车块0.38～0.57≥0.32≤0.66≥3.00
2配方组成：
2.12183型改性树脂，山东桓台金波树脂厂，固化速度70-100秒；
2.2荷兰LAPINUS超级棉纤维LFC-101型，纤维长度125±50mm，熔点﹥1000℃；
2.3铝粉，济南华兴化工销售有限公司，60-100目；
2.4钢背，按图纸设计要求自制。
3主要设备：
3.1400吨压机（吉林工大设备研究所）；
3.2XD-MSM定速式摩擦材料试验机（咸阳新益摩擦密封材料设备研究所）；
3.3XJ-40A塑料冲击强度试验机（吴忠材料试验机厂）；
3.4犁耙式混料机（吉林工大设备研究所）。
4试样制备工艺
4.1制备方法：
首先将树脂与填料及纤维等材料按配方投料量投入犁耙式混料机，混料时间8-12分钟出料；同时将预先处理好的钢背，放入专用模具中，加入混合料进行热压成型、热处理和机械加工，即得样品。
4.2工艺流程：
原材料混料热压成型热处理机械加工
钢背
样品
4.2.1热压成型工艺参数：温度160±5℃；压力25±2MPa；时间30s/mm；
4.2.2热处理工艺参数：100±5℃/1h，140±5℃/2h，170±5℃/4h。
4.3材料配方：
在产品研发的时候，首先从配方着手，按照产品的技术要求和要达到的预期效果，选择相应的材料。在摩擦材料中，主要组成成分有三大部分。
l增强纤维：主粘接强度要考虑到产品的强度要求及无石棉化，增强纤维采用了钢纤维、超级棉LFC101、短切玻璃纤维等混合以达到耐磨、增加产品强度的作用；
l粘和剂：主要采用丁晴改性酚醛树脂，以满足各个温度段的耐温性和粘接强度；
l摩擦性能调节剂：考虑到该产品要求制动力矩大，需要较高摩擦系数，因此在配方设计中加入了复合冰晶石和三氧化二铝等增磨材料。
l同时为了提高产品的导热性，减弱高温衰退，增加耐磨性，加入铝粉等金属粉末和蛭石粉等材料来增加产品的孔隙率，降低产品硬度，减少热衰退产生。
按照上述配方设计思路，通过近二十几组试验筛选，终于研制出了HF07A钻机用无石棉配方（wt%）：丁晴改性树脂8-10，钢纤维10-15,超级棉8-10，短切玻璃纤维3-5，铝粉4-6，丁晴胶粉5-7，蛭石4-6，摩擦粉6-8，增磨材料8-12，填料20-25。
5性能测试：
5.1测试规范及设备
5.1.1摩擦系数和磨损率测试，按国标GB5763-2008及SY/T5023-1994测试规范，在XD-MSM定速式摩擦试验机上进行测试。
5.1.2冲击强度测试：按照GB5763-2008在XJ-40A型简支梁摆锤冲击强度试验机上进行测试。
5.2试样性能测试结果（见表2）。
表2试样性能测试结果表
项目常温摩擦系数150℃～250℃热摩擦系数
300℃磨损率
10-7mm3/N.m冲击力
dJ/cm2密度g/cm2
试制样品10.420.380.524.012.30
试制样品20.450.420.614.222.26
试制样品30.410.370.563.882.31
二、批量实验对比：
2.1批量试验
从以上可以看出，小样试验测试数据完全符合技术要求，可转入小批量生产。按照公司TS16949质量体系的开发要求，制定试生产控制计划，并在生产线上进行了40件的小批量生产。产品型号PSZ65A,使用钻机型号ZJ40LDB。HF07A配方在混料、热压成型、热处理等工序均表现出良好的适应性，合格率达到97.5%。从其中抽取一片，按照GB5763-2008标准规范测试，数据如下表3。
对比小样样品和小批量生产产品，其性能重复性和稳定性很好，可以进行大批量生产。随后我们将小批量生产产品送往国家非金属矿产品质量监督检验中心进行检测，结果符合SY/T5023-94标准(见检验报告)。之后，我们批量生产160片送陕北井队进行现场试验。现场试验在2008年3月至10月进行，试用情况良好。
表3批量产品检测数据
试验机圆盘
温度摩擦系数(u)磨损率(10-7cm3/N.M)
升温降温
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
冲击强度(dJ/cm2)3.93
密度(g/cm3)2.26
2.2与油田现使用产品测试数据对比（见表4）。
表4与油田现使用产品测试数据对比
项目乳山韩京公司产品油田用某单位产品
圆盘温度摩擦系数磨损率(10-7cm3/NM)摩擦系数磨损率(10-7cm3/NM)
升温降温升温降温
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
冲击强度3.93dJ/cm4.63dJ/cm
密度2.26g/cm32.75g/cm3
从数据对比可以看出，乳山韩京公司的产品摩擦磨损性能均优于油田现使用产品，摩擦系数稳定，热衰退小，磨损率相比较更小。摩擦系数高、稳定，就保证在连续起下钻过程中产品有足够的制动力矩；热衰退小，更能保证在高温工况下连续起下钻过程中产品有足够的制动力矩，安全性更高；磨损率小，可使产品寿命更长，减少更换次数，省时省工。
2.3讨论
热衰退与热磨损：摩擦材料的基体（即黏结剂）是热固性酚醛树脂和橡胶。当摩擦片在制动与传动过程中，它与金属对偶的摩擦表面会产生很高的温度，达到200-400℃，甚至更高。这已达到树脂和橡胶的热分解温度区域。此时大分子由于热降解产生液态或气态的低分子物质，在摩擦表面上形成一层很薄的液态或气态介质层，或此介质层只盖住一部分表面，使原本为纯净摩擦或干摩擦摩擦的工况条件变为混合摩擦的情况，在宏观上反映为摩擦系数的下降或急剧下降，这称为热衰退。在摩擦试验机对摩擦片样品测定摩擦性能表4中可以清楚地看到热衰退现象。摩擦片长时间处于高温工况条件下，导致树脂和橡胶大分子热分解的加剧，聚合物的分子主链和交联链断裂，网状结构被破坏，低分子物质产生逸出。热分解的结果是树脂和橡胶的碳化和失去质量。碳化使树脂失去黏结作用，失去质量使黏结剂数量减少，导致摩擦片表面渐渐形成龟裂，磨损加剧，有时甚至材料从摩擦片表面脱落，丧失工作功能。
在钻机盘式片的研究过程中，主要采取了如下措施，来解决高温热衰退和热磨损的问题。首先，黏结剂选择了耐高温的丁晴改性树脂；其次，添加多孔材料如蛭石粉等来增加摩擦材料的孔隙率及内比表面积，在高温时吸收黏结剂分解产生的小分子气体，减少黏结剂对高温摩擦系数的影响；第三，加入铝粉等金属无机材料防止高温时失去质量，增加热传导，提高高温摩擦系数，降低热衰退的产生。
三、结论
3.1HF07A配方生产的无石棉钻机盘式刹车块PSZ65A型产品，各项性能指标符合SY/T5023-94标准要求，工艺参数满足其生产要求，并可以批量生产供货。同时，HF07A无石棉钻机盘式刹车块配方，也可以应用于其它型号规格的钻机用无石棉盘式刹车块的生产上。
3.2HF07A配方生产的盘式钻机刹车块具有摩擦系数稳定，在各温度段热衰退小，磨损率低等优点，解决了井队原来使用摩擦块制动力矩小，使用寿命短的缺陷。
3.3由于摩擦块软硬适中，对摩擦盘的磨损小，摩擦盘的使用寿命延长，这样不仅减少了更换摩擦块的次数，同时使摩擦盘的使用更长久，省工、省时、省材料，其经济性也是显而易见的。
3.4PSZ65A型无石棉盘式刹车块由于加入了多孔型整体钢背，整体强度增大，避免了刹车块断裂等问题的出现，安全性更可靠。
3.5项目研究取得成功。
3.6在长庆油田40631、40636、30652等井队通过半年多现场试验，井队反映良好，也证明了该刹车块的以上特点；拆卸下来的摩擦块无龟裂，无裂纹，解决了摩擦块出现裂纹及断裂的问题。