Фрикционные материалы.

Фрикционные материалы - это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью имеют высокий, более или менее стабильный коэффициент трения. Материалы разделяются на органические (дерево, пробка, войлок), металлические (чугун, тали У6, У7, марганцевая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, асбестотекстолит, фибра), спеченные из медной и железных основах.

Фрикционные материалы - это широкий класс материалов, предназначенный для изготовления тормозных элементов накладок муфт сцепления, фрикционных вкладышей и демпферов, применяемых в мобильных машинах, подвижном составе, самолетостроении, в технических обустройствах нефтегазодобывающих комплексов, железных дорог, транспортных систем и технологическом оборудовании для передачи или рассеивания кинетической энергии. В качестве основного наполнителя для фрикционных полимерных композиций и некоторых типов спеченных фрикционных материалов за весь более чем 80-летний период развития фрикционного материаловедения использовался асбест. Однако многочисленными исследованиями было установлено, что волокнистые частицы асбеста, являются биологически активными веществами с выраженным канцерогенным действием.

К фрикционнынным материалам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку и износостойкость как собственную, так и сопряженной стальной поверхности. Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать и обладать высокой теплопроводностью. Всем этим требованиям может отвечать только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

1) в масляной ванне, например в автоматических коробках передач современных автомобилей с фрикционными дисками и тормозными лентами:

2) при сухом трении, например тормозные накладки фрикционных механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом количестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO₂), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, а также порошка графита, талька, свинца и пр. для создания смазки на поверхностях трения,

Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициент трения и добавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционные свойства порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционного материала и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле при­меняется фрикционный сплав из следующих порошков; 60% Сu, 10% Sn, 4% Fe, 7% Pb, 4% графита, 8% пульвер-бакелита и 7% асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они применяются в виде тонкого слоя или на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая температура и поэтому приходится применять вместо медной основы железную, отличающуюся более высокой температурой плавления.

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и ме­ханизмах, передающих крутящий момент; они работают в тяжелых условиях изнашивания — при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения.

Изасбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25% фенол-формальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, кусочки латуни и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37-0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.

Недостатком неметаллических материалов является невысокая тепло­проводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (/пред < 1200 °С, Р_тах < 6 МПа). Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (8п, РЬ, N1 и др.), обеспечивающих прочность, хорошую те­плопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки — асбест, графит, оксид кремния, барит. Они выполняют те же функции, что и в асбофрикционных материалах.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а материалы на основе меди — при смазывании маслом. В многодисковой тормозной системе самолетов применяют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.

Порошковые фрикционные материалы предназначены для работы в различных тормозных и передаточных узлах автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, самолетов, станков, прессов и т.п. Фрикционные элементы из порошковых материалов изготовляют в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации. Порошковые материалы на основе оловянистых и алюминиевых бронз, содержащие свинец, графит и железо, предназначены преимущественно для работы в условиях трения со среднеуглеродистыми сталями с твердостью HRC 45 - 50 при давлении до 35 МПа и скорости скольжения до 50 м/с. При меньших давлениях и скоростях до 5 м/с используют металлопластмассовые материалы. Порошковые материалы на основе железа, содержащие добавки меди, графита, оксида кремния, асбеста, сернокислого бария предназначены для работы в условиях трения при давлении до 3 МПа и скоростях до 60 м/с в паре с чугуном либо легированной сталью в тормозных устройствах различной конструкции (дисковых, колодочных, ленточных тормозах). В сравнении с асбофрикционными материалами порошковые материалы обладают более высокими значениями термо- и износостойкости - в 2-4 раза, а в некоторых случаях, например при работе с легированным чугуном, и более высокими (на 15 - 25 %) коэффициентом трения. Применение порошковых фрикционных материалов в тормозных передаточных устройствах взамен применяемых литых (сталь, чугун) либо асбофрикционных материалов позволяет повысить долговечность, надежность и эффективность фрикционных узлов, имеющих более высокий коэффициент трения, высокую стабильность, износостойкость и термостойкость.

Фрикционные узлы принадлежат к наиболее важным узлам в машинах, так как они в первую очередь определяют надежность и долговечность их работы, а во многих случаях (авиация, автомобильный транспорт) и безопасность.

Спеченные фрикционные материалы предназначены для работы в различных тормозных и передаточных узлах самолетов, автомобилей, гусеничных машин, дорожных и строительных механизмов, станков, прессов и т. п.

Использование этого класса материалов для работы с принудительной смазкой (фрикционы, электромагнитные муфты, синхронизаторы, муфты предельного момента, гидротрансмиссии и т. д.) и без нее (муфты сцепления, тормоза, электромагнитные муфты и др.). Взамен применяющихся литых (сталь, чугун) либо асбофрикционных материалов в сопряжении с чугуном или сталью позволяет повысить долговечность, надежность и эффективность фрикционных узлов машин и механизмов. Создать новые конструкции фрикционных узлов с высокой энергоемкостью, высоким и стабильным коэффициентом трения, высокой износостойкостью и термостойкостью обоих элементов пары трения. Применение спеченных фрикционных материалов не только улучшает технические характеристики машин, но и обеспечивает высокую экономическую эффективность за счет увеличения долговечности узлов трения и снижения эксплуатационных затрат. Основные механизмы, где применяют фрикционные спеченные материалы -передаточные устройства, обеспечивающие передачу трением вращения с одного вала на другой, работающие всухую - слабонагруженные (сельскохозяйственные тракторы, металлорежущие станки, контрольные системы в самолетах, дорожные тракторы). Средненагруженные (чеканочные и штамповочные прессы, промышленный транспорт); тормоза для работы в условиях сухого трения - средненагруженные (автоматические, штамповочные и чеканочные прессы), тяжелонагруженные (самолеты); сцепления, работающие в масле - средненагруженные (легкие автоматические трансмиссии, металлорежущие станки, сцепления управления тракторов), тяжелонагруженные (силовые трансмиссии в тракторах); тормоза, работающие с жидкой смазкой - средне - и тяжелонагруженные (грузовики для работы в сельской местности). Фрикционные элементы со спеченными материалами изготавливают в виде дисков, секторных накладок и колодок различной конфигурации.

Вопросы для повторения раздела.

1. Какие требования применяют к фрикционным материалам?

2. Когда используют порошковые фрикционные материалы?