Выбор материалов фрикционных механизмов

  В настоящее время в масляных фрикционных устройствах за рубежом кроме спеченных материалов применяются также асбестовая бумага, пропитанная смолой, и формованные материалы, содержащие большое количество металлических компонентов, так называемые полуметаллические материалы [10].

  Таким образом, в фрикционных  устройствах, работающих в условиях жидкостной смазки минеральными (или синтетическими) маслами, применяются спеченные материалы на основе медных сплавов, преимущественно на основе бронз. Эти сплавы характеризуются высокой износостойкостью при работе в тяжелонагруженных муфтах сцепления, фрикционах и тормозах.

  Коэффициент трения материалов зависит как от условий работы (скорости скольжения, удельной нагрузки, работы трения, типа и количества смазки) и конструкции смазочных канавок на поверхности трения, так и от состава материала. С целью повышения фрикционных свойств материалы вводятся различного рода неметаллические твердые компоненты. 

  3.4 Материалы для сопряженных деталей, работающих в паре со спеченными фрикционными накладками. 

  Спеченные фрикционные материалы являются одним из элементов пары трения фрикционного устройства. Поэтому работоспособность и долговечность устройства  значительной мере зависят от материала второго элемента пары трения, которые называют контртелом. В качестве материала контртел для работы со спеченными материалами применяются стали и чугуны, в некоторых случаях бронзы [8].

  Из многочисленных марок сталей в фрикционных устройствах наибольшее распространение получили углеродистые стали: сталь20(доэвтектоидная, малоуглеродистая, конструкционная), сталь35(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 40(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 45 (доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), а также сталь 65Г (доэвтектоидная, рессорно-пружинная, высокоуглеродистая, легированная, содержание марганца не более 1%) [4,5]. Состав некоторых фрикционных контртел приведен в таблицу: 

  Химический состав фрикционных контртел,%

  Достоинствами стали являются легкость изготовления фрикционных элементов механической обработкой из заготовок в виде поковок, штамповок или из листа, высокие теплофизические свойства и механическая прочность. Однако в процессе эксплуатации в условиях, когда на поверхности трения возникают значительные температуры, сталь может подкаливаться, сильно изнашиваться и обнаруживать значительное снижение коэффициента трения. Серьезными недостатками стали являются также усадка в процессе работы и коробления деталей, которые могут привести к заклиниванию и разрегулированию фрикционного устройства [5]. В связи с этим сталь используется для изготовления сопряженных деталей, работающих в паре с фрикционными спеченными материалами на основе железа в устройствах при сравнительно невысоких тепловых нагрузках.

  Сталь, как правило, в термически обработанном состоянии (твердость 40-50 HRC) используется в фрикционных устройствах, работающих при трении со смазкой. В условиях сухого трения термическая обработка уменьшает износ стали в два-три раза, но в полтора раза увеличивает износ спеченного материала [2].

  В условиях сухого трения предпочтение отдается низкоуглеродистым сталям, так как при износе при работе в паре со спеченными материалами очень мал, а износ спеченных материалов при этом втрое меньше, чем при трении по контртелу из высокоуглеродистых сталей.

  Несмотря на некоторое преимущество по износостойкости и фрикционным свойствам легированных сталей, содержащих вольфрам, хром, алюминий, марганец, кремний, в сравнении с малоуглеродистыми, из применение в промышленности ограничивается высокой стоимостью. Тем не менее, в литературе имеются сообщения о применении в некоторых случаях легированных сталей. Так, в качестве материала контртела для фрикционных материалов на железной основе с высоким содержанием графита применяются закаленные марганцевохромистые стали или кобальтомарганцовые, а также хромомолибденованадиевые стали.

  С целью предотвращения схватывания тормозных дисков при сильном их нагревании, например при посадке самолетов, используют конструкцию, состоящую из неподвижного металлического диска с фрикционным покрытием из неплавкой металлической спеченной композиции и вращающегося диска, взаимодействующего с фрикционной поверхностью.

  При работе в условиях высоких температур в паре со спеченными материалами используется также стальное контртело, напыленное вольфрамом. Коэффициент трения этой пары не снижается (даже при высоких температур) ниже 0ю3 и несколько превышает коэффициент трения при работе в паре с лучшей фрикционной сталью [7].

  Стали (а также чугуны), подвергнутые термодиффузионной обработке (азотированию, хромированию, алитированию), при испытании в паре со спеченным фрикционным материалом показывают более низкие фрикционные свойства, чем при испытании без упрочнения [2].

  При термической обработке деталей из стали 65Г (закалка в масле с последующим отпуском при температуре  500-600º С) необходимо принимать меры для предупреждения коробления, которое может проявиться при эксплуатации отрихтованных дисков. С этой целью закаленные детали следует подвергать отпуску в зажатом состоянии.

  В последнее время была предпринята попытка создать новый материал для контртела тормозного диска – графитизированную сталь [1] . Эта сталь получается комплексным легированием медью, титаном и кремнием, что позволяет исключить склонность к схватыванию поверхностей и создает условия для выделения углерода в стали в виде графита. Сталь имеет следующий состав (%): углерод - 1.3-1.5; кремний - 1.3-1.6; марганец - 0.3-0.5; медь – 1.2-1.5; титан – 0.25-0.4; сера – 0.03; фосфор – 0.035; хром – 0.20; никель – 0.20. Ее структура после термообработки : сорбит + свободный графит; механические свойства: σ_в= 85 кГ/мм²; σ_0.2=65 кГ/мм²; а_к= 2.0 кГ*м/см²; НВ 302-255; δ = 11%.

  Испытания графитизированной стали в сравнении с фосфористым чугуном при сухом трении по эталону из стали 45Х показали существенное преимущество нового материала, как по износостойкости, так и по коэффициенту трения. Структура и механические свойства этой стали сохраняются неизменными при многократных и быстрых теплосменах.

  Применение чугунов различных марок в качестве одного из элементов пары трения в фрикционных устройствах обусловлено из низкой стоимостью, простотой изготовления деталей даже сложной формы, хорошей обрабатываемостью, высокой прочностью и удовлетворительной износостойкостью. В средненагруженных муфтах сцепления и тормозах используются чугуны перлитного класса марок СЧ15-32, СЧ18-36 и некоторые другие. Желательно применять мелкозернистый серый чугун с твердостью НВ примерно 250 кГ/мм² [10].

  Не достатком простых чугунов является возможность их растрескивания в эксплуатации при переменных тепловых нагрузках из-за недостаточной термостойкости и прочности [5] .

  Легированные чугуны наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к фрикционному материалу, работающему в условиях сухого трения. Они обладают высокой прочностью и термостойкостью[5]. При тяжелых условиях эксплуатации легированные чугуны более работоспособны и долговечны, чем простые чугуны или стали, хотя значительные термические напряжения, возникающие в процессе торможения, также приводят к образованию трещин на рабочей поверхности.

  Таким образом, целесообразно создавать фрикционные пары трения, у которых оба элемента выполнены из спеченных фрикционных материалов. Это позволяет шире использовать преимущества метода порошковой металлургии и индивидуальные особенности каждого материала с целью эффективного конструирования пар для различных условий трения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Пути улучшения свойств фрикционных материалов

  Высокая износостойкость фрикционных материалов определяет экономичность эксплуатации и их надежность в работе машин или механизмов, в которых они применяются. Усилия, направленные на повышение износостойкости материалов, прежде всего, связаны с мерами борьбы против чрезмерного повышения температуры на поверхности трения и схватывания. Решение задачи повышения износостойкости имеет три основные направления: совершенствование свойств непосредственно фрикционного материала; совершенствование конструкций тормозных или передаточных устройств; регламентирование условий эксплуатации.

  Для материалов, работающих при сухом трении, как правило, характерны высокие температуры на поверхностях трения. Поэтому основным требование к материалу металлической матрицы должно быть достаточно высокая жаропрочность и устойчивость против окисления. В жаропрочных материалах в условиях эксплуатационного нагрева менее автивно идут диффузионные процессы [10]. Материалы проявляют меньшую способность к схватыванию, имеют большую стабильность механических свойств, характеризуются меньшими темпами накопления дефектов кристаллической решетки в результате приложения нагрузок. Сохраняя более высокую прочность при повышенных температурах, жаропрочные материалы меньше всего подвержены абразивному износу в результате схватывания вырывания микроучастков поверхности.

  Для фрикционных материалов, работающих со смазкой, свойства жаропрочности не имеют такого значения, как для материалов, работающих без смазки, однако и в это случае необходим определенный уровень прочности, так как при истирании и схватывание будут меньшими при более высокой общей прочности материала.

  Износостойкость материалов, работающих при повышенных температурах, в значительной степени может понижаться при интенсивном окислении поверхностей. Пленка окислов имеет меньшую механическую прочность, чем металлическая основа, она легко отслаивается и растрескивается, поэтому при интенсивном окислении можно ожидать повышения темпа износа. Для борьбы с этим недостатком также целесообразно применять более жаропрочную основу материала, которая вследствие легирования обладает большим сопротивлением окислению.

  Значительно е влияние на износостойкость и несущую способность материала может оказать пористость материала [10]. Поскольку наличие пор уменьшает механическую и усталостную прочность, одни из путей повышения износостойкости фрикционных материалов является уменьшение пористости. Допустимые значения пористости должны определяться в каждом отдельно взятом случае с учетом конкретных условий работы.

  Целесообразно развивать работы по созданию фрикционных пар, у которых оба элемента выполнены из спеченных материалов. Подобный подход позволит реализовать большие потенциальные возможности и индивидуальные особенности каждого материала, более разумно и эффективно подойти к конструированию фрикционных пар. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

1. Боровиков А.А. и др. – Вестник машиностроения, 1973, 8.
2. Введенский В.В., Баринова А.К. – В кн.: Повышение эффективности тормозных устройств. Свойства фрикционных материалов. Изд-во АН СССР, М., 1954.
3. Вязников Н.Д., Ермаков С.С. – В кн.: Применение изделий порошковой металлугрии в промышленности. Машгиз, М.-Л., 1960.
4. Гапоян А.Т. Фрикционы автоматических коробок передач (конструкция и расчет). «Машиностроение», М., 1966.
5. Знатакова Т.Н., Лихтман В.К. – ДАН СССР, 1955, 103(3)
6. Игнатов Л.Н. и др. Производство фрикционных материалов на железной основе. «Металлургия», М., 1968.
7. Прейгерзон Я.И., Генкин В.А., Ковнацкий В.С. Фрикционные металлокерамические материалы. Изд. ИНТИП, Минск, 1965.
8. Слипко Б.Л., Емелин А.А. – В кн.: Повышение эффективности тормозных устройств. Свойства фрикционных материалов. Изд-во АН СССР, М., 1959.
9. Федорченко И.М.–  Журнал технической физики, 1951, 5
10. Федорченко И.М., Крячек В.М., Панаиоти И.И. – В кн.:  Современные фрикционные механизмы. Изд-во «Наукова думка», Киев, 1975.