Фрикционные материалы и их классификация

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

КР.МО51.2013.13.00.00.

Введение

 

Бурное развитие техники, интенсификация движения и увеличение массы движущихся частей деталей машин и оборудования ежегодно требуют выпуска миллионов изделий из фрикционных материалов, являющихся важнейшими конструкционными материалами современного машиностроения и предназначенных для работы в узлах, которые передают или рассеивают кинетическую энергию. Главными потребителями фрикционных материалов являются: автомобилестроение, железнодорожный транспорт, подъёмно-транспортная техника, авиация и другие отрасли народного хозяйства, где используются изделия, отличающиеся как составом и технологией изготовления, так и размерами. Из фрикционных материалов изготавливаются детали тормозных устройств, фрикционных передач и муфт сцеплений, предназначенные для создания искусственного сопротивления движению или передачи движения от одной части машины к другой за счет сил трения.

Применение  фрикционных материалов также позволяет во многих случаях повысить сроки службы машин и механизмов и, как следствие этого, увеличить межремонтные сроки и снизить затраты на ремонтные работы, значительно снизить трудоёмкость изготовления узлов и деталей трения.

Сложный комплекс трибологических процессов (трение и износ, тепло образование, температурное  деформирование и коробление фрикционных  элементов) зависит от свойств трущихся материалов, конструктивных параметров узлов трения и режимов работы устройства, которые в целом определяют эффективность и долговечность  использования изделий и фрикционных  материалов) неразрывно связана с фрикционными и износными свойствами материалом пары, которые, в свою очередь, зависят от нагрузочно-скоростных и температурно-временных характеристик фрикционного контакта, а также влияния окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Фрикционные материалы  и их классификация

 

Фрикционные материалы — материалы, предназначенные  для работы в узлах трения (тормоз, муфта, сцепление, демпфер, вариатор и др.), передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс. Эффективность работы таких материалов в значительной степени определяется стабильностью коэффициента трения, а также их износостойкостью. Фрикционные материалы применяют как при сухом трении, так и при трении со смазочным материалом. Диапазон применения фрикционных материалов связан с их составом и в первую очередь с физическими свойствами базовых материалов и специальных наполнителей. Наиболее широко применяют фрикционные полимерные материалы (пластмассы) на каучуковом, смоляном и комбинированном каучукосмоляном связующем и порошковые материалы на железной, медной и никелевой основах. В качестве контртела обычно используют фрикционные серые и легированные чугуны, а также различные стали и сплавы. При выборе сочетания материалов в паре трения необходимо также учитывать условия их совместимости. В последнее десятилетие в качестве фрикционных материалов широко применяют углеродистые фрикционные композиционные материалы. Особенно успешно их используют в одноименных парах трения и многодисковых колесных тормозах самолетов. [1].

 

Рис.1 – Классификация фрикционных  материалов

 

 

 

 

 

   К металлическим фрикционным материалам относятся чугуны и стали некоторых марок. Для тормозных колодок поездов, например, широко используется серый чугун. Чугуны не склонны к короблению, но при температурах свыше 400—600°С их коэффициент трения резко снижается, что ограничивает температурные условия использования чугунов. Существенный недостаток стальных пар трения — склонность к короблению и схватыванию при перегревах. В качестве фрикционных материалов металлы постепенно заменяются пластмассами.       

 Неметаллические  фрикционные материалы изготовляются главным образом на асбестовой основе; связующим веществом служат каучуки, смолы и т.п. Пластмассовые материалы на каучуковом связующем имеют относительно высокий и устойчивый коэффициент трения до 220—250°С; они применяются для накладок автомобильных тормозов и колец сцеплений. Пластмассовые материалы на смоляном связующем имеют более высокую износоустойчивость, но несколько меньший коэффициент трения. Один из лучших материалов этой группы — ретинакс, в состав которого входят фенолоформальдегидная смола, барит, асбест и др. компоненты; он предназначен для использования в тормозных узлах с тяжёлым режимом эксплуатации, где температура на поверхности трения может достигать 1000°С (авиационные тормоза).   

 Спечённые фрикционные материалы получили распространение в тяжело нагруженных тормозных устройствах и фрикционных муфтах, что определяется их высокими износоустойчивостью, коэффициентом трения, теплостойкостью, теплопроводностью и некоторыми др. свойствами. Проявлению хороших эксплуатационных свойств спечённых материалов в тяжёлых условиях работы способствуют входящие в их состав компоненты, одни из которых обеспечивают высокие износостойкость и коэффициент трения (карбиды и окислы металлов и т.д.), а другие — стабильность фрикционных свойств и отсутствие схватывания (графит, асбест барит, дисульфид молибдена и т.д.). Эти материалы служат для изготовления дисков, секторов, колодок методом спекания предварительно спрессованных заготовок из порошковых смесей. Для повышения прочности спечённых фрикционных материалов их изготовляют на стальной основе, соединение (сварка) с которой обычно достигается в процессе спекания. Наиболее широко применяются спечённые материалы на медной и железной основе. Фрикционные материалы на медной основе, содержащие олово, графит, свинец и др. компоненты, при работе в масле имеют коэффициент трения от 0,08 до 0,12; а при сухом трении — от 0,17 до 0,25. Температурный предел их применения 300°С.

 

 

 

 

 

Фрикционные материалы на железной основе обладают по сравнению с материалами на медной основе большей прочностью, выдерживают большие удельные нагрузки и значительно более высокую температуру. Коэффициент трения для условий работы тормозов в зависимости от состава материала 0,2—0,4. В состав материала обычно входят медь, никель, хром, барит, асбест, графит, карбиды металлов и др. компоненты. Такие материалы допускают повышение температуры на поверхности трения до 1200°С, что особенно важно в тормозных устройствах [2].

 

Также можно дать следующую классификацию областей применения фрикционных материалов:

 · передаточные устройства, 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 – средненагруженный (автоматические, штамповочные и чеканочные прессы), тяжело нагруженные (самолеты).

· сцепления, работающие в масле, - средненагруженные (легкие автоматические трансмиссии, металлорежущие станки, сцепления управления тракторов), тяжело нагруженные (силовые трансмиссии в тракторах).

· тормоза, работающие с жидкой смазкой, - средне - и тяжело нагруженные (грузовики для работы в сельской местности).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Условие работы и  требования к фрикционным материалам

 

Тормозные и  фрикционные устройства — одни из наиболее ответственных узлов большинства машин. Работа фрикционной накладки происходит в условиях сложного напряженного состояния. В результате прижатия к движущейся поверхности металлического контртела в ней возникают напряжения сжатия и сдвига. Температура в узле может достигать 1000°С. Поэтому эти материалы должны характеризоваться высокой фрикционной теплостойкостью (т. е. способностью сохранять коэффициент трения и износоустойчивость в широком диапазоне температур), низкой способностью к адгезии (т.к. они не должны при трении схватываться, т.е. как бы «прилипать» друг к другу), высокой теплопроводностью и теплоёмкостью, хорошей устойчивостью против теплового удара, возникающего в результате интенсивного выделения тепла в процессе трения. К фрикционным материалам предъявляются также требования по коррозионной стойкости, прирабатываемости, технологичности, экономичности.

 

Материалы для работы в условиях сухого трения.

 

Выбор материала (на железной или бронзовой основах) для применения в тех или иных узлах (дисковые тормоза, муфты сцепления  автомобилей, фрикционные узлы различных  приборов, реже – для колодочных и ленточных тормозов некоторых  передающих устройств) определяется технической  и экономической целесообразностью  не только производства фрикционных  деталей, но и эксплуатации узла трения в целом. 

Материалы на основе железа и его сплавов, предназначенные  для тяжелых условий работы, как  правило, не содержат в себе окислов  кремния и алюминия. С целью  повышения коэффициента трения в  этом случае вводятся тугоплавкие соединения типа карбидов, силицидов, нитридов. Они  также характеризуются обязательным присутствием 10-25% меди. Неблагоприятное  влияние двуокиси кремния объяснятся тем, что при температуре около 1165-1170ºС она легко образует с окислами железа и других металлов стеклообразные соединения – силикаты [5], а такие температуры быстро достигаются в тонких поверхностных слоях в процессе торможения.

Материалы на основе оловянистой бронзы благодаря  своей высокой износостойкости  и достаточно высокому коэффициенту трения хорошо зарекомендовали себя в тормозных и передаточных устройствах  различного назначения.

 

 

 

По сравнению  с материалами на основе железа они  значительно меньше истирают сопряженную  деталь, изготовленную из чугуна или  стали.

Материалы на бронзовой основе применяются даже для изготовления авиационных тормозных  дисков [6]. В этом случае олово, входящее в состав обычных материалов этого типа, иногда заменяется титаном, ванадием, кремнием или мышьяком для предотвращения межкристаллитной коррозии, которую оно может вызвать, проникая при высоких температурах между границами зерен несущей подкладки.

Широко используются материалы на основе оловянистой  бронзы в автомобиле- и тракторостроении. Эти материалы отличаются наличием 5-10% олова, придающего металлической  основе повышенную прочность; свинца и  графита, играющих роль твердой смазки; железа, двуокиси кремния или кремния, повышающих коэффициент трения.

Данные материалы  способны воспринимать большие нагрузки и рекомендуются для изготовления тормозных колодок и дисков тормозов.

 

Материалы для работы в условиях жидкой смазки

 
Широкое применение спеченных материалов в масляных фрикционных устройствах (муфтах сцепления, тормозах, фрикционах, синхронизаторах и т.д.) началось сравнительно недавно.

Недостатком сухих устройств кроме повышенного износа является резкое снижение их эффективности в случае попадания масла на трущиеся поверхности дисков, расположенных в непосредственной близости от обильно смазываемых подшипников, шестерен, валов и др.

В последнее  время в результате создания фрикционных материалов для работы со смазкой наблюдается тенденция к увеличению применения масляных тормозных узлов, которые не требуют отделения системы их смазки от системы смазки других деталей механизмов и узлов.

Преимущество  масляных фрикционных устройств  заключается в плавности включения; высокой износостойкости и долговечности; легкости и надежности охлаждения; упрощении герметизации. Однако при замене сухой муфты масляной уменьшается фрикционная эффективность.

В большинстве  составов в качестве металлической  связки используется медь, легированная оловом и цинком. Наибольшее распространение среди твердых смазок получили графит и свинец. Многие материалы в качестве фрикционных добавок содержат двуокись кремния и железо.

 

 

 

 

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 [7].

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 тяжело нагруженных 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.

 
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].

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 [9]. 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.