Фрикционные материалы и их классификация

 
 
 
 
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 0.3 и несколько превышает коэффициент трения при работе в паре с лучшей фрикционной сталью [10].

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 [4].

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. Недостатком простых  чугунов является возможность их растрескивания в эксплуатации при  переменных тепловых нагрузках из-за недостаточной термостойкости и прочности [9].

Легированные  чугуны наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к фрикционному материалу, работающему в условиях сухого трения. Они обладают высокой прочностью и термостойкостью[9].

 

 

 

 

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, возникает необходимость подбора оптимального материала для тормозных систем, чтобы повысить работоспособность фрикционных пар. Это задача, которая требует экспериментальной оценки работоспособности и долговечности фрикционных материалов при трении в режиме интенсивного изнашивания. Что позволит определить основные закономерности разрушения деталей трения и разработать новые фрикционные материалы, а также прогнозировать работоспособность пары трения на стадии конструирования тормозного устройства в целом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методы испытаний и  испытательные установки

 

Для экспериментальной оценки работоспособности фрикционных материалов т.е. их тепловых и износных процессов, протекающих в тормозах горного оборудования, Зиновьевым Е.В. проводились лабораторные испытания различных образцов на машине трения МФТ-1 [12].

 

 

Рис.2. - Машина трения МФТ-1.

 

Машина трения МФТ-1 предназначена для испытаний фрикционных материалов тормозов на фрикционную износостойкость. Рабочий узел смонтирован на станине 1 и состоит из двух валов, один из которых приводится во вращение электродвигателем постоянного тока 2 с регулируемыми оборотами, а второй расположен в подвижной бабке 3 с возможностью перемещения в направлении своей оси. Вращающийся вал расположен в подшипниках качения в неподвижной бабке 4. На концах валов расположены образцодержатели 9 с гнездами для установок испытуемых образцов. Осевая нагрузка на образцы создается рычагом 5 с грузом, установленным на рычажной линейке в определенном положении для создания необходи мого давления. Скорость вращения вала измеряется тахометром 7, момент трения — маятником 8, а температура — термопарой и потенциометром 6. Пара трения состоит из двух кольцевых образцов, трущихся торцами. Наружный диаметр образцов составляет 28 мм, внутренний — 20 мм, а коэффициент взаимного перекрытия к= 1.

 

 

 

 

 

 

Результаты, которые были им получены показаны на рис.3

 

 

Рис.6-Зависимость  износа от нагрузки, скорости, времени  продолжительности трения. Кривые 1-5 соответствуют материалам 1-43-60А, 6КХ-1Б, 42-77-67, АГ-1Б, 8-45.

 

Полученные результаты показывают, что композиция АГ-1Б, содержащая в качестве основного наполнителя барит, среди пяти исследуемых отличается наибольшей износостойкостью. Гораздо большим износом обладают схожие с ней по составу материалы 6КХ-1Б и 42-773-67, содержащие в качестве основного наполнителя железный сурик. Намного превосходит их по износостойкости композиция 1-43-60А, содержание железного сурика в которой в 2 раза меньше. Материал 8-45-62 содержит барита больше, чем АГ-1Б, тем не менее эта композиция наименее износостойкая. Сравнительно большой износ материала 8-45-62, вероятно, объясняется наличием в нем большего количества связующего (20%) и меньшего количества асбеста (25%).

 

В связи  с полученными данными возникает необходимость дальнейшего поиска и подбора эффективных, экономически выгодных фрикционных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 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 активно идут диффузионные процессы [4]. 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 микро участков 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 [4].

 

 

 

 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В современном машиностроении проблема износостойкости конструкционных материалов занимает одно из приоритетных мест вследствие не только технических причин (необходимость создания материалов с заданными свойствами для конструирования новых изделий), но и экономических (колоссальные затраты вследствие износа деталей машин, оборудования, инструментов).

Поэтому 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.