Фрикционный материал
Изобретение относится к способу получению фрикционного материала, который может быть использован для изготовления деталей узлов трения различных механизмов и машин, таких как тормозных элементов барабанных и дисковых тормозов, муфт сцепления автомобилей и т.п. Фрикционный материал содержит следующее соотношение компонентов в мас.%: 10-15 порошковой полиаминимидной смолы ПАИС-104, 2-5 латекса бутадиен-нитрильного каучука (на сухое вещество), 15-25 волокнистого наполнителя, 2-7 углеродного наполнителя, 10-15 глинозема, 3-5 бронзовой стружки, 0,5-2,0 графита, 0,5-1,0 гидроксида кальция, остальное - баритовый концентрат. Волокнистый наполнитель представляет собой смесь волокон: полиоксадиазольного - оксалон, базальтового и стекловолокна при их массовом соотношении (1-2):(3-5):(1-2). В качестве углеродного наполнителя используют продукт, полученный термической обработкой путем нагрева до 700-900°С в инертной атмосфере нестехиометрического карбида титана TiCx, где 0,5≤х≤1, пропитанного индустриальным машинным маслом, дизельным топливом, отработкой или их смесью. Изобретение позволяет увеличить коррозионную стойкость материала, исключить выделение фенола при его производстве и эксплуатации изделий из него, а также уменьшить массу накладки. 3 табл.
Изобретение относится к машиностроению и транспорту, а именно к полимерным фрикционным материалам, предназначенным для изготовления деталей узлов трения различных механизмов и машин. Изобретение может быть использовано для изготовления тормозных элементов барабанных и дисковых тормозов, муфт сцепления автомобилей и т.п.
Известна полимерная фрикционная композиция (SU 1557989, 18.04.1988), содержащая, мас.%: фенолформальдегидную смолу 10-12; бутадиен-нитрильный каучук с содержанием связанного нитрила акриловой кислоты от 27 до 30% 2-3; базальтовое волокно 17-25; стеклянное волокно 3-10; бронзовую стружку 12-20; концентрат баритовый 16-21; глинозем 6-10; порошок медный 5-10; графит 1-3; углеродное волокно 1-3 и сурьму трехсернистую 3-7. Техническим результатом применения композиции данного состава является повышение износостойкости и прочности соединения колодки с накладкой при обычных и повышенных температурах. Недостатками аналога являются повышенный уровень шума при торможении и невысокая восстанавливаемость эффективности торможения при охлаждении накладок.
Частично недостатки описанной композиции устраняются другим аналогом, полимерной композицией фрикционного назначения по (SU 1709719, 15.08.1989). Полимерная композиция состоит из каучуково-смоляного связующего, вулканизирующей группы, волокнистых, минеральных и других наполнителей. Она содержит, мас.%: фенолоформальдегидную смолу 14-20; латекс бутадиен-нитрильного каучука (на сух. вещество) 6-9; вулканизирующую группу 1-6; волокнистый наполнитель 13-22; углеродный наполнитель 3-6; окись хрома 2-8; гидрат окиси кальция 3-6; мел 3-8; вермикулит 8-12; стеарат кальция 1,5-2,5 и баритовый концентрат - остальное до 100. Использование этой композиции позволяет повысить восстанавливаемость эффективности торможения при охлаждении накладок и снизить прилипание накладок к тормозному барабану. Недостатками аналога являются низкая стабильность коэффициента трения при температурах до 500°С, большой износ материала накладки и контртела.
Наиболее близкой по технологической сущности к заявляемому материалу (прототипом) является композиция для безасбестового фрикционного материала (RU 2173691, 28.07.2000), включающая каучуково-смоляное полимерное связующее, волокнистый, углеродный и минеральные наполнители при следующем содержании (мас.%) компонентов: фенолформальдегидная смола 5-10; бутадиен-нитрильный каучук 2-6; ультратонкое стальное волокно 20-50; углеродный наполнитель, термообработанный при подъеме температуры от комнатной до 200°С продукт пропитки твердого углеродсодержащего материала водным раствором смеси солей переходного металла и щелочного или щелочноземельного металла при их массовом соотношении соответственно (80-98) к (1-10) к (1-10) в количестве 5-20; латунная стружка или медный порошок 5-7; смесь карбоната и гидроокиси кальция 1-5; глинозем 1-20; карбонизованное целлюлозное волокно 1-10; вермикулит 0,5-5; сернокислый барий - до 100.
Применением прототипа достигается уменьшение уровня шума и износа материала, повышение стабильности коэффициента трения при температурах до 500°С, с пониженным износом контртела и уменьшенным уровнем брака и получение фрикционных материалов, выделяющих меньшее количество свободного фенола. Однако наличие в составе связующего прототипа фенолформальдегидной смолы не позволяет полностью исключить выделение токсичного фенола при производстве и эксплуатации фрикционного материала. Другими недостатками прототипа являются также высокая масса накладки, увеличивающая инерционность тормозного узла и повышенная коррозия материала, ухудшающая эксплуатационные характеристики накладок.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является исключение выделения фенола при производстве материала и эксплуатации изделий из него, уменьшение массы накладки и увеличение коррозионной стойкости материала.
Результат достигается тем, что во фрикционном материале, выполненном из композиции на основе полимерного связующего, представляющего собой смесь латекса бутадиен-нитрильного каучука и смолы, и волокнистого, углеродного, металлического и минерального наполнителя, согласно изобретению в качестве смолы присутствует порошковая полиаминимидная смола ПАИС-104, в качестве волокнистого наполнителя присутствует смесь волокна оксалон, базальтового и стекловолокна при их массовом отношении (1-2) к (3-5) к (1-2), в качестве углеродного наполнителя используется продукт, полученный термической обработкой путем нагрева до 700-900°С в инертной атмосфере нестехиометрического карбида титана TiCx, где х больше либо равен 0,5 но меньше 1, пропитанного индустриальным, машинным маслом, дизельным топливом, отработкой или их смесью, в качестве минерального наполнителя дополнительно присутствуют графит и баритовый концентрат, в качестве металлического наполнителя присутствует бронзовая стружка, при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошковая полиаминимидная смола ПАИС-104 от 10 до 15; латекс бутадиен-нитрильного каучука (в пересчете на сухое вещество) от 2 до 5; смесь волокна оксалон, базальтового и стекловолокна при их массовом соотношении (1-2) к (3-5) к (1т-2) от 15 до 25; углеродный наполнитель, полученный как указано выше от 2 до 7; глинозем от 10 до 15; бронзовая стружка от 3 до 5; графит от 0,5 до 2,0; гидроксид кальция от 0,5 до 1,0; баритовый концентрат - до 100.
Для изготовления материала использовали следующее сырье: полиаминимидная смола ПАИС-104, ТУ 6-05-231-192-79, порошок с диаметром частиц <100 мкм; латекс бутадиен-нитрильного каучука СКН-40 ИХМ, ТУ 38.10354-76; волокно оксалон, ТУ 6-12-00204056-56-90, длина волокон 5-10 мм; базальтовое волокно, ТУ 21-23-247-88, длина волокон 2-5 мм; стекловолокно, ТУ 6-11-240-77, длина штапеля 10-15 мм; глинозем, ГОСТ 6912.1-93; бронзовая стружка БрС-30, ГОСТ 493-79; графит, ГОСТ 5279-74; гидроксид кальция, ТУ 6-18-75-75; баритовый концентрат КБ-6, ГОСТ 4682-84.
Нестехиометрический карбид титана, использованный в предлагаемом материале для получения углеродного наполнителя, получают взаимодействием порошкообразного губчатого титана марки ПТМ с сажей в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Фрикционный материал изготавливают смешиванием указанных компонентов при атмосферном давлении в смесителях любой конструкции: лопастных, шнековых и др. в течение 10-30 мин с последующей сушкой смеси до влажности 0,5-1,0%. Из сухой смеси изготавливают брикеты-заготовки, которые затем прессуют при температуре 220-250°С и давлении 100-150 МПа. Вулканизация материала длится 4-5-6 мин на 1 мм толщины изделия с двумя подпрессовками без раскрытия пресс-формы на 5-8 минуте и на 20-25 минуте цикла.
По этой схеме из полученного материала изготавливали детали дискового тормоза автомобиля ВАЗ 2101 (дет. 2101-3501090-01А) на металлическом каркасе, которые затем подвергали испытаниям. Выделение фенола в воздух рабочей зоны при производстве и эксплуатации фрикционных изделий контролировали по известной методике, основанной на образовании азокрасителя (Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений. М.: Химия, 1975. 360 с.), готовые изделия взвешивали после кондиционирования в течение 24 часов при 20-25°С на техно-химических весах, коррозионную стойкость определяли на образцах материала размером 50×10×5 мм, оценивая их состояние визуально, и определяя потерю массы после воздействия различных сред в течение 24 часов и предварительной сушки, на аналитических весах.
Изобретение иллюстрируется на следующих примерах.
Пример 1. Получение нестехиометрического карбида титана.
В шаровой мельнице в течение 1-2 час смешивают порошок титана марки ПТОМ с сажей марки ПМ-50 в мольном соотношении 1 к n, где n больше или равно 0,5 но меньше 1. Из полученной смеси прессуют таблетки диаметром 1-2 см и высотой 3-5 см, которые затем сжигают в токе аргона. Полученные материалы измельчают в шаровой мельнице и отбирают фракцию с диаметром частиц меньше 100 мкм.
Пример 2. Получение углеродного наполнителя.
В лопастном смесителе смешивают в течение 5-10 мин 10 г нестехиометрического карбида титана с 50-100 г индустриального или любого машинного масла, дизельного топлива, отработки или смеси указанных нефтепродуктов. При необходимости содержимое подогревают для облегчения смешения. После смешения карбид титана извлекают из жидкости, дают стечь излишкам жидкости, отжимают и подсушивают. Пропитанный нефтепродуктом порошок помещают в фарфоровый тигель и прокаливают в муфельной печи при 700-900°С в течение 0,5-1,5 ч в атмосфере азота или углекислого газа до прекращения дымовыделения и полной карбонизации нефтепродукта. После остывания порошок размалывают и просеивают
Характеристики полученных нестехиометрических карбидов титана и углеродных наполнителей приведены в табл.1.
Пример 3. Получение фрикционного материала.
В лопастном смесителе в течение 5-10 мин смешивают порошковую полиаминимидную смолу ПАИС-104, латекс бутадиен-нитрильного каучука СКН-40 ИХМ, базальтовое волокно и стекловолокно, баритовый концентрат, углеродный наполнитель, глинозем, гидроксид кальция, графит, затем добавляют бронзовую стружку и волокно оксалон, перемешивание продолжают еще 10-15 мин. Готовый материал, представляет собой однородную серую пасту с включениями бронзовой стружки. Состав композиции приведен в табл.2.
Полученный материал выкладывают на решетку и сушат в вакуумном сушильном шкафу при 75-85°С до влажности 0,5-1,0%. Высушенный материал измельчают в дробилке с диаметром отверстий решета 0,5-1,0 мм.
Из полученного материала получают брикеты, которые затем помещают на металлические каркасы и подвергают горячему прессованию как указано выше. Готовые изделия извлекают из пресс-форм, освобождают от заусенцев, шлифуют и подвергают испытаниям. Результаты испытаний полученных композиций приведены в табл.3.
Техническим результатом использования данного изобретения является исключение выделения фенола при производстве и эксплуатации изделий, уменьшение массы изделий и увеличение коррозионной стойкости материала.
Применение в составе связующего в предлагаемом материале порошковой полиаминимидной смолы ПАИС-104 позволяет без потери фрикционных характеристик, присущих фенолформальдегидным смолам, добиться полного исключения выделения вредного и токсичного фенола в процессе производства и эксплуатации фрикционных изделий (табл.3). Смола ПАИС-104 получается путем полимеризации в расплаве 4,4'-диаминадифенилметана (ДАДФМ) с 4,4'-дималеинимидомдифенилметаном (ДМИДФМ) при мольном соотношении реагентов 1 к 0,4 до получения продукта с требуемыми характеристиками, то есть как при получении смолы, так и при ее переработке в составе материала отсутствует фенол.
Применение в качестве волокнистого наполнителя смеси волокна оксалон, базальтового и стекловолокна, имеющих низкую плотность, позволяет, в отличие от прототипа (где используется стальное волокно), резко снизить массу изделия (по сравнению с прототипом в 3,3 раза). Кроме того, исключением из состава материала стального волокна удается повысить коррозионную стойкость материала (табл.3). Потеря массы в кислых, щелочных и нейтральных средах не превышает 0,12 г.
Указанный углеродный наполнитель, вследствие повышенного содержания карбонизированного углерода в поверхностном слое и высокой теплопроводности карбида титана, при его введение в состав материала (табл.2), обеспечивает эффективный отвод тепла из зоны фрикционного контакта, а также улучшает внутреннюю сцепляемость компонентов композиции со связующим и состояние поверхности трения, что позволяет материалу сохранять трибологические характеристики на уровне прототипа и превосходить его.
Карбонизация поверхностного слоя нестехиометрического карбида титана позволяет уменьшить его абразивные свойства и снизить износ контртела при трении. Уменьшение содержания углеродного наполнителя ниже 2% ухудшает трибологические характеристики материала, а увеличение содержания выше 7% резко повышает его абразивные свойства, что ведет к повышенному износу контртела при трении.
Содержанием волокнистого наполнителя в материале в пределах 15-25% удается обеспечить оптимальное отношение его армирующей способности к твердости получаемых фрикционных изделий.
При увеличении содержания смолы ПАИС-104 в предлагаемом составе выше 15%, при указанном содержании каучука, наблюдается сильное уменьшение коэффициента трения с ростом температуры, характерное для смоляных фрикционных материалов. Уменьшение содержания смолы ниже 10% также нецелесообразно, так как в этом случае ухудшается монолитизация материала.
| Таблица 1. Характеристика нестехиометрических карбидов титана и углеродных наполнителей | |||||
| Карбид | Содержание | Удельная поверхность, м2/г | Обработан | Карбонизированный углерод, % | |
| титана, % | углерода, % | ||||
| TiC0,5 | 87,3 | 5,2 | масло И-20 | 8.5 | |
| TiC0,75 | 84,2 | 15,8 | 4,9 | масло М6з10в | 10,2 |
| TiC0,8 | 77,4 | 13,5 | 3,2 | диз. топливо | 7,3 |
| TiC0,9 | 81,6 | 18,4 | 3,0 | отработка М6з10в | 14,7 |
| TiC0,75 | 84,2 | 15,8 | 5,0 | смесь масел (1:1) И-20:МТ-16п | 12,8 |
| Таблица 2. Рецептуры фрикционных композиций | ||||
| Компоненты | Прототип | Состав предлагаемого материала, мас.% | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Фенолформальдегидная смола | 8 | - | - | - |
| Бутадиен-нитрильный каучук (латекс) | 4 | 2 | 3 | 5 |
| ПАИС-104 | - | 10 | 13 | 15 |
| Стальное волокно | 20 | - | - | - |
| Смесь волокон: оксалон | - | 3 | 4 | 5,5 |
| базальтовое | 9 | 12 | 13,8 | |
| стеклянное | 3 | 4 | 5,5 | |
| Углеродный наполнитель | 10 | 2 | 4 | 7 |
| Латунная стружка | 5 | - | - | - |
| Бронзовая стружка | - | 3 | 4 | 5 |
| Смесь карбоната и гидроокиси кальция | 5 | - | - | - |
| Гидроксид кальция | - | 0,5 | 0,5 | 1,0 |
| Глинозем | 5 | 10 | 13 | 15 |
| Графит | - | 0,5 | 1,0 | 2,0 |
| Карбонизированное целлюлозное волокно | 5 | - | - | - |
| Вермикулит | 3 | - | - | - |
| Баритовый концентрат | 35 | 57 | 41,5 | 25,2 |
| Таблица 3. Характеристики фрикционного материала | ||||
| Показатель | Прототип | Состав предлагаемого материала | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Содержание фенола в воздухе рабочей зоны при прессовании материала, мг/м3 | 0,6 | отс. | отс. | отс. |
| Содержание фенола в воздухе рабочей зоны при испытании на машине СИАМ, мг/м3 | 0,2 | отс. | отс. | отс. |
| Вес накладки, г | 840 | 250 | 252 | 249 |
| Интенсивность изнашивания на машине СИАМ I×10-12, м3/Дж | 0,8 | 0,5 | 0,5 | 0,3 |
| Твердость по Бринеллю 10/500/300 | 29 | 20 | 22 | 24 |
| Потеря массы (г) в среде: воды, | 0,8 | 0,02 | 0,01 | 0,01 |
| 0,5 М раствор NaCl, | 0,7 | 0,01 | 0,01 | 0,008 |
| 0,5 М раствор HCl, | 5,4 | 0,07 | 0,10 | 0,11 |
| 0,5 М раствор NaOH, | 2,5 | 0,10 | 0,12 | 0,09 |
| Внешний вид образцов после коррозионных испытаний | ржавчина трещины и вздутия, сколы | поверхность гладкая, без заметных следов коррозии, с небольшими светлыми разводами | ||
| примечание: отс. - выделение фенола отсутствует или ниже чувствительности метода |
Фрикционный материал, выполненный из композиции на основе полимерного связующего, представляющего собой смесь латекса бутадиен-нитрильного каучука и смолы, и волокнистого углеродного металлического и минерального наполнителя - гидроксида кальция и глинозема, отличающийся тем, что в качестве смолы используют порошковую полиаминимидную смолу ПАИС-104, в качестве волокнистого наполнителя смесь полиоксадиазольного волокна оксалон, базальтового и стекловолокна при их массовом отношении (1-2):(3-5):(1-2), в качестве углеродного наполнителя - продукт, полученный термической обработкой путем нагрева до 700-900°С в инертной атмосфере нестехиометрического карбида титана TiCx, где 0,5<х<1, пропитанного индустриальным машинным маслом, дизельным топливом, отработкой или их смесью, в качестве минерального наполнителя дополнительно содержит графит и баритовый концентрат, в качестве металлического наполнителя бронзовую стружку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Порошковая полиаминимидная смола ПАИС-104 | 10-15 |
| Латекс бутадиен-нитрильного каучука | |
| (на сухое вещество) | 2-5 |
| Смесь волокна оксалон, базальтового и | |
| стекловолокна при их массовом | |
| соотношении (1-2):(3-5):(1-2) | 15-25 |
| Вышеуказанный углеродный наполнитель | 2-7 |
| Глинозем | 10-15 |
| Бронзовая стружка | 3-5 |
| Графит | 0,5-2,0 |
| Гидроксид кальция | 0,5-1,0 |
| Баритовый концентрат | До 100 |
