Фрикционный материал
Владельцы патента RU 2285018:
Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси" (BY)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (RU)
Фрикционный материал относится к использованию во фрикционных изделиях, в частности для изготовления фрикционных накладок тормозных и передаточных механизмов, а также демпфирующих устройств. Фрикционный материал, выполненный из композиции, содержит: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол, в качестве волокнистого минерального наполнителя стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0), графит, модификатор трения - смесь технического углерода, каолина и диоксида кремния, баритовый концентрат и тальк. Технический результат заключается в увеличении прочности, износостойкости и стабильности коэффициента трения фрикционного материала. 2 табл.
Изобретение относится к композиционным материалам с полимерной матрицей и может использоваться в машиностроении для изготовления фрикционных элементов тормозных систем и демпфирующих устройств.
Известен полимерный фрикционный материал, включающий фенолоформальдегидную смолу, гексаметилентетрамин, смесь волокнистых наполнителей, содержащую базальтовое волокно, асбест и модификаторы трения - оксид алюминия и фосфоритную муку [А.с. СССР № 418500, МПК1. C 08 G 37/02, C 08 G 51/08, Н 01 В 1/10, 1974].
Указанный материал имеет нестабильный коэффициент трения, невысокую механическую прочность, низкую износостойкость и высокое содержание асбеста. Известен фрикционный материал, содержащий фенолоформальдегидную смолу, смесь волокнистых наполнителей, состоящую из базальтового и стеклянного волокна в соотношении (4-10):(1-2), фрикционные модификаторы (оксид железа и графит), трибромбензойную кислоту и кремнефтористый основной алюминий [А.с. СССР № 1142488, МПК4, C 08 L 61/10, C 08 J 5/14, 1985].
Основными недостатками этого материала являются невысокие прочностные свойства, низкий и нестабильный коэффициент трения. Известна фрикционная композиция, содержащая смесь резольной и новолачной смол, волокнистый минеральный наполнитель, графит, баритовый концентрат, модификатор трения - технический углерод и различные целевые добавки [Патент RU № 2101305 С1 МПК6 C 08 L 61/10, С 08 К 13/04, C 08 L 61/10, C 08 L 9:02, C 08 K 13/04, 1998 (прототип)].
Недостатками известного материала являются большая разница между значениями коэффициентов статического и динамического трения, невысокие прочностные свойства, что ограничивает его применение в динамически нагруженных узлах трения, низкая термомеханическая прочность и износостойкость. Кроме того, в состав фрикционного материала входит экологически вредное вещество - трехсернистая сурьма, запрещенная рядом международных организаций к использованию в триботехнических материалах.
Задачей изобретения является повышение прочности, износостойкости и снижения разницы между коэффициентами статического и динамического трения.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей смесь резольной и новолачной смол, волокнистый минеральный наполнитель, графит, баритовый концентрат и модификатор трения - технический углерод, дополнительно содержит тальк, соотношение резольной и новолачной смол составляет 1:(0,2-1,0), в качестве волокнистого минерального наполнителя композиция содержит стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0), а модификатор трения находится в виде смеси и дополнительно содержит каолин и диоксид кремния, при следующем соотношении компонентов:
| смесь резольной и новолачной | 28-34 |
| фенолоформальдегидных смол | |
| волокнистый минеральный наполнитель | 12-19 |
| графит | 7-18 |
| модификатор трения | 7-15 |
| баритовый концентрат | 20-35 |
| тальк | 1,5-3,0 |
Введение в композицию стеклоровинга или смеси стеклоровинга и базальтового волокна способствует увеличению прочности материала при статических и динамических нагрузках. Экспериментально установлено, что соотношение стеклоровинга и базальтового волокон 1:(0,1-1,0) является оптимальным для данного состава материала, позволяющим достигнуть максимальную износостойкость и стабильность коэффициента трения при высокой механической прочности материала.
Смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол увеличивает прочность материала при динамических нагрузках, термомеханическую прочность, а также способствует снижению разницы между значениями коэффициентами статического и динамического трения. Пределы содержания смол обусловлены эффективным сочетанием прочности и стабильности коэффициента трения.
Модификатор трения, состоящий из смеси каолина, технического углерода и диоксида кремния, в сочетании с баритовым концентратом, стабилизирует коэффициент сухого трения при нестационарных режимах трения в условиях быстро изменяющейся скорости и нагрузки, при этом снижению коэффициента трения препятствует диоксид кремния.
Введение талька способствует повышению износостойкости материала и обеспечивает высокую стабильность коэффициента трения, особенно при знакопеременных нагрузках.
Технология изготовления материала на основе выбранных компонентов заключается в следующем. В двухлопастной смеситель периодического действия загружаются порошкообразные, включая фенолоформальдегидные смолы, и перемешиваются в течение 3-5 минут. Затем в процессе перемешивания в смеситель вводятся армирующие волокна и технологическая жидкость, например ацетон, в количестве не превышающем 1% от массы загруженного материала. Смесь тщательно перемешивается в течение 20-30 минут до получения однородной массы.
Полученную массу сушат при температуре 60-80°С до влажности 1,5-2,0%. Однородность композиционного материала обеспечивается за счет размягчения связующего в процессе смешения компонент вследствие повышения температуры смеси и воздействия технологической среды.
Из полученного однородного материала изготавливают стандартные образцы и изделия методом прямого прессования при температуре 185±5°С и давлении 50-55 МПа. Время выдержки в пресс-форме под давлением - 1 мин на 1 мм толщины образца.
В таблице 1 указаны составы материалов конкретного выполнения.
В таблице 2 представлены фрикционно-износные и прочностные характеристики приведенных выше материалов.
В качестве прототипа испытан состав, приведенный в примере 1 [Патент RU № 2101305 С1 МПК6 C 08 L 61/10, С 08 К 13/04, C 08 L 61/10, C 08 L 9:02, C 08 K 13/04, 1998 (прототип)].
Разрушающее напряжение при сжатии определяли по ГОСТ 4651-82 на машине ZD-10, ударную вязкость - по ГОСТ 4647-80 на маятниковом копре КМ-0,5. Фрикционные испытания проводили на стандартной машине трения СМЦ-1 по схеме "вал-частичный вкладыш" при скорости скольжения 0,5-2,5 м/с, удельных нагрузках 0,5-2,0 МПа.
| Таблица 1 | |||||||||||||||||
| Состав материалов | |||||||||||||||||
| N п/п | Компоненты | Контрольные составы | Заявляемый состав | ||||||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | XIII | XIV | XV | XVI | ||
| 1 | Фенолформальдегидная смола СФ342А (ГОСТ 18694-80) | 30 | |||||||||||||||
| 2 | Смесь резольной и новолачной фенолформальдегидных смол СФ342А СФП 011 Л (ТУ 6-05-1370-90) | 25 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 34 | 34 | - | 30 | 28 | 34 | 28 | 30 | 30 | 30 |
| Соотношение смол | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,1 | 1:1,2 | 1:0,5 | 1:0.5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:1 | 1:0,5 | 1:0,2 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | ||
| 3 | Графит (ГОСТ 5420-74) | 10 | 20 | 15 | 15 | 15 | 13 | 19 | 19 | 15 | 15 | 7 | 18 | 18 | 14 | 14 | 15 |
| 4 | Баритовый концентрат (ГОСТ 4682-84) | 45 | 13 | 28 | 28 | 28 | 28 | - | - | 28 | 28 | 35 | 20 | 28 | 20 | 35 | 28 |
| 5 | Тальк (ГОСТ 19729-74) | 4,0 | 1,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | - | 3,0 | 13,0 | 2,0 | 2,0 | 1,5 | 3,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| 6 | Стеклоровинг ЕС 13400454С(ТУРБ 300052047.033-2002) | 10 | - | 15 | 15 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 12 | - |
| 7 | Смесь стеклоровинга и базальтового волокна (РСТ УССР 5013-76) | - | 20 | - | - | 15 | 14 | 19 | 19 | 15 | 15 | 19 | 12 | 17 | 19 | - | 15 |
| Соотношение волокон в смеси | - | 1:0,5 | - | - | 1:1,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,5 | 1:0,1 | 1:1 | 1:0,5 | ||
| 8 | Модификатор трения: смесь каолина (ГОСТ 19608-84), технического углерода №220 и диоксида кремния (в равных соотношениях) Углеродистый материал-печная сажа | 6 | 16 | 10 | 10 | 10 | 15 | 25 | 15 | 10 | - | 9,5 | 13 | 7 | 15 | 7 | 10 |
| - | - | - | - | - | - | - | - | - | 10 | - | - | - | - | - | - | ||
| Примечание: содержание компонентов дано в мас.% |
| Таблица 2 | ||||||||||||||||||
| Фрикционно-износные и прочностные свойства материалов | ||||||||||||||||||
| Контрольные составы | Заявляемый состав | Прототип Патент RU 2101305 | ||||||||||||||||
| № п/п | Показатель | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | XIII | XIV | XV | XVI | |
| 1 | Разрушающее напряжение при сжатии, МПа | 36 | 41 | 96 | 90 | 50 | 67 | 80 | 82 | 62 | 59 | 58 | 87 | 60 | 69 | 91 | 79 | 23 |
| 2 | Ударная вязкость, кДж/м2 | 5,6 | 8,3 | 12,0 | 11,6 | 4,2 | 7,8 | 9,0 | 9,2 | 8,0 | 8,0 | 10,3 | 8,6 | 7,5 | 9,0 | 11,0 | 9,2 | 3,9 |
| 3 | Относительная интенсивность изнашивания, I 10-8 (скорость скольжения 2 м/с, удельная нагрузка 1,0 МПа) | 9,2-10,5 | 9,6-10,7 | 4,8-5,6 | 12,0-12,9 | 3,8-4,4 | 9,6-10,6 | 6,7-8,0 | 3,6-4,0 | 3,6-4,0 | 3,8-4,3 | 4,8-5,0 | 2,4-2,6 | 3,6-4,0 | 3,8-4,1 | 4,3-5,0 | 3,8-4,2 | 10,9-13,1 |
| 4 | Коэффициент трения (динамический) отн.ед. (скорость скольжения 2 м/с и удельная нагрузка 1,0 МПа) | 0,42-0,51 | 0,32-0,46 | 0,30-0,42 | 0,48-0,53 | 0,42-0,46 | 0,45-0,51 | 0,25-0,29 | 0,20-0,25 | 0,32-0,36 | 0,35-0,46 | 0,46-0,49 | 0,38-0,40 | 0,40-0,42 | 0,45-0,49 | 0,40-0,43 | 0,44-0,47 | 0,32-0,46 |
| 5 | Средняя разница между статическим и динамическим коэффициентами трения отн.ед. | 0,12 | 0,14 | 0,12 | 0,14 | 0,05 | 0,11 | 0,14 | 0,10 | 0,11 | 0,11 | 0,05 | 0,03 | 0,03 | 0,05 | 0,03 | 0,04 | 0,15 |
Образцы контртела изготавливали из стали 45 (ГОСТ 1050-74) твердости HRC 45-50.
Коэффициент статического трения определяли по скачку силы трения в момент пуска машины трения с установленным образцом под нагрузкой. Коэффициент динамического трения определяли при установившемся стационарном режиме трения. Термомеханическую прочность материала определяли при испытаниях нагретых до 553 К образцов, изготовленных из различных составов материалов, в соответствии с требованиями ГОСТ 4651-82. В качестве показателя термомеханической прочности использовали разрушающее напряжение при сжатии.
Как следует из представленных данных, предлагаемый фрикционный материал соответствует требованиям экологической безопасности и обладает более высокими фрикционно-износными и прочностными свойствами в сравнении с известными материалами. Получен новый технический эффект, заключающийся в повышении разрушающего напряжения при сжатии в 2,5-3,9 раза, ударной вязкости - в 1,9-2,6 раза. Интенсивность изнашивания у предлагаемой композиции в среднем в 2,0-2,3 раз ниже, а разница между коэффициентами статического и динамического трения в 3 раза меньше, чем у прототипа. Экспериментально установлено, что прочность при нагревании до 553 К материала, изготовленного из композиции по прототипу, снижается на 7-9%. При тех же условиях термомеханическая прочность заявляемого состава не изменяется.
Составы материалов I-Х, содержащие отдельные или запредельные предлагаемые компоненты, имеют значительно более низкие показатели, чем материалы, содержащие заявляемый состав.
Таким образом, использование предлагаемого материала позволит улучшить эксплуатационные параметры фрикционных изделий, особенно при использовании его в фрикционных демпфирующих устройствах, например, в гасителях колебаний тепловозов.
Фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол, волокнистый минеральный наполнитель, графит, модификатор трения - технический углерод, баритовый концентрат, отличающийся тем, что композиция дополнительно содержит тальк, соотношение резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол составляет 1:(0,2-1,0) соответственно, в качестве волокнистого минерального наполнителя композиция содержит стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0), а модификатор трения находится в виде смеси и дополнительно содержит каолин и диоксид кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Смесь резольной и новолачной | |
| фенолоформальдегидных смол в | |
| соотношении 1:(0,2-1,0) | 28-34 |
| Волокнистый минеральный наполнитель | 12-19 |
| Графит | 7-18 |
| Модификатор трения | 7-15 |
| Баритовый концентрат | 20-35 |
| Тальк | 1,5-3,0 |
