Фрикционные материалы. фрикционн материалыдиски. 57 7 2015issn 16834518 введениет
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 57 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ ВВЕДЕНИЕ Т ормозные системы являются одними из важнейших систем автомобильного, желез- нодорожного и авиационного транспорта. Эле- менты тормозных систем должны обеспечивать долговременность срока эксплуатации, незави- симость трибологических характеристик от тем- пературных и погодных условий, стабильность при длительных сроках эксплуатации тормоз- ных систем, малошумность и комфорт процесса торможения и т. д. Эти требования главным об- разом определяются комплексом физико-меха- нических, теплофизических и трибологических характеристик материалов фрикционной пары. Пара трения в автомобиле состоит, как пра- вило, из тормозного диска и тормозных колодок, накладок и т. д. Тормозные диски в основном изготавливают их серого чугуна, различных ма- рок сталей, титановых сплавов и композицион- ных материалов с металлической, углеродной и керамической матрицами, армированными абразивными порошковыми материалами, угле- родными и керамическими волокнами. Вместе Обзорная статья К. т. н. А. С. Нилов 1 , к. т. н. В. И. Кулик 1 , д. т. н. А. П. Гаршин 2 ( ) 1 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ», Санкт-Петербург, Россия 2 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», Санкт-Петербург, Россия УДК 666.762.81:621.83.059.1 АНАЛИЗ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК ДЛЯ ВЫСОКО- НАГРУЖЕННЫХ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ С ДИСКАМИ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Приведен анализ основных тенденций, существующих в технологии производства современных фрикционных материалов и тормозных колодок с использованием керамических материалов (ке- рамоматричных композитов — КМК) в высоконагруженных автомобильных тормозных системах на основе тормозных дисков из КМК с SiC-матрицей, армированной углеродными волокнами. Для сравнения также подробно анализируется ряд других материалов и технологий, используемых для изготовления тормозных систем. Ключевые слова: керамические материалы, фрикционные керамические материалы, тормозные диски, тормозные колодки, керамоматричные композиты (КМК), композиты с SiC-матрицей, по- лимерные композиционные материалы, металлокомпозиты, углерод-углеродные композицион- ные материалы (УУКМ), газо- и жидкофазные процессы получения УУКМ и КМК. А. П. Гаршин E-mail: apgarshin@gmail.com с тем перечень материалов и композиций для тормозных дисков достаточно ограничен. В отличие от тормозных дисков для тор- мозных колодок, производимых различными фирмами, базовый выбор материалов и, са- мое главное, количество различного рода до- бавок определяют огромное количество типов тормозных колодок. Тем не менее рецептуры и технологии формования фрикционных коло- док являются, как правило, самой закрытой частью производственного процесса и в от- крытой печати практически не публикуются [1]. Причем фирмы-изготовители, как правило, разрабатывают их под соответствующие мате- риалы тормозных дисков, температурные ре- жимы и характер торможения, минимальность износа фрикционной пары, сроки эксплуата- ции, минимальную зависимость от погодных условий, экологичность и экономичность про- изводства и эксплуатации, комфорт вождения автомобиля и его обслуживания и др. Среди крупнейших мировых производителей тормоз- ных колодок можно отметить «Federal Mogul», «Honeywell», «TMD Friction», TRW, «Allied Signal», «Ferodo» (основатель — Великобрита- ния), «Otto Zimmermann» (основатель — Гер- мания), «Masuma» (Япония), «Hankook FRIXA» (Южная Корея), EBC, «Brembo Group» (глав- ный офис в Италии, тормозные системы для ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 58 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ автомобилей Porsche и Ferrari), ATE, «Akebono Roadhouse», «Finwhale», «Bosch», «Lockheed», «Nisshinbo» (NBK), «Sumitomo», «Akebono» (Япония), «Kashiyama», LPR и др. В странах СНГ — АТИ, ТИИР, «МарКон» (г. Ярославль), завод «АККОР» (г. Набережные Челны), Ниже- городский завод по производству тормозных колодок «ЮККА» (Россия); «Dafmi», «Best» (Украина), ГНУ ИПМ, ПРУП «Молодечный за- вод порошковой металлургии» (Беларусь) и др. Сложные условия работы тормозных устройств в автомобильном, железнодорожном и авиационном транспорте (температура в зоне контакта тормозных колодок при экстренном торможении может достигать 1000–1200 °С) требуют поиска термостойких и износостойких материалов для создания нового поколения фрикционных материалов и тормозных систем современного транспорта. Одним из весьма пер- спективных материалов для этой цели могут служить керамические композиционные мате- риалы (керамоматричные композиты — КМК), отличающиеся комплексом таких эксплуатаци- онных свойств, как высокий коэффициент тре- ния, повышенная износо-, коррозионно- и тепло- стойкость (температура успешной эксплуатации может достигать 1200 °С), невысокие плотность и ТКЛР, отсутствие шума при торможении. Общей тенденцией развития и совершен- ствования современных транспортных средств являются повышение мощности и увеличение скорости движения. Это приводит к тому, что температура в зоне трения фрикционной пары в условиях экстренного торможения может пре- вышать 1200 °С. Эти обстоятельства постоянно стимулируют исследования по созданию новых типов фрикционных материалов с более высо- кими эксплуатационными характеристиками. Среди фрикционных материалов последнего поколения, которые потенциально могут быть использованы в высоконагруженных системах торможения, особое место занимают керами- ческие композиционные материалы (керамо- матричные композиты — КМК) с карбидкрем- ниевой матрицей, армированной углеродными и другими типами волокон [2]. В настоящее вре- мя фрикционные КМК начинают активно при- меняться для производства тормозных дисков. Одна из важнейших проблем при разработке эффективных тормозных систем на основе тор- мозных дисков из КМК заключается в подборе для них соответствующих тормозных колодок, которые могли бы выдерживать жесткие усло- вия эксплуатации (нагрев выше 1000 °С и абра- зивный характер трибоконтакта) и при этом иметь комплекс высоких триботехнических, физико-механических, теплофизических, эко- логических и экономических характеристик. На рис. 1 показаны допустимые температур- ные диапазоны эксплуатации основных типов фрикционных материалов, применяемых в па- рах трения транспортных средств [3]. Из приве- денного на рис. 1 перечня фрикционных матери- алов можно выделить следующие типы, которые по их температурному диапазону эксплуатации удовлетворяют требованиям к парам трения с тормозным диском из КМК: металлических, с металлической матрицей и с полимерной, угле- родной и керамической матрицами. Цель дан- ной работы — анализ особенностей этих типов фрикционных материалов для тормозных коло- док и оценка возможности их использования в паре с тормозными дисками из КМК. Фрикционные композиты с полимерной матрицей До 90-х годов ХХ века производители тормоз- ных колодок успешно применяли фрикционный композиционный материал на основе полимер- ной матрицы, армированной асбестовыми во- локнами. Свойства асбеста гарантировали ста- бильный и достаточно высокий коэффициент трения, а высокий температурный порог (до 800 °С) допускал широкое поле эксплуатации материала. Однако из-за экологической опас- ности асбеста производство колодок с асбесто- выми добавками неуклонно снижается. Хотя используемый в тормозных колодках длинново- локнистый хризотил-асбест не угрожает здоро- вью людей в отличие от разновидностей асбе- ста, относящихся к амфиболам [4]. Композиции с полимерной матрицей условно подразделяют на полиметаллические (с содержанием волок- нистых и порошковых металлических добавок 30–70 %), малометаллические (с содержанием 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Фрикционные материалы Температура поверхности трения, °С Кожа, катрон, пробка Древесина Полимерные на основе каучуков, спеченные порошковые материалы на основе алюминия Спеченные порошковые на основе меди Спеченные порошковые на основе железа Композиционные с углеродной матрицей Композиционные с керамической матрицей Чугун Полимерные на комбинированном связующем Полимерные на смоляном связующем Полимерные на смоляном связующем после термообработки Рис. 1. Основные типы фрикционных материалов, приме- няемых в парах трения транспортных средств, и их экс- плуатационные температурные диапазоны. Пунктирная линия — средний характерный температурный уровень эксплуатации пар трения с тормозным диском из КМК ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 59 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ металлических добавок 10–30 %) и безасбесто- вые органические (non-asbestos organic — NAO, или просто органические), в которых вместо металлических добавок используют органиче- ские и керамические волокнистые и порошко- вые материалы. Фрикционные материалы с полимерной матрицей, как правило, содержат четыре типа компонентов: полимерные смолы, или компа- унды, абразивные наполнители, модифицирую- щие добавки и различного рода армирующие материалы (рубленые волокна, войлок, сетка и т. д.) [5]. Некоторые типовые составы компози- ций тормозных колодок показаны на рис. 2 [6]. В качестве полимерной связки, как прави- ло, используют каучуки (до 200 °С) и феноль- ные смолы или их модификации [6, 7], которые выдерживают температуру на поверхности трения до 400–450 °С. Небольшого повыше- ния температур эксплуатации можно достичь за счет применения полиамидных смол типа АПИ-2, но они гораздо менее технологичны [8]. К основным типам абразивных добавок от- носятся порошки следующих материалов: SiO 2 , Al 2 O 3 , SiC, B 4 C, TiC, WC, Fe 2 О 3 , Fe 3 О 4 , Cr 2 O 3 , MgO, ZrSiO 4 и др. [6, 7, 9, 10]. Как правило, ис- пользуются абразивные материалы твердостью по Моосу от 7 до 9. Введение модифицирующих добавок на- правлено на решение широкого круга задач — образование пленки трения и стабилизацию самого процесса трения (либриканты), сниже- ние износа, повышение коэффициента трения, теплостойкости и теплопроводности. Среди наиболее используемых модифицирующих до- бавок можно выделить CaSiO 3 , Ca(OH) 2 , CaCO 3 , BaSO 4 , MoO 3 и либриканты — МoS 2 , графит, кокс, Sb 2 S 3 , PbS, Cu 2 S [6, 7, 10]. В качестве мо- дифицирующих добавок можно использовать также металлические порошки — Fe, Cu, Al, Sb и др., которые, помимо решения задач по- вышения теплопроводности, создания пленки трения и снижения износа, могут выполнять роль абразивных добавок. В качестве армирующих материалов ис- пользуют металлические (например, Fe, Cu, сталь) и органические (арамидные и углерод- ные) волокна, керамические волокнистые мате- риалы (микрофибра из K 2 TiO 3 , Mg 4 Si 6 O 15 (OH) 2 · ⋅ 6H 2 O (сепиолит), Al 2 O 3 , стеклянные и базальто- вые волокна) [6, 7, 9]. Волокнистые наполнители, помимо повышения прочности и жесткости ма- Модифицирующие добавки 34 % Модифицирующие добавки 15 % Армирующие волокна 27 % Армирующие волокна 10 % Либриканты 10 % Либриканты 29 % Абразивные материалы 9 % Абразивные материалы 6 % Связующее 20 % Связующее 40 % а б Рис. 2. Типовые составы композиций колодок на осно- ве полимерной матрицы: а — по данным патента US 6080230; б — колодки фирмы «Ferodo» 1 2 3 4 5 6.1 6 7 9а 9б 8 9 10 11 7.1 8.1 9.1 12 Смешивание фрикционного состава Развесовка Термообработка Шлифование Заготовка для колодки Очистка от пыли и грязи Сушка Резка Шлифование наружной дуги Сверление Заклепывание Маркировка и упаковка Испытание Зачистка, нанесение клеевого состава Приклеивание накладок/колодок на основание Шлифование наружной дуги Резка Формообразование Колодки/накладки на клеевой основе Колодки/накладки на заклепках Склеивание Многопозиционный горячий процесс Рис. 3. Блок-схема типового технологического процес- са получения автомобильных тормозных колодок на ос- нове композиций с полимерной матрицей ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 60 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ териала колодки, как и металлические порошки, улучшают триботехнические и теплофизические характеристики фрикционного материала. На рис. 3 показана типовая блок-схема тех- нологического процесса получения автомо- бильных тормозных колодок на основе компо- зиций с полимерной матрицей [11]. Основные стадии этого процесса — смешивание фрикци- онного состава, горячее прессование, соедине- ние с металлической основой, механическая обработка. Изготовляемый по этой схеме тип тормозных колодок нашел широкое примене- ние для стальных тормозных дисков. Однако у них есть серьезное ограничение — низкая термостойкость и, соответственно, низкая износостойкость при высоких температурах на поверхности трения, которые даже с уче- том химической или термической модифика- ции материала связки не должны превышать 800 °С. Так, установлено, что при повышении температуры на поверхности колодок из ком- позита на полимерной связке от 100 до 350 °С их износ возрастает более чем в 5 раз [12]. Вместе с тем имеется информация о приме- нении тормозных колодок с полимерной матри- цей в паре с тормозными дисками из КМК. На- пример, приводятся результаты исследования такой фрикционной пары с коэффициентом трения примерно 0,6 [13] (рис. 4). Однако полу- чаемые в работе температуры на поверхности трения 100–120 °С, вполне допустимые для ма- териалов с полимерной матрицей, все же не ха- рактерны для реальных условий эксплуатации тормозных систем с дисками из КМК. На рис. 5 показаны зависимости коэффициента тре- ния фрикционной пары диск из КМК – поли- мерная колодка и традиционной пары диск из серого чугуна – полимерная колодка от давле- ния и температуры [1]. Видно, что для диска из КМК фрикционная пара демонстрирует более стабильные триботехнические характеристики в диапазоне 100–500 °С. Таким образом, тормозные колодки на ос- нове композитов с полимерной матрицей, в принципе, могут быть использованы в паре с дисками из КМК, однако их практическое при- менение должно быть ограничено относительно малонагруженными тормозными системами. Фрикционные композиты на основе металли- ческой матрицы Композиты с металлической матрицей еще ча- сто называют металлокерамическими [9] или металломатричными [14]. Металломатричные тормозные колодки получают спеканием раз- личного рода металлических порошков с фрик- ционными (абразивными) порошками и до- бавками, стабилизирующими процесс трения и обеспечивающими отсутствие схватывания (либриканты). Наибольшее распространение получили материалы на основе железа и меди. Спеченные фрикционные материалы наиболее эффективно используют в тяжелонагруженных тормозных устройствах и фрикционных муф- тах, что определяется их высокими износо- устойчивостью, коэффициентом трения, тепло- стойкостью и теплопроводностью. Фрикционные материалы на основе меди имеют, как правило, меньшие коэффициент 0 0 10 A A B B GG 20 30 40 50 60 1 Коэффициент трения Коэффициент трения 2 3 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 4 5 6 7 8 р, кг/см 2 v, см/с а б Рис. 4. Зависимости коэффициента трения фрикцион- ной пары КМК – полимерный композит от давления р (а) и скорости v (б) по данным [13]; образцы А и В из КМК различаются содержанием остаточного углерода и кремния; GG — образец серого чугуна GG (T = 100 °C) GG (T = 500 °C) C/C-SiC (T = 100 °C) C/C-SiC (T = 500 °C) 0 0,5 1,0 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 p, H/мм 2 Коэффициент трения Рис. 5. Зависимость коэффициента трения тормозных дисков на основе серого чугуна (GG) и КМК (C/C–SiC) в комбинации с полимерной тормозной колодкой от дав- ления и температуры по данным [1] ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 61 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ трения и предельные температуры эксплуата- ции, чем материалы на основе железа, зато они более теплопроводны. При высокой температу- ре на поверхности трения материалы на основе меди (бронза), имеющие относительно низкую температуру плавления, проявляют склонность к схватыванию с контртелом, приводящую к вырыванию частичек материала. Поэтому при- менение спеченных материалов на основе меди ограничивается изготовлением узлов трения, в которых температура на поверхностях трения не превышает 300 °С [9], хотя, по другим источ- никам [15], она может достигать 500–650 °С. В основе «медной» металлокерамики ле- жит медный порошок. Дополнительно могут вводиться различные по составу и количеству металлические добавки, такие как Sn, Pb, Zn, Fe, Ni, Ti, Al, Si, Mo, W и др. [9, 16, 17]. Сре- ди этих добавок олово повышает прочность и твердость основы, мало влияя на коэффициент трения. Иногда олово частично или полностью заменяют более дешевым цинком. Эффективно повышает прочность материала также добав- ка алюминия, который увеличивает давление схватывания меди со сталью, улучшает жаро- прочность и коррозионную стойкость порошко- вого фрикционного материала. В «медной» ке- рамике к меди добавляют также сурьму, титан, никель, железо, молибден, вольфрам и другие металлы, способствующие снижению темпе- ратуры на поверхности трения. В качестве компонентов, придающих материалу высокие фрикционные свойства, используют такие по- рошки, как SiO 2 , Al 2 O 3 , SiC, B 4 C, TiC, WC, Cr 2 O 3 , AlN и др., а также различные интерметалли- ды — FeMo, FeCr, FeTi, FeW, FeB и т. п. В ка- честве смазки, предохраняющей фрикционный материал от чрезмерного износа, применяют графит, MoS 2 , FeS, Cu 2 S, VS 2 , LiS 2 , CaF 2 , BN, BaSO 4 , Fe 2 (SO 4 ) 3 и др. В табл. 1 приведены со- ставы некоторых отечественных фрикционных порошковых материалов на медной основе. Фрикционные материалы на основе железа применяют главным образом для жесткого тор- можения с температурой на поверхности трения до 1200 °С. Для повышения теплопроводности добавляются порошки меди, а для улучшения триботехнических характеристик материала в него могут вводить такие же фрикционные и стабилизационные добавки, что и в материалы на основе меди, с оптимально подобранными со- ставами. Некоторые типы фрикционных метал- локерамических материалов на основе железа приведены в табл. 2. Типовой технологический процесс получения металлокерамических коло- док включает подготовку шихты фрикционного состава, смешение, подпрессовку шихты, высо- котемпературное спекание, механическую обра- ботку (рис. 6) [18]. Соединение фрикционных ко- лодок с металлическим основанием происходит на этапе спекания или на этапе сборки путем механического соединения или пайки. Металлокерамические тормозные колодки на основе железа являются, пожалуй, самыми коммерчески привлекательными для использо- вания их в паре с тормозными дисками из КМК. Результаты исследований по применению таких фрикционных пар трения [14, 19, 20] показали их высокие и стабильные триботехнические ха- рактеристики в широком интервале контактно- Таблица 1. |