Фрикционные материалы. фрикционн материалыдиски. 57 7 2015issn 16834518 введениет
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Состав некоторых фрикционных порошковых материалов на медной основе [9] Марка материала Состав, мас. % Другие добавки Cu Sn Pb Fe графит Ni МК-5 72 9 8 4 7 – – М-140 73 9 8 4 4 – 1,5 % муллита ФМ-1 71 9 5 4 4 – 3 % ситалла, 4 % молибдена ФМ-2 79 – 6 4 4 – 3 % ситалла, 4 % нитрида бора ФМ-8 69 8 8 4 7 1 3 % оксида иттрия Таблица 2. Состав некоторых фрикционных порошковых материалов на основе железа [9] Марка материала Состав, мас. % Другие добавки Fe Cu Ni графит Pb ФМК-8 45 – 25 7 – 10 % Cr; 6 % W; 7 % Cu 2 S СМК-80 48 23 – – – 6,5 % Mn; 6,5 % BN; 10 % B 4 С; 3,5 % SiC; 2,5 % MoS 2 ФЖ-3 74 6 – 8 – 3 % ситалл; 6 % BaSO 4 ; 3 % Мо ФЖ-6 75 4 – 8 – 4 % ситалл; 6 % BaSO 4 ; 3 % нитрид ванадия ФЖ-8 62 3 – 10 15 5 % ситалл; 3 % ZnSO 4 ; 2 % Sn ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 62 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ го давления, скорости скольжения и темпера- туры на поверхности трения. Кроме того, износ тормозных колодок относительно невысок, в то время как износ тормозного диска практически отсутствовал или был минимальным. В работе [14] приведены также результаты исследования триботехнических характеристик фрикционной пары на основе тормозного диска из КМК и тормозной колодки из металломатрич- ного композита. В частности, на рис. 7 показаны зависимости коэффициента трения от давления и относительной скорости, в том числе в срав- нении с фрикционной парой серый чугун – ме- таллокерамика. Видно, что пара КМК – метал- локерамика обеспечивает значительно более стабильный коэффициент трения в исследован- ном диапазоне давлений и скоростей. В работе [21] для пары трения тормозной диск из КМК – тормозная колодка из метал- локерамики на основе железа также были получены высокие показатели коэффициента трения и низкие значения износа тормозного диска в широком диапазоне эксплуатационных температур по сравнению со стальным прото- типом (рис. 8). В работах [22, 23] приведены результаты определения триботехнических характеристик (коэффициент трения в зависимости от скоро- сти и средний износ контртела) для образцов из КМК в паре с контртелом из фрикционной металлокерамики типа ФЖ-11 и композиции на основе порошков железа и керамической добавки нитрида алюминия (разработка ИПМ, Беларусь). Для сравнения были проведены ис- пытания традиционной фрикционной пары чугун – ФЖ-11, а также пары КМК и металло- керамики на медной основе типа ФМ (рис. 9). Установлено, что использование фрикционной пары КМК – ФЖ-11 позволяет увеличить коэф- фициент трения почти в 2 раза по сравнению с традиционной парой чугун – ФЖ-11 и в 3 раза по сравнению с парой КМК – ФМ при сохране- нии того же уровня износа контртела. В табл. 3 приведены результаты триботех- нических испытаний на машине трения МТ-3 тормозного диска из КМК с двумя типами ме- таллокерамических колодок на основе железа Порошок Смешивание Пресс Завершение обработки Спекание Тормозные колодки Рис. 6. Укрупненная схема типового технологического процесса получения металлокерамических колодок по данным [18] 5,95 м/с 10,96 м/с 14,81 м/с 5,95 м/с 10,96 м/с 14,81 м/с 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 p, МПа 1,16 0,84 0,42 p, МПа 1,16 0,84 0,42 Коэффициент трения 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Коэффициент трения а б Рис. 7. Средний коэффициент трения в зависимости от давления р и относительной скорости для фрикци- онных пар: а — КМК – металлокерамика; б — серый чугун – металлокерамика 0,8 COF COF 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400 500 t, °С Wear, мм 3 /МДж Wear Рис. 8. Зависимости коэффициента трения COF и объем- ного износа Wear от температуры t поверхности трения для фрикционной пары КМК – металлокерамика ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 63 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ с добавлением соответственно порошков кар- бида кремния и нитрида алюминия [22]. По- лученные результаты показывают, что приме- нение более твердых порошков (SiC) в составе металлокерамических колодок способствует повышению коэффициента трения, однако при этом отмечается существенно больший износ как контртела, так и самого тормозного диска из КМК. Такое различное поведение материа- ла контртела, по-видимому, связано с разными механизмами разрушения твердых включений при фрикционном нагружении. В процессе из- носа твердые керамические добавки выходят на трущуюся поверхность и вступают в контакт с компонентами КМК. Как отмечается в работе [22], возможны два варианта их поведения. Согласно первому варианту предполагает- ся, что керамические частицы не разрушаются в процессе трения и вовлекаются в процесс по- верхностью КМК до тех пор, пока сопротивление деформированию не превысит силы сцепления поверхностей. В результате этого происходит разрыв в плоскости контакта с существенной потерей массы. При этом такие частицы обе- спечивают высокий коэффициент трения фрик- ционного материала, однако при этом вызывают относительно высокий износ как фрикционно- го КМК, так и самого металлокерамического контртела. Согласно второму варианту предпо- лагается, что твердые включения контртела раз- рушаются в процессе работы. В этом случае они также вовлекаются в процесс КМК, однако раз- рушаются в процессе контакта с КМК с образо- ванием мелких фрагментов. Эти фрагменты ке- рамических частиц, как правило, внедряются в фрагментированный слой материала контртела, обеспечивая его прочностные свойства и умень- шение степени износа. Реализация одного из двух вариантов и, со- ответственно, выбор конкретных абразивных компонентов и их долей в фрикционной компо- зиции тормозных металлокерамических колодок во многом определяются соотношением твердо- сти керамических добавок контртела и керами- ческой матрицы КМК. В данном исследовании введение твердых SiC-частиц в металлокерами- ческую композицию приводило к реализации первого варианта поведения фрикционной пары, а менее твердых частиц AlN — к реализации вто- рого варианта поведения керамических частиц на поверхности контакта фрикционной пары. Как отмечается в работе [22], на характер процесса трения и триботехнические характе- ристики пары трения КМК – металлокерамика существенно влияют фазовый состав и соотно- шение структурных компонентов в самом тор- мозном диске из КМК. Так, варьируя объемной долей углеродных волокон (УВ) и, соответствен- но, долей карбидкремниевой матрицы, можно в широких пределах изменять показатели коэффи- циента трения и износа диска из КМК и метал- локерамических колодок. В табл. 4 приведены результаты триботехнических испытаний пар трения из КМК с различной долей углеродно- го волокна и металлокерамического контртела на основе железа, графита и порошков карбида кремния. Результаты показывают, что наиболь- ший коэффициент трения обеспечивает фрик- ционная пара с КМК-40, а наименьший износ Таблица 3. Результаты триботехнических испытаний различных пар трения Пара трения Коэффициент трения Износ (палец), мг/км Износ (диск), мг/км диск палец I *1 II *2 I II I II КМК Fe, C, AlN 0,38 0,41 1,49 1,58 0,06 0,63 Fe, C, SiC 0,9 0,95 1,24 2,79 0,57 2,1 *1 Испытание при давлении 0,42 МПа. *2 Испытание при давлении 0,51 МПа. 1,0 а б I II 0,8 0,6 0,4 0,2 0,4 0,2 0 0 0 5 10 15 v, м/с 20 Коэффициент трения Коэффициент трения Рис. 9. Кривые зависимостей коэффициента трения от скорости v для различных пар трения: I — пары трения с ФЖ-11 (а — КМК – ФЖ-11, б — чугун – ФЖ-11); II — пара трения КМК – ФМ ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 64 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ имеет КМК-45. Вместе с тем наиболее предпо- чтительным по совокупности триботехнических характеристик является КМК-45; фрикционная пара характеризуется относительно высоким коэффициентом трения и самым минимальным износом керамического композиционного мате- риала и контртела. Фрикционные углерод-углеродные композици- онные материалы Фрикционные композиции на основе углерод- ной матрицы (главным образом с углеродными волокнами) изначально применяли для тормоз- ных дисков из углерод-углеродного композици- онного материала (УУКМ). Тем не менее, в на- стоящее время колодки из УУКМ с различной модификацией состава применяют в паре со стальными, алюмоматричными и керамически- ми тормозными дисками [24, 25]. Фрикционные материалы на основе УУКМ могут быть получе- ны двумя способами или их комбинациями — жидкофазным, путем карбонизации полимер- ной матрицы углепластикового полуфабриката (PIP-процессы), или газофазным, путем осаж- дения пироуглерода из углеродсодержащей га- зовой среды в пористом волокнистом каркасе (CVI-процессы). Главными достоинствами фрикционных композиций на основе углеродной матрицы являются высокий коэффициент трения, те- плостойкость углеродной основы (> 1000 °С), размерно-температурная стабильность. Одна- ко для этого материала характерны и суще- ственные недостатки, такие как низкий ко- эффициент трения (0,15–0,20) до 250–300 °С, невысокая теплопроводность в направлении, перпендикулярном поверхности трения, и достаточно высокий износ [26]. Поэтому для надежной эксплуатации тормозных дисков и колодок из этого материала требуются их предварительный прогрев и поддержание в нагретом состоянии. Частично эти проблемы могут быть решены путем введения в состав композиции абразивных материалов и моди- фикаторов, таких как SiC, Al 2 O 3 , B 4 C, бор и ме- таллические порошки или волокна (например, медные) [24, 26]. В научной литературе имеется информация об успешном опыте применения тормозных ко- лодок из композитов с углеродной матрицей, полученной методом PIP, в паре с тормозными дисками из КМК [25, 27]. В работе [27] при- ведены различные варианты рецептур УУКМ для тормозных колодок, получаемых методом PIP (табл. 5), и результаты их триботехниче- ских испытаний в паре с диском из КМК (табл. 6). Полученные результаты показывают вы- сокую чувствительность трибологических ха- рактеристик пар трения к типу применяемых компонентов и их рецептурам. Тем не менее, несмотря на достаточно широкие возможно- сти модифицирования материала колодок из УУКМ, имеющиеся негативные свойства тако- го материала (малый коэффициент трения до Таблица 4. Результаты триботехнических испытаний пар трения из КМК различного состава и металлокерамического контртела [22] Начальное содержание УВ в углепластике, об. % Тип КМК Коэффициент трения Износ КМК, мг/км Износ контртела, мг/км 20 КМК-20 0,58 0,85 3,53 30 КМК-30 0,52 1,01 2,21 40 КМК-40 0,87 0,79 3,00 45 КМК-45 0,69 0,25 1,55 Таблица 5. Различные варианты рецептур УУКМ для тормозных колодок, получаемых методом PIP Состав Содержание компонента, %, в различных типах тормозных колодок ZP01 ZP08 ZP13 ZP14 Углеродные волокна 34 33 33,5 29 SiC 12 9 20 17,5 Порошок железа – 3,5 4 – Графит – 5 4 4 CaF 2 4 2,5 – – Кокс – – – 7 Фенольная смола и другие компоненты 50 47 38,5 42,5 ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 65 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ 250 °С, повышенный износ, в том числе из-за интенсивного поверхностного окисления выше 450 °С) не дают в полной мере рассматривать тормозные колодки из УУКМ в качестве пер- спективных при использовании их в паре с тор- мозными дисками из КМК. Фрикционные керамические композиционные материалы Следует отметить, что очень часто в рекламных проспектах и аннотациях под керамическими тормозными колодками понимаются различно- го рода композиции, содержащие абразивные керамические добавки в виде порошков и во- локон. Введение во фрикционную композицию колодок таких добавок осуществляется как для металлокерамических, так и для композицион- ных материалов с полимерной и углеродными матрицами, но они от этого не становятся чи- сто керамическими. Поэтому правомерно, во избежание путаницы, называть керамически- ми только тормозные колодки, изготовленные из композиционного материала с керамиче- ской матрицей, армированной порошковыми или волокнистыми наполнителями (КМК). Важнейшая проблема широкого приме- нения этих уникальных материалов в компо- нентах систем торможения различных транс- портных средств заключается в разработке экономически эффективной технологии их по- лучения. В настоящее время наиболее важную операцию технологического процесса произ- водства изделий из волокнисто-армированных КМК — насыщение (уплотнение) волокнистого каркаса матричным материалом реализуют с помощью различных твердо-, жидко- и газо- фазных методов, а также их комбинаций [1, 2, 28]. Получаемые этими способами изделия фрикционного назначения обладают таким комплексом высоких эксплуатационных харак- теристик, как высокий и стабильный коэффи- циент трения, его независимость от темпера- турных и погодных условий, высокая износо-, коррозионно- и теплостойкость (температура эксплуатации 1200 °С и выше), стойкость к те- пловым ударам, низкие плотность, ТКЛР и шу- мовые характеристики при торможении. Следует отметить: несмотря на то, что газо- фазные методы получения композитов с угле- родной и керамической матрицами позволяют изготавливать материал с высокими физико- механическими характеристиками, однако сам процесс получения является весьма дли- тельным и трудоемким и, соответственно, сам материал очень дорогим для использования в автомобилях даже бизнес-класса. Из всех фрикционных КМК наиболее ши- рокое распространение получили композиты с карбидкремниевой матрицей, армирован- ной углеродными волокнами (C f /SiC). Среди методов получения фрикционных изделий из КМК наибольшую привлекательность с эко- номической точки зрения имеют жидкофаз- ные методы: PIP-процессы (основанные на пиролизе кремнийсодержащей полимерной матрицы углепластикового полуфабриката) и LSI-процессы (основанные на жидкофазном силицировании пористых заготовок, в состав которых входят углеграфитовые компоненты). Более подробно особенности и разновидности технологических процессов получения фрик- ционных изделий из УУКМ и КМК изложены в работе [2]. Соединение фрикционных колодок с металлическим основанием происходит на этапе сборки путем механического соединения или пайки. Достоинствами композиционных матери- алов с керамической матрицей, получаемых по технологии PIP, являются широкая воз- можность управления структурой и компо- нентным составом получаемых композиций, отсутствие термической и химической дегра- дации армирующих углеродных волокон и по- рошковых добавок при проведении пиролиза Таблица 6. Результаты триботехнических испытаний тормозных колодок из УУКМ в паре с диском из КМК Характеристика Числовые значения для различных типов тормозных колодок ZP01 ZP08 ZP13 ZP14 μ ср 0,228 0,24 0,31 0,5 μ min 0,07 0,11 0,18 0,37 μ max 0,52 0,43 0,57 0,62 μ 600 °С 0,16 0,28 0,31 0,45 μ 20 °С 0,09 0,13 0,21 0,55 Износ по массе, г/МДж 0,542 0,405 0,682 1,65 Износ по объему, мм 3 /МДж 276 233 342 1053 Плотность, г/см 3 1,66 1,62 1,69 1,61 ÍÀÓ×ÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß È ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ 66 ¹ 7 2015 ISSN 1683-4518 ÍÎÂÛÅ ÎÃÍÅÓÏÎÐÛ Рис. 10. Зависимость коэффициента трения фрикци- онных пар C/SiC–C/SiC (1) и диск из серого чугуна – колодка из C/SiC (2) от числа торможений 0,6 1 2 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 10 20 Число торможений 30 40 50 Средний коэффициент трения кремнийсодержащего связующего. Для улуч- шения триботехнических характеристик такие фрикционные композиции на стадии пропитки кремнийсодержащим связующим могут моди- фицироваться различными абразивными или стабилизирующими процесс трения добавка- ми, такими как SiO 2 , Al 2 O 3 , SiC, B 4 C, TiC, WC, MgO, ZrSiO 4 , МoS 2 , SbS 3 , CaF 2 , графит и др. [29]. Из различных методов получения тор- мозных колодок на основе PIP-процессов пред- ставляет интерес двухстадийная технология получения фрикционной композиции, когда на первом этапе пропитки фенольным связующим с последующим пиролизом получается мате- риал с пористой углеродной матрицей, а после второго этапа пропитки кремнийсодержащим связующим и пиролиза получается комбиниро- ванная углеродно-керамическая матрица [30]. Причем на первом этапе пропитки в феноль- ное связующее помимо абразивных и стабили- зирующих добавок вводят порошки Ti, Ni или Cr, которые на высокотемпературных стадиях пиролиза образуют при химической реакции с углеродной матрицей разного рода карбиды, улучшающие триботехнические характеристи- ки композиции. Фирма «Starfi re Systems», США, предложила ряд технологических вариантов изготовления тормозных колодок без применения углеродно- го волокна с использованием PIP-метода [31]. Согласно этим вариантам возможно получение как неармированных, так и армированных фрик- ционных материалов. Неармированные фрикци- онные материалы получают пиролизом смеси фенольных смол и кремнийсодержащих поли- меров. Армированные фрикционные материалы получаются путем смешивания порошков или рубленых волокон меди и/или железа и стекло- видного графита, как правило, предварительно связанных фенольным или фурановым связую- щим, и последующей их пропиткой различного типа кремнийсодержащими связующими. При- чем цикл пропитка – отверждение – пиролиз осу- ществляется не менее 4 раз. Главный недостаток технологии получения КМК PIP-методом — повышенная пористость матрицы как следствие удаления летучих ком- понентов в процессе пиролиза. Эта проблема может решаться путем увеличения количества циклов пропитка – пиролиз, но это сразу приво- дит к резкому удорожанию получаемого мате- риала. Кроме того, следует учитывать, что при изготовлении 1 кг керамики по технологии PIP образуется 9–10 кг токсичных отходов [32]. Метод LSI, коммерчески предпочтитель- ный для автомобильных тормозных дисков из КМК, также может быть применен для полу- чения тормозных колодок [1, 33]. Наиболее широко при этом используется модификация метода LSI, основанная на жидкофазном сили- цировании карбонизированных углепластиков. Данные технологические процессы обладают рядом достоинств по сравнению с другими методами получения КМК: конечный мате- риал имеет достаточно высокие прочность и теплопроводность; матрица имеет плотную, практически беспористую структуру; для реа- лизации процесса требуется относительно про- стое технологическое оборудование; процесс относительно недорог и производителен вслед- ствие небольшой продолжительности. В состав связующего, которым пропитывается волок- нистый материал, обычно входят различные порошкообразные добавки. Например, в поли- мерное связующее вводят порошки нефтяного кокса, SiC, BN, графита, сульфида марганца и др. [34]. Тем не менее по отношению ко всем рассматриваемым технологическим вариантам получения фрикционных композиций метод LSI не позволяет использовать в качестве доба- вок многие виды металлических порошков, и в первую очередь кислородсодержащих добавок. Другим вариантом улучшения эксплуатаци- онных свойств элементов торможения из КМК является разработка градиентных и слоистых фрикционных материалов, в которых высокая износостойкость поверхностных слоев сочета- ется с высокой ударной вязкостью внутренних слоев [35, 36]. Правда, следует отметить, что наличие поверхностных износостойких слоев в большей степени характерно для тормозных дисков из КМК, так как они являются самым дорогостоящим элементом, рассчитанным на длительный срок эксплуатации, в системе тор- можения автомобиля, тогда как тормозные ко- лодки являются расходным материалом. |