Фрикційна композиція

Винахід відноситься до виробництва фрикційних матеріалів, призначених для виготовлення деталей, гальмів різних транспортних засобів, механізмів та обладнання, зокрема до матеріалів фрикційних накладок, гальмівних колодок та дисків зчеплення муфт, і може бути використаний в інших галузях машино будівництва. Відомий фрикційний матеріал /авторське свідоцтво СРСР № 1114340 С 08 L 61/10, С 08j 5/14/ на органічній основі, яка включає фенольну смолу, волокнистий наповнювач, металомістку сполуку, органічний модифікатор, фрикційний модифікатор -а неорганічний модифікатор. У ролі волокнистого наповнювача фрикційний матеріал містись азбест або суміш мінеральних та скляних волокон; у ролі металомісткої сполуки ' речовину з групи: цинк, бронза, мідь, залізо, окиси цих металів та окис алюмінію або їх суміш; у ролі органічного модифікатора - речовину з групи порошок насіння анакардії, каучук, натуральний латекс, меласса, асфальт або їх суміш; в ролі неорганічного модифікатора - речовину з групи барити, крейда, тальк, трепел, кріоліт, волластоніт або їх суміш; та в ролі фрикційного модифікатора - частки або порошок вугілля і/або графіту. Компоненти входять до складу фрикційного матеріалу при наступному співвідношенні, мас. % Фенольна смола 8 - 14 Волокнистий наповнювач 25- 34 Металомісткі сполуки 4 - 22 Органічний модифікатор 1-7 Фрикційний модифікатор 18 - 34 Неорганічний модифікатор решта Недоліком вказаної композиції являється наявність в ній канцерогенного азбесту, низька адгезія скляних та мінеральних волокон, низька механічна міцність із-за крихкості волокон базальтового і скловолокна, низька зносостійкість композиції при підвищених температурах та нестабільний коефіцієнт тертя в інтервалі температур 100 ¸ 500°С. Найбільш близькою до запропонованого технічного рішення є фрикційна композиція /авторське свідоцтво СРСР № 890983, С 08L 9/02, С 08L 61/06,1981р./ включаюча термореактивне зв'язуюче, яке містить фенолформальдегідну смолу тa бутадієн вітрильний каучук, у співвідношенні 1,2-2,5 : 1, волокнистий наповнювач, інертний неорганічний наповнювач та неорганічні порошкоподібні модифікатори тертя та зносу. У складовій волокнистого наповнювача композиція містить спальне волокно довжиною 1 5мм. Компоненти беруться у слідуючому співвідношенні: об.% Термореактивне зв'язуюче 20,94 - 41,89 Стальне волокно 10,00 - 15,00 Інертний неорганічний наповнювач 12,42 - 25,96 Неорганічні модифікатори тертя та зносу решта до 100 Стальне волокно, яке застосовується у зазначеній композиції як волокнистий наповнювач, використовується або у вигляді стружки, знятої на токарному верстані, або у вигляді вовни, яка одержується зскрібанням зі стального дроту різцями. Стальне волокно, яке одержуюсь відомими способами, володіє суттєвим недоліком - зниження адгезійних властивостей, через залишки масляної емульсії, яка використовується при його виготовлені. При експлуатації це викликає розщеплення матеріалу і як наслідок, руйнування виробів. Суттєвим недоліком виробів виготовлених із зазначеної композиції е створення підвищеного рівня шуму. Крім цього підвищується зношування матеріалу за рахунок утворення поверхневих мікророзколин. Тріботехнічні вироби, виготовлені з вказаного фрикційного матеріалу мають слідуючі недоліки: знижений коефіцієнт тертя при низькому навантаженні; підвищений знос при високих швидкостях руху та температурах; недостатня коррозійна стійкість; знижена міцність. Компоненти, що входять до складу прототипу та визначаюсь фізико-механічні показники фрикційного матеріалу, не дозволяюсь усунули вказані недоліки та одержали композицію, яка мала б стабільні фрикційно-зносні властивості. В основу винаходу поставлено задачу створення фрикційної композиції, яка не містить канцерогенного азбесту, з використанням традиційної технології, шляхом модифікації складу волокнистoгo наповнювача, що дозволить підвищити зносностійкість, стабілізувати коефіцієнт тертя, в широкому інтервалі температур, стабілізувати теплостійкість матеріалу із даної композиції, підвищити величини гальмових моментів. Поставлена задача досягається тим, що фрикційна композиція, яка включає термореактивне зв'язуюче, що містить фенолформальдегідну смолу та каучук, волокнистий наповнювач, інертний неорганічний наповнювач та неорганічні порошкоподібні модифікатори тертя та зносу, згідно винаходу, є ролі волокнистого наповнювача містить закрісталізоааний при швидкості охолодження більшою за 103 °С/сек лускоподібний металевий матеріал з співвідношенням розмірів довжина - ширина - товщина – 200 : 1 – 60 : 1, або його комбінацію з мінеральними та скловолокнами при наступному співвідношенні компонентів, ваг. % Термореактивне зв'язуюче 15, 0 - 25,0 Інертний неорганічний наповнювач 10,0 - 30,0 Лускоподібний металевий матеріал або його комбінація з мінеральними та скловолокнами 15,0 - 45,0 Неорганічні порошкоподібні модифікатори тертя та зносу решта до 100,0 Лускоподібний металевий матеріал одержують зі швидкістю охолодження у процесі кристалізації більшою за Ю^ Ос/сек. Вказані швидкості охолодження забезпечуюсь високу дисперсність структури матеріалу, яка підвищує фізико-механічні властивості матеріалу. Лускоподібний металевий матеріал одержуюсь у вигляді часток неправильної форми із співвідношенням розмірів довжина - ширина - товщина, як 1 – 200 : 1 – 60 : 1 Наявність вказаної суттєвої відмітної ознаки, використання лускоподібного металевого матеріалу при виготовленні фрикційної композиції в кількості 15 - 45ваг.%, як компоненту, що витримує значні теплові навантаження /якість - обумов єна технологією його одержання/, забезпечує високу теплопровідність та гарантує швидкий теплопровід з поверхні тертя і, як наслідок, запобігає від термодеструкції каучукове полімерне зв'язуюче. Наддрібнозерниста /квазіаморфна/ структура лускоподібного металевого матеріалу, яка має більш розвинуту поверхню ніж у традиційних замінників азбесту: сталевого волокна, базальтового або скловолокна, та синтетичних волокон, забезпечує високу механічну міцність фрикційним композиціям. В таблиці 1 наведено приклади рецептур фрикційних композицій, що містять традиційно використовувані компоненти, які було застосовано для виготовлення накладок гальмових. Можливо використання запропонованих рецептур для виготовлення широкого спектру тріботехнічних виробів. Розвинута поверхня лускоподібного металевого матеріалу в поєднанні з фенол формальдегідною смолою забезпечує міцне щеплення наповнювачів з каучуковим зв'язуючим та сприяє утворенню міцного моноліту, що має високу міцність та незначний знос. Застосування комбінованого каучуко-смоляного зв'язуючого або його комбінація з вулканізуючою групою в поєднанні з лускоподібним металевим матеріалом забезпечує високу теплостійкість, стабільність коефіцієнту тертя в інтервалі температур 300 ¸ 500°С. Використання у складі фрикційної композиції комбінації мінеральних /у даному прикладі базальтових/ та скловолокон в поєднанні з лускоподібним металевим матеріалом, одержаним з високою швидкістю охолодження, який не містить на поверхні мастил та залишків-органіки, підвищує адгезію волокнистого наповнювача, забезпечує високу механічну міцність сумішам. Крім того відомо, що фізико-механічні властивості фрикційних матеріалів залежать від взаємодії термореактивного зв'язуючого з волокнами наповнювачів. Важливим при цьому є наявність у складі наповнювача волокон різних розмірів. Наявність суттєвої відмітної ознаки, використання лускоподібного металевого матеріалу з наведеним співвідношенням розмірів, забезпечує утворення єдиної цілісної структури фрикційного матеріалу, яка сприяє одночасній роботі волокон наповнювача при деформації. Таким чином, висока механічна міцність лускоподібного металевого матеріалу та його розвинута поверхня, максимально наближають його до азбесту, і дають можливість створювати фрикційні композиції без застосування концерогенного компоненту. Застосований у наведеному прикладі виготовлення фрикційної композиції вугільний пил, відомий як компонент здатний поглинати теплову енергію та надавати матеріалам опір при стискуванні в поєднанні із лускоподібним металевим матеріалом, гаранту, високу теплопровідність та швидкий тепловідвід, що підвищує теплостійкість, виключаючи локальний перегрів тріботехнічних виробів при гальмуванні. Використання у наведених прикладах одержання фрикційної композиції графіту дозволяє знизити рівень шуму при роботі гальмового механізму, що дуже важливо при значному наповненні композиції металомісткими компонентами. Наявність окисів алюмінію та заліза у складі глинозему та завізного сурику не забезпечують належної теплостійкості фрикційним виробам, але мають хорошу адгезійну взаємодію и фенолформальдегідними смолами та каучуками. Введення лускоподібного металевого матеріалу до складу фрикційних композицій, наведених у розглянутих прикладах підвищує теплостійкість тріботехнічних виробів. Відсутність дефектів на поверхні швидкокристалізованого лускоподібного матеріалу підвищує його міцність у 1,5 ¸ 2 рази і мікротвердість на 30 ¸ 45% у порівнянні із звичайним сталевим волокном. Завдяки вказаним властивостям, застосування лускоподібного металевого матеріалу у сполученні з компонентами, які традиційно використовуються, забезпечує одержання фрикційних композицій, що мають стабільний коефіцієнт тертя у широкому інтервалі температур. Таким чином, наявність вказаної суттєвої відмітної ознаки в поєднанні з відомими компонентами дозволяє одержати фрикційний матеріал, який не містить канцерогенного азбесту, з покращеними фрикційно-зносними властивостями та має тривалу і стабільну теплостійкість при температурах до 300°С, короткочасну фрикційну теплостійкість при температурах до 500°С і стабільний коефіцієнт тертя. Виготовлення безазбестової фрикційної композиції проводиться слідуючим способом. Каучук звільняється від тари, навантажується і подається в камеру гумозмішувача. В зимовий час каучук перед пуском у виробництво витримується на протязі доби в приміщенні при температурах не нижче 10°С. Після підготовки інгредієнтів по традиційній технології провидиться зміщування. В камеру гумозмішувача завантажується фенольна смола, каучукове зв'язуюче, частина волокнистого наповнювача, лускоподібний металевий матеріал та сурик залізний. Через 2 - 3 хвилини вводиться графіт, глинозем, трьохсерниста сурьма та решта волокнистого наповнювача. Зміщування продовжується ще їй протязі 2 - 3 хвилин. Піс'я введення вулканізуючої групи зміщування проводиться що 1 хвилину. Тиск повітря в циліндрах верхнього затвору в період змішування 5 - 6кгс/см . На протязі всього циклу зміщування стінки гумозмішувача та його ротор охолоджується водою. Тиск охолоджуючої води 2 - 3 кгс/см2. Після зняття тиску зміщування продовжується на протязі 8 – 10 хвилин. Загальний цикл змішування – 15 - 20 хвилин. Температура суміші по закінченню циклу зміщування 80 – 95°С. Із одержаної композиції виготовляють брикети методом холодного формування. Вулканізація брикетів холодного формування проводиться на пресах гарячого формування при питомому тиску на виріб 50 - 60 кгс/см2 і температурі 170 ¸ 190°С. З метою покращення якості виробів, що випускаються, через 20сек. з початку циклу вулканізації, проводиться прогазовка брикету при зніманні тиску без відкривання прес-форми. Готові вироби підлягають механічній обробці. Фрикційно-зносні характеристики, одержані на машині тертя 1 – 77 в режимі стаціонарного тертя на протязі 2 годин і фізико-механічні властивості запропонованої композиції наведені в таблиці 2. Як видно з таблиці 2, запропонована фрикційна композиція має високі показники міцності, знижений знос фрикційного матеріалу, забезпечує адекватні фрикційно-знссні показники тріботехнічних виробів. В таблицях 3 - 5 наведені результати проведення стендових випробувань. Випробування проведені на інерційному та гальмовому стенді по установленій програмі /таблиця 3/. Вимірювальна апаратура стенду дозволяє реєструвати слідуючі параметри: початкову швидкість гальмування; тиск в гальмовій камері; гальмовий шлях; температуру накладок; хід потоку гальмової камери; час гальмування. Із наведених в таблиці 4 результатів випробувань видно, що гальмові накладки, які пройшли випробування із запропонованої композиції, забезпечують виконання нормативних вимог по ефективності гальмування, обумовлених Правилами 13 EEKOОH. Усереднені силові характеристики гальма автомобіля МАЗ-64221 /графік 1/ свідчать, що середні величини гальмових моментів, одержані в гальмі з накладками із запропонованої фракційної композиції вище ніж із відомої композиції і знаходяться в зоні 15-ти процентної зони допустимого розкиду показників ефективності гальмування. Величини гальмових моментів, одержані при випробуванні накладок, виготовлених із запропонованої композиції і встановлених у гальмовий механізм автомобіля МАЗ-64221, вище ніж у накладок, виготовлених із відомої композиції. Дані наведені в таблиці 5. Запропонований склад фрикційної композиції дозволяє одержати тріботехнічні вироби, які не містять канцерогенного азбесту, мають стабільний коефіцієнт тертя в широкому інтервалі температур і стабільну теплостійкість, забезпечують нормативні вимоги по ефективності гальмування, мають підвищену зносостійкість та підвищені величини гальмових моментів. Таблиця 1 Рецептури пропонованої фрикційної композиції № п/п Найменування компонентів 1 1. 2 Каучук СКДср І, IIгр. 2. Каучук СКБ 40р, 40в, 50в 3. Каучук СКН-26 АСМ Фенолформальдегідна смола СФП-ОІІЛ 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.11. 12, Із. 14. 15. 16. Сірка технічна 2-меркаптобензтіазол Тетраметилтіурам дісульфід Баритовий концентрат Глинозем Сурик залізний Графіт Трьохсірнисга сурьма Вугільний пил Скловолокно Базальтове волокно БСТВ Лускоподібний металевий матеріал ГОСТ, ТУ використовуваних компонентів 3 ТУ 38.1032-84-85 ОСТ 38.003.79-75 ТУ 38.303-04-08-80 ТУ З8.103495-91 ТУ 6-05-1370-90 ДСТ Укр 2181-93 ДСТ Укр 2179-93 ГОСТ 127-76 ГОСТ 739-74 ГОСТ 740-76 ГОСТ 4682-84 FOCТ 6912-87 ГОСТ 8135-74 ГОСТ 5420-74 ТУ 48-142-80 ГОСТ 7478-75 ТУ 6-11-240-77 PCТ Укр 1970-86 ТУ на розгляді та узгодженні Пропонована композиція 1 2 3 4 4 5 13,0 6 7 10,0 10,0 6,0 8,0 6,0 8,0 13,0 2,0 2,5 2.0 0,4 0,1 15,0 13,5 10,0 3,0 15,0 3,0 0,4 0,1 14,0 14,0 10,0 3,0 13,0 3,0 0,4 0,1 5,0 10,0 13,5 7,0 3,0 3,0 15,0 3,0 14,0 14,0 10,0 4,0 13,0 5,0 20,0 21,0 20,0 21,0 Таблиця 2 Фізию-механічні властивості фрикційної композиції Характеристика Показник по прикладу 2 3 1 I. Фрикційно-зносні властивості 1.1. Коефіцієнт тертя по чавуну марки СЧ-1532 при температурі 100±10°С 1.2. Лінійний знос при випробовуваннях на лабораторній машині тертя, мм II. Фізико-механічні властивості 2.1. Твердість по Бринеллю, НВ 10/500/30 2.2. Міцність при зрізі, мПа 2.3. Міцність при стискуванні, мПа 2.4. Відносне збільшення маси в рідкому середовищі, % в воді в маслі 2.5. Теплостійкість по твердості, мПа Норма по ТУ 4 0,47 - 0,53 0,48 0,53 0,48 - 0,55 0,40 - 0,6 0,08 - 0,13 0,11 0,17 0,08 - 0,15 н/б 0,25 18,0 27,8 94,8 20,6 28,3 88,2 22,3 30,0 100,0 18,0 29,0 110,0 13,0 - 29,0 н/м 20,0 н/м 60,0 0,10 0,16 26,0 0,11 0,17 0,2 н/б 1,0 0,13 0,21 0,22 н/б 0,5 26,0 - 30,0 27,0 - 31,0 30,0 - 38,0 15,0 - 35,0 Таблиця 3 Програма стендових випробувань гальмових накладок із запропоновано? Композиції 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Найменування етапів Мікрометраж Припрацювання накладок Мікрометраж Випробовування типу 0 Визначення характеристик ефективності гальмування Випробування типу 1: попередній етап основний етап Визначення характеристик ефективності гальмування після типу 1 Мікрометраж 9. Зносні випробовування /повторюють 6 раз/ 10. Швидкість, км/год поч кінц. Привідний тиск Кількість гальмувань Температура °С 50 0 3 200 £120° 60 0 6,5 3 £100° 0 від 1 до 7 бар, через 1 бар 21 21 21 21 21 £120° 60 60 30 40 50 60 76 30 0 2, 8...3,2 6,5 0 від 1 до 7 бар, через 1 бар 40 6O 70 60 60 86 0 0 0 30 30 0 1,5 2,6 5,5 4,3 5,5 7,0 Примітка 30 40 50 60 76 По три гальмузан. на кожному Інтервал 60с 20 1 21 21 21 21 21 £120° 100 10 5 100 35 1 100° 100° 120° 150° 200° 100° Мікрометраж Температура на початку гальмування Таблиця 4 Показники ефективності гальмування при випробовуваннях типу 0 та типу 1, результати зносних випробовувань Найменування типу випробовувань Пазаметри ефектизності гальмування Норматив Найменування правил № 13 Випробовування типу 0 0 Гальмовий момент, Мт , кНм Уповільнення, j0; м. c-2 Випробовування типу 1 Результати випробовувань 1 Гальмовий момент, Мт , кНм ³5 13.9 5.35 ³4,0 9,6 4,0 Уповільнення, j1,м. c-2 М1 × 100% т М0 т Температура, °С Зносні випробовування Середній знос * Середній знос для накладок відомої композиції складає 0,37 - 0,43мм. ³60,0 69,0% 220 - 275 0,24 - 0,28* Таблиця 5 Показники ефективності гальмування при випробуваннях Показники ефективності гальмування Середній гальмовий момент при випробовуваннях типу 0, кН. м Середній гальмовий момент при випробовуваннях типу 1, кН. м Відома композиція Запропонована : композиція 12,5 13,9 94 9,6