Трущиеся детали триботехника

Спеченные материалы на основе меди также широко используются в тяжелых  транспортных средствах. В табл. ниже приведены данные о составе фрикционных материалов на медной основе.

Состав фрикционных  порошковых материалов на медной основе

Наибольшее распространение получил  материал МК5 (первая строка таблицы). В автомобильном и тракторостроении из этих материалов изготавливают тормозные диски, колодки и накладки для муфт сцепления.

Порошковая технология позволяет  получать фрикционные материалы с заданными свойствами. Для автомобилей малой и средней грузоподъемности и для сельскохозяйственных и промышленных тракторов малой и средней мощности обычно используются фрикционные материалы на полимерной основе. Они применяются также в сельскохозяйственном и дорожно-строительном машиностроении, в буровой технике и т.д.

Как правило, в состав материалов входит 3 компонента:

теплостойкий  армирующий материал с прочными волокнами, например асбест (15¸16%);

теплостойкие  с высоким и стабильным коэффициентом трения порошкообразные наполнители неорганического происхождения (20¸60%);

полимерное  связующее: натуральные и синтетические каучуки, синтетические смолы (15¸30%) с вулканизационными агентами или отвердителями, ускорителями и активаторами вулканизации или отверждения.

Наиболее  распространенным армирующим элементом  является уникальный природный минерал, добываемый открытым методом - асбест. Элементарные волокна асбеста имеют вид трубок с наружным диаметром около 32 нм и внутренним - 2,6 нм, т.е. в поперечном направлении волокно имеет размеры, характерные для коллоидно-дисперсных материалов. Элементарные волокна упакованы в пряди диаметром от нескольких десятков до сотен микрометров. В прядях волокна удерживаются силами межмолекулярного притяжения. Средняя длина волокна составляет 1¸3 мм. По своей химической природе асбест является водным силикатом магния. Волокна асбеста обладают высокой прочностью на растяжение (до 3 гПа), много превышающей прочность стали. Полости волокон частично или полностью заполнены водой, которая образует на внутренней поверхности практически мономолекулярный слой, поэтому она проявляет свойства иные, чем обычная влага, удаляясь лишь при температуре выше 425°С. Вид кристаллической решетки этого материала достоверно не установлен. Асбест обладает высоким коэффициентом трения (до 0,8), который слабо меняется в зависимости от температуры. То же можно сказать о прочности волокон, которая при нагревании до 400°С  снижается всего на 20%. Лишь при 800°С наблюдается разрушение волокнистой структуры. Таким образом, асбест как будто специально создан как основа для фрикционного материала. Однако у асбеста имеется и существенный недостаток. Он считается экологически опасным материалом. Тончайшие моноволокна, попадая в воздух в виде пыли, образуют устойчивую взвесь, которая весьма медленно оседает. Попадая в легкие людей и животных, волокна поражают органы дыхания, вызывая заболевание "асбестоз". Пораженные участки легких могут стать центрами образования раковых клеток. Во многих странах уже запрещено использование асбеста в строительстве, электротехнике и других отраслях. Такие же тенденции наблюдаются и в производстве тормозных материалов, но найти эффективную замену асбесту пока не удалось. Имеются попытки заменить асбест волокнами из стекла, базальта, шлака, бора, углерода, но эти материалы еще не дали такого же эффекта, как асбест. В частности, нет такого материала, который так же, как асбест, очищал бы поверхность металлического контртела и при этом поглощал и связывал продукты изнашивания, не говоря о других качествах. Поэтому асбест пока сохраняет заслуженное лидерство среди компонентов фрикционных материалов.

Наполнителями асбестовых материалов служат железный сурик, баритовый концентрат, окислы хрома и других металлов. Добавляются  также порошкообразный кокс, графит, технический углерод. Для повышения теплопроводности вводятся порошки и стружка из меди, латуни, цинка, алюминия, железа и т.д.

Связующими  являются натуральные и искусственные  каучуки и смолы, а также их комбинации. Используются бутадиеновые, бутадиен-тиррильные, бутадиенметилвинилпиридимовые, стирольные и другие синтетические каучуки. В качестве смол применяются фенол-формальдегидные, анилинфенолформальдегидные, кремнеорганические, эпоксидные компаунды и др. Одновременно вводятся вулканизаторы и отвердители.

Изделия на каучуковой основе обладают достаточно высоким коэффициентом трения и  износостойкостью. Однако при повышении  температуры выше 200 ¸  250 °С коэффициент трения и износостойкость заметно снижаются.

Изделия на смоляной основе имеют большую теплостойкость, но обладают нестабильным коэффициентом трения, хрупкостью. Поэтому наилучший результат достигается при совместном использовании смол и каучуков. Неудачное сочетание связующих из-за нестабильности коэффициента трения приводит к возникновению автофрикционных колебаний (скрип и визг тормозов).

Фрикционные муфты и тормоза являются весьма ответственными узлами, поскольку определяют безопасность эксплуатации транспортных средств, поэтому при их разработке производится весьма точный и детальный расчет. Изготавливаются опытные образцы, которые проходят сначала лабораторные, затем стендовые и натурные испытания. Особо тщательно отрабатываются новые тормозные материалы, подвергающиеся длительным испытаниям по специальным методикам.

По способу  изготовления фрикционные материалы  на полимерной основе делятся на 4 группы: формованные (прессованные) материалы (колодки, накладки, секторы, пластины, вкладыши); вальцованные (ленты и накладки); тканные (ленты, накладки); картонно-латексные (накладки). Номенклатура и характеристики фрикционных и антифрикционных материалов очень обширна и содержится в справочной литературе.

Полимерные материалы

Обзор полимерных материалов (пластмасс) представлен по данным Ю.К. Машкова. Эти материалы широко применяются в узлах трения современных машин и механизмов. Применение пластмасс позволяет увеличить надежность и ресурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характеристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных металлов и снизить стоимость машин.

Пластмассы  подразделяются на термопластичные  и термореактивные. К термопластичным относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении. К термореактивным пластмассам относятся полимеры, в которых при термическом воздействии возникают реакции химического связывания цепных молекул друг с другом с образованием сетчатого строения. Такие пластмассы не могут переходить в пластичное состояние при повышении температуры без нарушения пространственных связей в структуре полимера.

Полимеры (термопластичные и термореактивные) могут использоваться в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с различными наполнителями. Из полимерных материалов изготовляют зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы подшипников скольжения, кулачковых механизмов, направляющих, уплотнений, сепараторы шарикоподшипников, втулки шарниров и т.д.

Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая технологичность, низкая себестоимость, хорошие демпфирующие свойства. Детали из термопластов изготовляют высокопроизводительными методами - литьем под давлением и экструзией; крупногабаритные детали - центробежным литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов, порошков, дисперсий.

Термореактивные полимеры обрабатываются преимущественно  методами компрессионного и литьевого  прессования, они более прочны и термостойки. Порошкообразные термореактивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонких покрытий.

В качестве антифрикционных термопластичных материалов наиболее широко используют полиамиды (капрон, П68, П6, П12 и др.), обладающие низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью и работающие при температуре от –40 °С  до +80 °С. К недостаткам полиамидов следует отнести их относительно высокое водо- и маслопоглощение. Деталям из полиамидов свойственна хорошая сопротивляемость воздействию циклических нагрузок, возможность работы без смазки в паре с закаленной сталью. Коэффициент трения полиамидов по стали без смазки 0,1¸0,2, со смазкой маслом - в пределах 0,05¸0,10.

Для повышения механических свойств  полиамиды армируют волокнистыми и  другими материалами, а для улучшения  антифрикционных свойств в них  вводят различные твердосмазочные  графитоподобные компоненты.

В качестве последних применяют  графит, дисульфид молибдена, тальк, термоантрацит, а в качестве армирующего наполнителя - мелконарубленное стекловолокно или измельченное углеродное волокно.

Температурный коэффициент линейного  расширения и водопоглощение наполненных  полиамидов в 1,5¸4,0 раза меньше, коэффициент трения без смазки в 1,2¸2,0 раза больше, а интенсивность изнашивания в 2¸5 раз ниже, чем у ненаполненных полиамидов. Полиамиды применяют также в качестве тонкослойных покрытий металлических деталей.

В приборо- и машиностроении для  изготовления деталей узлов трения широко применяют фторопласты и композиционные материалы на основе фторопластов. Фторопласты отличаются высокой химической стойкостью, высокой температуростойкостью (до 300 °С), а также сохраняют работоспособность, не охрупчиваясь при охлаждении до –250 °С.

На фторопласты практически  не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. При температуре выше 350°С фторопласты реагируют с некоторыми металлами и окислами. Коэффициент трения фторопластов, особенно фторопласта-4 (0,03¸0,05) находится на уровне значений коэффициента трения металлических пар в гидродинамическом режиме скольжения.

Применение фторопластов в чистом виде без наполнителей весьма ограничено вследствие низкой прочности и износостойкости. В машиностроении используются в основном композиционные материалы. Введение различных наполнителей (кокс, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки, стекловолокно, углеродное волокно) в количестве 15¸45% по массе позволяет значительно повысить прочность и износостойкость (в 10¸100 раз и более). Использование фторопластов в виде лаков, паст, суспензий для изготовления антифрикционных наполнителей для различных композиционных материалов на основе термопластических и термореактивных полимеров значительно снижает коэффициент трения и интенсивность изнашивания многих узлов трения.

Ароматические полиамиды применяются для изготовления деталей узлов трения как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов, наполненных фторопластом, графитом, дисульфидом молибдена и другими твердыми смазочными материалами. Детали из ароматических полиамидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью, их изготовляют методами компрессионного и литьевого прессования. Выпускаемый промышленностью ароматический полиамид фенилон стоек против многих химических веществ, масел, бензина. Детали из фенилона можно эксплуатировать при температурах от -50 до +200 ºС. Наполнение фенилона твердыми смазочными материалами значительно улучшает его триботехнические свойства.

Фенилон используют для изготовления подшипников скольжения, подпятников, уплотнений, зубчатых колес, сепараторов шарикоподшипников, деталей клапанов, кулачков и т.д.

Поликарбонат применяют в машино- и приборостроении, в радио- и электротехнической промышленности, для изготовления деталей точных станков, приборов, вычислительных машин и т.д. Поликарбонат стоек к атмосферным воздействиям, воды, водных растворов минеральных кислот и солей, окислителей, масел, в то же время он растворяется в ряде углеводородов (ацетон, толуол и др.), набухает в бензине.

Поликарбонат пригоден для работы в условиях низких и сверхнизких температур, в   среде   газообразного   и   жидкого   азота,   водорода и гелия при температуре до -253 ºС. Он обладает высокой ударной прочностью и стабильностью размеров деталей, малой ползучестью, однако плохо сопротивляется циклическим воздействиям нагрузки и имеет низкую усталостную прочность.

Промышленность выпускает поликарбонат - дифлон, наполненный 25% по массе стекловолокном (дифлон СТН) и наполненный фторопластом (дифлон ДАК 8).

Освоено производство антифрикционного поликарбоната, представляющего собой дифлон, модифицированный фторопластом - 4. У этого материала сохраняются высокие физико-механические и диэлектрические свойства поликарбоната и одновременно в 1,5¸2 раза улучшаются антифрикционные свойства. Поликарбонат перерабатывают литьем под давлением и экструзией и применяют в несмазываемых узлах трения, например в криогенной и микрокриогенной технике.

Расширяется применение полиолефинов (полиэтилен высокого давления, полипропилен) в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в композициях с наполнителями. Полиолефины стойки к действию большинства кислот, щелочей, не растворяются в органических растворителях при 20^оС. Однако сильные окислители (азотная кислота и др.), хлор, фтор разрушают их, и при повышенных температурах они растворяются во многих органических растворителях.

На основе полиолефинов создают  композиционные материалы, вводя различные наполнители (сажу, каучук, стекловолокно, древесные опилки и т.д.), что позволяет получать материалы, обладающие высокой износостойкостью и коэффициентом трения 0,1¸0,15. К недостаткам свойств полиолефинов следует отнести низкую теплоемкость, так как детали узлов трения могут длительно эксплуатироваться при температуре не выше 60 ºС (кратковременно до 80 ºС). Это снижает возможность применения полиолефинов в машиностроении.

Полиарилаты - термопластичные полимеры, перерабатываются литьем под давлением или литьем прессованием. Детали узлов трения из полиарилата могут работать длительно при температуре 160 – 180 ºС, кратковременно - при температуре 230 ºС. Наряду с высокой теплостойкостью полиарилат обладает высокой сопротивляемостью ионизирующим излучениям, хорошими диэлектрическими свойствами, достаточной химической стойкостью , морозостойкостью (могут работать при температуре до -100 ºС). Для улучшения антифрикционных свойств полиарилаты наполняют твердыми смазочными материалами. Упомянутые свойства полиарилатов показывают, что это весьма перспективный материал для деталей узлов трения, особенно для несмазываемых.

Другим перспективным материалом являются полиимиды. Это теплостойкие термореактивные полимеры, применяющиеся в качестве связующего при изготовлении композиционных антифрикционных материалов. На основе полиимидов выпускают композиты, наполненные дисульфидом молибдена и графитом. В последние годы разработаны материалы, наполненные углеродным волокном. Эти материалы обладают высокой радиационной и химической стойкостью, прекрасными триботехническими свойствами и могут длительно эксплуатироваться при температуре 220¸260 ºС. Изделия из таких материалов получают в основном прессованием с последующим спеканием.