ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
FRICTIONAL MATERIAL

Фрикционный материал
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам триботехнического назначения и может быть использовано в машиностроении, металлургии, производстве химических волокон для изготовления деталей узлов трения, обеспечивающих высокий (0,3-0,4) и стабильный в течение длительного времени коэффициент трения, преимущественно фрикционных элементов размоточно-намоточных механизмов.
Для выполнения многих технологических операций: волочение проволоки, изготовление металлокорда, синтетических и стеклянных волокон, бумаги, обоев и др. широко применяются размоточно-намоточные станки и механизмы. Одним из главных узлов таких устройств является механизм торможения, обеспечивающий постоянное натяжение перематываемого материала. Этот эффект достигается стабилизацией силы трения между фрикционным элементом и вращающимся стальным контртелом. Главное отличие таких фрикционных элементов от применяющихся в тормозах и муфтах сцепления заключается в том, что они работают при стационарных режимах трения, т.к. должны обеспечивать не кратковременное, а длительное постоянное значение силы трения в условиях изменяющихся инерционных масс, скорости вращения, фрикционного разогрева трущихся деталей и т.д.
2
Известна полимерная композиция, включающая (мас. %): политетрафторэтилен (ПТФЭ) 75-77; кокс 10-15; базальтовое волокно 3-6; дисульфид молибдена 3,5-6,5 и аэросил с удельной поверхностью 270-330 м/г 1-3 [1]. Недостатком композиции являются невысокий и нестабильный коэффициент трения при трении по стали, что делает данную композицию неэффективной для изготовления деталей фрикционного назначения.
Известна композиция, включающая (мас. %): сухую смазку (графит) 5-15; измельченное волокно (базальтовое) 3-5; модификатор, выбранный из группы, включающей: N,N′-м-фенилендималеимид, N,N′-гексаметилендималеимид и N,N′-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид 3-10 и ПТФЭ [2]. Известная композиция обладает низким коэффициентом трения и не может обеспечить требуемый момент трения во фрикционных узлах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является композиционный материал, включающий (мас. %): сухую смазку (графит, дисульфид молибдена) 0,5-7,0; сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом 2,0-10,0; измельченное базальтовое и/или углеродное волокно 2,0-6,0; дисперсный металлический наполнитель - бронзовую пудру 5,0-30,0; модификатор, выбранный из группы, включающей: N,N′-м-фенилендималеимид, N,N′-гексаметилендималеимид, N,N′-(метилен-ди-п-фенилен)дималеимид 1,0-5,0 и ПТФЭ [3]. Известный материал пригоден для изготовления фрикционных элементов в механизмах стационарного трения, однако из-за низкого значения коэффициента трения (0,10-0,12) он эффективен только в узком диапазоне нагрузок (0,5-1,5 МПа). Кроме этого материал не обладает достаточной стабильностью коэффициента трения в течение длительного времени при изменении скорости перемотки, нагрузки и температуры в узле трения.
Задачей изобретения является повышение величины и стабильности коэффициента трения при сохранении высокой механической прочности, износостойкости и теплостойкости фрикционного материала.
Поставленная задача решается за счет того, что фрикционный материал, включающий измельченное базальтовое волокно, сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, дисперсный металлический наполнитель и политетрафторэтилен, согласно изобретению в качестве дисперсного металлического наполнителя содержит железо карбонильное силицированное или/и хромоникелевый сплав при следующем соотношении компонентов, мас. %:
измельченное базальтовое волокно
2,0-10,0
сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом
2,0-12,0
металлический наполнитель
8,0-24,0
политетрафторэтилен
остальное,
а также за счет того, что он содержит железо карбонильное силицированное и хромоникелевый сплав в массовом отношении 1:(0,2-0,4).
Сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом с химической формулой
имеет более низкую по сравнению с ПТФЭ молекулярную массу, температуру плавления и поэтому более полно переходит в вязкотекучее состояние. При спекании ПТФЭ сополимер заполняет микропустоты, возникающие в матрице ПТФЭ, что обеспечивает высокую механическую прочность и износостойкость. Ведение сополимера в композицию в количестве менее 2 мас. % не приводит к заметному улучшению свойств материала, а введение в количестве более 12 мас. % снижает его теплостойкость. В заявляемом фрикционном материале использовали сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом торговое название «Фторопласт-4МБ», марки «П» (ТУ 301-05-73-90) с молекулярной массой 120000-200000, производитель ООО «Завод полимеров КЧХК» (г. Кирово-Чепецк).
Измельченное базальтовое волокно (длина моноволокон в пределах 50-120 мкм) является армирующим элементом, повышающим механическую прочность полимерной матрицы и существенно снижающим текучесть материала под нагрузкой. Кроме того, использование в композиции базальтового волокна приводит к повышению коэффициента трения и его стабилизации. При введении в материал волокна в количестве менее 2 мас. % снижается механическая прочность изделий, а введение волокна более 10 мас. % не приводит к дополнительному улучшению механических и триботехнических показателей, но вызывает технологические трудности при смешении композиционного состава и обеспечении его гомогенности.
Введение в композицию силицированного карбонильного железа или хромоникелевого сплава обеспечивает высокую теплопроводность материала, однако в отличие, например, от бронзовой пудры приводит к существенному повышению стабильности коэффициента трения. Введение металлического наполнителя в количестве менее 8,0 мас. % не обеспечивает достаточной теплопроводности материала, а введение более 24,0 мас. % приводит к снижению механической прочности композиционного материала. Экспериментально обосновано, что наиболее эффективно с точки зрения стабилизации коэффициента трения и обеспечения высокой износостойкости использовать смесь указанных металлических наполнителей при массовом отношении железа карбонильного силицированного и хромоникелевого сплава 1:(0,2-0,4). При уменьшении содержания хромникелевого сплава менее 0,2 от массы железа карбонильного силицированного, а также при увеличении его содержания более 0,4 синергический эффект от их совместного применения не наблюдается.
Предлагаемый состав фрикционного материала обеспечивает новый механизм стабилизации коэффициента трения. В известных аналогах реализуется следующий механизм трения. При трении композиционного материала по стальному контртелу на поверхности последнего формируется пленка фрикционного переноса, свойства которой определяют триботехнические характеристики пары трения в целом. Особенно интенсивно пленки фрикционного переноса на стальном контртеле формируют полимеры, сухие слоистые смазки, а также медь и медные сплавы. По мере трения пленки переноса увеличиваются по площади и толщине, а затем срываются и удаляются с поверхности трения в виде частиц износа. Такой процесс защищает металлическое контртело от износа, однако приводит к нестабильности триботехнических параметров, особенно при изменении скорости, температуры и нагрузки, когда механизм фрикционного переноса изменяется.
В заявляемом материале не содержится сухих смазок и медьсодержащих сплавов, поэтому изменяется и механизм трения. Пленки переноса формируются преимущественно полимерным связующим. В условиях постоянного деформирующего воздействия жестких частиц металлического наполнителя, образующаяся на поверхности стального контртела полимерная пленка ориентируется в направлении скольжения, прочно закрепляется на сопряженной поверхности вследствие повышенной адгезии к металлу сополимера Ф-4МБ и при отсутствии конкурирующих процессов переноса других компонентов композиции стабилизируется по толщине уже на начальной стадии фрикционного контакта. Предложенный механизм трения заявляемого композиционного материала обусловливает, по нашему мнению, стабильность и необходимую величину коэффициента трения.
При изготовлении материала по изобретению использовали железо карбонильное силицированное марки ВК-С и хромоникелевый сплав марки ПРХ20Н80. Фрикционный материал изготавливали следующим образом. Базальтовое волокно измельчали в дисковой мельнице до размера моноволокон в диапазоне 50-120 мкм и загружали в смеситель вместе с остальными порошкообразными компонентами. После смешения до получения однородной массы из полученного порошка методом холодного прессования при давлении 50-60 МПа изготавливали заготовки изделий и образцы для испытаний. Полученные заготовки загружали в электропечь и спекали при температуре 375±5°C. Время выдержки при температуре определяли из расчета 5 мин на 1 мм толщины изделия. Охлаждение образцов производили в печи.
Фрикционные материалы конкретных составов приведены в таблице 1.
Триботехнические испытания проводили на машине трения СМТ-1 по схеме вал-вкладыш при нагрузке 2 МПа и скорости скольжения 1 м/с. Вкладыш изготавливали из исследуемого материала. В качестве вала использовали ролик из стали 45 диаметром 40 мм с исходной шероховатостью Ra ≤ 0,32 мкм. Теплостойкость по Вика определяли по ГОСТ 15088-83. Ползучесть (хладотекучесть) под статической нагрузкой определяли путем выдержки цилиндрического образца диаметром 13 мм и высотой 15 мм под нагрузкой 4 МПа в течение 48 ч. За количественную меру ползучести принимали абсолютное уменьшение размера образца в мм.
Сравнительные свойства предлагаемого материала и прототипа приведены в таблице 2.
Как следует из представленных данных, предлагаемый материал обладает более высоким и более стабильным коэффициентом трения, чем прототип. Остальные показатели у материала по изобретению не ниже, чем у известного материала.
Контрольные примеры 1 и 11 показывают, что выход содержания компонентов за заявляемые пределы приводит к ухудшению всех показателей. Контрольный пример 12 показывает, что замена в составе материала железа карбонильного силицированного на железо карбонильное восстановленное (химически чистое железо) приводит к снижению величины и стабильности коэффициента трения. Из примеров 5, 6, 7 следует, что использование не чистых порошков металлов, а их смеси в заявляемом соотношении приводит к дополнительной стабилизации коэффициента трения. Контрольные примеры 9 и 10 показывают, что при соотношении железа карбонильного силицированного и хромникелиевого сплава менее 1:0,2 и более 1:0,4 снижается стабильность коэффициента трения. Таким образом, только полное сочетание отличительных признаков приводит к достижению положительного результата.
Предлагаемый материал был использован для изготовления фрикционных колодок в механизмах торможения волочильных и канатных машин на ряде предприятий РБ. Материал показал высокие эксплуатационные свойства, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1692996, C08L 27/18, C08J 5/16, С08К 13/04, 1991.
2. Патент РБ №7862, C08J 5/16, C08L 27/18, 2006.
3. Патент РБ №15256, C08J5/16,C08L27/18, 2011 - прототип.