3.4. Материалы для фрикционных паров трения

Фрикционные материалы (ФМ) работают в тормозных устройствах, которые предназначены для поглощения кинетической энергии движущейся массы и перевода ее в тепловую энергию. Также ФМ применяются в сцеплениях, где передают движение от двигателя к исполняющему механизму машины. Условия работы ФМ характеризуются: 1) широким диапазоном скоростей скольжения (до 50 м/с) и нагрузки (до десятков тонн); 2) нагревом поверхности до высоких температур; 3) многократными нагревами и охлаждениями.

Исходя из назначения и условий эксплуатации, к ФМ предъявляются такие требования как: высокий и стабильный в широкому диапозоне температур коэффициент трения, высокая теплопроводность (для уменьшения температурного градиента в поверхностных слоях), высокая теплоемкость, стойкость к образованию термических трещин, достаточная износостойкость, отсутствие схватывания с материалом контртела, отсутствие дымления и горения фрикционного материала.

Коэффициент трения в тормозных устройствах должен составлять 0,2-0,5. Нижняя граница этого интервала определяется условиями создания необходимой силы трения, а верхняя – необходимостью предотвратить заклинивание тормозов. Условия работы фрикционных материалов подразделяются (в зависимости от температуры на поверхностях трения) на: весьма легкие (до 100 ^оС), легкие (до 250 ^оС), средние (до 600 ^оС ), тяжелые (до 1000 ^оС), сверхтяжелые.

Как правило, один из двух элементов фрикционной пары тения изготавливается из чугуна или стали. При работе в легких условиях трения применяют стали 35Л, 55Л, 30ГЛ, серые чугуны; при трудных – рессорные стали 80, 65Г, 60Г, легированные стали 30ХГСА, 40Х, 40ХНМА и др., Cr-Ni чугуны (ЧНМХ), хромистые бронзы (БрХ098).

Второй элемент фрикционной пары трения изготавливается из металлических или неметаллических материалов. К металлическим материалам, работающим в легких условиях, относят термически обработанные стали 45, 65Г, 85, 30ХГСА, 20Х17Н2 и др. и серый чугун. В трудных условиях эксплуатации без смазки наибольшую долговечность имеют легированные чугуны с перлитной основой. В частности, фосфористый чугун (содержащий до 3 % Р) демонстрирует более высокую износостойкость по сравнению с серым чугуном, содержащим обычное количество фосфора.

Для фрикционных устройств, которые работают в средних и трудных условиях трения, второй элемент пары трения изготавливают из спеченных порошковых материалов. При рабочей температуре 300-500 ^оС применят материалы на основе меди (например, псевдосплав МК-5, содержащий Sn, Pb, Fe, Ni, Zn, графит, SiО₂, асбест). При рабочей температуре до 1100 ^оС используют материалы на основе железа (например, материал ФМК-11 содержит Cu, графит, SiО₂, асбест). Композиты применяют в виде пластин, которые напрессовывают на стальную основу.

Группа неметаллических фрикционных материалов состоит из органических (древесина, пробка, кошма, войлок) и асбополимерных композиций. Органические материалы сейчас используются весьма редко. Фрикционные асбополимерные материалы (ФПМ) представляют собой композиции, в которых наполнителями (кроме асбеста) могут быть графит, металлические соли, стружка, порошок Al, Cu, Pb. Главный компонент ФПМ - хризотил-асбест. Асбест имеет высокую теплостойкость, а также способность к самоочистке поверхности трения от загрязнения, что содействует сохранению высокого коэффициента трения. Связка в ФПМ бывает:

- масляная (битумно-маслянная) – при рабочей температуре 150…200 ^оС;

- асбокаучуковая - при рабочей температуре 220…250 ^оС;

- асбосмоляная (на основе термореактивных смол) - при рабочей температуре до 1000 ^оС;

- комбинированная (смола + каучук).

Наиболее высокую теплостойкость среди ФПМ имеет ретинакс А - до 1100 ^ос.

Состав и свойства ФМ приведены в таблицах 3.4, 3.5. Поскольку асбест признали опасным для здоровья человека, проводятся исследование с целью замены ФПМ на другие материалы, которые бы не содержали в себе этого вещества. За рубежом асбест заменяют разнообразными волокнами (металлическими, углеродными, полимерными, стеклянными, базальтовыми и т.п.), среди которых своей прочностью и износостойкостью отличается волокно «кевлар».

Таблица 3.4 - Состав спеченных фрикционных материалов [9].

Материал	Содержимое, масс. %						Примеси, %
	Fe	Cu	Ni	Графит	Si2	Асбест
ФМК-8 ФМК-11 МКВ-50А СМК-80	45 64 64 48	- 15 10 23	25 - - -	7 9 8 -	- 3 - -	- 3 3 -	10 Cr, 6 W, 7 Cu2S 6 BaSO4 5 FeSO4, 5 SiC, 5 B4C 10 B4C; 3,5 Si; 6,5 BN 2,5 MoSi2; 6,5 Mn

Таблица 3.5 - Физико-механические свойства ФМ на основе железа [9]

	,	Твердость,	в	сж	,	Износ
Материал	т/м^3	Н/мм^2	Н/мм^2		Вт/мК	ФМ	Контртело (чугун)
ФМК-8 ФМК-11 МКВ-50А СМК-80	6,0 6,0 5,0 5,7	600…900 800…1000 800…1000 800…1000	90…100 50…70 30…40	450…500 300…350 150…210 200…250	37,7 19…46 18…27,2 21-29	5…8 16 6 1,25	1…2 2 5,5 4