Композиция для фрикционного материала
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам для фрикционных изделий различного назначения. Композиция содержит в мас.%: порошкообразное связующее СФП-012 АК-30, представляющее собой смесь новолачного фенолформальдегидного связующего и нитрильного каучука, полученную совместной коагуляцией их латексов: 15-18; баритовый концентрат 30-40, глинозем 10-15, бронзовая стружка 3-5, графит 3-5, нестехиометрическое соединение титана 2-5, полиоксадиазольное волокно оксалон или его смесь со стекловолокном в соотношении (1:2) до 100. Технический результат - увеличение прочности сцепления материала с металлическим каркасом, увеличение коэффициента трения, уменьшение износа при высоких температурах и снижение стоимости материала. 3 табл.
Изобретение относится к машиностроению и транспорту, а именно к полимерным композиционным материалам, предназначенным для фрикционных изделий различного назначения. Изобретение может быть использовано для изготовления фрикционных элементов барабанных и дисковых тормозов, муфт сцепления автомобилей, фрикционных элементов шинно-пневматических муфт, фрикционных элементов ленточных тормозов и т.п.
Известны материалы фрикционного назначения, получаемые пропиткой водными эмульсиями или спиртовыми растворами фенолоформальдегидных смол смесей различных минеральных наполнителей, содержащих в качестве волокнистого составляющего асбест (В.В.Коршак. Технология пластических масс. - М.: Химия, 1985, с.276-278). Материалы обладают удовлетворительными прочностными свойствами. Их недостатками являются сложная и трудоемкая технология получения материала, требующая длительного смешения, обработки полученной смеси на вальцах, прессования брикетов, сушки в вакуум-сушилках, невысокий и нестабильный коэффициент трения полученных материалов, обычно не превышающий 0,30-0,33 и, кроме того, наличие в рецептуре канцерогенного асбеста.
Частично недостатки описанных выше материалов устраняются другим аналогом, полимерной фрикционной композицией, описанной в (SU №1552617, кл. С 08 L 61/10, 1987). Композиция содержит полимерное связующее, минеральные и волокнистые наполнители при следующем соотношении компонентов, мас.%: модифицированная фенолоформальдегидная смола 13-16; бутадиен-нитрильный каучук 2-4; баритовый концентрат 10-20; глинозем 8-15; металлический порошок на основе меди 10-19; графит 1-15; диаммонийфосфат 0,5-2,0; волокнистый наполнитель (асбест или смесь асбеста с базальтовым волокном или минеральной ватой в массовом соотношении 1,9-6 к 1) - остальное. Процесс получения материала в несколько раз мене трудоемкий, так как композицию получают прямым смешением всех компонентов в закрытом смесителе. Коэффициент трения материала стабилизируется и повышается до 0,42-0,45. Однако в рецептуре композиции по-прежнему сохраняется асбест, а полученные материалы имеют низкую износостойкость.
Наиболее близкой по технологической сущности к заявляемой композиции (прототипом) является материал, содержащий полимерное связующее, а также минеральные, волокнистые и другие наполнители по (RU №2034869, кл. С 08 J 5/14, 1995). Композиция включает, мас.%: фенолформальдегидную смолу 12-14; бутадиен-нитрильный каучук 2-4; баритовый концентрат 16-20; глинозем 9-11; бронзовую стружку 4-6; медный порошок 9-10; блокированный капролактамом 2,4-толуилендиизоцианат 0,5-3; графит 1-2; и базальтовое волокно - остальное.
Прототипом устраняется использование асбеста в составе композиции и повышается износостойкость материалов. Однако наличие базальтового волокна в составе композиции понижает прочность сцепления фрикционного материала с металлическим каркасом. Недостатками прототипа являются также невысокий коэффициент трения, увеличение износа материала при температурах выше 500°С и высокая стоимость материала из-за содержания в его составе большого количества медного порошка.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение прочности сцепления материала с металлическим каркасом, увеличение коэффициента трения, уменьшение износа при высоких температурах и снижение стоимости материала.
Результат достигается тем, что в композиции для фрикционного материала, содержащей полимерное связующее, минеральные и волокнистые наполнители, согласно изобретению в качестве связующего присутствует порошковое связующее СФП-012 АК-30, в качестве волокна присутствует полиоксадиазольное волокно оксалон (или его смесь со стекловолокном в соотношении 1 к 2) и дополнительно используется упрочняющая и структурирующая добавка - нестехиометрическое соединение титана (карбид, карбонитрид и т.п.) при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошковое связующее СФП-012 АК-30 от 15 до 18; баритовый концентрат от 30 до 40; глинозем от 10 до 15; бронзовая стружка от 3 до 5; графит от 3 до 5; нестехиометрическое соединение титана от 2 до 5; волокно оксалон или его смесь со стекловолокном в соотношении 1 к 2 - остальное.
Для приготовления композиции использовали следующее сырье: порошковое связующее СФП-012 АК-30, представляющее собой смесь новолачного фенолформальдегидного связующего СФП-012 А, ТУ 6-05751768-35-94 и нитрильного каучука СКН-40 ИХМ, ТУ 38.10354-76, полученную совместной коагуляцией их латексов и содержащее 30 мас.% каучука в пересчете на сухое вещество («К-30» в буквенном обозначении), полученное в опытном производстве; баритовый концентрат КБ-6, ГОСТ 4682-84; глинозем, ГОСТ 6912.1-93; бронзовую стружку БрС-30, ГОСТ 493-79; графит, ГОСТ 5279-74; полиоксадиазольное волокно оксалон, являющееся продуктом поликонденсации гидразинсульфата и терефталевой кислоты, ТУ 6-12-00204056-56-90, с длиной волокна 5-10 мм; стекловолокно, ТУ 6-11-240-77.
Использованное в данной композиции нестехиометрическое соединение титана (карбид, карбонитрид и т.п.) получают взаимодействием порошкообразного губчатого титана марки ПТОМ с сажей, азотом, органическим веществом, содержащим углерод и азот и т.д. в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Фрикционный материал изготавливают смешиванием указанных компонентов при атмосферном давлении в смесителях любой конструкции: лопастных, шнековых, чашечных и др. в течение 10-30 мин. Изготовленную смесь прессуют при температуре 165-175°С и давлении 100-150 МПа. Вулканизация материала длится 15-20 мин с двумя подпрессовками без раскрытия пресс-формы на 2-3 минуте и на 5-8 минуте цикла.
По этой схеме из полученного материала изготавливали детали дискового тормоза автомобиля ВАЗ 2101 (дет. 2101-3501090-01А) на металлическом каркасе, которые затем подвергали физико-механическим и триботехническим испытаниям по ТУ 38.114-187-87. Прочность сцепления материала с металлическим каркасом определяли по стандартной методике на разрывной машине УММ-5, триботехнические свойства оценивали на машине трения СМТ-1 при нагрузке 50 кгс, скорости скольжения 4 м/с с повышением температуры до 700°С к концу испытания по ГОСТ 23210-80, контртело - чугун СЧ-15-32.
Изобретение иллюстрируется на следующих примерах.
Пример 1. Получение нестехиометрического соединения титана
а) Получение нестехиометрических карбидов титана. В шаровой мельнице в течение 1-2 ч смешивают порошок титана марки ПТОМ с сажей марки ПМ-50 в мольном соотношении 1 к n, где n больше или равно 0,5 но меньше 1. Из полученной смеси прессуют таблетки диаметром 1-2 см и высотой 2-3 см, которые затем сжигают в токе аргона. Полученные материалы измельчают в шаровой мельнице и отбирают фракцию с диаметром частиц меньше 100 мкм.
б) Получение нестехиометрических нитридов титана. В цилиндрический кварцевый реактор с охлаждением загружают гранулы гидрида титана (техн.), реактор закрывают пробками с отводными трубками, через одну из трубок в реактор подают газообразный азот со скоростью 5 л/мин, инициируют реакцию поджиганием, выделяющийся водород отводят через другую трубку. Полученный материал измельчают и используют фракцию с размером частиц меньше 100 мкм.
в) Получение нестехиометрического карбонитрида титана. Поступают аналогично части а) примера, с той разницей, что вместо сажи используют органическое вещество, содержащее одновременно углерод и азот, например гексаметилентетрамин (уротропин). Смесь увлажняют летучим растворителем, прессуют таблетки, которые затем сушат и сжигают в токе аргона. Полученный материал измельчают и используют фракцию с размером частиц меньше 100 мкм.
Характеристика полученных нестехиометрических соединений титана приведена в табл.1.
Пример 2. Получение композиции для фрикционного материала с нестехиометрическим карбидом титана
В лопастном смесителе в течение 3-5 мин смешивают порошковое связующее СФП-012 АК-30, баритовый концентрат, глинозем, нестехиометрический карбид титана состава TiC0,75 и графит, затем добавляют бронзовую стружку и волокно оксалон, перемешивание продолжают еще 10-15 мин. Готовый материал, представляет собой однородную серую массу с включениями бронзовой стружки. Состав композиции приведен в табл.2.
Из полученного материала получают брикеты, которые затем помещают на металлические каркасы и подвергают горячему прессованию, как указано выше. Готовые изделия извлекают из пресс-форм, освобождают от заусенцев, шлифуют и подвергают испытаниям. Результаты испытаний полученных композиций приведены в табл.3.
Пример 3. Получение композиции для фрикционного материала с нестехиометрическим карбонитридом титана
При приготовлении композиции поступают аналогично примеру 2, с той разницей, что смешение проводят в чашечном смесителе в течение 10-15 мин, все компоненты загружают сразу, а в качестве нестехиометрического соединения титана используют карбонитрид состава TiC0,7N0,4, полученный по примеру 1. Состав композиции приведен в табл.2.
Готовые изделия получают аналогично примеру 2. Результаты испытаний полученных композиций приведены в табл.3.
Пример 4. Получение композиции для фрикционного материала с нестехиометрическим карбонитридом титана и смесью оксалона и стекловолокна
Отдельно готовят смесь оксалона и стекловолокна в соотношении 1 к 2 масс., смешивая их в течение 5-7 мин в чашечном смесителе.
Далее поступают так же, как в примере 2, готовя композицию в лопастном смесителе, с той разницей, что в качестве нестехиометрического соединения титана используют карбонитрид состава TiC0,7N0,4, полученный по примеру 1, а в конце смешения в смеситель добавляют смесь волокна оксалон и стекловолокна в соотношении 1 к 2, приготовленную как описано выше. Состав композиции приведен в табл.2.
Готовые изделия получают аналогично примеру 2. Результаты испытаний полученных композиций приведены в табл.3.
Техническим результатом применения изобретения является увеличение прочности сцепления материала с металлическим каркасом, увеличение коэффициента трения, уменьшение износа при высоких температурах и снижение стоимости материала.
Смена базальтового волокна на полиоксадиазольное волокно оксалон или его смесь со стекловолокном (1 к 2) позволяет значительно увеличить прочность сцепления материала, изготовленного из предлагаемой композиции, с металлическим каркасом по сравнению с прототипом (табл 3).
Использование в предлагаемой композиции в качестве полимерного связующего порошка СФП-012 АК-30, представляющего собой смесь новолачного фенолформальдегидного связующего и нитрильного каучука, полученную совместной коагуляцией их латексов, позволяет сохранить хорошие триботехничекие характеристики материала, как при высоких, так и при низких температурах, характерные для каучуково-смоляных материалов, и в то же время применять высокотехнологичную порошковую технологию при изготовлении фрикционного материала.
Используемые в качестве упрочняющей и структурирующей добавки в предлагаемой композиции нестехиометрические соединения титана позволяют регулировать адгезионное взаимодействие в системе композиционного материала, так как помимо запаса избыточной поверхностной энергии вследствие их нестехиометричности они характеризуются особой морфологией поверхности своих частиц, образующихся при СВС. Эти соединения не только обладают повышенной адгезией к высокомолекулярным веществам, но и существенно влияют на полимеризацию органического связующего в материале, что в случае высоконаполненного композита, которыми и являются фрикционные материалы, приводит к существенному изменению свойств.
Таким образом, применение связующего СФП-012 АК-30 и упрочняющей и структурирующей добавки - нестехиометрического соединения титана в предлагаемой композиции позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить коэффициент трения материала и его износостойкость при высоких температурах (табл.3).
Стоимость предлагаемого материала, по сравнению с прототипом, снижается за счет исключения из его рецептуры дорогого медного порошка (табл.2).
Введение в материал нестехиометрического соединения титана в количестве более 5 мас.% нецелесообразно, так как приводит к увеличению абразивных свойств композиции и повышенному износу контртела при трении, при его содержании в материале менее 2 мас.% упрочняющие и структурирующие свойства проявляются незначительно.
Содержанием в композиции волокна от 12 до 37% достигается оптимальное соотношение его армирующей способности с прочностью сцепления материала с каркасом. Увеличение содержания стекловолокна в смеси оксалон : стекловолокно выше 1 к 2 приводит к снижению прочности соединения.
При содержании связующего в композиции от 15 до 18 мас.% достигается лучшая монолитность материала и его высокая механическая прочность и фрикционные свойства.
| Таблица 1. Характеристика нестехиометрических соединений титана | ||||
| Формула соединения | Содержание титана, % | Содержание углерода, % | Содержание азота, % | Удельная поверхность, м2/г |
| TiN0,5 | 87,3 | - | 12,7 | 5,2 |
| TlC0,75 | 84,2 | 15,8 | - | 4,9 |
| TiC0,7N0,4 | 77,4 | 13,5 | 9,1 | 3,2 |
| Таблица 2. Рецептуры фрикционных композиций | ||||
| Компоненты | Прототип | Состав предлагаемого материала, мас.% по примерам | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Фенолформальдегидная смола | 14 | - | - | - |
| Бутадиен-нитрильный каучук | 2 | - | - | - |
| Связующее СФП-012 АК-30 | - | 15 | 17 | 18 |
| Баритовый концентрат | 20 | 35 | 30 | 40 |
| Глинозем | 10 | 10 | 10 | 15 |
| Бронзовая стружка | 5 | 3 | 5 | 5 |
| Медный порошок | 10 | - | - | - |
| Графит | 2 | 3 | 3 | 5 |
| Нестехиометрическое соединение титана | - | 2 | 3 | 5 |
| Минеральное волокно | 37 | - | - | - |
| Оксалон или его смесь состекловолокном (1:2) | - | до 100 | до 100 | до 100 |
| Таблица 3. Характеристики фрикционных композиций | ||||
| Показатель | Прототип | Состав предлагаемого материала по примерам | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Прочность сцепления с каркасом, МПа без теплового воздействия | 4,7 | 29,5 | 27,2 | 30,4 |
| после воздействия температуры (140±10°С) в течение (1±0,1) ч | 4,9 | 12,8 | 11,7 | 13,5 |
| Коэффициент трения | 0,38 | 0,47 | 0,48 | 0,46 |
| Энергетический износ А, см3/кг×м | 1,5 | 0,6 | 0,8 | 0,5 |
| Энергетический износ В, см3/кг×м | не выдерж. | 1,9 | 1,2 | 1,9 |
| Примечание: А - испытание до 500°С; В - испытание до 700°С. |
Композиция для фрикционного материала, включающая полимерное связующее, минеральные и волокнистые наполнители, отличающаяся тем, что в качестве полимерного связующего композиция содержит порошкообразное связующее СФП-012 АК-30, представляющее собой смесь новолачного фенолформальдегидного связующего и нитрильного каучука, полученную совместной коагуляцией их латексов; в качестве волокнистого наполнителя - полиоксадиазольное волокно оксалон или его смесь со стекловолокном в соотношении (1:2) и дополнительно содержит нестехиометрическое соединение титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Порошковое связующее СФП-012 АК-30 | 15-18 |
| Баритовый концентрат | 30-40 |
| Глинозем | 10-15 |
| Бронзовая стружка | 3-5 |
| Графит | 3-5 |
| Нестехиометрическое соединение титана | 2-5 |
| Волокно оксалон или его смесь со | |
| стекловолокном в соотношении (1:2) | До 100 |
