Композиция для изготовления фрикционного материала

Композиция для изготовления фрикционного материала относится к области создания новых композитов с полимерной матрицей. Композиция предназначена для использования в маслоохлаждаемых устройствах мобильных машин и технологического оборудования. Композиция содержит синтетический каучук, вулканизирующую группу, фенолоформальдегидную смолу, слоистый силикат, полисульфоновое волокно и дисперсные наполнители в виде смеси оксидов и сульфатов металлов, выбранных из группы барий, цинк, титан, алюминий, медь, железо, магний, кальций. Изобретение увеличивает износостойкость и коэффициент трения фрикционного материала в среде масла, а также стабилизирует коэффициент трения при переходных процессах. 2 табл.

 

Изобретение относится к композиционным материалам с полимерной матрицей и может использоваться в машиностроении, металлургии и других отраслях промышленности для изготовления фрикционных деталей, предназначенных для работы в среде масла.

Известна композиция для изготовления композиционного фрикционного материала, включающая синтетический каучук, серную вулканизирующую группу, фенолофор-мальдегидную смолу, волокнистый наполнитель, оксид алюминия, баритовый концентрат и слоистый силикат (вермикулит) [1].

Указанная композиция имеет нестабильный и низкий коэффициент трения. Она не предназначена для работы в среде масла.

Известна полимерная композиция фрикционного назначения, включающая латекс бутадиен-нитрильного синтетического каучука, вулканизирующую группу, фенолофор-мальдегидную смолу, волокнистый наполнитель, баритовый концентрат, оксид хрома, гидрат окиси кальция, мел и слоистый силикат (вермикулит) [2].

Данная композиция при работе в среде масла имеет нестабильный и низкий момент трения. Кроме того, композиция имеет невысокую износостойкость.

Известна также полимерная композиция для изготовления фрикционного материала, включающая синтетический бутадиенсодержащий каучук, вулканизирующую группу, фенолоформальдегидную смолу, дисперсные наполнители - баритовый концентрат, оксид хрома, гидроксид кальция, стеарат кальция, углерод и мел, слоистый силикат (вермикулит), минеральные и органические (полиарамидные) волокна [3].

Недостатками известной композиции является низкая стабильность и величина коэффициента трения в условиях жидкостного режима трения, невысокая износостойкость, термомеханическая прочность и формостабильность при работе в масле.

Задачей изобретения является улучшение фрикционных характеристик композиции при работе в среде масла (повышение износостойкости, увеличение коэффициента трения и его стабилизация).

Поставленная задача решается тем, что композиция, включающая синтетический каучук, вулканизирующую группу, фенолоформальдегидную смолу, слоистый силикат, дисперсные наполнители, минеральные и органические волокна, согласно изобретению включает в качестве синтетического каучука нитрилсодержащий каучук, в качестве дисперсных наполнителей содержит смесь оксидов и сульфатов металлов, выбранных из группы барий, титан, цинк, алюминий, медь, железо, магний, кальций, в качестве слоистого силиката - тальк, а в качестве органического волокна - полисульфоновое волокно при следующем соотношении компонентов, мас.%

Синтетический каучук	3-12
Вулканизирующая группа	0,4-5,0
Фенолоформальдегидная смола	8-24
Слоистый силикат	1,0-10,0
Дисперсные наполнители	30-58
Минеральные волокна	3,0-35,0
Полисульфоновые волокна	2,0-12,0

Использование в композиции в качестве синтетического каучука нитрилсодержащего каучука способствует улучшению адгезионного взаимодействия связующего с волокнистыми и дисперсными наполнителями, так как нитрилсодержащие каучуки способны к химическому взаимодействию как с фенолоформальдегидной смолой, так и с функциональными группами минеральных и полисульфоновых волокон. Кроме того, использование нитрилсодержащих каучуков способствует увеличению маслостойкости, а следовательно, и формостабильности фрикционного материала при работе в среде масла. В результате увеличивается износостойкось и стабильность момента трения материала при фрикционном взаимодействии в маслоохлаждаемых узлах трения.

Введение в композицию в качестве дисперсных наполнителей смеси оксидов и сульфидов металлов, выбранных из группы барий, титан, цинк, алюминий, медь, железо, магний, кальций, способствует увеличению коэффициента трения и износостойкости фрикционного материала за счет увеличения адгезионного взаимодействия дисперсных компонентов с бинарным (каучук-полимерным) связующим. Выбранные пределы изменения концентрации дисперсных наполнителей являются экспериментально обоснованными и оптимальными с точки зрения достижения максимальной износостойкости, величины и стабильности коэффициента трения.

Использование в композиции в качестве слоистого силиката талька способствует снижению степени загрязнения продуктами износа масла, а также существенно улучшает динамику переходных процессов при включении фрикционных узлов, что является следствием стабилизации момента (коэффициента) трения фрикционно-взаимодействующих в среде масла твердых тел.

Использование в композиции в качестве органических волокон полисульфонового волокна способствует улучшению фрикционных характеристик материала. Микропористая структура полисульфоновых волокон способствует существенному снижению вероятности перехода от гидродинамического режима к граничному или "сухому" режиму трения. Это приводит к повышению износостойкости материала, снижению тепловой нагруженности узла трения и как следствие - к стабилизации коэффициента трения. Повышению износостойкости фрикционного материала способствует также увеличение адгезии между органическим волокном и связующим. Стабилизация момента трения обеспечивается оптимальным сочетанием полисульфоновых волокон и дисперсных наполнителей.

Эффект от использования технического решения не является следствием уже известных изобретений и обнаружен самими авторами. Авторам не известно техническое решение, предусматривающее использование бутадиен-нитрильного каучука, оксидов и сульфатов металлов, выбранных из групы барий, титан, цинк, алюминий, медь, железо, магний, кальций, в сочетании с тальком и полисульфоновым волокном в указанном соотношении. При изучении патентной информации и научно-технической литературы подобные решения не обнаружены. В соответствии с изложенным, заявляемое техническое решение, по мнению авторов, отвечает критерию "существенные отличия", а положительный эффект достигается лишь в совокупности отличительных признаков.

Технология изготовления композиции на основе выбранных компонентов заключалась в следующем. В высокоскоростной смеситель загружали порошкообразные, включая фенолоформальдегидную смолу, и волокнистые компоненты и тщательно в течение пяти минут перемешивали. В двухлопастной смеситель периодического действия (ЗЛ-100-02) загружали пластифицированный синтетический каучук (смесь каучука марки БНКС-28 АМН или СКН-26 и ацетон в соотношении 1:1, ацетон - технологическая среда) и перемешивали две минуты. Затем в процессе перемешивания в каучук порциями добавляли приготовленную в высокоскоростном смесителе смесь сухих компонентов и тщательно перемешивали до получения однородной массы. Смешивание компонентов осуществляли в течение 20 минут. Затем, в процессе дальнейшего перемешивания, в массу малыми порциями добавляли тальк. Такой способ введения слоистого силиката позволяет существенно уменьшить его агрегацию, тем самым - повысить степень дисперсности силикатного компонента. Перемешивание композиции осуществляли в течение 10-15 минут.

Полученную массу сушили при температуре 323-343 К до влажности 1,5%. С целью придания полученной массе однородного гранулометрического состава ее дополнительно измельчали в ротационной мельнице. Из полученной однородной пресс-композиции изготавливали стандартные образцы и изделия методом прямого прессования при температуре 458±5 К и давлении 54-62 МПа. Время выдержки образца в пресс-форме под давлением задавали исходя из соотношения 1,5 мин на 1 мм толщины изделия. После прессования образцы подвергали термической обработке при температуре 433 К в течение 0,5 часа. Диапазоны температуры прессования и термообработки выбирали ниже температуры плавления полисульфона, что позволило сохранить его волокнистую и пористую структуру.

В таблице 1 указаны составы композиций конкретного выполнения.

В таблице 2 представлены фрикционные и прочностные характеристики приведенных выше композиций.

В качестве прототипа испытан следующий состав, мас.ч.: синтетический бутадиеновый каучук (СКБ-50Р ТУ 38.303-04-08-93) - 100, серная вулканизирующая группа - 6,2, фенолоформальдегидная смола СФ-342А (ГОСТ 18694-80) - 100, баритовый концентрат - 320, технический углерод П803 - 35, оксид хрома (ГОСТ 2912-79) - 40, гидроксид кальция - 20, мел (ГОСТ 12085-88) - 50, базальтовое волокно (ТУ РБ 02974686; соответствует ГОСТ РСТ УССР 1970-86) - 100, полиарамидное волокно фенилон (ТУ6-07-35-91) - 60.

Фрикционные испытания проводили на стандартной машине трения СМЦ-1 по схеме "вал-частичный вкладыш" при скоростях скольжения 0,5-2,5 м/с и удельных нагрузках 0,5-2,0 МПа в среде минерального масла SAE15W40. Коэффициент заполнения емкости маслом 0,4. Образцы контртела изготавливали из стали 45 (ГОСТ 1050-74) твердостью HRC 45-50. Значение статического коэффициента трения (f_стат) определяли по величине силы трения в момент начала скольжения образцов относительно друг друга. Коэффициент стабильности коэффициента трения (k_f) определяли как отношение численных значений динамического (f_дин) и статического коэффициентов трения, причем в качестве числителя использовали меньшее из них: . Термостойкость композиций определяли по данным дифференциально-термического анализа (дериватограф Q-1500). В качестве показателя термостойкости использовали температуру начала интенсивной потери веса композиции. Разрушающее напряжение при сжатии определяли по ГОСТ 4651-82 на машине ZD-10.

Как следует из представленных данных, предлагаемая композиция для изготовления фрикционного материала обладает более высокими фрикционными свойствами, увеличенной стабильностью коэффициента трения (разностью между динамическим и статическим коэффициентом трения), а также увеличенной термостойкостью в сравнении с известными. Получен новый технический эффект, заключающийся в существенном повышении износостойкости (более 10 раз), увеличении коэффициента трения в среде масла на 50-75% и его стабильности на 18-30%.

Составы композиций I-XIII, содержащие отдельные или запредельные предлагаемые компоненты, имеют значительно более низкие показатели, чем композиции, содержащие предлагаемый состав.

Таким образом, использование предлагаемой композиции позволит наряду с увеличением ресурса фрикционных узлов машин улучшить динамику переходных процессов в трансмиссиях и повысить эффективность торможения.

Источники информации

1. Патент РФ №2001056, МПК⁵ С 08 J 5/14, C 08 L 61/10, 1993.

2. А.с. СССР 1709719, МПК⁵ C 08 L 61/10, С 08 К 13/04, С 08 J 5/14, 1993.

3. Патент РФ №2005740, МПК⁵ С 08 J 5/14, С 08 L 9/00, С 08 К 13/04, С 08 L 9/00, 1994.

Таблица 1
Состав материалов
№ п/п	Наименование компонентов	Контрольные составы	Заявляемый состав
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	XIII	XIV	XV	XVI	XVII	XVIII
1	Синтетический каучук БНКС-28АМН (ТУ38.30313-98)	2	6	13	8	8	8	8	8	8	-	-	8	8	3	8	-	-	12
	бутадиен-нитрильный СКН-26	-	-	-	-	-	-	-	-	-	8	8	-	-	-	-	5	10	-
2	Серная вулканизирующая группа	0,4	6,0	5,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	0,4	2,0	2,0	3.0	0,6	3,0	2,0	4,2	5,0
3	Фенолформальдегидная смола СФ342А (ГОСТ 18694-80)	15	25	15	15	15	15	15	15	10	15	15	15	17	24	17	20	15	8
4	Слоистый силикат: тальк	5	5	5	0,5	11	6	6	11	5	5	0,5	5	-	10	8	5	8,8	1
5	Минеральные волокна ровинг (ГОСТ 17139-79)	20	-	20	20	32	32	20	28	10	32	35	20	30	20,4	32	20	-	-
	базальтовое волокно (ТУ РБ 02974686)	-	20	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	20	10
6	Полисульфоновые волокна	6	6	6	11	3	1	13	6	6	6	1,5	6	-	12	2	6	6	6
7	Дисперсные наполнители: смесь оксидов титана, цинка, алюминия, железа, магния, смесь сульфатов бария, меди, кальция (в равных пропорциях)	51,6	32	36	43,5	29	36	36	30	59	33,6	38	22	42	30	30	42	36	58
	Оксид хрома	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	22	-	-	-	-	-	-
Примечание: содержание компонент дано в мас.%

Таблица 2
Результаты испытаний
Показатели	Контрольные составы	Заявляемый состав	прототип Патент РФ
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	XIII	XIV	XV	XVI	XVII	XVII
Коэффициент трения (динамический), отн. ед., 10-2	10	9	11	10	8	12	11	9	12	9	10	8	11	14	12	12	13	13	8
Скорость скольжения (V) - 1 м/с
Давление (Р) - 1,0 МПа
Интенсивность изнашивания, мкм/ч	16	2	3	14	12	13	4	3	10	8	19	12	14	0,5	1,5	0,5	0,5	2,0	28
V=1 м/с
Р=1,0 МПа
Коэффициент стабильности коэффициента трения, kf 10-2	83	60	78	71	66	66	85	64	86	64	66	62	60	93	85	86	96	93	72
Термостойкость, К	593	578	573	498	570	578	493	573	573	498	573	573	573	593	593	583	578	578	553
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа (ГОСТ 4651-82)	41	68	72	50	68	70	53	68	32	51	65	60	63	73	68	75	68	66	58

Композиция для изготовления фрикционного материала, включающая синтетический каучук, вулканизирующую группу, фенолоформальдегидную смолу, дисперсные наполнители, слоистый силикат, минеральные и органические волокна, отличающаяся тем, что в качестве синтетического каучука включен нитрилсодержащий каучук, в качестве дисперсных наполнителей содержит смесь оксидов и сульфатов металлов, выбранных из группы барий, титан, цинк, алюминий, медь, железо, магний, кальций, в качестве слоистого силиката - тальк, в качестве органического волокна - полисульфоновое волокно при следующем соотношении компонент, мас.%:

Синтетический каучук	3-12
Вулканизирующая группа	0,4-5,0
Фенолоформальдегидная смола	8-24
Слоистый силикат	1,0-10,0
Дисперсные наполнители	30-58
Минеральные волокна	3,0-35,0
Полисульфоновое волокно	2,0-12,0