Широко используются материалы на основе оловянистой бронзы в автомобиле- и тракторостроении. Эти материалы отличаются наличием 5-10% олова, придающего металлической основе повышенную прочность; свинца и графита, играющих роль твердой смазки; железа, двуокиси кремния или кремния, повышающих коэффициент трения.
Данные материалы способны воспринимать большие нагрузки и рекомендуются для изготовления тормозных колодок и дисков тормозов.
3.2 Материалы для работы в условиях жидкой смазки
Как уже отмечалось, широкое применение спеченных материалов в масляных фрикционных устройствах (муфтах сцепления, тормозах, фрикционах, синхронизаторах и т.д.) началось сравнительно недавно.
Недостатком «сухих! Устройств кроме повышенного износа является резкое снижение их эффективности в случае попадания масла на трущиеся поверхности дисков, расположенных в непосредственной близости от обильно смазываемых подшипников, шестерен, валов и др.
В последнее время в результате создания фрикционных материалов для работы со смазкой наблюдается тенденция к увеличению применения масляных тормозных узлов, которые не требуют отделения системы их смазки от системы смазки других деталей механизмов и узлов.
Преимущество масляных фрикционных устройств заключается в плавности включения; высокой износостойкости и долговечности; легкости и надежности охлаждения; упрощении герметизации. Однако при замене сухой муфты масляной уменьшается фрикционная эффективность.
В большинстве составов в качестве металлической связки используется медь, легированная оловом и (или) цинком. Наибольшее распространение среди твердых смазок получили графит и свинец. Многие материалы в качестве фрикционных добавок содержат двуокись кремния и железо.
В настоящее время в масляных фрикционных устройствах за рубежом кроме спеченных материалов применяются также асбестовая бумага, пропитанная смолой, и формованные материалы, содержащие большое количество металлических компонентов, так называемые полуметаллические материалы [10].
Таким образом, в фрикционных устройствах, работающих в условиях жидкостной смазки минеральными (или синтетическими) маслами, применяются спеченные материалы на основе медных сплавов, преимущественно на основе бронз. Эти сплавы характеризуются высокой износостойкостью при работе в тяжелонагруженных муфтах сцепления, фрикционах и тормозах.
Коэффициент трения материалов зависит как от условий работы (скорости скольжения, удельной нагрузки, работы трения, типа и количества смазки) и конструкции смазочных канавок на поверхности трения, так и от состава материала. С целью повышения фрикционных свойств материалы вводятся различного рода неметаллические твердые компоненты.
3.4 Материалы для сопряженных деталей, работающих в паре со спеченными фрикционными накладками.
Спеченные фрикционные материалы являются одним из элементов пары трения фрикционного устройства. Поэтому работоспособность и долговечность устройства значительной мере зависят от материала второго элемента пары трения, которые называют контртелом. В качестве материала контртел для работы со спеченными материалами применяются стали и чугуны, в некоторых случаях бронзы [8].
Из многочисленных марок сталей в фрикционных устройствах наибольшее распространение получили углеродистые стали: сталь20(доэвтектоидная, малоуглеродистая, конструкционная), сталь35(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 40(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 45 (доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), а также сталь 65Г (доэвтектоидная, рессорно-пружинная, высокоуглеродистая, легированная, содержание марганца не более 1%) [4,5]. Состав некоторых фрикционных контртел приведен в таблицу:
Химический состав фрикционных контртел,%
| Марка материала | С | Si | Mn | Cr | Ni | S | P |
| СЧ 15-32 | 3.33 | 1.89 | 0.75 | 0.18 | 0.14 | 0.097 | 0.14 |
| СЧ 18-36 | 2.75-3.2 | 1.75-2.25 | 0.5-1.0 | 0.3 | 0.5 | 0.10 | 0.4 |
| Сталь 35 | 0.32-0.4 | 0.17-0.37 | 0.5-0.8 | 0.25 | 0.25 | 0.04 | 0.04 |
| Сталь 40 | 0.37-0.45 | 0.17-0.37 | 0.5-0.8 | 0.25 | 0.25 | 0.04 | 0.04 |
| Сталь 65Г | 0.6-0.7 | 0.17-0.37 | 0.9-1.2 | - | - | - | - |
Достоинствами стали являются легкость изготовления фрикционных элементов механической обработкой из заготовок в виде поковок, штамповок или из листа, высокие теплофизические свойства и механическая прочность. Однако в процессе эксплуатации в условиях, когда на поверхности трения возникают значительные температуры, сталь может подкаливаться, сильно изнашиваться и обнаруживать значительное снижение коэффициента трения. Серьезными недостатками стали являются также усадка в процессе работы и коробления деталей, которые могут привести к заклиниванию и разрегулированию фрикционного устройства [5]. В связи с этим сталь используется для изготовления сопряженных деталей, работающих в паре с фрикционными спеченными материалами на основе железа в устройствах при сравнительно невысоких тепловых нагрузках.
Сталь, как правило, в термически обработанном состоянии (твердость 40-50 HRC) используется в фрикционных устройствах, работающих при трении со смазкой. В условиях сухого трения термическая обработка уменьшает износ стали в два-три раза, но в полтора раза увеличивает износ спеченного материала [2].
В условиях сухого трения предпочтение отдается низкоуглеродистым сталям, так как при износе при работе в паре со спеченными материалами очень мал, а износ спеченных материалов при этом втрое меньше, чем при трении по контртелу из высокоуглеродистых сталей.
Несмотря на некоторое преимущество по износостойкости и фрикционным свойствам легированных сталей, содержащих вольфрам, хром, алюминий, марганец, кремний, в сравнении с малоуглеродистыми, из применение в промышленности ограничивается высокой стоимостью. Тем не менее, в литературе имеются сообщения о применении в некоторых случаях легированных сталей. Так, в качестве материала контртела для фрикционных материалов на железной основе с высоким содержанием графита применяются закаленные марганцевохромистые стали или кобальтомарганцовые, а также хромомолибденованадиевые стали.
С целью предотвращения схватывания тормозных дисков при сильном их нагревании, например при посадке самолетов, используют конструкцию, состоящую из неподвижного металлического диска с фрикционным покрытием из неплавкой металлической спеченной композиции и вращающегося диска, взаимодействующего с фрикционной поверхностью.
При работе в условиях высоких температур в паре со спеченными материалами используется также стальное контртело, напыленное вольфрамом. Коэффициент трения этой пары не снижается (даже при высоких температур) ниже 0ю3 и несколько превышает коэффициент трения при работе в паре с лучшей фрикционной сталью [7].
Стали (а также чугуны), подвергнутые термодиффузионной обработке (азотированию, хромированию, алитированию), при испытании в паре со спеченным фрикционным материалом показывают более низкие фрикционные свойства, чем при испытании без упрочнения [2].
При термической обработке деталей из стали 65Г (закалка в масле с последующим отпуском при температуре 500-600º С) необходимо принимать меры для предупреждения коробления, которое может проявиться при эксплуатации отрихтованных дисков. С этой целью закаленные детали следует подвергать отпуску в зажатом состоянии.
В последнее время была предпринята попытка создать новый материал для контртела тормозного диска – графитизированную сталь [1] . Эта сталь получается комплексным легированием медью, титаном и кремнием, что позволяет исключить склонность к схватыванию поверхностей и создает условия для выделения углерода в стали в виде графита. Сталь имеет следующий состав (%): углерод - 1.3-1.5; кремний - 1.3-1.6; марганец - 0.3-0.5; медь – 1.2-1.5; титан – 0.25-0.4; сера – 0.03; фосфор – 0.035; хром – 0.20; никель – 0.20. Ее структура после термообработки : сорбит + свободный графит; механические свойства: σв= 85 кГ/мм2; σ0.2=65 кГ/мм2; ак= 2.0 кГ*м/см2; НВ 302-255; δ = 11%.
Испытания графитизированной стали в сравнении с фосфористым чугуном при сухом трении по эталону из стали 45Х показали существенное преимущество нового материала, как по износостойкости, так и по коэффициенту трения. Структура и механические свойства этой стали сохраняются неизменными при многократных и быстрых теплосменах.
Применение чугунов различных марок в качестве одного из элементов пары трения в фрикционных устройствах обусловлено из низкой стоимостью, простотой изготовления деталей даже сложной формы, хорошей обрабатываемостью, высокой прочностью и удовлетворительной износостойкостью. В средненагруженных муфтах сцепления и тормозах используются чугуны перлитного класса марок СЧ15-32, СЧ18-36 и некоторые другие. Желательно применять мелкозернистый серый чугун с твердостью НВ примерно 250 кГ/мм2 [10].
Не достатком простых чугунов является возможность их растрескивания в эксплуатации при переменных тепловых нагрузках из-за недостаточной термостойкости и прочности [5] .
Легированные чугуны наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к фрикционному материалу, работающему в условиях сухого трения. Они обладают высокой прочностью и термостойкостью[5]. При тяжелых условиях эксплуатации легированные чугуны более работоспособны и долговечны, чем простые чугуны или стали, хотя значительные термические напряжения, возникающие в процессе торможения, также приводят к образованию трещин на рабочей поверхности.