Композиция для безасбестового фрикционного материала

 

Изобретение относится к полимерным композициям для безасбестовых фрикционных материалов, используемых в машиностроении для изготовления тормозных накладок и колодок дисковых и барабанных тормозов. Целью изобретения является разработка антифрикционной композиции с повышенной стабильностью коэффициента трения. Композиция, материал на основе которой характеризуется стабильностью коэффициента трения до 92% (коэффициент стабильности до 0,92), включает, мас. %: фенолформальдегидная смола 5,5-12,0; бутадиеннитрильный каучук 1,5-4,0; вулканизующая группа 0,75-2,0; ультратонкое стальное волокно 15,0-60,0; углеродный наполнитель 1,5-8,0; порошкообразный сплав цинка с магнием 4,0-8,0; резаная латунная проволока 3,0-6,0; микропористый цеолит 5,0-15,0; оксид хрома 1,0-8,0; сурьма трехсернистая 3,0-10,0; сернокислый барий - остальное. При необходимости композиция может содержать до 20 мас. % стекловолокна, до 10 мас.% бронзовой стружки и до 0,2 мас.% стеарата кальция. Так, композиция, содержащая, мас.%: фенольная смола СФП-011 6,0; фенольная смола СФП-470 0,8; бутадиеннитрильный каучук СКН-30-МС 3,2; оксид цинка 0,8; ультратонкое стальное волокно 48,0; трехсернистая сурьма 7,0; графит 5,0; сплав цинка с магнием (54:46) 5,7; сернокислый барий 6,5; оксид хрома 6,0; латунная резаная проволока 3,0; фежазит 8,0; образует материал с характеристиками: коэффициент стабильности среднего значения коэффициента трения 0,92, среднее значение коэффициента трения 0,41 и энергетический износ 10^-7 см³/Дж 0,50. 7 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к полимерным композициям, применяющимся при получении безасбестовых фрикционных материалов, широко используемых в машиностроении для изготовления тормозных накладок и колодок дисковых и барабанных тормозов.

Одним из важнейших показателей работоспособности фрикционных материалов в широких диапазонах температур, скоростей и уровня нагруженности систем является величина стабильности коэффициента трения (наряду с двумя другими определяющими характеристиками коэффициентом трения и энергетическим износом).

Современный технический уровень разработок, направленных на создание фрикционных материалов со стабильным коэффициентом трения, представлен следующими разработками.

Пресс-композиция для материала, характеризующегося повышенной стабильностью коэффициента трения, включает, мас. фенольная смола 8,0-12,0; бутадиеннитрильный каучук с содержанием звеньев нитрила акриловой кислоты 27-35 мас. 2,5-4,5; порошкообразный металлический наполнитель 3,0-6,0; металлический наполнитель на основе меди в виде стружки 12,0-19,0; графитсодержащий наполнитель 3,0-7,5; баритовый концентрат 6,0-15,0; сурьма трехсернистая 7,0-9,0; вермикулит вспученный 1,0-4,0; минеральная вата 7,0-10,0; стеклянное волокно 2,0-5,0; углеродное волокно 2,0-5,0; оксид алюминия 8,5-16,0; резаная латунная проволока 5,0-10,0.

Стабильность коэффициента трения материала, определяемая как отношение минимального коэффициента трения к максимальному, составляет 0,80-0,88. Материал работоспособен при 30-600^oС, коэффициент трения (контртело - чугун СЧ-15) минимальный 0,37-0,42, максимальный 0,46-0,48 [1] Более высокой стабильностью коэффициента трения, достигающей 90,2, обладает материал из полимерной пресскомпозиции состава, мас. фенолформальдегидная смола 100; бутадиеннитрильный каучук с содержанием звеньев акриловой кислоты 27-35% 13,3-83,3; cерная вулканизующая группа 0,7-50,0; безасбестовый волокнистый наполнитель 73,3-516,7; бронзовая стружка 66,7-283,4; рубленая латунная проволока или стружка 40,0-183,3; графитсодержащий наполнитель 20,0-133,3; баритовый концентрат 20,0-200,0; оксид алюминия 40,0-250,0; трехсернистая сурьма 20,0-200,0; вспученный вермикулит 6,7-66,7; монозамещенные фосфаты хрома и алюминия 3,3-100,0; гидроксид кальция 6,7-83,3; резиновая крошка с размером частиц до 1 мм 3,3-33,3. Коэффициент трения материала 0,34-0,41 при скорости 80 км/ч и нагрузке 5,6 МПа, интенсивность изнашивания I 10^-12 м³/Дж 0,43-0,71 [2] Составы вышеописанных материалов традиционны в части использования усиливающих волокон, предусматривая применение в качестве последних стекловолокна, углеродного волокна, базальтового волокна, минеральной ваты и т.п. Однако в последнее десятилетие зарубежные разработки, касающиеся фрикционных материалов, преимущественно базируются на металлических волокнах, главным образом, стальном волокне в качестве основного усиливающего компонента или на его сочетаниях с другими волокнами органическими (главным образом, арамидным) и минеральными.

Так, наиболее стабильными характеристиками коэффициента трения и скорости износа при различных скоростях и температурах обладает безасбестовый фрикционный материал, изготовленной из композиции, содержащей, мас.

1-70 усиливающих волокнистых материалов, включающих 2,5-12,0% арамидного волокна, 6,0-25,0% минерального волокна (стеклянная вата, минеральная силикатная шерсть, шлаковая шерсть, стекловолокно и др.) и 16,0-36% стального волокна; 5-20 порошкообразной слюды; 5-25 термореактивного связующего, в качестве которого могут быть использованы фенольные смолы, эпоксидные смолы, фурановые смолы, каучуки (нитрильный каучук, бутадиенстирольный каучук) или их смеси.

Однако температурный предел использования этого материала не превышает 300^oС [3] Улучшенные фрикционные характеристики при более высоких температурах (выше 350-400^oС) имеет первый отечественный безасбестовый фрикционный материал, изготовленный с использованием стального волокна, на основе композиции состава, мас. фенольная смола 5,0-15,0; арамидное волокно 1,5-3,0; минеральное волокно 5,0-20,0; стальное волокно 2,0-20,0; карбид кремния 8,0-15,0; порошкообразный сплав с температурой плавления 320-390^oС и скрытой теплотой плавления более 15 кал/г 3,0-12,0; сернокислый барий - остальное.

В качестве порошкообразного сплава композиция может включать сплав, выбранный из группы, содержащей сплавы цинка и магния (94:6, 98:2,54:46), сплав цинка, магния и алюминия (90,5:3,5:6,0), сплав цинка, меди и алюминия (88,0:4,0:8,0), сплав олова и алюминия (97,5:2,5) или их смесь в любых соотношениях.

При необходимости в состав композиции могут быть введены углеродное волокно (до 15%), латунная проволока (до 15%) и каучук (до 5%) в сочетании с вулканизующим агентом серой (до 1%). Стальное волокно, входящее в состав материала, имеет толщину от 5 до 50 мкм (ультратонкое) [4] Эта композиция, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемой, принята за прототип.

Материал, изготовленный из композиции по прототипу, имеет хорошие характеристики коэффициента трения (0,40-0,42) и энергетического износа (0,38-1,0)10^-7 см³/Дж, однако стабильность коэффициента трения находится в пределах 0,85-0,87.

Техническая задача, решаемая изобретением разработка композиции для безасбестового фрикционного материала с повышенной стабильностью коэффициенте трения.

Поставленная задача достигается тем, что композиция для безасбестового фрикционного материала, включающая фенолформальдегидную смолу, бутадиеннитрильный каучук с содержанием звеньев акрилонитрила 27,0-35,0 мас. в сочетании с вулканизующей группой, ультратонкое стальное волокно, углеродный наполнитель, порошкообразный сплав цинка и магния, резаную латунную проволоку и сернокислый барий, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит микропористый цеолит, оксид хрома и сурьму трехсернистую при следующем соотношении компонентов композиции, мас. фенолформальдегидная смола 5,4-12,0; бутадиеннитрильный каучук 1,5-4,0; вулканизующая группа 0,75-2,0; ультратонкое стальное волокно 15,0-60,0; углеродный наполнитель 1,5-8,0; порошкообразный сплав цинка и магния 4,0-8,0; резаная латунная проволока 3,0-6,0; микропористый цеолит 5,0-15,0; оксид хрома 1,0-8,0; сурьма трехсернистая 3,0-10,0; сернокислый барий остальное.

При необходимости композиция может дополнительно содержать стекловолокно в количестве до 20,0 мас. бронзовую стружку в количестве до 10,0 мас. и стеарат кальция в количестве до 0,2% В качестве вулканизующей группы могут быть использованы оксид цинка и/или сера, предпочтительно в виде смеси, содержащей компоненты в равных количествах.

В качестве сплава цинка с магнием могут быть использованы сплавы, содержащие цинк и магний в соотношениях соответственно 54:46,94:6,98:2.

В качестве углеродного наполнителя могут использоваться графит и/или активированный уголь.

Цеолиты, примененные в составе композиции, имеют размеры пор от 3 до 13 ангстрем.

Химический состав цеолитов характеризуется общей формулой М_n/2ОАl₂O₃хSiO₂yН₂О, где М - щелочной или щелочноземельный металл, n его степень окисления. В силу присущего цеолитам свойства изоморфизма возможны замещения в структуре (например, атом Са замещается на 2 атома Nа или К, или на атом Sr или Ва и др.). В соответствии с изобретением могут быть использованы как природные цеолиты, так и синтетические, полученные или путем модифицирования природных цеолитов (кислотное деалюминирование и др.), или гидротермальным синтезом из высокореактивных аморфных материалов (гелей, стекол), а также из смесей, приготовленных из реагентов в виде окислов, гидроокислов и солей. Источником оксида кремния может служить силикагель или кварц, источником оксида алюминия алюминат натрия, гидроокись алюминия, оксиды или гидроксиды алюминия и т.п.

К числу природных цеолитов, которые предпочтительно использовать, относятся фожазит Nа₂Са[Аl₂Si₄О₁₂]₂16Н₂О (или в окисной форме Nа₂ОСаО2Аl₂O₃8SiO₂ 16H₂O), шабазит Са[Al₂Si₄O₁₂]6H₂O, морденит (Са, К₂, Nа₂)[AlSi₅O₁₂] ₂6Н₂О, гармотом Ва[Аl₂Si₆O₁₆] 6Н₂О. Предпочтительными синтетическими цеолитами являются цеолиты типа Х - искусственные аналоги фожазита, высококремнистые типа У, соответствующие природному шабазиту, синтетический морденит и др.

Цеолиты применяются в качестве сорбентов для тонкого разделения сложных газовых и жидких смесей, для очистки воздуха, промышленных и сточных вод, в каталитических процессах переработки углеводородов, ароматизации и изомеризации и во многих других процессах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностей.

Сведения об использовании микропористых цеолитов во фрикционных материалах для повышения стабильности коэффициента трения нами не обнаружены.

Фрикционный материал получают пропиткой полимерным связующим смеси усиливающего ультратонкого стального волокна и фрикционных наполнителей с последующим прессованием при температуре 170^oС и давлении 300 кг/см². Далее термообработка при 80-200^oС в течение 20-22 ч.

Представленные в таблице примеры иллюстрируют составы композиций и свойства материалов, полученных из них.

Примеры 1-6 иллюстрируют составы в соответствии с изобретением, примеры 7 и 8 контрольные (в примере 7 вместо цеолита использован оксид алюминия в том же количестве, в примере 8 оксид кремния в виде силикагеля), примеры 9 и 10 соответствуют примерам 5 и 10 прототипа.

Из полученных композиций отпрессовывают образцы в виде брусков размером 10х10х15 мм, которые испытывают для оценки трибологических характеристик. Испытания проводят на машине трения 2070 СМТ-1 производства ПО "Точприбор" (г. Иваново) в соответствии с методикой экспресс-оценки фрикционных свойств (коэффициента трения и энергетического износа) полимерных материалов по схеме вытирания канавки с подъемом температуры до 600^oС.

Как видно из представленной таблицы, материалы из заявленных композиций превосходят материалы по прототипу по стабильности коэффициента трения - наивысший коэффициент стабильности 0,92 (против 0,86 по прототипу), т.е. коэффициент стабильности возрастает на 6,5% Сравнение с контрольными примерами 7 и 8 дает практически такой же результат, что свидетельствует о неочевидности полученного эффекта.

Техническая документация.

1. Фенольная смола СФП-011 Л, СФП-470 ОСТ 6-05-441-78.

2. Бутадиеннитрильный каучук с содержанием акрилонитрила 27-35 мас. в виде латекса СКН-30МС (на сухое вещество) ТУ 381032254-75.

3. Вулканизующая группа: сера ГОСТ 202-84, oксид цинка ГОСТ 202-84.

4. Графит кристаллический ГОСТ 5279-74.

5. Сернокислый барий в виде баритового концентрата ГОСТ 4682-84.

6. Латунная проволока резаная ГОСТ 1066-80.

7. Сурьма трехсернистая ОСТ 4835-83.

8. Стеклянное волокно ТУ 6-11-240-77.

9. Бронзовая стружка ГОСТ 1639-78.

10.Стеарат кальция ТУ 2-2205800165- 522-93.

11.Оксид алюминия ГОСТ 6912-87.

12.Оксид кремния ГОСТ 14922-77.

13.Оксид хрома ГОСТ 2912-79.

14.Ультратонкое стальное волокно опытный образец.

15.Порошкообразный сплав цинка с магнием опытный образец.

16. Цеолиты: фожазит, шабазит, морденит, гармотом природные минералы; синтетический цеолит типа СаУ мол.отношение оксида кремния к оксиду алюминия 4,5) производство Горьковского опытного завода.

Формула изобретения

1. Композиция для безасбестового фрикционного материала, включающая фенолоформальдегидную смолу, бутадиеннитрильный каучук с содержанием звеньев акрилонитрила 27 35 мас. в сочетании с вулканизующей группой, ультратонкое стальное волокно, углеродный наполнитель, порошкообразный сплав цинка и магния, резанную латунную проволоку и сернокислый барий, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит микропористый цеолит, оксид хрома и сурьму трехсернистую при следующем соотношении компонентов, мас.

Фенолоформальдегидная смола 5,4 12,0
Бутадиеннитрильный каучук 1,5 4,0
Вулканизующая группа 0,75 2,0
Ультратонкое стальное волокно 1,5 60,0
Углеродный наполнитель 1,5 8,0
Порошкообразный сплав цинка с магнием 4,0 8,0
Резаная латунная проволока 3,0 6,0
Микропористый цеолит 5,0 15,0
Оксид хрома 1,0 8,0
Сурьма трехсернистая 3,0 10,0
Сернистокислый барий Остальное
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стекловолокно в количестве до 20 мас.

3. Композиция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бронзовую стружку в количестве до 10 мас.

4. Композиция по пп. 1 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стеарат кальция в количестве до 0,2 мас.

5. Композиция по пп. 1 4, отличающаяся тем, что она содержит в качестве вулканизующей группы оксид цинка и/или серу.

6. Композиция по пп. 1 5, отличающаяся тем, что в качестве углеродного наполнителя она содержит графит и/или активированный уголь.

7. Композиция по пп. 1 6, отличающаяся тем, что в качестве сплава цинка с магнием она содержит сплав с соотношением цинка и магния соответственно 54:46 или 94:6, или смесь указанных сплавов в любом соотношении.

8. Композиция по пп. 1 7, отличающаяся тем, что в качестве микропористого цеолита она содержит природный или синтетический цеолит.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2