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. Композиция содержит, мас. %: фенолформальдегидную смолу (5-10), бутадиеннитрильный каучук (2-6), ультратонкое стальное волокно (20-50), углеродный наполнитель, термообработанный при подъеме температуры от комнатной до 200oС продукт пропитки твердого углеродсодержащего материала водным раствором смеси солей переходного металла и щелочного или щелочноземельного металла при их массовом соотношении соответственно (80-98):(1-10):(1-10) в количестве - (5-20), латунная стружка или медный порошок (5-7), смесь карбоната и гидроокиси кальция (1-5), глинозем (1-20), карбонизованное целлюлозное волокно (1-10), вермикулит (0,5-5), сернокислый барий - до 100. Композиции обеспечивают получение фрикционных материалов, выделяющих меньшее количество свободного фенола, с уменьшенными уровнями шума и износа, повышенной стабильностью коэффициента трения при температурах до 500oС, с пониженным износом контртела и уменьшенным уровнем брака. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к полимерным композициям, применяющимся при получении безасбестовых фрикционных материалов, используемых в машиностроении для изготовления тормозных накладок и колодок дисковых и барабанных тормозов.
Современные фрикционные материалы, работоспособные в широких диапазонах температур, скоростей и уровня нагруженности систем, должны сочетать в себе высокие трибологические характеристики (стабильный коэффициент трения, низкий энергетический износ) с высокой экологичностью материала и с таким важным эксплуатационным (эргономическим) показателем как уровень шума (писка), испытание которого входит в комплексную систему испытаний автомобилей (С.А.Лаптев. Комплексная система испытаний автомобилей, М.: Изд. стандартов, 1991 г., с. 90). Известен фрикционный материал и композиция для него, характеризующийся удовлетворительными (как это отмечено, в тексте описания к патенту) характеристиками коэффициента трения и износа в сочетании с улучшенными шумовыми показателями (снижение писка), достигаемыми за счет уменьшения продуктов крекинга, образующихся во время торможения, при замене в составе композиции части графита на один или более металл или сплав, более мягкий, чем сталь (свинец, олово, цинк, медь, латунь, бронза; предпочтительны цинковый порошок или сплав свинца с оловом). При этом важную роль играет и способ изготовления материала. Наилучшие результаты показывают составы на стальном волокне, в частности, содержащие 5-35 об.% стального волокна, или порошка, 10-35 об. % связующего (в том числе фенольные смолы) и 0,5-15 об.% металла другого, чем сталь, остальное - графит и органический и/или неорганический наполнитель (Европейский патент М. кл. F 16 D 69/02, опубл. 1990 г. по заявке N 0184708, 1985 г.). Однако, судя по представленным в таблице сведениям, материал работоспособен (продукты крекинга практически отсутствуют) при относительно невысоких температурах - до температуры ротора 100oC. Известна полимерная фрикционная пресс-композиция для тормозных дисковых тормозов легковых автомобилей и мотоциклов, характеризующаяся снижением шумового эффекта тормозного узла при торможении и повышенной стабильностью коэффициента трения при повышенных температурах (авт. свид. СССР N 1674546, кл. C 08 J 5/14. опубл. 1992 г.). Композиция содержит: мас. % : фенолформальдегидную смолу, бутадиеннитрильный каучук 2,5-4,5, порошкообразный металлический наполнитель (порошок меди, свинца, титана) 3-6, металлический наполнитель на основе меди в виде стружки (латунная или бронзовая) 12-19, графитсодержащий наполнитель (графиты кристаллический и скрытокристаллический, графитированный порошок) 3-7,5, баритовый концентрат 6-15, сурьму трехсернистую 7-9, вермикулит вспученный 1-4, минеральную вату 7-10, стеклянное волокно 7-10, углеродное волокно 2-5, оксид алюминия 8,5-16 и резаную латунную проволоку 5-10. Фрикционно-износные свойства композиции при лабораторных испытаниях на машине трения И-47 в соответствии с ГОСТ 10851-73 при удельном давлении 1,5 МПа и температуре 20-600oC по чугуну C-15 при переменной скорости скольжения от 0,13 до 6,5 м/с: коэффициент трения 0,46-0,48, стабильность коэффициента трения 0,69-0,88, интенсивность изнашивания (мкг/Дж

Сернокислый барий - до 100
При необходимости композиция может быть дополнена вулканизующим агентом - оксидом цинка и/или серой в количестве до 1 мас.%, порошкообразным сплавом цинка и магния в количестве до 6%, дисульфидом молибдена в количестве до 5% и содой - до 8 мас.%. Компоненты, примененные для получения углеродного наполнителя и технология изготовления последнего аналогичны прототипу:
- в качестве твердого углеродсодержащего материала могут быть использованы сажа, графит, кокс, технический уголь, углеродные волокна, и т.п., предпочтительно углеродные волокна,
- в качестве солей переходных металлов - растворимые в воде соли переходных металлов с любыми кислотами, проявляющих каталитическую активность при разложении углеводородов,
- в качестве солей щелочных или щелочноземельных металлов с любыми кислотами предпочтительны соли натрия или соли бария. Пропитку углеродсодержащего материала осуществляют водным раствором вышеуказанных солей (концентрация 15-20%) под вакуумом с завершением процесса пропитки на воздухе под атм. давлением. Карбонизацию волокна проводят в среде паров углеводородов при температуре до 800o - 1000oC. Карбонизованное волокно, в частности ВВК - высокопрочное (прочность при растяжении 60 кг/мм2), ТУ 6-12-57-63-38-2-23-91). Способ изготовления материала из предлагаемой композиции состоит в смешении ингредиентов при температуре 60-80oC и прессовании при удельном давлении от 500 до 1000 кг/см2 с последующей обработкой при температуре до 200oC или прессовании при температуре 170 - 200oC и удельном давлении от 200 до 1000 кг/см2. Представленные ниже примеры (см. таблицу), иллюстрируют составы композиций и свойства полученных из них материалов:
- примеры 1-6 иллюстрируют составы в соответствии с изобретением,
- примеры 7-11 - контрольные: пример 7 иллюстрирует композицию, в которой отсутствует карбонизованное целлюлозное волокно, пример 8 - состав не содержит вермикулита, пример 9 - в составе отсутствует углекислый кальций, пример 10 - в составе отсутствует гидроокись кальция, пример 11 - в составе использована смесь углекислого кальция и гидроокиси кальция в соотношениях, выходящих за заявленные пределы (в строках "Углекислый кальций" и "Гидроокиси кальция" в графе 12 через вертикальную черту указаны слева от вертикальной черты соотношение углекислого кальция и гидроокиси кальция 1,2 и 2,8 соответственно (30:70), справа от вертикальной черты - 2,8 и 1,2 (70: 30), при прочем равенстве компонентного состава композиции; аналогично через вертикальную черту приведены характеристики материала из указанных композиций). Из полученных композиций отпрессовывают образцы в виде брусков размером 20х20х10 мм. Испытания трибологических характеристик проводят на машине трения СМЦ-2 в соответствии с методикой экспресс-оценки фрикционных свойств материала по схеме вытирания канавки с подъемом температуры до 650oC. Износ контртела определялся на машине трения МИ-1. Оценка уровня шума производилась по Инструкции ВАЗа И 1972.37.101.049-87 "Методика оценки писка дисковых тормозов при торможении". Испытания проводятся на автомобиле путем последовательных торможений с начальной скоростью 60 км/ч при давлении в приводе (усилиях на тормозную педаль), дискретно увеличивающихся через каждые 50 Н (0,5 кГс) от 0 до начала блокировки колес. При каждом давлении производится не более двух заездов при стабильности результатов. Допустимый уровень шума - 1 балл. Определение свободного фенола, выделяемого материалом, проводится спектрометрически в соответствии с методикой, описанной в журнале "Аналитическая химия", т. 36, N 9, с. 1808-12, 1981 г. Из сведений, приведенных в таблице следует, что материалы из композиций заявленных составов не уступают материалам из композиции по прототипу (пример 3) в части коэффициента трения, превосходя последние по комплексу эксплуатационных характеристик:
- токсичности (выделение фенола ниже в 1,1-1,2 раза),
- энергетическому износу (лучшие примеры - 2, 3 и 5 характеризуются вдвое меньшим износом),
- коэффициенту стабильности коэффициента трения, достигающему в лучших примерах значения 0,95-0,96 против 0,93 по прототипу),
- уровню шума (более чем в 2 раза),
- износу контртела (в лучших примерах - в 3 раза меньший износ),
- технологичности, за показатель которой взят брак изделий (снижение брака на 7-10%). Последние две характеристики, не приводимые в прототипе, сняты нами специально для примера 3 прототипа для проведения сопоставительного анализа. Отмеченный эффект имеет место только при одновременном наличии всех обязательных компонентов композиции, о чем свидетельствуют контрольные примеры 7-11. При этом введенные в состав композиции дополнительно (по сравнению с прототипом) компоненты - карбонизованное целлюлозное волокно, смесь углекислого кальция и гидроокиси кальция в определенном соотношении в сочетании с прочими компонентами композиции обеспечивают получение неочевидного эффекта в части снижения уровня шума, износа контртела и токсичности:
- карбонизованное целлюлозное волокно должно влиять на стабильность коэффициента трения; в предложенном составе оно повышает термостабильность связующего, снижая выделение свободного фенола в окружающую среду, вероятно, вследствие захвата свободных радикалов, образующихся при нагреве и механохимическом воздействии на материал,
- углекислый кальций и гидроокись кальция, являясь активными наполнителями для связующего, должны влиять на кинетику его отверждения, улучшая технологические показатели и увеличивая прочность материала (трещиностойкость), то есть снижая брак,
- вермикулит как слоистое вещество должно влиять на стабилизацию коэффициента трения. На прочие характеристики указанные выше компоненты оказывать заметного влияния не должны. Техническая документация
1. Фенольная смола СФП-011 Л, СФП-470 ОСТ 6-05-441-78. 2. Бутадиеннитрильный каучук в виде латекса СКН-30 МС, СКН-26 АСМ ТУ 381-0325475. 3. Вулканизирующая группа: сера ГОСТ 127-76,
оксид цинка ГОСТ 202-84. 4. Сернокислый барий в виде баритового концентрата ГОСТ 4682-84. 5. Латунная стружка ГОСТ 2060-73. 6. Медный порошок электролитический ПМС-1, ПМС-2 ГОСТ 4960-75. 7. Глинозем (оксид алюминия) ГОСТ 6912-87. 8. Сажа (углерод технический) ГОСТ 7885-77. 9. Кокс ГОСТ 11255-75. 10. Волокно "Углен" ТУ 6-06487-81. 11. Сернокислое железо ГОСТ 4178-78. 12. Сернокислый натрий ГОСТ 4166-76. 13. Сернокислый никель ГОСТ 4465-74. 14. Хлористый натрий ГОСТ 4233-77. 15. Хлористый барий ГОСТ 4108-72. 16. Хлористое железо ГОСТ 4147-74. 17. Хлористый кобальт ТУ 6-09-2328-77. 18. Углекислый кальций (мел природный, технический дисперсный) ГОСТ 12085-88. 19. Гидроокись кальция ТУ 6-18-75-75. 20. Вермикулит вспученный ТУ 21-25-152-75. 21. Карбонизованное углеродное волокно ВВК ТУ 6-12-57-63-38-2-23-91. 22. Дисульфид молибдена ТУ 48-19-133-85.
Формула изобретения
Фенолформальдегидная смола - 5 - 10
Бутадиеннитрильный каучук - 2 - 6
Ультратонкое стальное волокно - 20 - 50
Вышеупомянутый углеродный наполнитель - 5 - 20
Латунная стружка или медный порошок - 5 - 7
Смесь карбоната кальция и гидроокиси кальция в массовом соотношении (40-60) : (60-40) - 1 - 5
Глинозем - 1 - 20
Карбонизованное целлюлозное волокно - 1 - 10
Вермикулит - 0,5 - 5
Сернокислый барий - До 100
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вулканизующий агент - оксид цинка и/или серу в количестве до 1 мас.%. 3. Композиция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит порошкообразный сплав цинка и магния, в количестве до 6 мас.%. 4. Композиция по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит дисульфид молибдена в количестве до 5 мас.%. 5. Композиция по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит соду в количестве до 8 мас.%.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2