НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТРИБОЛОГИИ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТРИБОЛОГИИ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Асчян Григор Оганесович

аспирант Национального политехнического университета Армении

Армения, г. Ереван

SOME ISSUES OF TRIBOLOGY OF FRICTION MATERIALS WITH FUNCTIONAL PROPERTIES

Grigor Aschyan

postgraduate student of the National Polytechnic University of Armenia,

Armenia, Yerevan

АННОТАЦИЯ

Изучены трибологические характеристики безасбестовых фрикционных материалов с функциональными свойствами, приведены их фрикционные характеристики. Усиановлено, что существует общая закономерность механохимических изменений в поверхностных слоях исследуемых фрикционных материалов с функциональными свойствами. Экспертному исследованию подвергся фаялит, использующий в качестве добавки фрикционного материала типа Бастенит-10 с высоким коэффициентом теплоемкости и входящий в состав шлаков Алавердского медеплавильного завода. Материал Бастенит-10 обладает высокими фрикционными характеристиками и соответствует требованиям международного стандарта SAEJ 661 201211.

ABSTRACT

The tribological characteristics of asbestos-free friction materials with functional properties are studied, their frictional characteristics are given. It has been established that there is a general pattern of mechanochemical changes in the surface layers of the studied friction materials with functional properties. Fayalite was subjected to an expert study, using as an additive a friction material of the Bastenit-10 type with a high heat capacity coefficient and which is part of the slags of the Alaverdi copper smelter. The material Bastenit-10 has high friction characteristics and meets the requirements of the international standard SAEJ 661 201211.

Ключевые слова: фрикционный материал с функциональными свойствами; эффектовность торможения; механохимические изменения.

Keywords: friction material with functional properties; effectiveness of braking; mechanochemical changes.

Введение: Трудно себе представить развитие техники и транспорта без применения надежных и высокоэффективных тормозных устройств. Тормозные устройства современных машин работают в тяжелых условиях, связанных с действием высоких температур, скоростей и  нагрузок, которые оказывают специфическое воздействие на рабочие характеристики элементов фрикционных пар, в то время как одним из основных требований, предъявляемых к ним, является стабильность эксплуатационных характеристик в большом диапазоне температур и нагрузок. Вследствие этого применяемые в настоящее время полимерные композиционные фрикционные материалы, являющимися материалами с функциональными свойствами, не всегда удовлетворяют возросшим требованиям эксплуатации. Технический прогресс  требует разработки новых высокоэффективных и в то же время экологически безвредных фрикционных материалов с функциональными свойствами [1].

При создании новых более эффективных и экологически безвредных полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами возникает необходимость решать ряд сложных проблем, связанных с поиском и выбором оптимального сочетания наполнителей и полимерных связующих, подбора технологического оборудования и технологии изготовления, выбора конструкции элементов пар трения и др. с учетом теоретических разработок и экспериментальных данных.  Решения этих проблем неразрывно охватывают области трибологии.

Цель работы сравнительная трибологическая оценка полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами и предложение нового материала данного класа.

Рузультаты: Для достижения поставленной цели экспериментальному исследования подверглись  композиционные фрикционные материалы Бастенит-8, разработанные в Нциональном политехническом университете Армении и материалы производителей  РФ (ТИИР, АО АЗ УРАЛ)  и Украины (ТРИБО). Эксперименты проводились на инерционном стенде ТС-1. Режимные параметры экспериментов определены учитывая условия работы тормозных фрикционных накладок автомобилей «Урал¦, а этапы испытаний согласованы с требованиями международного стандарта SAE J 661 201211. Этапы и  режимные параметры испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Этапы и  режимные параметры испытаний

Результаты эксперимепнтов по определению эффективности торможения, потери эффективности и восстановления потери эффективности представлены на рис. 1. Их анализ   показывает следуящее.

Рисунок 1.  Результаты сравнительных экспериментов

а- эффективность торможения, б- потеря эффективности торможения,  в‑ восстанавливаемость потери эффективности торможения

Фрикционные накладки, изготовленные из материала Бастенит-8, по параметрам эффективности торможения превосходят аналогам (рис.1,а). По параметрам потери  эффективности торможения  (рис. 1, б) накладки, изготовленные из материала Бастенит-8 демонстрируют высокие характеристики во всем температурном диапазоне и  величина разброса значений замедления не превышает 5%, что удовлетворяет требованиям SAE J 661 201211. Фрикционный материал Бастенит-8 по восстанавливаемости потери эффективности торможения также не уступает выбранным аналогам (рис. 1, в).

   Фрикционный материал мпрки 6КХ-1Б (ТУ3811425-70)  в настоящее время пока еще используется в тормозных узлах автомобилей марки «Урал» и для разработки новых полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами следует анализировать трибологические свойства этого материала. Согласно  исследованиям [2] получены следующие данные (рис. 2).

Рисунок 2. Закономерности изменения коэффициента трения и энергетической интенсивности изнашивания в зависимости от поверхностной температуры

при  P_a = 0,6 МПа, V_ск =7,5 м/с и K_вз=1 [2]

Средний коэффициент трения материала с повышением температуры первоначально увеличивается и имеет максимальное значение при температурах 250...280 ⁰С.  Далее  при  увеличении  поверхностной  температуры коэффициент трения уменьшается до минимального значения при 330...400 ⁰С. При температуре выше 400 ⁰С у всех материалов наблюдается резкое повышение  коэффициента трения. Зависимость коэффициента трения материала от поверхностной температуры выражается кривой, имеющей зону снижения в интервале 220…360 ⁰С с резким переходом от сравнительно высокого трения до уровня, практически соответствующего трению при смазке.

Видно, что при температурах до  250...280 °С зависимость энергетической интенсивности изнашивания от поверхностной температуры имеет линейный характер. Выше этих температур  интенсивность изнашивания увеличивается и характеризуется нелинейной зависимостью, а когда поверхностная температура превышает 400 ⁰С, наступает режим интенсивного изнашивания и разрушения поверхностных слоев материала.

Увеличение коэффициента трения на первом участке свидетельствует о повышении адгезионного взаимодействия между поверхностными слоями фрикцйионного материала и контртела. Так как теплонагруженность и градиент температуры фрикционного контакта на данном участке невелик,  преобладают физико-механические явления, и износ является умеренным. На втором участке под действием генерируемого при трении тепла поверхностный слой фрикционных материала  размягчается и постепенно переходит в расплавленное состояние.  С  повышением  смазывающего  действия  продуктов деструкции связующего коэффициент трения продолжает уменьшаться и, наконец, принимает минимальное значение. Изменение кривых зависимости интенсивности износа от температуры на этом участке характеризует переход от умеренного к интенсивному изнашиванию  материалов.

Третий участок отличается интенсивным высокотемпературным износом материала. Повышение коэффициента трения здесь связано с увеличением суммарной площади фактического касания. Под воздействием фрикционного тепла и повышения градиента температуры в зоне трения увеличиваются адгезия продуктов изнашивания с металлическим контртелом и аутогезия самих частиц. Результаты испытаний показывают, что существует общая закономерность поведения фрикционного материала и процессов, протекающих при трении, определяющих работоспособность фрикционных материалов.

Обобщение  полученных результатов  испытаний показывает, что при трении в зависимости от поверхностной температуры  существуют нижеследующие общие  закономерности:

• зависимость коэффициента трения фрикционных материалов с функциональными свойствами  от поверхностной температуры состоит из трех основных зон: повышения коэффициента трения (до 250…280 ⁰С), его уменьшения (330…400 ⁰С) и повторного повышения (выше 400 ⁰С);
• интенсивность изнашивания   характеризуется  линейной зависимостью до  250...280 °С  (первая зона  изменения коэффициента трения), а выше этих температур  интенсивность изнашивания увеличивается и характеризуется нелинейной зависимостью;

Эти полученные закономерности указывают основные пути и направления разработки научно обоснованных принципов выбора наполнителей и создания полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами с целью обеспечения высокой фрикционной теплостойкости и эффективности пары трения тормозных устройств. В частности, создание безасбестовых полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами путем научно обоснованного выбора наполнителей следует осуществлять в направлении разработки композитов, при скольжении которых зоны уменьшения и повторного повышения коэффициента трения смещены в область более высоких поверхностных температур.

Установлено, что повышение температуры поверхности трения фрикционного материала при торможении характеризуется теплоемкостью и для материалов, работающих в высокотемпературных (выше 280 0С) условиях, чем выше коэффициент удельной теплоемкости (чем меньше повышение температуры при одном торможении), тем более износостойким является фриекционный материал [2]: Это положение важно для разработки составов полимерных композиционных безасбестовых тормозных термостойких материалов, поскольку использование наполнителей с высокой теплоемкостью позволит улучшить трибологичнские свойства.

Механохимические изменения, протекающие во фрикционном контакте при выполнении выше описанных экспериментов, оценивались методами дифференциально-термического и термогравиметрического анализов путем сопоставления кривых ДТА и ТГА продуктов износа и опилок исходных композиций. Результаты анализов высокотемпературного изнашивания материала 6КХ-1Б представлены на рис.3.

Рисунок 3. Кривые ДТА и ТГА анадизов

Кривые ДТА для исходных материалов и продуктов износа имеют экзотермический характер, а на кривых ТГА наблюдается потеря массы. При этом экзотермические кривые ТГА продуктов износа свидетельствуют о том, что процессы, приводящие к распаду соединений в композиционных составах материала, не полностью завершены, а образование продуктов износа является результатом не только химических реакций. Расшифровка кривых ДТА и ТГА показывает, что механохимические превращения опилок исходных материалов имеют многостадийный характер и начинаются при сравнительно низких температурах, тогда как у продуктов износа эти изменения происходят с гораздо меньшей интенсивностью.

На первой стадии (60...200 °С) снижение массы исходных порошков свидетельствует о потере влаги и существовании низкомолекулярного весового пиролиза летучих продуктов. При этом из соединений (например, из асбеста) выделяется связанная вода. Этот процесс сопровождается некоторым снижением прочности поверхностных слоев материала и уменьшением количества летучих продуктов.  Кроме того, температура в конце первой стадии тем выше, чем больше износостойкость композиции. На этой стадии потеря массы наблюдается и у продуктов износа, но меньшая интенсивность этого процесса показывает, что продукты износа в процессе трения частично теряли влагу.

 При  200...600 °С (вторая стадия)  происходит  деструкция  связующего  и наблюдается резкая потеря  массы (кривые ТГА). Сам процесс деструкции сопровождается различными экзо- и эндотермическими превращениями о котором свидетельствуют экстремумы на кривых ДТА исходных материалов. Под действием механических напряжений происходит необратимое смещение или разрыв межмолекулярных связей в области материала, непосредственно участвующего в контакте с контртелом. Импульсное воздействие (вспышки) температуры в этих областях приводит к повышению подвижностей цепей макромолекул, снижению сил меж- и внутри молекулярного взаимодействия, облегчая тем самым разрыв межмолекулярных и повышая вероятности разрыва внутримолекулярных связей. В результате термоокисления и трибохимических процессов на поверхности трения фрикционного иатериала возрастает количество неорганических соединений. После нарушения фрикционного контакта и снятия напряжения возможна рекомбинация разорванных связей. При повторном нагружении в области существования разорванной связи, напряжения распределяются на соседние менее напряженные связи, возникают условия для их разрыва, быстрого роста повреждения и образования микротрещин.

На третьей стадии механохимических изменений (600...850 °С) доминирует процесс деградации армирующего наполнителя, который начинается при сравнительно низких температурах. В итоге деградация приводит к увеличению на поверхности трения фрикционного материала количества оксидов и интенсификации термоокислительных процессов. При температурах выше 850 °С наблюдается дальнейшая потеря массы (четвертая стадия) и процесс распада соединений. В частности, из деградированного связующего выделяется углерод, в результате миграции которого происходит карбонизация поверхности трения. Образуются графитовые цепи, являющиеся смазывающим агентом. Необходимо отметить, что эта трансформация влияет на релаксационную подвижность молекулярных цепей и увеличивает формирующуюся фактическую площадь контакта на поверхности трения.

Учитывая приведенные выше результаты, было проведено экспеприментальное исследование материала Бастенит-10, разработанный на основе композийолнного состава материала Басиенит-8, с использованием в качестве добавки фаялита с высоким коэффициентом теплоемкости (628 Дж/кгК), полученный из отходов Алавердийского медеплавильного производства РА. Эксперименты проводились по методике международного стандарта SAE J-661. Результаты приведены на рис. 4.

Рисунок 4. Результаты сравнительных экспериментов различных полимерных композиционных фрикционных материалов с функциональными свойствами

Анализ показывает следующее. Фрикционные накладки, изготовленные из материала Бастенит-10, по параметрам эффективности торможения (коэффициент трения) превосходят аналогам. По параметрам потери эффективности торможения накладки, изготовленные из материала Бастенит-10 демонстрируют высокие характеристики во всем температурном диапазоне и величина разброса значений замедления не превышает 5%, что удовлетворяет требованиям стандарта SAE J-661. Фрикционный материал Бастенит по восстанавливаемости потери эффективности торможения также не уступает выбранным аналогам.

Выводы: Зависимость коэффициента трения фрикционных материалов с функциональными свойствами от поверхностной температуры состоит из трех основных зон: повышения коэффициента трения (до 250…280 ⁰С), его уменьшения (330…400 ⁰С) и повторного повышения (выше 400 ⁰С). Интенсивность изнашивания  характеризуется линейной зависимостью до 250...280 °С (первая зона изменения коэффициента трения), а выше этих температур интенсивность изнашивания увеличивается и характеризуется нелинейной зависимостью.

Существует общая закономерность механохимических изменений в поверхностных слоях исследуемых фрикционных материалов с функциональными свойствами: высокотемпературное фрикционное взаимодействие с металлическим контртелом протекает в многостадийном режиме механохимических изменений, сопровождающемся низкомолекулярным весовым пиролизом летучих продуктов, деструкцией связующего, деградацией армирующего элемента и карбонизацией поверхности трения. В зависимости от глубины, начиная с по­верхности трения, они имеют различную интенсивность и, в це­лом, определяют толщину поверхностного слоя фрикционного материала, который по своим свойствам отличается от основного материала.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке ГКН МОН РА в рамках научного проекта под шифром 21T-2D012 «Разработка технологии получения безасбестовых тормозных накладок для автомобилей специального назначения с использованием отходов горнодобывающей промышленности Республики Армения» Национального Политехнического Университета Армении.

Список литературы:

1. Н.Г. Меликсетян, С.Г. Агбалян Трибологические исследования фрикционных тормозных материалов в Национальном Политехническом Университете Армении. Collection of scientific papers on materials XIV International Scientific Conf. "Scientific achievements of the third millennium" .-USA Los Angeles 2021 p 33-41 https://elibrary.ru/item.asp?id=46300562.
2. Н.Г. Меликсетян, С.Г. Агбалян, Г. Н. Меликсетян Разработка и трибологическое исследование безасбестовых тормозных композиционных материалов / Труды 1-ой Межд. Конф. ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ В МАШИНОСТРЕНИИ. Проектирование, моделирование, испытание и изготовление, Ереван, АРМЕНИЯ 2018 г., с. 38-44. http://mes2018.aua.am/