Принципы создания современных фрикционных материалов и направления их совершенствования

 

Современные разработки направлены на:

· создание экологически чистых фрикционных материалов, не содержащих асбеста, свинца, фенола и других токсичных ингредиентов и добавок;

· совершенствование конструкций фрикционных узлов трения (в том числе уплотнений);

· создание новой серии сплавов с высокими трибологическими свойствами.

Предлагается создание новой серии сплавов, которые позволяют улучшить трибологические характеристики (увеличение износостойкости, уменьшение коэффициента трения за счет микроструктуры «перитектического типа», состоящих из островков кремния, окруженных оловом).

Трибонит ТР-9 -листовой фрикционный материал. Предназначен для изготовления фрикционных изделий, применяемых в узлах трения автомобилей, мото - велотехники, сельскохозяйственной техники и других видов машин и механизмов, работающих при давлении до 1,15 МПа и поверхностной температуре трения до +300°С. Изделия из трибонита могут эксплуатироваться в открытых узлах трения районах умеренного и тропического климата, а также в районах крайнего Севера при температуре до -60°С. Материал может применяться вместо тормозных лент по ГОСТ 1198-78 и ГОСТ 15960-79 путём наклеивания на несущий слой.

Материал поставляется в виде листов размеров 460x500 мм и толщиной от 4,0 до 12,0 мм. Гарантийный срок хранения — 2 года после изготовления.

Техническая характеристика трибонита: плотность - 1,8-2,2 г/см³, коэффициент трения 0,4-0,6, твёрдость по Шору А70-95, линейный износ 0,25мм, температура воспламенения 375°С, температура самовоспламенения 425 °С.

Графит, керамика, углеродсодержащие материалы, кевлар - новые материалы, которые стали использовать сравнительно недавно. Эти новые материалы для дисков муфт намного мягче, имеют пористую структуру, достаточную пластичность. Так как они намного мягче, они требуют значительно более гладкие поверхности стальных дисков. Эти новые материалы были разработаны из-за появления электронно-управляемых автоматических трансмиссий.

Диски из кевлара. Высокоэнергетические фрикционные диски были первыми дисками новой эры фрикционных материалов, которые содержат кевларовые волокна. Эти необычные диски на первый взгляд выглядят весьма рыхлыми, но стоит их пропитать трансмиссионной жидкостью, это совершенно исчезает, к тому же они обладают фантастическими характеристиками для передачи импульса энергии создаваемого муфтой. Хотя, последние разработки в этой области превосходят по своим техническим характеристикам даже высокоэнергетические фрикционные диски и обеспечивают еще более плавные переключения с меньшей вибрацией, в тоже время они способны выдерживать нагрев до 430°С.

Фрикционные материалы для работы в среде масла. Многодисковые маслоохлаждаемые тормоза являются наиболее эффективной конструкцией, позволяющей существенно повысить мощность и надежность работы тормозных устройств.

Российскими учеными создан отдел "Фрикционное материаловедение". Заведующий: к.т.н. В. П. Сергиенко, разработки которого направлены на создание следующих материалов:

• безасбестовые фрикционные композиционные материалы на полимерной основе для работы в условиях сухого трения и в среде масла;
• фрикционные накладки для тормозов и муфт сцеплений колесных тракторов, большегрузных автомобилей, сельскохозяйственной техники, мотовелосипедов и различного технологического оборудования, применяемого в технических обустройствах железных дорог и аэропортов, металлургии, металлообработке, на нефтехимических производствах;

§ шумоизолирующие многослойные материалы и звуковые барьеры, сертификация и контроль звукопоглощающих материалов;

§ композиционные материалы для восстановления изношенных металлических поверхностей трения и устранения поверхностных и объемных дефектов деталей из черных и цветных металлов;

§ термостойкие клеящие материалы и адгезивы для соединения неметаллических материалов с металлами, в том числе, для работы в жидких агрессивных и масляных средах - термореактивный клей предназначен для неподвижного соединения металлов, термореактивных полимеров, керамики и других машиностроительных материалов;

§ композиционный материал для заделки дефектов литья деталей обеспечивает надежную заделку всех видимых дефектов (трещины, сколы, дефекты отливок, следы абразивно-коррозионного износа) чугунных и других отливок.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к фрикционным материалам?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения?

3. Каков состав и свойства фрикционных асбополимерных материалов?

4. Какие существуют порошковые фрикционные материалы? Каковы их преимущества и недостатки перед другими антифрикционными материалами?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых материалов?

 

 

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальные стали классифицируются по назначению:

1) для режущего инструмента;

2) для штампового, прессового инструмента и прессформ литья под давлением;

3) для измерительного инструмента.

 

 

15.1. Стали и сплавы для режущего инструмента:

а) углеродистые и низколегированные, нетеплостойкие, низкой прокаливаемости;

б) теплостойкие, средней красностойкости, высоколегированные, высокой прокаливаемости – быстрорежущие;

в) псевдосплавы (твердые сплавы), которые получают методами порошковой металлургии.

Углеродистые и низколегированные стали для режущего

Инструмента

 

Углеродистые стали делятся на качественные и высококачественные (буква А в конце марки).

К положительным качествам углеродистой инструментальной стали следует отнести её невысокую стоимость, низкую твердость в отожженном состоянии (HB 150-180); высокую твердость, получаемую в результате окончательной термической обработки (закалка и низкий отпуск); малое содержание остаточного аустенита; отсутствие высокого нагрева под закалку; возможность получения хорошего сочетания высокой твердости поверхностных слоёв и вязкой сердцевины, вследствие неполной прокаливаемости по всему сечению. Примером углеродистых сталей могут служить стали У8, У10А, У11А, У12А, У13А.

С целью улучшения свойств углеродистых сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает количество бракованных инструментов. По теплостойкости низколегированные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200-260ºС и поэтому непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

Низколегированные инструментальные стали подразделяют на стали глубокой и неглубокой прокаливаемости. Для изготовления режущих инструментов используются стали 11ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф неглубокой прокаливаемости и стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВГС глубокой прокаливаемости.

Принципы легирования инструментальных сталей. Высокие твердость и износостойкость определяется содержанием углерода и мало зависит от степени легирования. Но при содержании > 1.0-1.1 %C возрастают не только количество, но и размеры карбидных частиц и ухудшаются условия их распределения, что снижает прочность и вязкость и усиливает отрицательное влияние масштабного эффекта. Поэтому стали с повышенным содержанием углерода используют в небольших сечениях.

Основным легирующим элементом сталей этих групп является хром, причём содержание его не превышает 2%. При таком содержании хром собственных карбидов не образует и растворяется в карбиде железа и твёрдом растворе. В отожженном состоянии примерно 70% хрома находится в цементите. Хром повышает прокаливаемость, способствует получению мелкозернистой структуры (в малой степени), повышению износостойкости и пластичности стали.

Марганец значительно способствует повышению прокаливаемости, уменьшению деформации инструмента при термообработке, связывает серу (MnS), повышает количество остаточного аустенита (но не ухудшает распределения карбидов).

Кремний в основном влияет на устойчивость закалённой стали против отпуска и в незначительной степени увеличивает прокаливаемость. К отрицательным сторонам легирование кремнием относятся повышение склонности стали к обезуглероживанию и небольшое понижение пластичности.

Вольфрам способствует увеличению устойчивости стали против отпуска, повышению её износостойкости, ванадий – снижению склонности стали к росту зерна, повышению прочности, уменьшению чувствительности к перегреву.

Карбидообразующие элементы увеличивают долю карбидной фазы: Mo и W - образуют специальные карбиды, V, Ti, Nb – самостоятельные карбиды (МеС), повышающие износостойкость сталей.

Легирование никелем, используемое для повышения вязкости конструкционных сталей, непригодно для сталей с высоким содержанием углерода. Никель сильно увеличивает количество остаточного аустенита и ускоряет снижение твёрдости при отпуске.

Термическая обработка инструментальных сталей.

Предварительная обработка: отжиг на зернистый перлит. Для получения высоких эксплуатационных свойств стали подвергаются закалке (обычно с охлаждением в воде или через воду в масло) и низкому отпуску (180-200°С). Для сталей доэвтектоидных (У7) и эвтектоидной (У8) применяется полная закалка, для заэвтектоидных (У10 – У13) – неполная. Обычно температура нагрева под закалку для углеродистых сталей - 800ºС и для легированных - 840ºС. Максимальная твердость после закалки HRCэ 62-63. При больших размерах сечения закаливаемого инструмента для получения такой же твердости необходимо повышенное содержание углерода.

В результате закалки доэвтектоидных (и эвтектоидных) углеродистых сталей структура стали – мартенсит с небольшим содержанием остаточного аустенита (2-3 %). В заэтектоидной стали повышается содержание остаточного аустенита (до 8%) и в связи с неполной закалкой появляется карбидная фаза (4-5% Fe₃C). После низкотемпературного отпуска в доэвтектоидных (и эвтектоидной) сталях за счет распада мартенсита содержание карбидной фазы увеличивается на 1-2%, в заэвтектоидных на 5-6%. Количество остаточного аустенита не изменяется. Содержание углерода, растворенного в мартенсите, уменьшается.

Указанные стали применяются для изготовления инструмента с небольшими размерами сечений, не испытывающего ударных нагрузок, работающего при умеренных режимах резания, обрабатывающего материалы с невысокой твердостью. К таким видам инструмента относят метчики ручные, фрезы, напильники, развертки, сверла, плашки, зенкеры, пилы и др.