4.2. Класифікація, властивості і призначення порошкових фрикційних матеріалів

Фрикційні порошкові матеріали залежно від умов роботи можна розділити на дві великі групи: матеріали, що працюють в умовах сухого тертя, і в маслі.

Матеріали, що працюють в умовах сухого тертя, випробовують початкові швидкості гальмування до 50 м/с при тиску до 2,45 Гпа. При цьому температура на поверхнях, що труться, може досягати 1000—1200 °С, а в об'ємі матеріалу — 500—700 °С. Для матеріалів, призначених для роботи в маслі, початкова швидкість гальмування складає 100 м/с при тиску до 6,86 Гпа, проте температура на поверхнях, що труться, і в об'ємі матеріалу не перевищує 150—200 °С.

Для роботи в умовах сухого тертя застосовують матеріали, виготовлені на основі заліза або міді, а для роботи в маслі — в основному на основі міді. Матеріали на основ.е залоза зазвичай застосовують для роботи у важких і дуже важких умовах, а на основі міді — для роботи в легших умовах.

Матеріали для роботи в умовах сухого тертя. Фрикційні матеріали в умовах сухого тертя найчастіше використовуються в дискових гальмах, муфтах зчеплення автомобілів, фрикційних вузлах різних приладів. Як наголошувалося вище, в таких умовах можуть працювати фрикційні матеріали як на основі заліза, так і мідь.

Склади матеріалів, найбільш поширених в СРСР і деяких зарубіжних країнах, приведені в табл. 18.

Фрикційний матеріал мазкі ФМК—8 містить значну кількість легуючих металів (хром, нікель, вольфрам) і неметалічних добавок (сіра, графить). Призначений для роботи у важко навантажених вузлах сухого тертя, що володіють високою енергоємністю. Проте матеріал цієї марки має і істотні недоліки. Він має недостатньо високий і

Таблиця 18. Властивості фрикційних матеріалів

Властивість	ФМК-8	ФМК-11	МКВ-50А	СМК-80	МК-5
Щільність γ, г/см3	6,0	6,0	5,0	5,7	6,0-6,2
Твердість НВ, Мпа	600-900	800-1000	800-1000	800-1000	250-280
Межа міцності на розтягування σв, Мпа	90-100	90-70	30-40	-	24
Межа міцності на стиснення σсж, Мпа	450-500	300-350	150-210	200-250	250-280
Опір зрізу, τс, МПа	70-90	80-100	67-85	65-80	57
Теплопровідність λ, Вт/(м К)	37,7	19-46	18,8-27,2	21-29	-
Коефіцієнт термічного розширення α×106, К-1(20- 900С)	-	-	12,67	-	17-22
Коефіцієнт тертя f
Сухе тертя	0,21-0,22	0,21-0,27	0,25-0,37	0,39	0,25-0,30
У маслі				-	0,12-0,18
Знос за одне гальмування У парі з ЧНМХ, мкм	5-8	16-44	6-13	1,25

стабільний коефіцієнт тертя, схильний до схоплювання, що приводить до різкого збільшення гальмівного моменту в кінці гальмування.

Вказаних недоліків в деякій мірі позбавлений матеріал ФМК—11. Цей матеріал характеризується вдалим поєднанням металевих і неметалічних компонентів. Завдяки великому змісту неметалічних компонентів (20 %), ФМК—11 практично не схильний до схоплювання, перевершує ФМК—8 по в.еличине і стабільності коефіцієнта тертя. При багатократній дії теплових ударів матеріал ФМК—І не втрачає своєї форми, не розколюється і не сколюється. Проте великий зміст неметалічних включення грає і негативну роль. Матеріал має знижені механічні і технологічні властивості, володіє меншою, ніж ФМК—8, зносостійкістю.

Матеріал МКВ—50А містить підвищена кількість фрикційних добавок (SIC, B4C), а також містить тверді мастила (графить, FeSO-t). Завдяки цьому він має достатньо високий коефіцієнт тертя (0,30—0,37) із стабільністю fcp//max=0,80... ...0,90. Для матеріалів ФМК-—8 і ФМК—11 ці характеристики відповідно рівні 0,21—0,22; 0,54—0,55 і 0,21—0,27; 0,7—0,9. Крім того, цей матеріал володіє достатньо високими механічними властивостями аж до температур 600 °С. Застосовується матеріал МКВ—50А у важко навантажених вузлах тертя, таких як дискові гальма.

Найбільшою мірою відповідають вимогам, що пред'являються до фрикційних матеріалів, матеріали мазкий СМК, СМК—80 і СМК—83, що не містять графить і азбест, але фрикційні добавки (В4с, SIC), що містять, і тверді мастила (MoS2, BIN). Матеріали мазкі СМК характеризуються високим (0,36—0,39) і стабільним (fCp/fmax=0,73...0,80) коефіцієнтом тертя. Крім того, ці матеріали в порівнянні з іншими матеріалами мають найбільш високу зносостійкість. Так, при терті в парі з чавуном їх знос за одне гальмування складає 1,25 мкм. В той же час для матеріалів мазкий МКВ—50А і ФМС—11 він складає відповідно 6,0 і 16,0 мкм.

Із зарубіжних матеріалів представляють інтерес матеріали № 11, 12 (табл. 19). Матеріал № 12 характеризується високим (0,45—0,50) і стабільним (0,85—0,90) коефіцієнтом тертя. Відмінною рисою цього матеріалу є те, що при гальмуванні утворюється рідка фаза за рахунок плавлення тих, що входять в його склад легкоплавких вісмуту, свинцю, кадмію, сурми. Останнє сприяє підвищенню коефіцієнта тертя і його стабільності, запобігаючою схватываемость.

В цілому у складі матеріалів № 11, 12 на основі заліза обов'язковою є мідь, а як добавки, що підвищують коефіцієнт тертя, замість традиційних оксидів алюмінію і кремнію вводять карбіди, силіциди і нітрид.

Окрім матеріалів на основі заліза у вузлах сухого тертя застосовуються матеріали на основі міді. Склад деяких матеріалів і області їх застосування приведені в табл. 19.

У СРСР найширше застосовується матеріал на основі олов'янистої бронзи МК—5, що містить мідь, олово, свинець, залізо і графіт, МК—5 в умовах сухого тертя має коефіцієнт тертя 0,16—0,32 при достатньо стабільних його значеннях. У цей і подібні до нього матеріали олово вводять з метою утворення твердого розчину з міддю, що приводить до підвищення прочностных характеристик і зниження зносу. Залізо виступає в ролі добавки, що підвищує коефіцієнт тертя, а свинець і графіт — в ролі твердих мастил. До складу деяких матеріалів для збільшення коефіцієнта тертя вводять оксиди алюмінію, кремнію, азбест (див. табл. 19, матеріали № 18—20). Іноді для запобігання межкристаллитной корозії сталевих каркасів, що несуть, викликаній проникненням в них олова при високих температурах, останні замінюють титаном, ванадієм, миш'яком або кремнієм (матеріали №21, 22).

Матеріали для роботи за наявності рідкого мастила. Для роботи за наявності рідкого мастила застосовуються матеріали на основі мідних сплавів. Ці матеріали використовують, як правило, у важко навантажених вузлах, вони володіють високою зносостійкістю. Склади деяких з них, вживані як в СРСР, так і за кордоном, приведені в табл. 20.

Таблиця 19. Склади фрикційних матеріалів на основі заліза і міді для роботи в умовах сухого тертя

№п/п	Марка мате- ріала	Країна- виготівник	Вміст, %
			Fe	Cu	C(графіт)	Sn	MoS2	Асбест	Інші добавки
1	ФМК-8	СССР	45	-	7	-	-	-	Ni-25; Cr-10;V-6; CuS-7
2	ФМК-11	Те ж	64	15	9	-	-	3	BaSO4-6;SiO2-3
3	МКВ-50А	Те ж	64	10	8	-	-	3	FeSO4-5; SiC-5
4	СМК	Те ж	Основа	9-25	-	-	2-5	-	Mn-6,5…10;BN-6…12; B4C-8…15;SiC-1…6
5	СМК-80	Те ж	48	23	-	-	2,5	-	Mn-6,5; BN-6,5; B4C-10;SiC-3,5
6	СМК-83	Те ж	54	20	-	-	2,0	2-4	Mn-7; BN-6,5; B4C-9,5; SiC-1,0
7	-	Те ж	Основа	10-20	4-8	-	-	До 6	FeSO4-5…10;SiC-2…10;B4C-2…10;Co-0…5
8	-	Те ж	Те ж	До 30	-	-	-	2-4	P-до1;AL-до9; SiO2-до6
9	-	Те ж	Те ж	14-16	8-10	-	-	-	Fe2O3-8…20; BaSO4-5…7; SiO2-2…4
10	-	США	Те ж		5-15	-	0-10	-	MoSi2-5…20; SiC-до5
11	-	Те ж	60-75	-	10-25	-	До 20	-	SiC-до20;AL2O3; PbSO4-до20
12	-	Те ж	31,25	31,25	10	-	2	-	Mo-5;окалина-20;Sb(Bi,Pb,Cd)-2,5
13	-	Те ж	-	-	4	-	-	-	Pb-2;Sn-5; AL2O3-3
14	-	ГДР	60	-	-	-	-	-	Ni-5;Mo-5; W-5;WS2-20; Мулліт-5
15	-	Те ж	62	-	-	-	-	-	Ni-10;Cr-23; Pb-4.9
16	-	Японія	84	9	5	-	-	-	Pb-1;Sn-1
17	-	Те ж	90-95	-	5-10	-	-	-	Co-2…8;Cr-2…4;SiO2-2…13
18	МК-5	СССР	3-5	68-76	6-8	8-10	-	-	Pb-1;Sn-1
19	-	Те ж	5-15	62-86	4-8	5-10	-	До 3	SiO2-до3; Ni-до2;
20	-	Те ж	7	67	7	6	-		Pb-9;SiO2-4
21	Диафрикт	ЧССР	До 10	60-70	До 9	5-12	-	До 10	SiO2, SiC, AL2O3, Si-до10
22	-	США	До 20	50-80	5-15	-	До 20	-	Pb-до10; SiO2-до5; Ti-2…10
23	-	СССР	До 5	основа	1-9	6-10	0-6	-	Pb-до10; SiO2-4…8; Ti, V, Si, As-2…10

Таблиця №20. Вміст фрикційних матеріалів для роботи у присутності змазки

№п/п	Країна- виробник	Вміст,%
		Cu	Sn	Pb	Fe	C(графіт)	SiO2	Інші добавки
1	СССР	68-76	8-10	7-9	3-5	6-8	-	-
2	Те ж	73	9	4	6	4	-	Бентоніт-2; Азбест-2
3	Те ж	72	9	7	4	5	-	Азбест-3
4	Те ж	Основа	3-9	6-7	-	6-7	-	Тальк-7...8
5	Те ж	Основа	5-9	5-15	-	0,5-10	0,5-8	Тальк-1...16; Азбест-0,5-8
6	США	Бонза	73,8	-	10	3,5	9,7	SiC-3
7	ФРГ	Основа	4-8	-	5-15	25	-	AL2O3,корунд, карбокорунд або азбест-5
8	ПНР	60-75	5,8	0-10	7	4-7	3-4	AL2O3 -3...4; Азбест-3...4

Найширше в СРСР застосовується матеріал МК—5 (див. табл. 20, матеріал № 1), який, як наголошувалося вище, використовується також у вузлах сухого тертя. Коефіцієнт тертя цього матеріалу за наявності мастила лежить в межах 0,04—0,07, величина зносу залежно від умов роботи складає 5— 130 мкм.

Для підвищення коефіцієнта тертя цього матеріалу в його склад можна вводити азбест, тальк і бентоніт (див. табл. 20, матеріали № 2—5). У матеріали, вживані за кордоном, як фрикційні добавки іноді вводять оксид кремнію (IV), оксид алюмінію і інші тверді компоненти (див. табл. 20, матеріали № 5—8).

Крім того, коефіцієнт тертя матеріалів, вживаних для роботи за наявності рідкого мастила, залежить від умов роботи (швидкості ковзання, роботи тертя, кількості і виду мастила), а також від конструкції гальмівного вузла і поверхні фрикційного шару.

Матеріали контртіл фрикційних вузлів. Стійка робота порошкового матеріалу багато в чому залежить від правильного вибору матеріалу контртіла. Найчастіше як контртіло застосовують сталі (сталь 35, сталь 40 і сталь 65Г), чавуни (СЧ 15—32, СЧ 18—36, ЧНМХ, ЧНМ, МФ) і рідше бронзу. Як правило, сталеві контртіла застосовують у вузлах тертя в парі з фрикційними матеріалами на основі міді, тобто там, де мають місце невисокі теплові навантаження. Інакше, коли на поверхні тертя виникають високі температури, воз'можно підгартовування стали, її викривлення, що приводить до підвищення зносу або навіть виходу з ладу гальмівного вузла. Сталь з твердістю 40— 50 HRC зазвичай використовують у фрикційних вузлах тертя, що працюють за наявності мастила. У разі застосування стали у вузлах сухого тертя в парі з фрикційними матеріалами на основі бронзи доцільно збільшувати вміст вуглецю в ній до 0,50—0,65 %.

При роботі в умовах високих температур можливе використання сталевих контртіл, підданих хіміко-термічній обробці (азотуванню, хромуванню або алітуванню) або покритих тугоплавкими металами, наприклад вольфрамом.

Економічно і технічно вигідніше як матеріал контртіл застосовувати чавуни. При цьому найбільш високі експлуатаційні характеристики щодо стабільності і високих значень коефіцієнта тертя мають леговані чавуни ЧНМ, ЧНМХ і МФ, які застосовуються для роботи у важко навантажених фрикційних вузлах. Максимальну зносостійкість мають чавуни, що містять 2,8—3,1 % вуглецю, 0,7—0,9 фосфору, 1,6—1,9 марганцю, 1,4—2,1 кремнію і менше 0,1 % сірі. Легування їх хромом, нікелем, молібденом сприяє формуванню перлитової структури, зміцненню, додає їм теплостійкість, підвищує опір зношуванню і коефіцієнт тертя. Легування з метою підвищення твердості недоцільно, оскільки в цьому випадку коефіцієнт тертя знижується.

У средненагруженных фрикційних вузлах тертя можна використовувати дрібнозернисті чавуни Сч15—33 і Сч18—36. При цьому вони повинні володіти перлитовою структурою з мінімальним змістом фериту. Включення графіту повинні бути дрібними і рівномірно розподіленими в перлитовій основі. Інакше міцність чавуну знижується і виникають умови для розвитку термічних тріщин, особливо в умовах роботи при високих температурах.

Перспективним є застосування як контртіла порошкових матеріалів. В цьому випадку з'являється можливість ширше використовувати переваги методу порошкової металургії для створення матеріалів із заздалегідь заданими властивостями для виготовлення різних вузлів тертя.

4.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧАТКОВИХ МАТЕРІАЛІВ, ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯ І ПІДГОТОВКА

В більшості випадків порошковими фрикційними матеріалами є гетерогенні сплави, що містять як металеві, так і неметалічні компоненти. Всі компоненти, що входять до складу сучасних фрикційних матеріалів, можна умовно розділити на три групи:

1. компоненти основи, як які, як правило, використовуються залізо і мідь, від яких залежить формування основних физико-механических властивостей;

2. компоненти, виступаючі в ролі мастил і застережливі, тим самим, заїдання, схоплювання і сприяючі зменшенню зносу; до них перш за все відносяться легкоплавкі метали, графить, сульфіди, нітрид бору;

3) компоненти, службовці фрикційними добавками, що підвищують опір ковзанню без збитку для поверхні тертя; крім того, ці компоненти, за природою властивостей основи, що різко відрізняються від матеріалу, запобігають схоплюванню і заїданню.

Компоненти основи. Тепло- і зносостійкість фрикційного матеріалу в значній мірі залежить від фізичних і хімічних властивостей металевої основи, яка повинна утримувати в собі частинки фрикційних і противозадирных присадок і в процесі тертя повинна зношуватися з оптимальною швидкістю, виділяючи продукти зносу. Металева основа є робочою поверхнею, на якій відбувається деформація і додаткове руйнування продуктів зносу. Крім того, через металеву основу відводиться теплота, що виділяється в результаті тертя. Тому значний вплив на зносостійкість і на допустимі навантаження при роботі надає загальна міцність металевої матриці. Чим менше міцність матеріалу, тим легше він деформується і піддається руйнуванню. Як наголошувалося вище, як основа найчастіше застосовують залізний і мідний порошки.

Порошок заліза є, як правило, основою порошкових фрикційних матеріалів, що працюють в умовах сухого тертя. Застосування заліза як основа обумовлене тим, що воно володіє відносно високим температурою плавлення, міцністю, твердістю, пластичністю, а жаростійкість і жароміцність його можна регулювати додаванням різних л.егирующих елементів.

До складу фрикційних матеріалів входить пороша заліза мазкий ПЖВ 2 і ПЖВ 3 (ГОСТ 9849—86), що отримуються відновленням, і вихрові. Така пороша має розгалужену форму частинок, що сприяє поліпшенню прессуемости і більш рівномірному розподілу в матриці різних компонентів. Переважним є також малий розмір частинок порошку, оскільки з підвищенням дисперсності початкового порошку поліпшуються фрикційні характеристики.

При використанні вихрового порошку, який містить підвищену кількість кисню і наклепаний, його відпалюють у вое-, становительной середовищу. В процесі відпалу відбувається зняття наклепання і стабілізується зміст кисню. Підвищений вміст кисню обумовлює збільшення твердості і зниження коефіцієнта тертя. Для запобігання окисленню заліза в процесі роботи його піддають легуванню молібденом. З метою зменшення схоплювання за рахунок спорідненості заліза до контртіла з чавуну або сталі його доцільно легувати елементами, що підвищують міцність і твердість і що тим самим знижують коефіцієнт тертя, що певною мірою впливає на схоплювання. В цьому відношенні доцільне легування алюмінієм, кобальтом і хромом, а також елементами, створюючими карбіди і нітрид.

Доцільно також легування заліза міддю. Мідь надає вплив на механічні і фрикційні властивості матеріалів на основі заліза за допомогою формування переважно перлитової структури при її змісті близько 5 % і ф.ерритной — при змісті 10 %, відповідно знижуючи і підвищуючи коефіцієнт тертя.

З метою зниження тиску пресування і температури спікання застосовують порошу заліза, плакированные міддю або оловом.

Порошок міді застосовується найчастіше в порошкових фрикційних матеріалах, призначених для роботи у вузлах тертя за наявності мастила. Вибір міді як основа фрикційних матеріалів пояснюється її високою теплопровідністю, що забезпечує хороше відведення теплоти із зони тертя. Крім того, порошок міді володіє хорошою прессуемостью і спікливістю. Вживаний порошок повинен мати частинки з розвиненою поверхнею, оскільки це певною мірою сприяє рівномірному розподілу в матеріалі порошків-присадок при їх змішуванні, перешкоджаючи сегрегації. Найповніше відповідає вимогам пороші, що пред'являються, мідь, отримана електролізом розчинів ПМА, ПМС—1, ПМС—К, ПМС—Н (ГОСТ 4960—75). Перевага віддається пороші з розміром частинок менше 50 мкм і насипною щільністю 1,2—2,2 г/см3. Проте застосовувати чисту мідь як основу фрикційних матеріалів важко, оскільки в цьому випадку спостерігається підвищена схильність до схоплювання із-за високої пластичності міді. Для усунення цього недоліку, а також з метою зміцнення міді, підвищення її теплостійкості і поліпшення характеристик тертя її піддають легуванню оловом. Олово вводять до складу фрикційного матеріалу, в процесі спікання якого і відбувається легування. При цьому утворюється однорідний б-твердый розчин, що визначає властивості матеріалу основи в цілому. Оптимальний вміст олова в б-твердом розчині складає 8 %. При цьому забезпечуються достатньо висока міцність, зносостійкість, швидка прирабатываемость і коефіцієнт тертя в межах 0,049—0,067. Окрім легування міді оловом, можливе легування алюмінієм в кількостях до 7—10 %. Основа, що утворюється при цьому, з алюмінієвої бронзи забезпечує вищу жароміцність, підвищує прочностные характеристики і тиск схоплювання міді із сталлю.

Як легуючі елементи можна також використовувати нікель, залізо, титан, вольфрам і молібден. Ці елементи додають по причинах, вказаних вище, а також з метою зміцнення міді. Крім того, ці метали, особливо вольфрам і молібден, володіють високою теплоємністю, легко окислюються, тим самим знижуючи температуру в зоні тертя.

Компоненти, виступаючі в ролі мастил. До твердих мастил, що сприятливо впливають на запобігання схоплюванню і .заедания і тим самим підвищують зносостійкість фрикційних матеріалів, відносяться графіт, сульфіди молібдену (IV) і вольфраму (IV), легкоплавкі метали (свинець, вісмут, сурма), фосфіди міді, заліза, кобальту, нітрид бору, тальк, а також сульфати заліза (II) і барії. Найчастіше в порошкових фрикційних матеріалах застосовують графіт, сульфід молібдену (IV), легкоплавкі метали, барит.

Графіт, введений до складу фрикційного матеріалу, підвищує його зносостійкість, опір заїданню, знижує коефіцієнт тертя, сприяє плавному гальмуванню.

Вміст графіту у фрикційних матеріалах вибирають відповідно до потрібних зносостійкістю, коефіцієнтом тертя і його стабільністю. Оптимальна кількість графіту, що забезпечує необхідні властивості матеріалів на основі заліза, складає 7—9 %, а на основі міді — 5—10 %. У матеріалах на основі міді графіт грає, в основному, роль твердого мастила, а в матеріалах на основі заліза — як роль твердого мастила, так і елементів, що роблять вплив на освіту структур, характерних для системи залізо — вуглець.

Дія графіту як твердого мастила засновано на відмінності в силі зв'язки між атомами в шарі елементарного кристала, з одного боку, і між атомами окремих шарів — з іншою, а також адгезії частинок твердого мастила до матеріалу контртіла і основи. Між атомами в шарі графіту існують зв'язки ковалентного або іонного типу, тоді як між окремими шарами атомів мають місце слабкіші металеві зв'язки. В результаті цього сили, необхідні для зсуву шарів щодо один Одного, невеликі, і під дією тангенціальних сил шари атомів легко відриваються один від одного і покривають поверхні, що труться, створюючи стійку активну плівку, яка запобігає схоплюванню, заїданню, забезпечує плавне гальмування, знижує знос і коефіцієнт тертя. З іншого боку, що змащує дію графіту може бути обумовлено адсорбцією вологи, яка також забезпечує мастило.

Наявність графіту в шихті істотно впливає на структуру фрикційного матеріалу. При невеликому його вмісті в матеріалах на основі заліза спостерігається підвищений їх знос, пов'язаний з утворенням ферритной структури, що приводить до схоплювання і глибинного виривання матеріалу в процесі тертя. Крім того, збільшення зносу обумовлене пластичним перебігом матеріалу основи, що має ферритную структуру, і утворенням напливів по краях поверхні тертя по напряму руху. Збільшення змісту графіту в матеріалах на основі заліза приводить до того, що в процесі спікання вуглець розчиняється в аустеніті з утворенням перлитових структур і структурно-свободного цементита. В цьому випадку коефіцієнт тертя фрикційних матеріалів підвищується, оскільки дія твердих компонентів перлиту і особливо структурно-свободного цементита переважає над змащувальною дією графіту. При подальшому збільшенні змісту графіту коефіцієнт тертя знижується, а знос підвищується. Зниження коефіцієнта тертя в цьому випадку обумовлене збільшенням змісту вільного вуглецю, а підвищення зносу — його разупрочняющим дією на основний матеріал. Оптимальним є поєднання в структурі порошкового фрикційного матеріалу перлиту із структурно-свободным вуглецем.

Для виробництва фрикційних матеріалів застосовується в основному графить марки КЛЗ першого сорту (ГОСТ 5279—74). Можливе застосування і інших сортів, чистота яких визначається по зольному залишку.

Обмеження по гранулометричному складу істотніші. Оптимальним розміром частинок вважається 20—90 мкм і лише для фрикційних матеріалів із змістом графіту зверху 10— 15 % застосовується порошок з розміром частинок 300 мкм.

Сульфід молібдену (IV) доцільно застосовувати як тверде мастило у складі матеріалів, при терті яких в гальмівних вузлах розвиваються температури понад 400 °С. Механізми змащуючої дії сульфіду молібдену (IV) і графіту аналогічні. Відмінність полягає лише в тому, що зсув молекул щодо один одного відбувається в площинах спайності сіра — сіра, між якими існує вандерваальсовское взаємодія. Вміст сульфіду молібдену (IV) у фрикційних матеріалах не повинен перевищувати 4 %, оскільки в цьому випадку, в протилежність графіту, значно знижується коефіцієнт тертя. Максимальне ж підвищення зносостійкості спостерігається при його змісті 2 %, а подальше підвищення змісту приводить до збільшення зносу. На відміну від графіту експлуатаційні властивості MоS₂ у меншій мірі залежать від температури і наявності вологи і кисню. В цьому випадку тільки наявність кисню частково утрудняє деформації в площинах спайності сіра — сіра за рахунок його взаємодії з сіркою і молібденом.

Для запобігання схоплюванню фрикційних пар, а також стабілізації і підвищення коефіцієнта тертя в матеріали, призначені для роботи в умовах сухого тертя, вводять барит (сульфат барія). Особливо ефективне застосування бариту в матеріалах на основі заліза з високим вмістом графіту. В цьому випадку значно підвищується зносостійкість при підвищених температурах. Оптимальний вміст бариту у фрикційних матеріалах складає 6—8 %. Збільшення його змісту від 3 до 10 % знижує твердість матеріалу на 10—12 °/о, підвищує коефіцієнт тертя і його стабільність при зменшенні зносостійкості в 2—2,5 разу. Механізм впливу бариту вельми складний. При спіканні фрикційних матеріалів, що містять вуглець, сульфат барії практично повністю відновлюється до сульфіду барії. Крім того, він взаємодіє з утворенням низькотемпературної евтектики сірковмісних з'єднань, плавкої при температурі 800—850 °С. За наявності заліза, міді і вуглецю виникає вельми складна картина процесів, що взаємно регулюються, змінюють властивості фрикційних матеріалів.

Барит є породою, що складається в основному з сульфату барії (80—95 %). Барит випускається трьох видів: кусковий, мелений і баритовый концентрат. У складі фрикційних матеріалів застосовується баритовый концентрат.

Як мастило у складі фрикційних матеріалів також застосовуються свинець і інші легкоплавкі метали. Свинець вводять в шихту фрикційних матеріалів як свого роду металеве мастило, прирабатываемость, що підвищує , зносостійкість, що сприятливо впливає на противозадирные властивості і сприяючу плавному гальмуванню. В процесі гальмування, коли температура поверхні тертя перевищить температуру плавлення свинцю, частинки останнього і утворюють змащувальну плівку, яка зменшує коефіцієнт тертя. В результаті цього температура поверхонь, що труться, знижується і свинець застигає. Тим самим забезпечується так званий принцип саморегулювання. Рідка плівка свинцю сприяє плавному ковзанню, що особливо важливе при підвищених температурах, коли металева матриця володіє підвищеною здібністю до схоплювання і заїдання. Присадки свинцю також сприятливо впливають на структуру металевої матриці, надаючи структурним зернам основного компоненту округлу форму, чим і зменшують знос. Сумарний лінійний знос зменшується із збільшенням змісту свинцю в матеріалі. Оптимальний зміст свинцю, особливо в матеріалах на основі міді, повинен знаходитися в межах 7—12 %. Перевищення вказаної кількості свинцю недоцільне, оскільки коефіцієнт тертя і зносу практично не змінюються. Наявність свинцю в початковій шихті також істотно покращує її прессуемость, що зрештою приводить до зменшення пористості фрикційного шару.

Разом зі свинцем до складу фрикційних матеріалів можна також вводити вісмут, сурму, миш'як, які мають нижчі температури плавлення.

Розглянуті закономірності в основному характерні для матеріалів на основі міді, де найширше в даний час застосовуються легкоплавкі метали. Проте доцільно також використовувати свинець, олово, вісмут, сурму і у складі матеріалів на основі заліза, де вони, окрім ролі плавкого твердого мастила, виконують роль активаторів спікання за рахунок освіти рідкої фази.

При сумісному легуванні оловом і свинцем активується процес спікання, при цьому утворюється твердий розчин залізо — олово, що зміцнює основу, а свинець, знаходячись в незв'язаному стані, при розплавленні грає роль рідкого мастила.

У матеріалах на основі заліза збільшення змісту свинцю призводить до деякого зниження механічних властивостей. Проте при цьому підвищується зносостійкість при коефіцієнті тертя, що практично не змінюється . Стабілізація властивостей, за інших рівних умов, наступає при змісті свинцю 7— 9 %. Оптимальним же є зміст 1—3 %.

Олово в матеріалах на основі міді також грає роль основного легуючого металу. Порошок олова, розчиняючись в міді, утворює олов'янисту бронзу.

Зазвичай застосовують порошок олова мазкі ПО (ГОСТ 9723—73) з розміром частинок 50—60 мкм. Проте розмір частинок і їх форма не роблять істотного впливу на структуроутворення, оскільки в результаті дифузійних процесів його початковий стан практично повністю змінюється. Як початкові порошки свинцю використовують розпорошену порошу марок ПСА і ПС1 (ГОСТ 16138—78) з розміром частинок менше 50—100 мкм. Пороша Bi, Sb і As використовують з розміром частинок 60 мкм. У матеріали на основі міді економічно вигідніше вводити олово і свинець у вигляді лігатури свинець — олово.

Фрикційні добавки. Фрикційні добавки вводяться до складу матеріалу для підвищення коефіцієнта тертя, запобігання схоплюванню пар, що труться, а також для того, щоб перешкоджати наволоченню і заїданню.

По І. М. Федорченко, до фрикційних добавок пред'являються наступні вимоги:

1) матеріал фрикційної добавки повинен змочуватися металевим сплавом основи або мати з ним міцне адгезійне зчеплення; в цьому випадку на відділення твердих частинок від металевої матриці витрачатиметься максимальна робота і тим самим буде забезпечена максимальна міцність фрикційного матеріалу в цілому;

2) розмір частинок фрикційної добавки повинен бути оптимальним: достатньо малим для забезпечення максимальної роботи відділення від металевої матриці і разом з тим достатньо великим для забезпечення ефективного зачеплення між виступами на поверхнях, що труться, що забезпечує необхідний рівень роботи для зношування останніх;

3) матеріал фрикційної добавки повинен володіти високою міцністю, що забезпечує високий рівень витрат енергії на його руйнування; в той же час міцність матеріалу не повинна бути надмірно високою, оскільки останнє може привести до абразивного зносу матеріалу контртіла без руйнування самих фрикційних частинок.

Крім того, фрикційні добавки повинні мати високу температуру плавлення, не піддаватися поліморфним перетворенням в інтервалі температур від кімнатної до температури спікання або експлуатації, бути сумісними з іншими компонентами і середовищем спікання або експлуатації. У разі використання для цієї мети оксидів, спорідненість металу, створюючого оксид, повинна бути вище, ніж у супутніх металів і газів захисного середовища.

Вживані фрикційні добавки можна розділити на дві групи: металеві і неметалічні. До першої групи перш за все відносяться залізо, молібден і вольфрам, які входять до складу фрикційних матеріалів на основі міді, до другої — ширший клас матеріалів: оксиди титану, кремнію, алюмінію, хрому, заліза, магнію, цирконію і їх з'єднання — силимонит, муллит, карбіди бору, кремнію, вольфраму, силіциди молібдену, залоза, нітрид кремнію, а також інші з'єднання і мінерали, серед яких найбільш широке застосування знаходить азбест. Застосування заліза у складі фрикційних матеріалів на основі міді обумовлене тим, що воно задоволене міцно утримується в основному металі за рахунок обмеженої розчинності. Тому разом із збільшенням коефіцієнта тертя підвищується зносостійкість матеріалів. Зміна змісту заліза у фрикційному матеріалі на основі міді, що особливо працює за відсутності мастила, приводить до інтенсивної зміни властивостей. Так, при збільшенні змісту заліза в межах оптимальних значень для даного матеріалу від 3 до 8 % коефіцієнт тертя збільшується від 0,37 до 0,50 при одночасному підвищенні зносостійкості.

Для матеріалів на основі алюмінієвої бронзи оптимальним є зміст 10—12 % залоза. При цьому забезпечується висока зносостійкість при помірних значеннях коефіцієнта тертя. Як початкові порошки заліза до складу матеріалів на основі міді вводять порошу з розміром частинок порядка 50 мкм. При цьому форма частинок не має вирішального значення, тому номенклатура використовуваних порошків може бути розширена. Проте важливою є структура порошків, яка повинна бути перлитовою або ферритоперлитной, оскільки перлитова структура сприяє підвищенню фрикційних властивостей порошків заліза. Як наголошувалося вище, як металеві фрикційні добавки до складу матеріалів на основі міді можна вводити вольфрам і молібден, рідше хром. Оптимальний зміст вольфраму і молібдену складає 5 %. В цьому випадку підвищуються фрикційні характеристики матеріалів. Крім того, вольфрам і молібден грають також роль антиоксидантів. Це обумовлено тим, що, окислюючись при підвищених температурах, що виникають в процесі тертя, вони оберігають від окислення основний матеріал.

Ефективнішими фрикційними добавками для матеріалів як на основі міді, так і залоза є неметалічні добавки, серед яких найширше поширені оксид кремнію, карбіди кремнію і бору, азбест.

Оксид кремнію підвищує коефіцієнт тертя, сприяє підвищенню зносостійкості і опору заїданню. При введенні його в матеріал він не розчиняється в помітних кількостях в компонентах, створюючих металеву матрицю, і не взаємодіє з компонентами фрикційного матеріалу. Звичайний оптимальний зміст оксиду кремнію складає 3—4 %.

При введенні до 4 % SiO₂ у фрикційний матеріал його коефіцієнт тертя збільшується приблизно в 2 рази, а знос зменшується в 3—4 рази. При збільшенні змісту оксиду кремнію понад 4 % погіршуються фрикційні характеристики, поступово зменшується коефіцієнт тертя, знижується його стабільність, а також підвищується знос як фрикційного матеріалу, так і в деякій мірі контртіла. Така зміна властивостей фрикційного матеріалу залежно від змісту оксиду кремнію обумовлена його структурою. Зазвичай структура є металевою матрицею, в якій з різним ступенем міцності пов'язані частинки оксиду кремнію. Форма і розмір цих частинок визначається властивостями початкових порошків, вживаних для цієї мети. При збільшенні змісту оксиду кремнію у фрикційному матеріалі, завдяки підвищенню кількості абразивних частинок, микроцарапэние, що проводять, коефіцієнт тертя збільшується, а знос знижується, оскільки останній за певних умов в першу чергу обумовлений зносом частинок оксиду кремнію. Зменшення зносостійкості при збільшенні змісту SiO2 понад 3—4 % пов'язано із зниженням міцності матриці із-за разупрочняющего дії інертних частинок оксиду кремнію. При цьому зниження міцності металевої матриці характерне практично для всіх випадків підвищення змісту неметалічної добавки за винятком добавки муллита (3Al₂O₃-SiO₂₎. Останнє обумовлене хорошою спікливістю муллита і освітою, особливо при великих його кількостях, власного каркаса разом з металевим, які доповнюють один одного.

Вплив, аналогічний впливу оксиду кремнію, при введенні у фрикційний матеріал надають і інші оксиди, хоча є і індивідуальні особливості. Так, введення оксиду алюмінію знижує температуру тертя в порівнянні з введенням оксиду кремнію. Останнє обумовлене тим, що А1₂О₃, на відміну від SiO2, не розчиняється в залозі і тим самим не погіршує його теплопровідність, тому зберігається хороший тепловідвід із зони тертя.

Найбільш високі значення коефіцієнта тертя і його стабільність забезпечуються при введенні в матеріал на основі заліза оксиду ітрію, а вищою зносостійкістю володіє матеріал, що містить оксид магнію.

В цілому вплив різних оксидів на фрикційні характеристики матеріалів залежить від їх природи, дисперсності, абразивних властивостей, хімічної активності до матеріалу основи. Тому у кожному конкретному випадку до вибору оксидної фрикційної добавки слід підходити індивідуально.

Азбест вводять у фрикційні матеріали з метою підвищення коефіцієнта тертя, забезпечення плавності гальмування, опору заїданню і збільшення зносостійкості. При введенні азбесту коефіцієнт тертя фрикційних матеріалів змінюється аналогічно матеріалам, що містять оксид кремнію (мал. 22). Оптимальна кількість азбесту, що вводиться до складу фрикційного матеріалу, складає 3—4 %. При цьому підвищуються коефіцієнт тертя, його стабільність і зносостійкість матеріалу.

Рис. 22. Залежність коефіцієнта тертя (1), його стабільності (2) і зносу фрикційного матеріалу на основі заліза (3) від змісту азбесту.

Якнайкращі фрикційні властивості виходять при сумісному введенні оксиду кремнію і азбесту. Це обумовлено різною природою цих матеріалів, твердістю і формою частинок. Зерна оксиду кремнію при терті проводять дряпання, оскільки вони мають осколкову форму, а частинки азбесту, що характеризуються закругленою призматичною формою, ковзають по поверхні тертя, згладжуючи і поліруючи подряпини.

Перспективне використання у складі фрикційних матеріалів на основі заліза карбідів бору і кремнію, твердих і тугоплавких з'єднань перехідних металів IVа—IVа підгруп періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва. Не дивлячись на те що введення карбідів бору і кремнію знижує щільність і збільшує пористість матеріалів, збільшення змісту обох добавок до 6 % сприяє підвищенню коефіцієнта тертя. Подальше підвищення змісту карбіду кремнію призводить до зниження коефіцієнта тертя, тоді як підвищення змісту карбіду бору на його величину практично не впливає. Карбід кремнію ефективніше стабілізує коефіцієнт тертя, чим карбід бору.

Знос фрикційного матеріалу знижується при введенні до 4—б % карбіду кремнію і надалі стабілізується на рівні 6—7 мкм за один цикл гальмування. Така ж залежність спостерігається при введенні в матеріал 1—5 % карбіду бору. Проте при подальшому збільшенні його змісту знос підвищується. При змісті 5 % В4с мінімальна величина зносу за цикл гальмування складає 10 мкм. Таким чином, оптимальний вміст карбідів кремнію і бору у фрикційних матеріалах на основі заліза складає 4—6 %.

Як початкові матеріали неметалічних фрикційних добавок використовують порошу різного походження. При цьому перевагу віддають пороші з частинками гострокутної форми.

Джерелом оксиду кремнію є кварцевий пісок з розмірами частинок 63—160 мкм для матеріалів на основі заліза і 20—63 мкм для матеріалів на основі міді. В цілому прийнято вважати, що розмір частинок слід вибирати тим більшим, чим важче за умову роботи фрикційної пари.

Порошу карбідів рекомендується застосовувати з розміром частинок більше 160 мкм.