|
Фрикционные материалы
Материалы с высокими фрикционными характеристиками (для тормозов автомобилей и других подобных механизмов) являются интересным примером многофазных спеченных сплавов. Раньше большую часть таких изделий изготовляли из фрикционных материалов на основе асбеста и синтетических смол. Но в особо трудных условиях эксплуатации, например в тормозных устройствах самолетов, в муфтах сцепления и тормозах мощных механизмов, эти материалы непригодны в основном из-за недостаточных механической прочности и теплостойкости. Их заменили новые порошковые материалы на металлической основе.
При торможении в тормозной системе самолета возникают огромные усилия и фрикционный материал должен поглощать колоссальные количества энергии. В результате возникают высокие нагрузки cо значительным выделением тепла. В более легких эксплуатационных условиях, например в тормозах автомобиля, нагрузки и разогрев не столь велики.
Стойкость тормозов зависит от состава фрикционного материала. Поэтому определенный интерес представляет изучение того, как достигаются нужные фрикционные характеристики, прочность, износоустойчивость и теплоемкость в спеченных материалах.
Фрикционные порошковые материалы обычно состоят из металлической матрицы (40—50 об. %) и включений неметаллических веществ, повышающих трение или оказывающих смазывающее действие.
Усилия растяжения и сжатия, непосредственно возникающие в тормозных устройствах, можно снизить путем различных изменений конструкции. Но при высоких температурах возможны значительные напряжения, вызванные вибрацией и динамическими нагрузками. Кроме того, в матрице, особенно на ее поверхности, возникают высокие местные напряжения. По своей природе силы трения стремятся отрывать частицы вещества из матрицы, поэтому матрица должна обладать возможно большей прочностью и сплошностью. Технологически это означает получение матриц с минимальной пористостью.
Как уже отмечалось ранее, это достигается рядом методов (в отдельности или совокупно): а) горячее прессование; б) длительное спекание при максимально высоких температурах; в) применение очень тонких и активных порошков.
Вследствие характера службы фрикционный элемент часто имеет форму тонкого диска, кольца или их части. Деталь такой формы, состоящая в большой мере из неметаллических веществ, конечно, будет весьма хрупкой до спекания. Поэтому требуются порошки металлов, обладающие максимальной прочностью в неспеченном виде. В связи с этим многие спеченные фрикционные материалы готовят из порошка меди с низким насыпным весом, обладающим хорошей прессуемостью и спекаемостью. Вызывает удивление то обстоятельство, что, по-видимому, никто не проявил интереса к использованию тонких железных порошков, спеченных при температуре ниже а — у-превращения, при которой спекание протекает весьма активно.
Многие фрикционные элементы изготовляются из осажденного медного порошка, обладающего низким насыпным весом и высокой «сырой» прочностью. Холоднопрессованные заготовки группируют в пакеты и спекают в течение длительного времени в специальных печах-ваннах, позволяющих поддерживать низкое давление во время всего цикла нагрева. Описание установки такого типа и схема печи приведены в гл. II. Конструкции пресса и печи другого типа описаны.
Максимальные значения статической, ударной и усталостной прочности матрицы, содержащей много различных включений разной формы и с сильно различающимися коэффициентами термического расширения, достигаются за счет максимального расстояния между ближайшими включениями в матрице. Поэтому неметаллические включения должны быть возможно более грубыми. В частном случае металлическая матрица составляла только 36,4 об. %; две трети неметаллической составляющей падали на минерал волластонит. При использовании порошка волластонита мельче 0,075 мм получался недостаточно прочный, разрушавшийся при сдвиге фрикционный материал.
Применение же порошка крупностью около 1 мм повысило прочность и износоустойчивость материала до нормальных значений.
В большинстве конструкций фрикционные элементы обычно выполнены в виде тонких секторов из спеченного 
материала, обладающих малой прочностью на изгиб. Необходима поэтому соответствующая высокопрочная основа. Фрикционные элементы могут крепиться к стальной основе всей поверхностью или заделываться в специальные углубления. На фиг. 69 показаны четыре основных типа крепления к основе: а) дисковое устройство типа «сэндвич», в котором фрикционные элементы приварены к стальной основе. Подобного рода узлы встречаются в муфтах сцепления тракторов, тормозных устройствах самолетов и в автоматических трансмиссиях; б) фрикционный элемент крепится поверхностью отрицательной кривизны к поверхности тормозного барабана винтами или заклепками с потайной головкой. Такие конструкции применяют в тормозах автомобилей; в) фрикционный диск крепится к несущей плите. Подобная конструкция часто встречается в тормозах автомобилей и тракторов; г) крепление фрикционного элемента к основе поверхностью положительной кривизны.
Такое крепление фрикционного элемента можно использовать в тормозах трактора, различных двигателей и приводах трансмиссий. Эти фрикционные элементы удобно приваривать к стальным плитам в процессе спекания. Сцепление достигается за счет нанесения медного покрытия или прослойки тугоплавкого припоя в виде порошка или тонкой прокладки. Для большей прочности сочленения слои смеси порошков, граничащие с опорной плитой, должны быть обеднены неметаллическим компонентом или состав смеси должен быть подобран так, чтобы материал плиты и смесь имели сходные коэффициенты термического расширения.
Общепринятые конструкции фрикционных устройств описаны. Большинство спеченных фрикционных материалов работает в паре со сталью или чугуном при полном отсутствии смазки. Применение в этом случае фрикционных дисков из весьма мягких металлов, например меди или алюминия, позволит получить высокие характеристики трения за счет явления «холодной сварки». В разные годы было опубликовано много исследований антифрикционных свойств различных пар металлов. На основании полученных экспериментальных данных можно составить пары металлов, обладающие высоким трением. Однако использование в качестве пар трения только металлов и сплавов без смазки приведет к свариванию трущихся поверхностей; для таких материалов необходима смазка. Конечно, смазка не должна быть слишком эффективной, иначе она полностью устранит трение. Обычно в состав фрикционных материалов, работающих без смазки, вводят графит или дисульфид молибдена. Свинец, по-видимому, действует аналогично, но из-за значительных количеств выделяющегося тепла он «размазывается» (вследствие пластической деформации или даже расплавления) в виде сплошной пленки на трущихся поверхностях.
Применение только смазки на практике обычно совершенно недостаточно. Хотя смазка предупреждает сильное схватывание, тем не менее возможность «холодной сварки» здесь исключена неполностью. А это влечет перенос частиц металла с одной поверхности на другую с очень силь
| 
