Министерство образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Механико-машиностроительный факультет
Реферат
по материаловедению
Выбор материалов фрикционных механизмов
Студент гр.2045/1 Фролова Ю.Е.
Преподаватель Жукова М.А.
Санкт-Петербург
2010 г.
Оглавление
1.Введение. 3
2.Взаимосвязь эксплуатационных и физических свойств фрикционных материалов. 3
3.Основные типы фрикционных материалов. 3
4.Пути улучшения свойств фрикционных материалов. 3
Литература. 3
1.Введение
Фрикционный механизм, механизм для передачи или преобразования движения с помощью трения. К фрикционным механизмам относятся, фрикционные передачи, фрикционные муфты и тормоза, механизмы фрикционного зажима и разжима.
Надежная работа современных машин и механизмов невозможна без применения тормозных и передаточных устройств, оснащенных износостойкими тормозными, или, как принято называть, фрикционными материалами. В связи с быстрым ростом мощностей, скоростей и нагрузок различного рода механизмов требования к фрикционным материалам непрерывно повышаются. Фрикционные узлы принадлежат к наиболее важным узлам в машинах, так как они в первую очередь определяют надежность и долговечность их работы, а во многих случаях (авиация, автомобильный транспорт) и безопасность для жизни людей.
Фрикционные узлы – тормоза, муфты сцепления, предохранительные муфты, фрикционные передачи – работают по принципу использования сил трения.
Наиболее важной характеристикой фрикционных материалов является способность поглощения ими энергии движения, превращения ее в теплоту и рассеяние последней в воздухе без катастрофического износа самого материалы и разрушения узлов трения.
Фрикционные материалы должны обладать комплексом свойств, из которых основные: достаточно высокий и стабильный коэффициент трения, высокие износостойкость, теплостойкость и механическая прочность, отсутствие схватывания [10].
Фрикционные металлические пары (сталь-сталь, чугун-сталь, бронза-сталь), которые находят еще некоторое применение, характеризуются нестабильным коэффициентом трения, резко понижающимся с повышением температуры и скорости скольжения, склонностью к схватыванию при высоких температурах. При работе в масле металлические пары имеют слишком низкий коэффициент трения.
Развитие технологии порошковой металлургии позволило синтезировать фрикционные материалы нового типа, отличающиеся высокими теплостойкостью фрикционными характеристиками – коэффициентом трения износостойкостью – в самых разнообразных условиях работы фрикционных устройств.
2.Взаимосвязь эксплуатационных и физических свойств фрикционных материалов
К основным характеристикам фрикционных материалов относятся износостойкость, коэффициент трения и его стабильность в работе. Именно эти свойства, которые в дальнейшем для краткости будут называться служебными, определяют эффективность работы узла трения как конструкции, осуществляющей тормозные функции или функции передаточного устройства.
Служебные свойства материала, в свою очередь, определяются целым комплексом других характеристик, таких как физико-механические (прочность, твердость, усталость, модуль упругости) и теплофизические (термостойкость, термоусталость, устойчивость против тепловых ударов, жаростойкость и др.), которые, правда, в отдельности не определяют однозначно работу материала в условиях эксплуатации [10]. Однако их изменение в определенных пределах позволяет влиять на фрикционные и износные свойства в желаемом направлении.
В настоящее время свойства фрикционных материалов подразделяются на следующие:
· физико-механические и теплофизические, определяемые в статике (модуль упругости, пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении, твердость, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент линейного расширения)
· физико-механические и теплофизические, определяемые в динамически условиях при повышенных и переменных температурах, меняющихся нагрузках и скоростях, приближающихся к условиям эксплуатации материалы (фрикционные теплостойкость, термоусталость – устойчивость против тепловых ударов, усталостная прочность)
· фрикционные (коэффициент трения, его стабильность, износостойкость), определяемые на образцах и моделях фрикционных изделий на лабораторных испытательных установках, стендах и в натурных условиях работы фрикционных пар.
Фрикционный материал должен обладать каким-то минимумом механической прочности и пластичности. Обеспечивающими отсутствие катастрофической деформации и разрушения под влиянием приложенных к нему механических нагрузок.
3.Основные типы фрикционных материалов
3.1.Классификация фрикционных материалов по применению
Основными типами фрикционных материалов, предназначенных для тормозных и передаточных устройств, являются материалы на железной и медной основах. У этих материалов основным металлическим компонентом, связующим и придающим материалу конструктивную прочность, являются соответственно железо и медь. Материалы на железной основе обычно применяются для тяжелых и самых тяжелых условий работы и, как правило, используются в условиях сухого трения. Материалы на медной основе предназначены для работы в более легких условиях и применяются как в условиях сухого трения, так и при работе с жидкостной смазкой.
Находят также широкое применение материалы, у которых связующей основой являются каучук, смолы и наполнители – порошки металлических и неметаллических составляющих. При получении этих материалов для предварительной подготовки веществ, входящих в наполнитель, также применяются методы порошковой металлургии [10].
Можно дать следующую классификацию областей применения фрикционных материалов:
· передаточные устройства, работающие всухую, - слабонагруженные (сельскохозяйственные тракторы, металлорежущие станки, контрольные системы в самолетах, дорожные тракторы), средненагруженные (чеканочные и штамповочные прессы, промышленный транспорт)
· тормоза для работы в условиях сухого трения – средненагруженный (автоматические, штамповочные и чеканочные прессы), тяжелонагруженные (самолеты)
· сцепления, работающие в масле, - средненагруженные (легкие автоматические трансмиссии, металлорежущие станки, сцепления управления тракторов), тяжелонагруженные (силовые трансмиссии в тракторах)
· тормоза, работающие с жидкой смазкой, - средне - и тяжелонагруженные (грузовики для работы в сельской местности).
Основное различие между сцеплением и тормозом состоит в длительности передачи энергии: сцепление работает около 1 сек, а тормоз – 1-30 сек.
Составы фрикционных материалов изменяются в широких пределах в зависимости от условий применения.
3.2 Материалы для работы в условиях сухого трения
Выбор материала (на железной или бронзовой основах) для применения в тех или иных узлах (дисковые тормоза, муфты сцепления автомобилей, фрикционные узлы различных приборов, реже – для колодочных и ленточных тормозов некоторых передающих устройств) определяется технической и экономической целесообразностью не только производства фрикционных деталей, но и эксплуатации узла трения в целом.
В Советском Союзе из материалов на железной основе наибольшее распространение получили материалы ФМК-8, ФМК-11, МКВ-50А и СМК. Материал ФМК-8 был предназначен для работы в тяжелонагруженных колесных дисковых тормозах, обладающих большой энергоемкостью. Затем был разработан материал ФМК-11, превосходящий ФМК-8 по величине и стабильности коэффициента трения, но обладающий меньшей износостойкостью [6].
Новый фрикционный материал для тяжелонагруженных дисковых тормозов – МКВ-50А, из которого в настоящее время изготавливаются накладки для дисковых тормозов ответственного назначения различных размеров. Этот материал отличается относительно высокой стабильностью механических свойств при температуре 600ºС. По величине и стабильности коэффициента трения и по износостойкости этот материал имеет преимущества перед материалами ФМК-8 и ФМК-11.
Еще более высокие показатели фрикционных свойств достигнуты в последнее время у материалов на основе железа типа СМК. Эти материалы отличаются повышенным содержанием марганца, присутствием карбида и нитрида бора, карбида кремния и дисульфида молибдена.
Материалы на основе железа и его сплавов, предназначенные для тяжелых условий работы, как правило, не содержат в себе окислов кремния и алюминия. С целью повышения коэффициента трения в этом случае вводятся тугоплавкие соединения типа карбидов, силицидов, нитридов. Они также характеризуются обязательным присутствием 10-25% меди.
По-видимому, неблагоприятное влияние двуокиси кремния объяснятся тем, что при температуре около 1165-1170ºС она легко образует с окислами железа и других металлов стеклообразные соединения – силикаты [9] , а такие температуры быстро достигаются в тонких поверхностных слоях в процессе торможения.
Материалы на основе оловянистой бронзы благодаря своей высокой износостойкости и достаточно высокому коэффициенту трения хорошо зарекомендовали себя в тормозных и передаточных устройствах различного назначения. По сравнению с материалами на основе железа они значительно меньше истирают сопряженную деталь, изготовленную из чугуна или стали.
Материалы на бронзовой основе применяются даже для изготовления авиационных тормозных дисков [10]. В этом случае олово, входящее в состав обычных материалов этого типа, иногда заменяется титаном, ванадием, кремнием или мышьяком для предотвращения межкристаллитной коррозии, которую оно может вызвать, проникая при высоких температурах между границами зерен несущей подкладки.
Широко используются материалы на основе оловянистой бронзы в автомобиле- и тракторостроении. Эти материалы отличаются наличием 5-10% олова, придающего металлической основе повышенную прочность; свинца и графита, играющих роль твердой смазки; железа, двуокиси кремния или кремния, повышающих коэффициент трения.
Данные материалы способны воспринимать большие нагрузки и рекомендуются для изготовления тормозных колодок и дисков тормозов.
3.2 Материалы для работы в условиях жидкой смазки
Как уже отмечалось, широкое применение спеченных материалов в масляных фрикционных устройствах (муфтах сцепления, тормозах, фрикционах, синхронизаторах и т.д.) началось сравнительно недавно.
Недостатком «сухих! Устройств кроме повышенного износа является резкое снижение их эффективности в случае попадания масла на трущиеся поверхности дисков, расположенных в непосредственной близости от обильно смазываемых подшипников, шестерен, валов и др.
В последнее время в результате создания фрикционных материалов для работы со смазкой наблюдается тенденция к увеличению применения масляных тормозных узлов, которые не требуют отделения системы их смазки от системы смазки других деталей механизмов и узлов.
Преимущество масляных фрикционных устройств заключается в плавности включения; высокой износостойкости и долговечности; легкости и надежности охлаждения; упрощении герметизации. Однако при замене сухой муфты масляной уменьшается фрикционная эффективность.
В большинстве составов в качестве металлической связки используется медь, легированная оловом и (или) цинком. Наибольшее распространение среди твердых смазок получили графит и свинец. Многие материалы в качестве фрикционных добавок содержат двуокись кремния и железо.
В настоящее время в масляных фрикционных устройствах за рубежом кроме спеченных материалов применяются также асбестовая бумага, пропитанная смолой, и формованные материалы, содержащие большое количество металлических компонентов, так называемые полуметаллические материалы [10].
Таким образом, в фрикционных устройствах, работающих в условиях жидкостной смазки минеральными (или синтетическими) маслами, применяются спеченные материалы на основе медных сплавов, преимущественно на основе бронз. Эти сплавы характеризуются высокой износостойкостью при работе в тяжелонагруженных муфтах сцепления, фрикционах и тормозах.
Коэффициент трения материалов зависит как от условий работы (скоро
3.4 Материалы для сопряженных деталей, работающих в паре со спеченными фрикционными накладками
.
Спеченные фрикционные материалы являются одним из элементов пары трения фрикционного устройства. Поэтому работоспособность и долговечность устройства значительной мере зависят от материала второго элемента пары трения, которые называют контртелом. В качестве материала контртел для работы со спеченными материалами применяются стали и чугуны, в некоторых случаях бронзы [8].
Из многочисленных марок сталей в фрикционных устройствах наибольшее распространение получили углеродистые стали: сталь20(доэвтектоидная, малоуглеродистая, конструкционная), сталь35(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 40(доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), сталь 45 (доэвтектоидная, среднеуглеродистая, конструкционная), а также сталь 65Г (доэвтектоидная, рессорно-пружинная, высокоуглеродистая, легированная, содержание марганца не более 1%) [4,5]. Состав некоторых фрикционных контртел приведен в таблицу:
Химический состав фрикционных контртел,%
| Марка материала |
С |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
S |
P |
| СЧ 15-32 |
3.33 |
1.89 |
0.75 |
0.18 |
0.14 |
0.097 |
0.14 |
| СЧ 18-36 |
2.75-3.2 |
1.75-2.25 |
0.5-1.0 |
0.3 |
0.5 |
0.10 |
0.4 |
| Сталь 35 |
0.32-0.4 |
0.17-0.37 |
0.5-0.8 |
0.25 |
0.25 |
0.04 |
0.04 |
| Сталь 40 |
0.37-0.45 |
0.17-0.37 |
0.5-0.8 |
0.25 |
0.25 |
0.04 |
0.04 |
| Сталь 65Г |
0.6-0.7 |
0.17-0.37 |
0.9-1.2 |
- |
- |
- |
- |
Достоинствами стали являются легкость изготовления фрикционных элементов механической обработкой из заготовок в виде поковок, штамповок или из листа, высокие теплофизические свойства и механическая прочность. Однако в процессе эксплуатации в условиях, когда на поверхности трения возникают значительные температуры, сталь может подкаливаться, сильно изнашиваться и обнаруживать значительное снижение коэффициента трения. Серьезными недостатками стали являются также усадка в процессе работы и коробления деталей, которые могут привести к заклиниванию и разрегулированию фрикционного устройства [5]. В связи с этим сталь используется для изготовления сопряженных деталей, работающих в паре с фрикционными спеченными материалами на основе железа в устройствах при сравнительно невысоких тепловых нагрузках.
Сталь, как правило, в термически обработанном состоянии (твердость 40-50 HRC) используется в фрикционных устройствах, работающих при трении со смазкой. В условиях сухого трения термическая обработка уменьшает износ стали в два-три раза, но в полтора раза увеличивает износ спеченного материала [2].
В условиях сухого трения предпочтение отдается низкоуглеродистым сталям, так как при износе при работе в паре со спеченными материалами очень мал, а износ спеченных материалов при этом втрое меньше, чем при трении по контртелу из высокоуглеродистых сталей.
Несмотря на некоторое преимущество по износостойкости и фрикционным свойствам легированных сталей, содержащих вольфрам, хром, алюминий, марганец, кремний, в сравнении с малоуглеродистыми, из применение в промышленности ограничивается высокой стоимостью. Тем не менее, в литературе имеются сообщения о применении в некоторых случаях легированных сталей. Так, в качестве материала контртела для фрикционных материалов на железной основе с высоким содержанием графита применяются закаленные марганцевохромистые стали или кобальтомарганцовые, а также хромомолибденованадиевые стали.
С целью предотвращения схватывания тормозных дисков при сильном их нагревании, например при посадке самолетов, используют конструкцию, состоящую из неподвижного металлического диска с фрикционным покрытием из неплавкой металлической спеченной композиции и вращающегося диска, взаимодействующего с фрикционной поверхностью.
При работе в условиях высоких температур в паре со спеченными материалами используется также стальное контртело, напыленное вольфрамом. Коэффициент трения этой пары не снижается (даже при высоких температур) ниже 0ю3 и несколько превышает коэффициент трения при работе в паре с лучшей фрикционной сталью [7].
Стали (а также чугуны), подвергнутые термодиффузионной обработке (азотированию, хромированию, алитированию), при испытании в паре со спеченным фрикционным материалом показывают более низкие фрикционные свойства, чем при испытании без упрочнения [2].
При термической обработке деталей из стали 65Г (закалка в масле с последующим отпуском при температуре 500-600º С) необходимо принимать меры для предупреждения коробления, которое может проявиться при эксплуатации отрихтованных дисков. С этой целью закаленные детали следует подвергать отпуску в зажатом состоянии.
В последнее время была предпринята попытка создать новый материал для контртела тормозного диска – графитизированную сталь [1] . Эта сталь получается комплексным легированием медью, титаном и кремнием, что позволяет исключить склонность к схватыванию поверхностей и создает условия для выделения углерода в стали в виде графита. Сталь имеет следующий состав (%): углерод - 1.3-1.5; кремний - 1.3-1.6; марганец - 0.3-0.5; медь – 1.2-1.5; титан – 0.25-0.4; сера – 0.03; фосфор – 0.035; хром – 0.20; никель – 0.20. Ее структура после термообработки : сорбит + свободный графит; механические свойства: σв
= 85 кГ/мм2
; σ0.2
=65 кГ/мм2
; ак
= 2.0 кГ*м/см2
; НВ 302-255; δ = 11%.
Испытания графитизированной стали в сравнении с фосфористым чугуном при сухом трении по эталону из стали 45Х показали существенное преимущество нового материала, как по износостойкости, так и по коэффициенту трения. Структура и механические свойства этой стали сохраняются неизменными при многократных и быстрых теплосменах.
Применение чугунов различных марок в качестве одного из элементов пары трения в фрикционных устройствах обусловлено из низкой стоимостью, простотой изготовления деталей даже сложной формы, хорошей обрабатываемостью, высокой прочностью и удовлетворительной износостойкостью. В средненагруженных муфтах сцепления и тормозах используются чугуны перлитного класса марок СЧ15-32, СЧ18-36 и некоторые другие. Желательно применять мелкозернистый серый чугун с твердостью НВ примерно 250 кГ/мм2
[10].
Не достатком простых чугунов является возможность их растрескивания в эксплуатации при переменных тепловых нагрузках из-за недостаточной термостойкости и прочности [5] .
Легированные чугуны наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к фрикционному материалу, работающему в условиях сухого трения. Они обладают высокой прочностью и термостойкостью[5]. При тяжелых условиях эксплуатации легированные чугуны более работоспособны и долговечны, чем простые чугуны или стали, хотя значительные термические напряжения, возникающие в процессе торможения, также приводят к образованию трещин на рабочей поверхности.
Таким образом, целесообразно создавать фрикционные пары трения, у которых оба элемента выполнены из спеченных фрикционных материалов. Это позволяет шире использовать преимущества метода порошковой металлургии и индивидуальные особенности каждого материала с целью эффективного конструирования пар для различных условий трения.
4.Пути улучшения свойств фрикционных материалов
Высокая износостойкость фрикционных материалов определяет экономичность эксплуатации и их надежность в работе машин или механизмов, в которых они применяются. Усилия, направленные на повышение износостойкости материалов, прежде всего, связаны с мерами борьбы против чрезмерного повышения температуры на поверхности трения и схватывания. Решение задачи повышения износостойкости имеет три основные направления: совершенствование свойств непосредственно фрикционного материала; совершенствование конструкций тормозных или передаточных устройств; регламентирование условий эксплуатации.
Для материалов, работающих при сухом трении, как правило, характерны высокие температуры на поверхностях трения. Поэтому основным требование к материалу металлической матрицы должно быть достаточно высокая жаропрочность и устойчивость против окисления. В жаропрочных материалах в условиях эксплуатационного нагрева менее автивно идут диффузионные процессы [10]. Материалы проявляют меньшую способность к схватыванию, имеют большую стабильность механических свойств, характеризуются меньшими темпами накопления дефектов кристаллической решетки в результате приложения нагрузок. Сохраняя более высокую прочность при повышенных температурах, жаропрочные материалы меньше всего подвержены абразивному износу в результате схватывания вырывания микроучастков поверхности.
Для фрикционных материалов, работающих со смазкой, свойства жаропрочности не имеют такого значения, как для материалов, работающих без смазки, однако и в это случае необходим определенный уровень прочности, так как при истирании и схватывание будут меньшими при более высокой общей прочности материала.
Износостойкость материалов, работающих при повышенных температурах, в значительной степени может понижаться при интенсивном окислении поверхностей. Пленка окислов имеет меньшую механическую прочность, чем металлическая основа, она легко отслаивается и растрескивается, поэтому при интенсивном окислении можно ожидать повышения темпа износа. Для борьбы с этим недостатком также целесообразно применять более жаропрочную основу материала, которая вследствие легирования обладает большим сопротивлением окислению.
Значительно е влияние на износостойкость и несущую способность материала может оказать пористость материала [10]. Поскольку наличие пор уменьшает механическую и усталостную прочность, одни из путей повышения износостойкости фрикционных материалов является уменьшение пористости. Допустимые значения пористости должны определяться в каждом отдельно взятом случае с учетом конкретных условий работы.
Целесообразно развивать работы по созданию фрикционных пар, у которых оба элемента выполнены из спеченных материалов. Подобный подход позволит реализовать большие потенциальные возможности и индивидуальные особенности каждого материала, более разумно и эффективно подойти к конструированию фрикционных пар.
Литература
1. Боровиков А.А. и др. – Вестник машиностроения, 1973, 8.
2. Введенский В.В., Баринова А.К. – В кн.: Повышение эффективности тормозных устройств. Свойства фрикционных материалов. Изд-во АН СССР, М., 1954.
3. Вязников Н.Д., Ермаков С.С. – В кн.: Применение изделий порошковой металлугрии в промышленности. Машгиз, М.-Л., 1960.
4. Гапоян А.Т. Фрикционы автоматических коробок передач (конструкция и расчет). «Машиностроение», М., 1966.
5. Знатакова Т.Н., Лихтман В.К. – ДАН СССР, 1955, 103(3)
6. Игнатов Л.Н. и др. Производство фрикционных материалов на железной основе. «Металлургия», М., 1968.
7. Прейгерзон Я.И., Генкин В.А., Ковнацкий В.С. Фрикционные металлокерамические материалы. Изд. ИНТИП, Минск, 1965.
8. Слипко Б.Л., Емелин А.А. – В кн.: Повышение эффективности тормозных устройств. Свойства фрикционных материалов. Изд-во АН СССР, М., 1959.
9. Федорченко И.М.– Журнал технической физики, 1951, 5
10. Федорченко И.М., Крячек В.М., Панаиоти И.И. – В кн.: Современные фрикционные механизмы. Изд-во «Наукова думка», Киев, 1975.