автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка композиционного фрикционного материала с модифицированными базальтовыми волокнами

61:99-5_,

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.763:62-597.6

ВОРОБЬЁВА Татьяна Юрьевна

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННОГО ФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ БАЗАЛЬТОВЫМИ ВОЛОКНАМИ

Специальность 05.16.06. "Порошковая металлургия и композиционные материалы"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Дорофеев Юрий Григорьевич

Новочеркасск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ 5

1. Современные композиционные материалы фрикционного назначения (ФКМ) и

их составляющие _ 7

1.1. ФКМ с металлической матрицей _ 7

1. 2. ФКМ с полимерной матрицей_10

1. 3. Компоненты ФКМп, их функции и свойства_17

1.3. 1. Связующие для ФКМп_17

1. 3. 2. Армирующие компоненты_ 25

1. 3. 3. Компоненты, регулирующие физико-механические характеристики ФКМп_32

1. 4. Выводы, постановка цели и задач исследования_ 35

2. Теоретические исследования по созданию ФКМп с модифицированными

базальтовыми волокнами__37

2. 1. Специфика взаимодействия компонентов системы ФФС—АХФС-БВ на границе

раздела фаз_39

2. 2. Теоретические предпосылки использования фосфатов как комплексного модификатора ФКМп_44

2. 3. Выводы_52

3. Экспериментальные исследования системы ФФС-АХФС-БВ, физико-механических

характеристик материала ФКМ-БВ _________________ 53

3.1. Объекты исследований_53

3. 2. Инфракрасный спектральный анализ_54

3. 3. Дифференциально-термический анализ _. 70

3. 4. Структурно-морфологические особенности в системе БВ-АХФС_75

3. 5. Исследование адгезии в системе ФФС-АХФС-БВ ______ 80

3. 6. Теплофизические исследования___ 83

3. 7. Физико-механические характеристики ФКМ-БФ__ 86

3. 8. Выводы_87

4. Трибологические испытания ФКМ-БФ__ 89

4. 1. Оборудование и методики проведения испытаний_ 89

4. 2. Испытания модельных композиций и материала ФКМ-БВ_ 91

4. 3. Обсуждение полученных результатов_ 98

5. Изготовление материала ФКМ-БВ и промышленная апробация_101

5. 1. Технологическая схема получения ФКМ-БФ_101

5. 2. Натурные испытания ФКМ-БФ в тормозных узлах автотранспортных средств_104

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ_ 108

ЛИТЕРАТУРА_110

ПРИЛОЖЕНИЯ 128

Приложение 1. Составы ФКМп, обнародованные в открытой печати за период 1991-1997 г.

Приложение 2. Технический акт внедрения ФКМ-БФ

129 142

Список принятых сокращений

АВ—асбестовое волокно

АХФС—алюмохромофосфатное связующее

БВ—базальтовое волонно

БФКМ—безасбестовые фрикционный композиционный материал с

полимерной матрицей ГС—граничный слой

ДТА—дифференциально-термический анализ МВ—минеральное волокно СВ—стеклянное волокно СтВ—стальное волокно ТГ—термогравиметрический анализ ТМТД—тетраметилтиурамдисульфид УВ—углеродное волокно ФКМ—фрикционный композиционный материал ФКМ—БВ—фрикционный композиционный материал, армированный БВ ФКМ—БФ—фрикционный композиционный материал, армированный

модифицированными алюмохромофосфатным связующим БВ ФКМм—фрикционный композиционный материал с металлической матрицей

ФКМп—фрикционный композиционный материал с полимерной матрицей ФС—формальдегидная смола ФФС—фенолформальдегидная смола ЦВ—целлюлозное волокно

ВВЕДЕНИЕ

Анализ проблем, решаемых специалистами-разработчиками транспортных систем, показал, что автомобильный транспорт, как в настоящее время, так и в будущем столетии будет превалировать над другими видами транспортных средств. Особенно заметно данная тенденция проявится в части перевозок грузов, людей на расстояния до 250 км и более, а также в частном секторе и в области использования автомобилей в целях малого предпринимательства.

Соответственно будет наблюдаться рост количества транспортных единиц. По данным Мосгорстата и ГАИ г. Москвы автомобильный парк столицы только за последние 15 лет увеличился на 317 % (с 1981г. по 1986г. на 133 %, с 1986г. по 1991г. на 130 %, с 1991 по 1995г. на 183 %). Такая тенденция прогрессирующего роста автотранспорта сохранится и в будущем /1/.

Тенденция прогрессирующего увеличения парка автотранспорта и транспортных перевозок влечёт за собой проблему резкого ухудшения экологической обстановки планеты, обусловленной ростом выбросов твердофазных веществ, включая продукты износа материалов тормозных систем автомобилей, образующихся в процессе эксплуатации автотранспортных средств. Так, в 1995г. суточный выброс вредных веществ составлял 2995,1 т. из них продуктов износа-35,6 т. По прогнозам специалистов к 2000 г эти цифры увеличатся на 58,5 % /1-3/.

Особо опасным веществом в твердофазных выбросах является один из основных армирующих компонентов ФКМп-асбест-канцерогенное вещество, мелкодисперсные фракции которого (4-й класс опасности по ГОСТ 12.005.76) вызывают у человека тяжелейшие заболевания: пневмомониоз (в частности асбестоз), рак лёгкого, мезотелиому. В связи с этим в ряде развитых стран применение асбеста запрещено в законодательном порядке.

Одним из путей решения вышеизложенной экологической проблемы, с учётом экономических и эксплуатационных факторов, является разработка ФКМп, где в качестве армирующего компонента вместо АВ применяются волокна разной химической природы, не представляющие опасности для организма человека.

К данному типу волокон, вводимыми в композиции, предназначенные для эксплуатации в тормозных накладках автомобильного транспорта, относятся БВ

или базальтовая вата, выполняющие те же функции, что и асбест, но совершенно безопасные для здоровья человека.

Предыдущие исследования разработчиков ФКМп показали, что использование в них БВ приводит к увеличению и стабилизации трибологических характеристик в сравнении с традиционными материалами, армированными АВ. В то же время физико-механические характеристики ФКМп с БВ отличаются более низкими показателями по сравнению с асбестовыми ФКМп, что является препятствием для внедрения их в тормозные системы автомобильного транспорта /4-51. Кроме выше обозначенных проблем отсутствует систематизированная практическая и исследовательская информация в области создания ФКМп, армированных волокнами неорганического происхождения.

Анализ работ показал, что задача повышения механической прочности ФКМп, армированных БВ может быть решена путём повышения адгезии наполнителя к полимерной матрице и использования для этих целей модификаторов, в частности, фосфатов металлов.

Известно, что фосфатные соединения, как вводимые в состав композиционных материалов на стадии изготовления, так и получаемые в результате трибохимических реакций, являются компонентами не только повышающими адгезию наполнителя к матрице, а соответственно и прочность композиционного материала, но также способствующими образованию в зоне трибологического контакта самонастраивающихся диссипативных структур и приводящими их в состояние структурной приспосабливаемости.

Разработке и исследованию ФКМп, в качестве армирующих компонентов которых использованы базальтовые волокна, модифицированные АХФС, посвящена настоящая работа.

1. Современные композиционные материалы фрикционного назначения и их компоненты

Не смотря на недостаток научной и практической информации в области трибоматериаловедения ФКМ, можно выделить несколько групп разных по химическому составу, структуре и технологии получения материалов. С учётом современных достижений трибологии и, исходя из наиболее общих свойств материалов, существующую гамму ФКМ условно можно классифицировать по материалу матрицы. В основном это ФКМ с металлической и с полимерной матрицами.

В общем случае создание материала начинается с выбора матрицы, а в дальнейшем производится подбор армирующих компонентов, фрикционно-способных наполнителей, пластификаторов и т. п. Основываясь на этом постулате ниже приведён анализ литературных и патентных источников, отражающих функции и свойства ФКМм и ФКМп, а также наполнителей ФКМ, играющих ту или иную роль в процессе создания и работы фрикционной пары.

1. 1. Фрикционные композиционные материалы с металлической матрицей

ФКМм находят широкое применение при тяжелых, экстремальных условиях эксплуатации /6, 7/. Металлы обладают широким набором прочностных свойств в сочетании с высокой пластичностью, теплопроводностью, как правило хорошо обрабатываются резанием, технологичны. Эти характеристики обусловливают следующие свойства ФКМм: возможность работы при высоких температурах и удельных нагрузках; биостойкость при воздействии разных климатических факторов /4, 8-9/.

Первоначально все фрикционные материалы изготавливались на основе сплавов меди. В основном это были литые хромистые и оловянистые бронзы /10/. В дальнейшем для изделий фрикционного назначения начали использовать литые низкоуглеродистые и легированные стали /11/. В Англии были запатентованы ФКМм на основе нержавеющих хромистых и хромоникелевых сплавов с добавлением до 15% одного из веществ: кобальта, марганца, молибдена, кремния, титана, ванадия, вольфрама, ниобия /12-14/.

Изделия фрикционного назначения в основном изготавливаются из углеродистых (45, 60Г, 65Г), легированных (ЗОХГСА, Х17Н2), нержавеющих (12Х18Н9Т) и др. сталей /11, 15-16/.

ФКМм на основе чугуна технологичны, дешевле стальных, меньше деформируются при нагреве, но имеют существенный недостаток- низкую износостойкость. В основном это серые чугуны типа СЧ 15, СЧ 21, ЧНМХ. Повышение износостойкости чугунов достигается введением в сплавы сбалансированного количества серы и марганца /17-19/.

Большие перспективы открылись в разработке новых ФКМм в связи с появлением методов порошковой металлургии. Эти методы позволили получать в одном материале комплекс свойств, необходимых для обеспечения сложных условий работы фрикционных пар /11, 20-22/.

Среди ФКМм, полученных методом порошковой металлургии, наиболее распространенны композиции на основе железа, меди, других металлов, а также керметы /22-24/.

ФКМм при контактном взаимодействии при образования ювенильных поверхностей склонны к схватыванию /25-27/. Чтобы избежать интенсивных процессов разрушения в металлическую матрицу вводятся: твёрдые смазки, уменьшающие адгезию (графит, тальк, сульфиды 19, 28/, фосфиды некоторых металлов, свинец, висмут); наполнители, снижающие пластическую деформацию поверхностных слоев (арамидные и асбестовые волокна, кварц, муллит, олово и т. п.) /9, 11, 25/.

В качестве наполнителей используются ферритные порошки /20/, порошки губчатого железа, порошки невосстановленного железа (3-45%) 1331, стеклопорошок /37/ совместно с стальным волокном (5-50%), графитом (20-40%) и связующим (10-15%); железный порошок, порошок олова, графит и кокс /38/. Для последней композиции характерно постоянство степени износа до 300°С, в интервале температур 300-500°С износ увеличивается не экспоненциально, а линейно 1321. Композиции с ферритным порошком характеризуются модулем упругости порядка 0,01 101О-1,0 Ю10Н/м2. С целью снижения стоимости ФКМм в смеси с порошком железа используется размолотый мусковит (1-10,8мас.%) /34/. В качестве наполнителей применяются: высокоуглеродистая чугунная пудра (3060%), угольный порошок (3-15%) /33/.

ФКМм на медной основе имеют невысокий коэффициент трения, в пределах 0,25-0,35, достаточную прочность, хорошую теплопроводность. Однако, для них характерна низкая термостойкость, износостойкость при больших нагрузках и скоростях скольжения и высокая стоимость в сравнении с ФИМм с железной матрицей 19-121. Поэтому предлагаются смешанные материалы: 45-50% меди, 0,1-10% железа, 7-13% графита, 2-5% олова, 15-35% силиката циркония 16, 36/; с добавками 1-10% сернокислого никеля /37/.

Наиболее распространены среди ФКМм на медной основе оловянистые бронзы /12/. По сравнению с материалами на основе железа, они меньше изнашивают контртело пары трения. Наличие 5-10% олова придает металлической основе повышенную прочность; свинец и графит выполняют функции твёрдой смазки; кремний, железо или двуокись кремния улучшают фрикционные характеристики ФКМм. Эти материалы способны воспринимать большие нагрузки 17, 21/. В работе 161 отмечена эффективность ФКМм с меднотитановой, в /38/-С медноникелеевой матрицей.

Порошковые фрикционные изделия на основе алюминиевой бронзы при положительных антизадирных свойствах имеют в 1,5-2 раза более низкую стоимость, чем материалы на основе оловянистой бронзы /40, 41/.

С целью увеличения противозадирных характеристик в металлические матрицы вводят твёрдые смазки. Основным смазочным компонентом служит графит /11, 16, 42/, кокс /43/, вводимый в количестве-1,2-1,7%. Однако графитизированные материалы имеют сравнительно низкие механические характеристики /19, 251. Для стабилизации процесса трения спеченных ФКМм на основе железа с большим количеством графита предложено вводить в материал порошки сплавов железа с алюминием (содержание алюминия до 22,5%) и сплавов железа с никелем (содержание никеля 40-42%) 19, 44/.

Введение в чугунные порошковые ФКМ максимального количество серы или фосфора обеспечивает паре трения высокие показатели коэффициента трения, но отрицательно влияет на контртело 142, 451.

Запатентован ФКМм, в состав которого входит 5-50% железного порошка, 1-10% медного порошка, 10-30% смазки (графита), 5-15% смолы 1-10% органической добавки, регулирующей фрикционные свойства /46/. С целью противодействия схватыванию предлагается вводить в матрицу активные металлы,

не реагирующие с основным материалом и образующие с материалом контртела антикоррозионные соединения оксидов /47/. Аналогичная схема противодействия схватыванию предлагается и для фрикционных материалов с ФФС /48/.

В последнее время широкий интерес проявляется к ФКМм, армированным металлическими волокнами с добавками как органических /4, 43, 48, 49/, так и неорганических соединений /24, 50/. В качестве армирующего элемента используют либо СтВ в количестве 5-65 % от массы порошка, либо их в сочетании с латунными или алюминиевыми волокнами в количестве 0,5-10 % /51-53/. Ряд разработок связан с армированными СтВ /46, 54/ и медными волокнами /55/ ФКМм. Разработан ФКМм, в качестве основы которых используется плетенное СтВ, либо СтВ в комбинации с органическими волокнами пропитанные нитросоединениями /56-57/, в частности летучим нитридом дициклогексил-аммония /58/. Материалы отличаются хорошими антикоррозионными свойствами.

ФКМм, обладающий высокой теплоемкостью, изготавливается из порошков карбидов бора, кремния, борида титана, углерода и меди /58-59, 60/.

Не смотря на большой ассортимент ФКМм, разработанных в нашей стране и за рубежом, в фрикционных узлах легкового автомобильного транспорта данный класс материалов имеет ограниченное применение из-за сравнительно низких противозадирных свойств и нестабильного значения коэффициента трения, прогрессирующих с ростом температуры 14, 61-66 /.

/. 2. Фрикционные композиционные материалы с полимерной матрицей

ФКМп в отличие от металлических фрикционных материалов обладают меньшей теплопроводностью и модулем упругости, что отрицательно влияет на эксплуатационные свойства. Однако низкий модуль упругости способствует увеличению площади фактического контакта в разноимённой паре трения, и, соответственно, уменьшению действительных контактных напряжений /17, 18, 66/. Приработка полимерных материалов (особенно термопластичных) при трении по металлам осуществляется в основном за счёт пластических деформаций их рабочих поверхностей. Низкий модуль упругости ФКМп обуславливает малую чувствительность к перекосам в конструкции, что выгодно отличает их от ФКМм, у

которых малейшие неточности сборки приводят к резкому увеличению контактных нагрузок. Кроме того для ФКМп характерны: технологичность изготовления, наличие природных ресурсов для их изготовления и доступные показатели стоимости /49, 67/.

Для ФКМп характерна большая задиростойкость по сравнению с металлическими материалами. При повышенных температурах реактопласты обугливаются, а термопласты оплавляются, и эти явления не приводят к выходу из строя контртела в отличие от ФКМм, у которых при критических режимах трения наблюдается катастрофический рост схватывания с материалом контртела, задиров и, в конечном итоге, разрушение контртела /68-69/.

ФКМп, в своей превалирующей части, обладают одним существенным недостатком-относительно низкой теплостойкостью, определяющейся термостойкостью связующего. В целом это делает ФКМп не пригодными в условиях эксплуатации при температуре более 400°С. Повысить термостойкость полимерных связующих, а также изделий на их основе позволяет введение в них армирующих теплостойких элементов и модифицирующих добавок /4,.70-73/.

Современные ФКМп представляют собой разнообразные многокомпонентные композиции, состав которых может включать до 20 ингредиентов и более. В табл.1.1. приведен состав компонентов ФКМп. Количество видов волокон различной х