ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ФРИКЦИОННАЯ ПРОКЛАДКА Российский патент 2002 года по МПК F16D69/02 

Изобретение относится к фрикционному материалу и, в частности, к материалу тормозной прокладки, состоящему из агломерированной (спеченной) массы железа, в которую диспергированы частицы графита.

Ряд промышленно доступных материалов для тормозных прокладок содержат частицы, такие как частицы железа и частицы графита, связанные вместе органическим связующим, таким как фенолформальдегидная смола.

Если тормозные прокладки, состоящие из такого материала, подвергаются воздействию жестких энергетических нагрузок и, как следствие, воздействию высоких температур, таких как температуры порядка 700^oС, которые, например, возрастают, когда они используются в тормозах для грузовиков, происходит разложение органического связующего с образованием газообразных продуктов разложения. В результате срок службы тормозных прокладок уменьшается.

Известны также материалы для тормозных прокладок с металлическим связующим, например, материалы, включающие спеченную железную матрицу, содержащую сравнительно небольшие количества частиц графита. Недостатком этих известных прокладочных материалов с металлическим связующим является то, что при больших энергетических нагрузках может произойти плавление частей железной матрицы, в результате чего имеет место начинающаяся сварка тормозной прокладки и тормозного барабана или тормозного диска.

Известно использование тормозных прокладок, которые главным образом состоят из графита, в шинах для гоночных автомобилей Формулы 1. Такие шины являются весьма эффективными, но они очень быстро изнашиваются, обычно после единственной гонки.

Предпринимались попытки изготовить материалы для тормозных прокладок, имеющие высокое содержание частиц графита, но эти попытки столкнулись с той трудностью, что увеличивающееся содержание частиц графита в железной матрице приводит к снижению прочности и, следовательно, к снижению сопротивления износу.

Европейский патент ЕР 0093673 описывает фрикционный материал, содержащий главным образом порошок железа (72-85 мас.%), графит (3-14 мас.%), кокс (2-12 мас. %), низкоплавкий материал (3-10 мас.%), такой как олово, и модифицирующий трение агент (до 3 мас.%), причем часть порошка железа может быть необязательно заменена волокнами железа.

Целью настоящего изобретения является предложить фрикционный материал, имеющий большее сопротивление износу, чем у фрикционного материала согласно ЕР 0093673.

Фрикционный материал по изобретению отличается тем, что спеченная масса содержит между 13 и 22 об.% волокон железа, между 13 и 22 об.% частиц железа, имеющих размер частиц 10-400 мкм, между 40 и 70 об.% частиц графита, имеющих размер частиц 25-3000 мкм, и между 10 и 15 об.% металлического связующего, имеющего температуру плавления 800-1140^oС.

Изобретение основывается на том открытии, что при использовании сравнительно крупных частиц графита (частицы графита, обычно используемые в металлургических процессах, как правило, имеют размер частиц 0,1-10 мкм) и металлического связующего, имеющего точку плавления в интервале температур, в котором имеет место спекание, образуется прочная и стабильная металлическая железная структура, в которую вкраплены частицы графита, из которой они могут высвобождаться под воздействием усилия трения и образовывать пленку между тормозной колодкой и тормозным барабаном или тормозным диском.

Частицы железа, волокна железа и металлическое связующее являются таким образом активными и, следовательно, придающими прочность компонентам агломерата, тогда как частицы графита являются компонентами спеченной массы, борющимися с трением.

Волокна железа, присутствующие во фрикционном материале, являются предпочтительно стальными волокнами, т.е. волокнами из сплава железа, имеющего содержание углерода до 2%. Железные волокна предпочтительно имеют длину от 0,5 до 5 мм и толщину в интервале 10-100 мкм.

Как упоминалось, частицы железа имеют размер частиц от 10 до 400 мкм и предпочтительно размер частиц от 20 до 200 мкм.

Как упоминалось, частицы графита имеют размер частиц от 25 до 3000 мкм и предпочтительно размер частиц от 90 до 1000 мкм.

В качестве металлического связующего предпочтительно используют металлический материал, выбранный из Сu, Sn и Zn.

Бронза в виде порошка и такого типа, в котором содержание меди составляет от 85 до 99% и содержание олова составляет от 1 до 15%, является особенно подходящей.

Фрикционные материалы по изобретению могут содержать, кроме вышеупомянутых компонентов, от 0,1 до 15 об.% дополнительных компонентов, таких как Аl₂О₃, FeSi, Fe₃Si₂, FeSi₂, Fe₂Si₅, МgСО₃, SiO₂, BN, Са₃(РО₄)₂, BaSО₄, Fe₂O₃, CuAl₂, Si, Al, Сu, Р и сульфиды Mo, Mn, Sb, Cu, Sn и W.

Подмешивание керамического материала в спеченную массу приводит к стабилизации трения при флюктуирующих температурах. Особенно сильная стабилизация достигается при использовании керамического материала, имеющего зерна двух разных размеров.

Особо предпочтительной добавкой является Аl₂О₃, которая служит для повышения коэффициента трения и поддерживает коэффициент трения постоянным.

Настоящее изобретение далее относится к способу изготовления фрикционного материала, характеризующегося тем, что смесь, состоящую из 13-22 об.% железных волокон, 13-22 об.% железных частиц, имеющих размер частиц между 10 и 400 мкм, 40-70 об.% частиц графита, имеющих размер частиц между 25 и 3000 мкм, и 10-15 об.% металлического связующего, подвергают сжатию под давлением по меньшей мере 100 мПа таким образом, чтобы образовать брикет желаемых формы и размера, и полученный брикет спекают при температуре между 800 и 1140^oС в течение достаточно долгого периода времени для того, чтобы обеспечить сращивание железных волокон, железных частиц и металлического связующего.

Железные волокна, железные частицы и металлическое связующее могут быть необязательно смешаны перед тем, как эти компоненты смешивают с частицами графита.

Когда Аl₂O₃ является частью исходных материалов, предпочтительно диспергировать Al₂O₃ в воде, смешать образованную таким образом дисперсию с частицами графита и удалить воду из смеси перед тем, как смешать ее с другими компонентами.

В смесь частиц графита и Al₂O₃ может быть выгодно добавлять перед смешением с другими компонентами небольшое, например, 1-3 мас.%, количество масла, такого как растительное масло.

Далее изобретение описывается более подробно на нижеприведенном примере.

ПРИМЕР
22 м³ волокон железа, 22 см³ частиц железа, имеющих средний размер частиц 100 мкм, и 15 см³ порошка бронзы, имеющей температуру плавления 1040^oС, смешивали в V-смесителе с внутренним ротором в течение примерно 10 мин.

1 см³ частиц Al₂O₃ добавляли к 100 см³ воды, и образовавшуюся таким образом смесь подвергали ультразвуковой обработке для получения однородной дисперсии. Дисперсию смешивали с 40 см³ частиц графита, имеющих средний размер частиц 300 мкм, после чего воду удаляли испарением в печи.

К полученной таким образом смеси частиц графита и Al₂O₃ добавляли 2 мас. % растительного масла, и композицию перемешивали до тех пор, пока не достигали равномерного распределения частиц Al₂O₃ между частицами графита. Смесь частиц графита, частиц Al₂O₃ и растительного масла и смесь железных волокон, железных частиц и порошка бронзы смешивали в V-смесителе, причем внутренний ротор не использовался в течение первых 5 мин, и внутренний ротор использовался в течение последующих 2 мин.

Полученную таким образом смесь прессовали в брикеты размером 4х9х2 в одноосном прессе под давлением 300 мПа.

Затем полученные сырые брикеты спекали в печи в атмосфере Н₂ и N₂. Брикеты спекали вначале при 700^oС в течение 0,5 ч и затем при 1100^oС в течение 0,75 ч.

Наконец спеченные брикеты охлаждали до комнатной температуры в атмосфере H₂ и N₂ в течение периода времени 0,75 ч.

Полученные таким образом спеченные брикеты устанавливали на стальную пластину, и полученное таким образом изделие могло быть после этого использовано для тормозных прокладок.

Изобретение относится к производству тормозных накладок. Фрикционный материал включает спеченную массу железа, в которой диспергированы частицы графита, где спеченная масса содержит между 13 и 22 об.% волокон железа, между 13 и 22 об.% частиц железа, имеющих размер частиц 10-400 мкм, между 40 и 70 об.% частиц графита, имеющих размер частиц 25-3000 мкм, и между 10 и 15 об. % металлического связующего, имеющего температуру плавления 800-1140^oC. Предложен также способ изготовления такого фрикционного материала, где смесь этих компонентов прессуют под давлением по меньшей мере 100 мПа таким образом, чтобы образовать брикет желаемых формы и размера, и полученный брикет спекают при температуре между 800 и 1140^oС в течение периода времени, достаточного для достижения сращивания железных волокон, железных частиц и металлического связующего. В результате увеличивается износостойкость фрикционного материала. 3 с. и 13 з.п. ф-лы.

1. Фрикционный материал, включающий спеченную массу железа, в которую диспергированы частицы графита, отличающийся тем, что спеченная масса содержит между 13 и 22 об. % волокон железа или сплава железа, имеющего содержание углерода до 2%, между 13 и 22 об. % частиц железа, имеющих размер частиц 10-400 мкм, между 40 и 70 об. % частиц графита, имеющих размер частиц 25-3000 мкм, и между 10 и 15 об. % металлического связующего, имеющего температуру плавления 800-1140^oС. 2. Фрикционный материал по п. 1, отличающийся тем, что волокна железа имеют длину от 0,5 до 5 мм и толщину от 10 до 100 мкм. 3. Фрикционный материал по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что частицы железа имеют размер частиц от 20 до 200 мкм. 4. Фрикционный материал по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что частицы графита имеют размер частиц от 90 до 1000 мкм. 5. Фрикционный материал по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что металлическое связующее выбирают из группы, состоящей из Сu и бронзы. 6. Фрикционный материал по п. 5, отличающийся тем, что металлическое связующее представляет собой бронзу, содержащую от 85 до 99% меди и от 1 до 15% олова. 7. Фрикционный материал по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что спеченную массу получают из смеси, которая дополнительно содержит от 0,1 до 15 об. % добавочных компонентов. 8. Фрикционный материал по п. 7, отличающийся тем, что добавочный компонент/компоненты выбирают из группы, состоящей из Аl₂O₃, FeSi, Fe₃Si₂, FeSi₂, Fe₂Si₅, МgСО₃, SiO₂, BN, Са₃(РO₄)_2, BaSO₄, Fе₂О₃, CuAl₂, Si, Al, Сu, Р и сульфидов Mo, Mn, Sb, Cu, Sn и W. 9. Фрикционный материал по п. 7, отличающийся тем, что добавочный компонент/компоненты представляет собой керамический материал. 10. Фрикционный материал по п. 9, отличающийся тем, что керамический материал присутствует в спеченной массе в виде зерен двух различных размеров. 11. Способ изготовления фрикционного материала в форме спеченной массы железа, в которой диспергированы частицы графита, отличающийся тем, что смесь, содержащую между 13 и 22 об. % волокон железа, или сплава железа, имеющего содержание углерода до 2%, между 13 и 22 об. % частиц железа, имеющих размер частиц 10-400 мкм, между 40 и 70 об. % частиц графита, имеющих размер частиц 25-3000 мкм, и между 10 и 15 об. % металлического связующего, прессуют под давлением по меньшей мере 100 мПа таким образом, чтобы образовать брикет желаемых формы и размера, и полученный брикет спекают при температуре между 800 и 1140^oС в течение периода времени, достаточного для достижения сращивания железных волокон, железных частиц и металлического связующего. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что волокна железа, частицы железа и металлическое связующее смешивают перед тем, как эти компоненты будут смешаны с частицами графита. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что частицы графита используют в смеси с частицами Аl₂O₃. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что смесь частиц графита и частиц Аl₂O₃ готовят путем диспергирования частиц Аl₂O₃ в воде, смешения полученной таким образом дисперсии с частицами графита и удаления воды испарением. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что смесь частиц графита и частиц Аl₂O₃ дополнительно содержит масло в количестве 1-3 мас. %. 16. Тормозная прокладка, отличающаяся тем, что содержит фрикционный материал по любому из пп. 1-10.