Состав спеченного фрикционного материала на основе меди с добавкой углерода, полученного методом пиролиза Российский патент 2023 года по МПК C22C1/05 C22C9/02 F16D69/00 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к фрикционным материалам, предназначенным для работы в узлах трения машин и механизмов в условиях жидкостного трения.

Известен фрикционный материал содержащий (массовая доля %): цинк 6-8, железо 0.1-0.2, свинец 2-4, графит 3-7, вермикулит 8-12, хром 4-6, сурьма 0.05-0.1, кремний 2-3, медь - остальное. Недостатком данного материала является низкий коэффициент трения и недостаточный коэффициент стабильности момента сил трения (отношение среднего момента трения к максимальному моменту трения), наличие порошка свинца, который признан экологически вредным [RU 2324756 С1, 2017].

Известен состав фрикционного материала (массовая доля %): олово - 4-7, графит 9-12, порошок железа - 35-40, медь - остальное [RU 2709418 С1, 2021]. К недостаткам данного материала можно отнести невысокое значение коэффициента трения, а также коэффициента теплопроводности.

В качестве прототипа выбран фрикционный материал, имеющий следующий состав (массовые доли %): медь - основа, олово - 5-8, кокс литейный - 7-9 [RU 2666203 С1, 2018]. Недостатком способа является наличие в составе кокса примесей серы, фосфора и других, содержание которых может иметь большой разброс, приводя к снижению коэффициента трения, его стабильности.

Технической задачей изобретения является увеличение коэффициента трения, повышение стабильности момента сил трения, повышение коэффициента теплопроводности фрикционного материала, повышение стойкости фрикционного материала к формированию задира в процессе буксования, снижение температуры спекания фрикционного материала.

Решение технической задачи заключается в том, что известный состав спеченного фрикционного материала на основе меди, содержащий медь, олово, дополнительно содержит порошок углерода, полученного методом пиролиза (УПМП), имеющего размер 10-100 мкм, при следующем соотношении компонентов (массовые доли %): олово - 5-8, УПМП 7-9, медь - остальное.

Углерод, полученный методом пиролиза (УПМП) характеризуется наличием большого содержания углерода, отсутствием примесей. Может являться топливом, что позволяет ему выступать в роли дополнительного источника тепла в процессе спекания фрикционного материала, тем самым снижать температуру спекания.

Установлено, что УПМП в составе фрикционного материала обеспечивает высокий коэффициент трения, износостойкость. Изнашиваясь в процессе трения, микрочастицы УПМП модифицируют металлическую основу фрикционного материала, тем самым повышают стойкость к формированию задира в процессе буксования.

Экспериментальные работы показали, что при наличии УПМП в составе фрикционного материала отсутствует пик коэффициента трения в начальный момент контакта поверхностей, имеющего место при использовании порошка графита. Отсутствие такого пика показывает отсутствие динамической нагрузки на узел трения, плавность трогания машины, эффективность ее управления.

УПМП может быть получен из биомассы различными способами, однако пиролиз биомассы позволяет получать его с контролируемыми физико-механическими свойствами. Так пиролиз биомассы из скорлупы кедрового ореха позволил получить УПМП чистотой 88%. Отсутствие примесей в УПМП, в сравнении с коксом и графитами, позволяет повысить теплопроводность фрикционного материала, тем самым снизить тепловую нагруженность зоны трения, увеличив износостойкость.

Результаты термогравиметрического анализа показали, что УПМП имеет калорийность 28-32 МДж/кг, что существенно больше, чем у графитов. Это говорит от том, что в процессе спекания фрикционного материала происходит дополнительное выделение тепла, позволяющее снизить температуру.

Результаты испытаний предлагаемого и известного материала, проведенные на инерционном стенде ИМ-58 при скорости скольжения 10 м/с, давление на фрикционный материал 4 МПа, в масляной среде при использовании диска стального из материала сталь 45 приведены в таблице.

Пример:

Исходные порошковый материалы (массовая доля %): медь (основа) - 86, олово - 6, УПМП - 8 смешивают в смесителе в течение 50-60 минут. Полученный порошковый фрикционный материал напекают на стальную основу в защитной атмосфере при температуре 720-740°С. Напеченный фрикционный материал на основе меди уплотняется усилием 2,0 т/см² на прессе с одновременным выдавливанием маслоотводящих каналов и пазов, с последующим спеканием под нагрузкой 0,1 кН в защитной атмосфере при температуре 760°С в течение двух часов.

Для получения УПМП использовалась скорлупа кедрового ореха. Взвешенную биомассу помещали в контейнер и муфельную печь, производили нагрев до 600°С при скорости 20°С/мин, выдержка при этой температуре 1 ч, охлаждение с печью. Контейнер продувался защитным газом агроном. Полученную биомассу измельчали и просеивали с разделением на фракции в интервале 10-100 мкм.

Осуществленный технологический процесс с использованием разработанного фрикционного материала на основе меди позволил снизить себестоимость фрикционного диска до 9%.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным порошковым фрикционным материалам на основе меди. Может использоваться для работы в узлах трения машин и механизмов в условиях наличия смазки. Спеченный фрикционный материал на основе меди содержит олово и углерод, полученный методом пиролиза (УПМП), мас.%: олово - 5-8, УПМП - 7-9, медь - остальное. Порошок УПМП имеет размер 10-100 мкм. Обеспечивается увеличение коэффициента трения, повышение стабильности момента сил трения, коэффициента теплопроводности и стойкости фрикционного материала к формированию задира в процессе буксования. 1 табл., 1 пр.

Состав спеченного фрикционного материала на основе меди, содержащий медь и олово, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошок углерода, полученный методом пиролиза (УПМП), имеющий размер 10-100 мкм, при следующем соотношении компонентов мас.%: олово - 5-8, УПМП - 7-9, медь - остальное.