АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК ДЛЯ ПАР ТРЕНИЯ С КЕРАМИЧЕСКИМИ ТОРМОЗНЫМИ ДИСКАМИ

Элементы тормозных систем транспортных средств должны обеспечивать долговременность срока эксплуатации, независимость трибологических характеристик от температурных и погодных условий, стабильность при длительных сроках эксплуатации тормозных систем, малошумность и комфорт процесса торможения и т.д. Эти требования главным образом определяются комплексом физико-механических, теплофизических и трибологических характеристик материалов фрикционной пары. Тормозная система в автомобиле состоит, как правило, из тормозного диска и тормозных колодок. Тормозные диски в основном изготавливаются их серого чугуна, различных марок сталей, титановых сплавов и композиционных материалов с металлической, углеродной и керамической матрицами, армированными абразивными порошковыми материалами, углеродными и керамическими волокнами.

Общей тенденцией развития и совершенствования современных транспортных средств является повышение мощности и увеличение скорости движения. Как следствие температура в зоне трения фрикционной пары в условиях экстренного торможения может превышать 10000С. Эти обстоятельства стимулируют исследования по созданию новых типов фрикционных материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Среди фрикционных материалов последнего поколения, которые потенциально могут быть использованы в высоконагруженных системах торможения, особое место занимают керамоматричные композиты (КМК) с SiC-матрицей, армированной углеродными волокнами (УВ) [1]. Одна из важнейших проблем при разработке  эффективных тормозных систем с дисками из КМК заключается в подборе для них соответствующих тормозных колодок, которые могли бы выдерживать жесткие условия эксплуатации (нагрев более 10000С и абразивный характер трибоконтакта), и при этом иметь комплекс высоких триботехнических, физико-механических, теплофизических и экономических характеристик. Данным требованиям в определенной мере удовлетворяют металлические колодки и композиции с металлической, полимерной, углеродной и керамической матрицами [2].

Фрикционные полимерные  композиционные материалы (ПКМ), как правило, содержат в своей основе четыре типа компонентов:  полимерное связующее, абразивные наполнители, модифицирующие добавки и различные армирующие материалы (рубленые волокна, войлок, сетка и т.д.). Этот тип тормозных колодок нашел широкое применение в паре со стальными дисками. Однако у них есть серьезное ограничение – низкая термостойкость и, соответственно, низкая износостойкость при высоких температурах на поверхности трения.

Вместе с тем, несмотря на эти недостатки, имеется информация о применении тормозных колодок из ПКМ в паре с тормозными дисками из КМК. На рис. 1 приведены результаты исследования коэффициента трения фрикционной пары «диск из КМК – колодка из ПКМ» и традиционной пары «диск из серого чугуна – колодка из ПКМ» в зависимости от давления и температуры [1]. Видно, что для диска из КМК фрикционная пара демонстрирует более стабильные триботехнические характеристики в диапазоне температур 100 - 5000С. Можно сделать вывод, что тормозные колодки на основе ПКМ, в принципе, могут быть использованы в паре с дисками из КМК, однако их практическое применении должно быть ограничено относительно малонагруженными тормозными системами.

Колодки на основе композитов с металлической матрицей, часто называемые металлокерамическими, получаются спеканием различного рода металлических порошков с фрикционными (абразивными) порошками и добавками, стабилизирующими процесс трения и обеспечивающими отсутствие схватывания (либриканты). Наибольшее распространение получили материалы на основе железа и меди. Фрикционные материалы на основе меди имеют, как правило, меньшие коэффициент трения и предельные температуры эксплуатации (300-5000С), чем материалы на основе железа, но зато они более теплопроводны.

Металлокерамические тормозные колодки на основе железа, применяемые, главным образом, для условий жесткого торможения с температурами на поверхности трения до 12000С, являются, пожалуй, самыми коммерчески привлекательными для использования их в паре с тормозными дисками из КМК. Результаты исследований по применению таких фрикционных пар трения показали их высокие и стабильные триботехнические характеристики в широких интервалах значений контактного давления, скоростей скольжения и температур на поверхности трения. Кроме того, величины износа тормозных колодок были относительно небольшими, в то время как износ тормозного диска практически отсутствовал или был минимальным.

В работе [5] приведены результаты определения триботехнических характеристик для образцов из КМК в паре с контртелом из фрикционной металлокерамики типа ФЖ-11 на основе порошков железа (рис. 2). Для сравнения были проведены испытания традиционной фрикционной пары «Чугун – ФЖ-11», а также пары КМК и металлокерамики на медной основе типа ФМ. Установлено, что использование фрикционной пары «КМК–ФЖ-11» позволяет увеличить коэффициент трения почти в два раза по сравнению с традиционной парой «Чугун – ФЖ-11» и в три раза по сравнению с парой «КМК – ФМ» при сохранении того же уровня износа контртела.

Колодки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) различного состава применяются в паре со стальными, алюмоматричными, УУКМ и керамическими тормозными дисками. Фрикционные материалы на основе УУКМ могут быть получены двумя способами – жидкофазным, путем карбонизации полимерной матрицы углепластикового полуфабриката (PIP-процессы), или газофазным, путем осаждения пироуглерода из углеродсодержащей газовой среды в пористом волокнистом каркасе (CVI-процессы).

Главными достоинствами  фрикционных УУКМ являются высокий  коэффициент трения  при повышенных температурах, теплостойкость углеродной основы (более 10000С), размерно-температурная стабильность. Однако для УУКМ характерны и существенные недостатки, такие как низкий коэффициент трения (0,15-0,2) при температурах до 250-3000С и достаточно большие величины износа. Частично эти проблемы решаются путем введения в состав композиции порошковых или волокнистых абразивных материалов и модификаторов.

В литературе имеется информация об успешном опыте применения колодок из УУКМ, в паре с дисками из КМК. Так в работе [3] приведены различные варианты рецептур УУКМ для колодок и результаты их триботехнических испытаний в паре с диском из КМК. Полученные результаты показывают высокую чувствительность трибологических характеристик от типа применяемых компонентов и их рецептур. Однако, несмотря на достаточно широкие возможности модифицирования УУКМ, имеющиеся негативные свойства такого материала, не дают в полной мере рассматривать колодки из УУКМ в качестве перспективных при использовании их в паре с дисками из КМК.

Из всех фрикционных КМК наиболее широкое распространение получили композиты с карбидокремниевой матрицей, армированной УВ. Среди методов получения фрикционных изделий из КМК наибольшую привлекательность с экономической точки зрения имеют жидкофазные методы: PIP процессы (основанные на пиролизе кремнийорганической матрицы углепластикового полуфабриката) и LSI процессы (основанные на жидкофазном силицировании пористых заготовок, в состав которых входят углеграфитовые компоненты) [1].

Достоинствами КМК, получаемых по технологии PIP, являются широкая возможность управления составом получаемых композиций, отсутствие термической и химической деградации армирующих УВ и порошковых добавок при проведении пиролиза полимерного связующего. Главным недостатком технологии PIP, при получении КМК является повышенная пористость матрицы. Эта проблема может решаться путем увеличения количества циклов пропитка-пиролиз, но это сразу приводит к резкому удорожанию получаемого материала.

Метод LSI, коммерчески предпочтительный для тормозных дисков из КМК, также может быть применен и для получения колодок [4]. Наиболее широко здесь используется модификация метода LSI, основанная на жидкофазном силицировании карбонизированных углепластиков. Данные процессы обладают рядом достоинств по сравнению с другими методами получения КМК: конечный материал имеет достаточно высокую прочность и теплопроводность; матрица имеет плотную, практически беспористую структуру; процесс относительно недорог и производителен вследствие его небольшой продолжительности.

Одним из требований к тормозным колодкам из КМК, помимо обеспечения высоких и стабильных триботехнических характеристик в паре с диском из однотипного материала, является обеспечение такого характера процесса трения, когда их износ в значительно большей степени превышает износ дисков, при этом имея минимально возможные значения. Эта задача может решаться, например, путем подбора для КМК дисков и колодок оптимального соотношения базовых структурных компонентов материалов – УВ и SiC-матрицы.

В работе [5] установлено (рис. 3), что пары образцов с различным (высоким и низким) начальным содержанием УВ (пара 1–2 с объемным содержанием УВ – 0,53 и 0,25, соответственно) обеспечивают более высокий и стабильный коэффициент трения в зависимости от скорости по сравнению с парами образцов с одинаковым (высоким) начальным содержанием УВ (пара 3–4 с содержанием УВ – 0,41 и 0,48, соответственно). Износ КМК для фрикционных пар «1–2» и «3–4» оценивался величиной для образца №1 – 17,9 мкм/км, №2 – 5,2 мкм/км, №3 – 15,9 мкм/км, №4 – 10,1 мкм/км. Видно, что пары с разным содержанием УВ характеризуются и значительным различием их износа (более  чем  в  3  раза),  причем  более  низкий  износ наблюдается у КМК с малым содержанием УВ (большей долей SiC матрицы).

 Таким образом, проведенный анализ современных фрикционных материалов, применяемых для изготовления тормозных колодок, показал, что в паре с тормозными дисками из КМК в высоконагруженных системах торможения наиболее перспективными являются композиции с керамической матрицей и металлокерамика на основе железа.

Следует отметить, что многие авторы считают, что характер процесса фрикционного контакта пары с тормозным диском из КМК существенно отличается от пары с металлическим тормозным диском. Это обстоятельство предполагает проведение специальных триботехнических исследований для тормозных дисков из КМК в паре с колодками из различных типов материалов, и, соответственно, разработки соответствующих рецептур фрикционных композиций колодок для тормозных дисков из КМК.

Список литературы

 

1.   Handbook of ceramic composites / Edited by Narottam P. Bansal // Kluver Academic Publishers, 2005. - p. 554.

2. http://www.ximicat.com/info.php?id=5784. Фрикционные материалы

3.    Stadler Z. Carbonised-material-based brake pad for a C/C-SiC composite brake disc // Materiali in tehnologue, 2001. - Vol.35. - № 3-4. - р.205-208.

4.      Гаршин А.П. Анализ современного состояния и перспектив коммерческого применения волокнистоармированной карбидокремниевой керамики / А.П. Гаршин, В.И. Кулик В.И., А.С. Нилов // Новые огнеупоры, 2012. - №2. - с.43-52.

5.     Кулик В.И. Исследование триботехнических характеристик композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей / В.И. Кулик В.И., А.С. Нилов, А.П. Гаршин [и др.] // Новые огнеупоры, 2012. - №8. - с.45-56.