Фрикционные материалы. 
Основы трибологии

Чтобы придать фрикционному материалу положительный градиент механических свойств, нужно создать в зоне трения пластическое «третье тело», сопротивление сдвигу которого было бы ниже, чем у материалов трущихся деталей. Реализовать эту идею можно двумя путями:

• 1) ввести во фрикционный материал компоненты, образующие на поверхности трения пластические слои — оксиды металлов, твердые смазки, цветные металлы и т. п.;
• 2) использовать в качестве фрикционных такие материалы, которые под действие напряжений сдвига и фрикционного нагрева размягчаются или термически разлагаются.

Примеры таких решений рассмотрим, анализируя номенклатуру фрикционных материалов. В нее входят металлические, асбокаучуковые материалы, асбопластики, органические и металлокерамические материалы. Контртелом для них обычно служат стали с высоким содержанием углерода и легированные прошедшие термообработку чугуны.

Металлические фрикционные материалы — это преимущественно серые чугуны в парах с высокоуглеродными сталями У7, У8. Чугун — сплав железа с углеродом, содержание которого более 2,14%. Продукты износа серого чугуна создают в зоне трения «третье тело» с низким сопротивлением сдвигу. Недостаток таких пар — невысокий коэффициент трения — покрывается такими достоинствами, как низкая стоимость, надежность, большой ресурс. Пара серый чугун — высокоуглеродистая сталь применяется в тормозах подвижного состава на железнодорожном транспорте.

Асбокаучуковые материалы — композиционные материалы на основе асбеста с каучуковым связующим и различными наполнителями. Асбест — минерал, водный силикат магнезия (3MgO 2SiO₂ 2H₂O). Он обладает волокнистой структурой, высокими теплостойкостью (до 900К) и коэффициентом трения, мало зависящим от температуры. Каучук связывает компоненты в единый материал и, как асбест, имеет значительный коэффициент трения. В качестве наполнителей применяют порошки сурика (Pb₃O₄) и оксида свинца (PbO), которые придают материалу противозадирные свойства.

Асбокаучуковые материалы плохо проводят тепло, поэтому в парах с их участием «третье тело» образуется при трении довольно быстро. Недостатки таких материалов обусловлены невысокой теплостойкостью связующего: при повышении температуры коэффициент трения сильно уменьшается из-за размягчения каучука, а при 640−670К материал деструктирует и рассыпается. Поэтому асбокаучуковые материалы применяют при сравнительно легких режимах торможения, например, в легковых автомобилях.

Асбопластики содержат связующее на основе синтетических полимеров, преимущественно, таких, которые образуют при отверждении пространственные сетки за счет поперечных химических связей между соседними макромолекулами. При фрикционном нагреве они не плавятся, а разлагаясь при 660−680К, образуют пленку кокса, поры которой заполнены жидкими продуктами распада связующего. Коэффициент трения таких материалов проходит через минимум (670К) и повышается с ростом температуры.

Один из лучших асбопластиков — ретинакс — композит на основе асбеста и фенолоформальдегидной смолы. Он работает до температур Т1300К, при которых материал контртела обычно размягчается и переносится на более твердый кокс. Для преодоления этого недостатка тормозные колодки из ретинакса армируют латунной проволокой. При Т900К латунь намазывается на контртело, создавая в зоне трения промежуточный слой. Ретинаксы применяют в тяжелонагруженных тормозах буровых лебедок и авиаколес. Использование дорогостоящих ретинаксов при Т700К неэффективно.

Органические фрикционные материалы (дерево, кожа, пробка и др.) чаще всего применяют при небольших нагрузках, в основном, в приборах. К этому классу материалов относят и резину, образующуюся при вулканизации каучуков. Изделия из нее получают путем переработки так называемой резиновой смеси, содержащей кроме каучука и вулканизующих агентов наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и другие компоненты. Ременные передачи и фрикционные предохранительные устройства на основе резины имеют обширную область применения от сельхозмашин до гидропрессов. Основными недостатками этого класса материалов являются высокая стоимость и низкая теплостойкость.

Металлокерамические материалы (керметы) — композиционные материалы, состоящие из керамических и металлических фаз. Их перерабатывают в изделия методами порошковой металлургии, преимущественно, прессованием в формах с последующим спеканием. Содержание керамических фаз (бориды, карбиды, нитриды, оксиды) в керметах фрикционного назначения превышает 40%, остальное — металлы (железо, кобальт, молибден, никель и др.). Иногда в порошковую композицию вводят добавки, образующие на поверхности трения защитную пленку — графит, дисульфид молибдена, свинец. Объединяя в керметах пластичные металлы и прочные тугоплавкие соединения, удается получить фрикционные материалы, отличающиеся высокими жаростойкостью, износостойкостью, прочностью и твердостью. Теплоемкость и теплопроводность у них выше, чем у асбестовых материалов. Недостатки керметов как фрикционных материалов — склонность к схватыванию и снижение коэффициента трения с ростом температуры. Тем не менее, они работоспособны до 900К, и объемы их применения в триботехнике ежегодно увеличиваются.