композиция для безасбестового фрикционного материала

Формула изобретения

Композиция для безасбестового фрикционного материала, содержащая каучук, вулканизующую группу на основе серы, волокнистый наполнитель, металлосодержащий наполнитель, фрикционный модификатор на основе графита, неорганический модификатор - смесь баритового концентрата и глинозема, отличающаяся тем, что в качестве каучука используют каучук СКД, в качестве волокнистого наполнителя - смесь полиоксадиазольного волокна и минеральной ваты, в качестве металлосодержащего наполнителя - дробь чугунную колотую, в качестве фрикционного модификатора используют смесь графита кристаллического, графита скрытокристаллического и углерода технического, а к смеси неорганического модификатора дополнительно добавлен цеолит при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

Каучук СКД	18,00-22,00
Сера	1,50-2,50
2-Меркаптобензтиазол	0,35-0,45
Тиурам	0,10-0,30
Полиоксадиазольное волокно	2,00-4,00
Минеральная вата	18,00-22,00
Дробь чугунная колотая	4,00-6,00
Графит кристаллический	2,00-3,00
Графит скрытокристаллический	2,00-3,00
Углерод технический	6,00-8,00
Баритовый концентрат	27,00-28,00
Глинозем	6,00-8,00
Цеолит	2,50-3,50

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к безасбестовым полимерным композициям фрикционного назначения и может быть использовано в машиностроении, в частности, для производства тормозных колодок для железнодорожного подвижного состава.

Известна полимерная композиция фрикционного назначения для изготовления тормозных колодок железнодорожных вагонов и локомотивов, содержащая, мас.%: каучук 15-25; серу 1,5-4,0; 2-меркаптобензтиазол 0,3-0,8; тиурам 0,10-0,30; асбест 5-47,5; барит 9-48,1; углерод технический 9-20; шлак никелевый отвальный 5-40 (см. описание изобретения к патенту РФ №2083603, заявл. 27.07.94, опубл. 10.07.97, по кл. С 08 J 5/14, С08L 9/00, С08К 13/02, заявитель - ОАО «УралАТИ»).

Изделия из данной композиции позволяют расширить арсенал технических средств, обеспечивающих повышенную износостойкость с сохранением высоких фрикционных свойств при попадании воды в зону трения тормозных колодок.

К недостатком полимерной композиции следует отнести применение асбеста, который в настоящее время запрещен к использованию во многих странах по экологическим соображениям, так как составляет повышенную вредность из-за канцерогенных свойств асбестовой пыли при производстве и эксплуатации изделий.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению (прототипом) является полимерная композиция для фрикционного материала, которая может быть использована для тормозных колодок железнодорожного подвижного состава, включающая, мас.%: фенолформальдегидную смолу 10-14 в качестве связующего, каучук 4-5 в качестве органического модификатора, вулканизующую группу 1-2 на основе серы, волокнистый наполнитель 15-17 в виде смеси базальтовых и стеклянных волокон, металлосодержащий наполнитель 30-36 в виде порошка и стружки металлов из группы медь, бронза, фрикционный модификатор 10-13 в виде смеси графита кристаллического и сурьмы трехсернистой, а также неорганический модификатор 18-21 в виде веществ из группы, включающей баритовый концентрат и глинозем (см. описание изобретения к патенту РФ №2119511, заявл. 21.02.96, опубл. 27.09.98, по кл. С 08 L 61/10, С08К 13/00, С08J 5/14).

Недостатком данной полимерной композиции является то, что изготовленные на ее основе изделия не обладают достаточно высоким и стабильным коэффициентом трения, имеют повышенную износостойкость и высокую стоимость. Кроме того, процесс изготовления изделий связан с выделением свободного фенола в окружающую среду.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы создать такую фрикционную композицию, которая обеспечила бы повышение стабильности коэффициента трения изготовленных на ее основе изделий, позволила бы снизить себестоимость изделий и снизить выделение вредных веществ, в частности фенола, в окружающую среду при их изготовлении.

Поставленная задача решается тем, что в известной композиции для безасбестового фрикционного материала, содержащей каучук, вулканизующую группу на основе серы, волокнистый наполнитель, металлосодержащий наполнитель, фрикционный модификатор на основе графита, неорганический модификатор - смесь баритового концентрата и глинозема, согласно изобретению в качестве каучука используют каучук СКД, в качестве волокнистого наполнителя - смесь полиоксадиазольного волокна и минеральной ваты, в качестве металлосодержащего наполнителя - дробь чугунную колотую, в качестве фрикционного модификатора используют смесь графита кристаллического, графита скрытокристаллического и углерода технического, а к смеси неорганического модификатора дополнительно добавлен цеолит при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

каучук СКД	18,00-22,00
сера	1,50-2,50
2-меркаптобензтиазол	0,35-0,45
тиурам	0,10-0,30
полиоксадиазольное волокно	2,00-4,00
минеральная вата	18,00-22,00
дробь чугунная колотая	4,00-6,00
графит кристаллический	2,00-3,00
графит скрытокристаллический	2,00-3,00
углерод технический	6,00-8,00
баритовый концентрат	27,00-28,00
глинозем	6,00-8,00
цеолит	2,50-3,50

Использование в композиции каучука СКД, относящегося к группе высокомолекулярных непредельных углеводородных соединений, позволяет при изготовлении изделий значительно снизить выделение вредных веществ в атмосферу, использование в качестве волокнистого наполнителя полиоксадиазольного волокна и минеральной ваты, заменяющих асбест, также снижает вредность при производстве изделий и их последующей эксплуатации, применение дроби чугунной колотой в качестве металлосодержащего наполнителя позволяет снизить себестоимость готового изделия, а использование цеолита в смеси неорганического модификатора позволяет повысить стабильность коэффициента трения изготовленных на основе композиции фрикционных изделий.

Сопоставительный анализ заявляемой композиции для безасбестового фрикционного материала с известными показал, что данное техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо, т.е. отвечает всем критериям изобретения.

Способ реализуется следующим образом. Для изготовления композиции использовалось следующее сырье:

Каучук СКД - ТУ 38.403750-2001

Сера - ГОСТ 127.4-93

2-меркаптобензтиазол - ГОСТ 739-74

Тиурам - ГОСТ 740-76

Полиоксадиазольное волокно - ТУ РБ 00204056.145-97

Минеральная вата - ГОСТ 4640-93

Дробь чугунная колотая марки ДЧК - ГОСТ 11964-81

Графит кристаллический - ГОСТ 5279-74

Графит скрытокристаллический - ГОСТ 5420-74

Углерод технический - ГОСТ 7885-86

Баритовый концентрат - ГОСТ 4682-84

Глинозем - ГОСТ 30558-98

Цеолит - ТУ 38.102168-85

Из указанного сырья была изготовлена опытная партия железнодорожных колодок. отличающихся процентным содержанием компонентов, как указано в таблице 1.

Изделия изготавливались известным сухим способом в смесителях закрытого типа. Загрузка смеси производилась в следующей очередности: сначала каучук, затем металлосодержащий наполнитель и модификаторы, после этого волокнистый наполнитель и в конце загрузки - вулканизующая группа.

Приготовленная смесь измельчалась в молотковых дробилках и брикетировалась на прессах холодного формования до получения заготовок изделий. Далее заготовки подвергались вулканизации на гидропрессах в обогреваемых прессформах. Изготовленная таким образом опытная партия железнодорожных тормозных колодок, а также тормозные колодки по прототипу, подвергались стендовым испытаниям по типовой методике ТМ №02-001-91 и по утвержденным требованиям норм безопасности НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 009 пп. 8, 9, 10, 11, 14.

Полученные данные и результаты исследований тормозных колодок из опытного материала и по прототипу представлены в таблицах 2,3 и на фиг.1 и 2.

В таблице 2 даны величины тормозных путей и износ по массе колодок, а в таблице 3 приведены данные трибологических характеристик опытных колодок в сравнении с требуемыми по нормам безопасности на железнодорожном транспорте.

На фиг.1 и 2 приведены графики зависимости коэффициентов трения от скорости при торможении как всухую с максимальной скорости 160 км/час, так и с подачей воды.

Из полученных данных следует, что коэффициенты трения, износ, термостойкость колодок из опытной партии находится в пределах значений, определяемых нормами безопасности, а у колодок по прототипу определена нестабильность коэффициента трения и повышенный износ. Испытания показали, что каких-либо механических повреждений, отслоений, трещин, наволакивания металла на колодки из опытного материала, нарушения целостности тела колодки не наблюдалось. Взаимодействие колодок с поверхностями катания колес стендов не привело к образованию в колесах трещин, кольцевых выработок, сдвигов металла на колесах и других дефектов. Максимальная температура в материале колодки из опытной партии на расстоянии 10 мм от фрикционного контакта с колесом достигла 184°С, а у колодок по прототипу 203°С.

По результатам испытаний сделан вывод о том, что железнодорожная колодка, изготовленная из заявляемой композиции, отвечает требованиям, предъявляемым к данного вида изделиям, и имеет более высокие показатели по сравнению с прототипом.

Таблица 1 Состав известной и предлагаемой композиции
Компоненты	Состав материалов
	Прототип	По примерам
		1	2	3
1	2	3	4	5
Связующее -	12,0
фенолформальдегидная смола		-	-	-
каучук СКД	4,0	22,00	19,90	18,00
Вулканизующая группа -	2,0
в том числе:
сера		2,5	2,0	1,5
2-меркаптобензтиазол		0,45	0,4	0,35
тиурам		0,1	0,2	0,3
окись цинка		-	-	-
волластонит		-	-	-
Волокнистый наполнитель	16,0
в том числе:
полиоксадиазольное волокно
минеральная вата		4,0	3,0	2,0
стекловолокно		18,0	20,0	22,0
базальтовое волокно		-	-	-
игольчатый волластонит		-	-	-
		-	-	-
Металлосодержащий наполнитель -	34,0
дробь чугунная колотая		6,0	5,0	4,0
Фрикционный модификатор -	12,0
в том числе:
графит кристаллический		3,0	2,5	2,0
графит скрытокристаллический		2,0	2,5	3,0
углерод технический		6,0	7,0	8,0
Неорганический модификатор -	20,0
в том числе:
баритовый концентрат		27,45	27,5	27,35
глинозем		6,0	7,0	8,0
цеолит		2,5	3,0	3,5

Таблица 2
Тип тормозной колодки	Нажатие, на колодку, кН	Тормозной путь, «м» с начальной скоростью, «км/час»				Суммарный тормозной путь, «м»	Износ колодки по массе, «г»
		50	90	140	160		первая	вторая
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Заявляемая
- всухую
- с водой	10×2	106	356	1089	1644	9737	50	75
500 мл/мин	10×2	104	302	729	-	1945	5	10
- всухую	20×2	93	266	626	1078	6295	45	45
- с водой	20×2	113	281	640	-	1820	15	20
500 мл/мин
По прототипу
- всухую	10×2	73	287	961	1715	9231	165	240
Примечание: - максимальная температура в теле заявляемой колодки на расстоянии 10 мм от рабочей поверхности была 171°С при нажатии 10 кН при полном служебном торможении со скоростью 160 км/ч и 184°С при нажатии 20 кН со скоростью 160 км/ч - максимальная температура в теле колодки по прототипу на расстоянии 10 мм от рабочей поверхности была 203°С при нажатии 10 кН при полном служебном торможении со скоростью 160 км/ч.