Authors

Экспериментальное исследование теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов на основе оловянистой бронзы

UDC 536.212.2; 621.762

Экспериментальное исследование теплофизических свойств спеченных фрикционных материалов на основе оловянистой бронзы

Liashok Andrei V., Kiliashov Artemii A., Igor V. Baranov, Aleksei V. Asach, Vasiliy A. Krylov

Abstract
Спеченные порошковые фрикционные материалы на основе оловянистых бронз широко используются в тяжелонагруженных тормозных системах и устройствах передачи крутящего момента. Однако чистая спеченная бронза не подходит для использования в качестве фрикционного материала. Для придания бронзе требуемых свойств используются добавки различного функционального назначения. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния добавок порошков графита и железа на теплофизические свойства спеченного фрикционного материала на основе 12% оловянистой бронзы (БрО12) в диапазоне температур от 20 °С до 140 °С. Для испытания теплофизических свойств образцы фрикционных материалов были изготовлены методом порошковой металлургии. Удельная теплоемкость измерялась на установке DSC 204 Phoenix F1 методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Коэффициент температуропроводности определялся методом лазерной вспышки на автоматизированной установке LFA 457 Microflash. Плотность образцов при комнатной температуре определялась методом гидростатического взвешивания. Теплопроводность определялась расчетным способом. В результате получены температурные зависимости удельной теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности исследуемых образцов. Установлено, что наличие графитсодержащих компонентов и железа в составе порошкового фрикционного материала на основе бронзы БрО12 приводит к увеличению его удельной теплоемкости, а также к снижению температуропроводности и теплопроводности. В случае добавления литейного кокса теплопроводность достигает наименьшего значения, что связано с его аморфным строением. При добавлении порошков ГК-1 и ГЭ-1 вклад в теплопроводность вносит дисперсность исходных компонентов. В случае добавления мелкодисперсного графита теплопроводность получается выше, что может быть связано с более равномерным пространственным распределением частиц графита в металлической матрице.

Keywords: трибология, фрикционный материал, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность, дифференциальная сканирующая калориметрия, метод лазерной вспышки.

All references

1. Yu L., Ma B., Chen M., Li H.Y., Liu J. Experimental study on the friction stability of paper-based clutches concerning groove patterns. Industrial Lubrication and Tribology. 2020. Vol. 72, No. 4. P. 541-548. DOI: 10.1108/ILT-03-2019-0098

2. Yu L., Ma B., Chen M., Li H., Ma C., Liu J. Comparison of the Friction and Wear Characteristics between Copper and Paper Based Friction Materials. Materials. 2019. Vol. 12, iss. 18. Article 2988. DOI: 10.3390/ma12182988

3. Wang X., Ru H. Effect of Lubricating Phase on Microstructure and Properties of Cu–Fe Friction Materials. Materials. 2019. vol.12, iss. 2, 313. DOI: 10.3390/ma12020313

4. Derkacheva G.M., Panaioti I.I. Friction powder materials (review). Powder Metallurgy and Metall Ceramics. 1989, vol. 28, pp. 968-975. DOI: 10.1007/BF00793885

5. Serrano-Munoz I., Rapontchombo J., Magnier V., Brunel F., Kossman S., Dufrénoy P. Evolution in microstructure and compression behaviour of a metallic sintered friction material after braking. Wear. 2019, vol. 436-437, 202947. DOI: 10.1016/j.wear.2019.202947

6. Kuhn H. Powder metallurgy processing: the techniques and analyses. Elsevier, 1978, 208 p.

7. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А.Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1980. 496 с. [Kiparisov S.S., Libenson G.A. Powder metallurgy. M.: Metallurgy, 1980. 496 p.(in Russian)]

8. Chang I., Zhao Y. Advances in powder metallurgy. Properties, processing and applications. Elsevier science, 2013, 642 p.

9. Chichinadze A.V. Theoretical and practical problems of thermal dynamics and simulation of the friction and wear of tribocouples. Journal of Friction and Wear. 2009, vol. 30, pp.199-215. DOI: 10.3103/S106836660903009X

10. Zhang P., Zhang L., Fu K., Cao J., Shijia C., Qu X. Effects of different forms of Fe powder additives on the simulated braking performance of Cu-based friction materials for high-speed railway trains. Wear.2018. vol. 414-415. pp. 317-326. DOI: 10.1016/j.wear.2018.09.006

11. Prapai J., Morakotjinda. M., Yotkaew T., Vetayanukul B. Tribological properties of PM Cu-based dry friction clutch. Key Engineering Materials. 2013. vol. 545, pp. 163-170. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.545.163

12. Yotkeaw T., Tosangthum N., Krataitong R. etc. Sintered Frictional Materials Based on Cu Powders. Advanced Materials Research, 2013, vol. 747, pp 55-58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.747.55

13. Ost W., Baets P. De, Degrieck J. The tribological behaviour of paper friction plates for wet clutch application investigated on SAE and pin-on-disk test rigs. Wear. 2001. Vol. 249. pp. 361-371. DOI: 10.1016/S0043-1648(01)00540-3

14. Ma W., Lu J. Effect of Sliding Speed on Surface Modification and Tribological Behavior of Copper–Graphite Composite. Tribology Letters, 2011, vol. 41, pp. 363-370. doi: 10.1007/s11249-010-9718-x

15. Xiao Y., Yao P., Fan K., Zhou H., Deng M., Jin Z. Powder metallurgy processed metal-matrix friction materials for space applications. Friction, 2018, vol.6, pp. 219-229. DOI: 10.1007/s40544-017-0171-9

16. Kennedy Z.E., Rajaram G. Tribological behavior of metallo-ceramic composites for high friction and high temperature applications. Materials today: proceedings. 2022, vol. 55, Part 2, pp. 287-293. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.07.298

17. X. Xiao., Y. Yin, J. Bao, L. Lu, X. Feng. Review on the friction and wear of brake materials. Advances in Mechanical Engineering, 2016, vol. 8(5). DOI:10.1177/16878140166473

18. Чичинадзе А.В.и др. Основы трибологии (трение, износ и смазка): Учебник для технических вузов. 2-е изд. переработ. и доп. Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2001. 664 с. [Chichinadze A.V. et al. Fundamentals of tribology (friction, wear and lubrication): Textbook for technical universities. 2nd ed. of the redevelopment. and an additional one. Under the general editorship of A.V. Chichinadze. M.: Mechanical engineering, 2001. 664 p.(in Russian)]

19. Kato H., Takama M., Washida K., Sasaki Y., Miyashita S. Mechanical and Wear Properties of Sintered Cu-Sn Composites Containing Copper-Coated Solid Lubricant Powders. Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 2003, vol. 50, iss. 11, pp. 968-972. DOI: 10.2497/jjspm.50.968

20. Ma W., Lu J. Effect of Sliding Speed on Surface Modification and Tribological Behavior of Copper–Graphite Composite. Tribology Letters, 2011, vol. 41, pp. 363-370. DOI: 10.1007/s11249-010-9718-x

21. Kato H., Takama M., Iwai Y., Washida K., Sasaki Y. Wear and mechanical properties of sintered copper-tin composites containing graphite or molybdenum disulfide. Wear, 2003, Vol. 255, pp. 573-578. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00072-3

22. Kestursatya M., Kim J.K., Rohatgi P.K. Wear performance of copper-graphite composite and a leaded copper alloy. Materials Science and Engineering: A, 2003, Vol. 339, pp. 150-158. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00114-4

23. Pérez B., Echeberria J. Influence of abrasives and graphite on processing and properties of sintered metallic friction materials. Heliyon, 2019, vol. 5, iss. 8, e02311. DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e02311

24. Wasilewski P. Frictional Heating in Railway Brakes: A Review of Numerical Models. Archives of Computational Methods in Engineering, 2020, vol. 27, pp. 45-58. DOI: 10.1007/s11831-018-9302-3

25. Yevtushenko A.A., Grzes P., Adamowicz. A. Numerical analysis of thermal stresses in disk brakes and clutches (a review). An International Journal of Computation and Methodology, 2015, vol.67, iss.2, pp. 170-188. DOI: 10.1080/10407782.2014.923221

26. Abdullah O.I., Schlattmann J. Contact Analysis of a Dry Friction Clutch System. International Scholarly Research Notices, 2013, vol. 2013, 495918. DOI: 10.1155/2013/495918

27. Zhimeng T., Zemin W., Lei X., Libo Z., Zhaohui H., Jianhua L. Thermal and tribological properties of MoS2 doped graphite/copper composites by microwave sintering.Journal of Materials Research and Technology, 2021.vol. 15, pp. 6001-6010. doi:10.1016/j.jmrt.2021.11.053

28. Кудинов В.А, Аверин Б.В., Стефанюк Е.В.Теплопроводность и термоупругость в многослойных конструкциях. Москва: Высшаяшкола, 2008, 305 с. [Kudinov V.A., Averin B.V., Stefanyuk E.V. Thermal conductivity and thermoelasticity in multilayer structures. Moscow: Higher School, 2008, 305 p.(in Russian)]

29. Дульнев Г.Н.Процессы переноса в неоднородных средах. Л.: Энергоатомиздат, 1991, 248 с. [Dulnev G.N. Transfer processes in inhomogeneous media. L.: Energoatomizdat, 1991, 248 p.(in Russian)]

30. E.S. Watson, M.J. O'neill, J. Justin, N. Brenner. A Differential Scanning Calorimeter for Quantitative Differential Thermal Analysis. Analytical Chemistry, 1964, vol. 36, iss.7, pp. 1233-1238. DOI: 10.1021/ac60213a019

31. Федоров А.В.,Баранов И.В., Тамбулатова Е.В., Волков С.М., Прохорова Л.Т., Крылов В.А.Исследование температурных зависимостей удельной теплоемкости рафинированных подсолнечных масел от их состава методом дифференциальной сканирующей калориметрии // Вестник Международной академии холода. 2019. № 1. С. 52-63. DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-52-63 [Fedorov A.V., Baranov I.V., Tambulatova E.V., Volkov S.M., Prokhorova L.T., Krylov V.A. Investigation of the temperature dependence of the specific heat capacity of the refined sunflower oils from their composition by the method of differential scanning kalorimetry. Journal International Academy of Refrigeration. 2019. No 1. p.52-63. DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-52-63(in Russian)]

32. Parker W.J. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity / W.J. Parker, R.J. Jenkins, C.P. Butler, G.L. Abbott. Journal of applied physics, 1961, vol. 32, iss. 9. pp. 1679-1684. DOI: 10.1063/1.1728417

33. Asach A.V. Thermophysical characteristics of friction materials based on bronze with 12% tin with the addition of GK-1 graphite powder and foundry coke / A.V. Asach, I.V. Baranov, A.A. Kiliashov, V.A. Krylov, A.V. Liashok. Physical Sciences and Technology, 2022, vol. 9, iss. 3-4, pp. 83-88. DOI:10.26577/phst.2022.v9.i2.010