Состав фрикционных накладок тормозных колодок

Каждая накладка — это сложный композитный материал, где все компоненты выполняют строго определенные роли. Процентное содержание компонентов варьируется в широких пределах даже внутри одного типа колодок. Качество и эффективность работы колодок зависит от правильно подобранного баланса составляющих, использованного сырья, размера частиц и строгого соблюдения технологии смешивания и высокотемпературного прессования.

Все используемые в производстве накладок компоненты можно разделить на несколько функциональных групп:

1. ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (30-60%) - материалы, обеспечивающие необходимое трение между колодкой и диском. Прежде всего это металлическая стружка или порошок. Чаще всего используется стальная (реже чугунная, медная, латунная) стружка. Металлы повышают теплопроводность, прочность, эффективность на высоких температурах. Высокое содержание стали в накладках ведет к скрипам и повышенному износу диска.

Абразивы - оксид алюминия (глинозем), карбид кремния, циркониевые соединения. Обеспечивают чистоту поверхности диска, удаляют глянец, но при избытке агрессивно изнашивают диск.

Графит и углеродные материалы регулируют коэффициент трения, выступают как твердая смазка, снижая шум и вибрацию. В высокотемпературных колодках может использоваться кокс. Керамические волокна и порошки (например, арамидные) - ключевой компонент "керамических" колодок. Вопреки распространенному заблуждению, это не металлическая керамика, а материал на основе силикатов, полученных из природных минералов. «Керамика» обеспечивает стабильный коэффициент трения в широком температурном диапазоне, низкий износ и шум, минимальное пылеобразование (пыль серая/белая).

2. СВЯЗУЮЩЕЕ (10-20%) склеивает все компоненты в монолитную накладку. Самый распространенный связующий материал - фенолоформальдегидные смолы (фенольные смолы) - термореактивные полимеры, которые при горячем прессовании необратимо затвердевают. Дешевы, обеспечивают хорошую прочность, но при очень высоких температурах (свыше 300-350°C) начинают интенсивно разлагаться с потерей связующих свойств ("отслоение накладки") и выделением газов (эффект "газовой подушки", снижающий эффективность). Для улучшения характеристик в фенольные смолы добавляют каучуки (акриловый, бутадиен-стирольный) и другие полимеры для повышения эластичности и снижения шума при торможении.

3. СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИЕ И АРМИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ (15-30%) повышают механическую прочность и создают «каркас» накладки. Стальная вата/волокно используется для армирования и, попутно, повышает теплопроводность. Стекловолокно повышает прочность накладки на разрыв. Также применяются арамидные, (базальтовое, целлюлозное) волокна. Дорогое углеродное волокно используют в производстве спортивных и высокоэффективных колодок.

4. НАПОЛНИТЕЛИ (5-20%) - дешевые компоненты, заполняющие объем и регулирующие свойства.

Самый распространенный наполнитель - барит (сульфат бария). Он повышает плотность накладки, стабилизирует трение, снижает стоимость. Вермикулит, слюда - минералы, которые при нагреве расширяются, помогая поддерживать стабильный коэффициент трения и поглощая вибрации. Также в качестве наполнителей применяются каолин (глина) и мел (карбонат кальция).

5. МОДИФИКАТОРЫ ТРЕНИЯ И ДОБАВКИ (5-15%). В этом качестве могут выступать смазочные материалы (твердые смазки): сульфид молибдена, сульфид цинка, тальк, металлические сульфиды. Они снижают износ, предотвращают задиры. Металлы (медь, латунь, цинк, олово) и их соединения улучшают теплопроводность, стабилизируют трение. Органические порошки: резиновая крошка, пробковая пыль и даже кешью-пыль (cashew dust) – для поглощения вибраций и снижения шума.

СОСТАВ ПО ТИПАМ КОЛОДОК

ОРГАНИЧЕСКИЕ (NON-ASBESTOS ORGANIC — NAO) – имеют в основе органические и синтетические волокна, не содержат стальных или чугунных частиц, отличаются низким уровнем шума, мало изнашивают тормозные диски. Коэффициент трения средний, может снижаться при экстремальном нагреве. Рабочий температурный диапазон узкий (до ~250-300°C). Перегрев ведет к "запеканию", потере эффективности и ускоренному износу. Сильно пылят, не отличаются долговечностью.

Особенность органических колодок - отсутствие выраженных, высокоэффективных отдельных фрикционных агентов, как металлическая стружка или керамические волокна. Их фрикционные свойства создаются за счет комбинации умеренно абразивных и упруго-деформируемых компонентов.

·        Связующее (15-25%) - фенольные смолы, модифицированные каучуками.

·        Армирующие волокна (30-50%). Основной, дешевый наполнитель - целлюлозное волокно (древесная мука, хлопок). Базовую прочность можно повысить применением стекловолокна. Арамидное волокно используется для более дорогих NAO, а углеродное волокно — в премиальных. Резиновая крошка (часто из переработанных старых шин) обеспечивает упругость и улучшает шумоподавление.

·        Наполнители (20-35%). Барит (сульфат бария) дает основной объем и повышает плотность. Также применяются каолин и мел.

·        Фрикционные модификаторы (5-15%): оксид алюминия (в небольшом количестве), графит/уголь, слюда/вермикулит.

·        Металлические частицы (цинк, олово) могут добавляться в количестве 1-5%. Их задача — не создавать фрикционный контакт, а улучшать отвод тепла вглубь накладки, чтобы избежать локального перегрева и «остекленения" поверхности колодки.

В органических колодках многие компоненты выполняют сразу несколько функций. Например, древесная мука, резиновая крошка и даже пробковая пыль работают как «арматура» накладки. При этом они являются демпфирующими и шумоподавляющими компонентами и, главное, фрикционными агентами – создают силу трения.

ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ (SEMI-METALLIC, SM) - очень доступный и широко распространенный тип колодок. Отличаются универсальностью, высокой эффективностью и долговечностью. Отлично выдерживают нагрев до ~400-450°C. Имеют высокий, достаточно стабильный коэффициент трения. Шумные, особенно при низких температурах, агрессивны к дискам.

·        Связующее (10-20%) - термостойкие фенольные смолы, часто с металлическими катализаторами отверждения.

·        Фрикционные металлы (30-65%): стальная шерсть – работает как арматура, как фрикционный агент и, одновременно, отводит тепло. Чугунная стружка/порошок - фрикционный наполнитель. Медная и латунная стружка в последнее время используется редко из-за экологических соображений.

·        Структурообразующие волокна (10-20%): Стекловолокно для прочности на разрыв. Возможно применение базальтового волокна или минимального количество арамида.

·        Наполнители и модификаторы (15-25%) – в первую очередь это барит.

·        Абразивы: оксид алюминия (глинозем), карбид кремния - более агрессивные, чем в NAO, для поддержания чистоты диска в зоне контакта.

·        Смазки: графит, сульфид молибдена - для лучшей работы при низких температурах, снижения вибраций и шума.

·        Керамические микросферы могут использоваться в продвинутых SM-колодках для снижения плотности и подавления шума.

НИЗКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ (LOW-METALLIC, LM) можно рассматривать, как подтип полуметаллических колодок с уменьшенным до 30% и ниже содержанием металлических компонентов с особым акцентом. Отличаются высоким коэффициентом трения и умеренным рабочим температурным диапазоном. Широко применяются на современных автомобилях. Делают педаль тормоза более «чувствительной». Сильно пылят, довольно активно изнашивают диски.

Основные отличия от среднеметаллических колодок:

·        Содержание металлических частиц снижено до 10-30%. Это, как правило, не стальная шерсть, а металлическая стружка/порошок более крупной фракции.

·        Увеличена доля абразивов (оксид алюминия, карбид кремния) до 15-25%.

·        Меньше барита, больше упругих компонентов: резиновой крошки, арамидных волокон, чтобы компенсировать жёсткость абразивов и металла.

КЕРАМИЧЕСКИЕ (CERAMIC) - колодки премиум-сегмента. "Керамика" – условное, маркетинговое название, основа состава - алюмосиликаты (например, муллит 3Al₂O₃·2SiO₂) и другие силикатные материалы. Колодки тихие, малопыльные, слабо изнашивают диски. Заявленный температурный диапазон очень широкий - стабильно работают от -30°C до +600°C и выше. Коэффициент трения высокий и относительно мало зависит от температуры. Самый дорогой тип колодок.

·        Связующее (15-25%): Высокотехнологичные модифицированные фенольные или полимерные смолы с высокой термостабильностью.

·        Керамические компоненты (30-60%): термостойкие керамические волокна (на основе оксида алюминия, силикатов) - основа матрицы, керамический микропорошок - фрикционный наполнитель, синтетические керамические материалы (например, муллит 3Al₂O₃·2SiO₂) обеспечивают чистоту поверхности без агрессивного абразивного воздействия.

·        Металлы (0-15%). Не сталь! Медь или медный порошок в небольшом количестве исключительно как проводник тепла и модификатор.

·        Углеродные материалы (10-25%): Многослойный графит, углеродное волокно. Выступают в роли фрикционного компонента и смазки. Обеспечивают низкий уровень шума.

·        Наполнители и модификаторы (10-20%): барит, слюда, вермикулит — в тщательно подобранных пропорциях.

·        Минимум абразивов или их полное отсутствие.

СПОРТИВНЫЕ И ГОНОЧНЫЕ (RACING / PERFORMANCE) - специальный тип колодок для экстремальных условий эксплуатации. Имеют максимальный коэффициент трения при высоких температурах. Температурный диапазон 500-1000°C и выше. Требуют обязательного прогрева, бесполезны и просто опасны в холодном состоянии. Коэффициент трения очень высокий.

·        Связующего минимум, применяются металлокерамические связки (спеченные материалы) или углерод-керамические композиты (CCM).

·        Металлы (50-80%), основа - медная и латунная стружка крупной фракции. Сталь используется редко, так как она тяжелее и имеет худшую теплопроводность. В экстремальных гоночных колодках могут использоваться угле-керамические композиты (CCM) на основе карбона, керамики и кремния.

·        Абразивы (10-25%): карбид кремния, оксид алюминия высокой чистоты и твердости.

·        Углерод/графит (5-15%) для смазки при относительно низких температурах.

·        Минимум наполнителей. Часто в состав входят экзотические соединения вольфрама, молибдена, сульфиды.

Колодки этого класса очень шумные, активно пылят, агрессивно изнашивают специальные гоночные диски, имеют короткий срок службы. Крайне дороги и не предназначены для повседневного использования.