Раздел 11. Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы применяются для изготовления подшипников (опор) скольжения. Такие подшипники широко используются в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы и небольших габаритов.

Антифрикционные сплавы должны обладать низким коэффициентом трения, высокой теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью к поверхности вала, малой склонностью к заеданию. В эксплуатации эти сплавы должны обладать высокой износостойкостью и не вызывать сильного износа сопряженной детали – стального или чугунного вала. Низкий коэффициент трения материала обуславливает низкие потери мощности на трение и высокую износостойкость подшипникового узла. Высокая теплопроводность необходима материалу для интенсивного отвода тепла, которое выделяется в зоне трения при работе машины.

К группе антифрикционных сплавов относятся баббиты, бронзы, латуни, некоторые сплавы алюминия и серые чугуны. Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы подшипника.

Металлические антифрикционные материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, когда вал и подшипник разделены тончайшим слоем масляной пленки. Однако в режиме пуска и остановки машины наблюдается режим граничной смазки. Разрушение граничной масляной пленки возможно также из-за перегрева подшипникового узла. Поведение материала в этот период работы зависит от его склонности к схватыванию.

Металлические подшипниковые материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов: 1) сплавы с мягкой основой и твердыми включениями и 2) сплавы с твердой основой и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся баббиты, бронзы и латуни. Мягкая основа в этих материалах обеспечивает хорошую прирабатываемость и удержание масляной пленки, а твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость. Мягкая основа материала, изнашиваясь быстрее, прирабатывается к валу и образует микрорельеф, удерживающий пленку смазки.

Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. В состав баббитов вводятся также легирующие элементы, улучшающие некоторые их свойства. В частности, медь увеличивает твердость, никель – вязкость и износостойкость, кадмий – прочность и коррозионную стойкость, сурьма – прочность сплава.

В зависимости от химического состава устанавливаются марки баббитов Б83, Б88 на оловянной основе; Б16, БН, БС16 на свинцовой основе. Особую группу образуют более дешевые свинцово-кальциевые баббиты марок БКА и БК2. Баббит Б83 содержит 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди; состав баббита Б16 – 16% олова, 16% сурьмы, 2% меди, а стальное (до 100%) – свинец.

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (менее 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наилучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты.

Однако эти баббиты достаточно дороги из-за высокой стоимости и дефицитности олова. Поэтому их используют главным образом для подшипников ответственного назначения (дизельные двигатели, паровые турбины и т.п.). Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при высоких скоростях скольжения и нагрузках, чем и обеспечивается надежность работы подшипниковых узлов. По сравнению с баббитами на основе свинца износ оловянных баббитов в два раза меньше. Однако при повышении температуры в рабочей зоне свыше 70°С наблюдается резкое падение износостойкости баббитовых подшипников.

Структура оловянных баббитов состоит из мягкой основы (раствора сурьмы в олове) и равномерно распределенных в ней твердых частиц химического соединения SnSb. Таким образом, сурьма упрочняет мягкую основу баббитов и создает включения высокой твердости. Добавка меди дополнительно увеличивает твердость оловянных баббитов за счет образования твердых включений Cu3Sn. Незначительные добавки кадмия и никеля уменьшают размеры зерен. Структура этих сплавов состоит из твердого раствора сурьмы в олове (мягкая фаза) и твердых включений химических соединений SnSb и Сu3Sn.

Более дешевые свинцовые баббиты применяют в менее ответственных случаях, так как они уступают оловянным баббитам по механическим и антифрикционным свойствам, а также и по коррозионной стойкости. Содержание дефицитного олова в свинцовых баббитах снижено до 5,5…17%. Для предотвращения ликвации (неравномерности химического состава по объему слитка) при литье из-за различия плотности олова, свинца и сурьмы в свинцовые баббиты вводят добавки меди.

Наиболее простой по химическому составу баббит Б16 (содержит 15…17% олова, 15…17% сурьмы и 1,5…2% меди) имеет повышенную хрупкость и применяется только для спокойных условий работы без динамических нагрузок (подшипники тепловозов, путевых машин, оборудование тяжелого машиностроения).

Наиболее дешевые из баббитов являются кальциевые баббиты. Это сплавы на основе свинца с небольшими добавками кальция и натрия. Выпускаются следующие марки кальциевых баббитов: БКА, БК2 и БК2Ш. Кальциевые баббиты обладают наименьшей теплопроводностью и наибольшей плотностью среди всех баббитов на основе олова или свинца. К их недостаткам относятся также легкая окисляемость. Эти баббиты применяются, например, в конструктивных элементах подвижного состава железных дорог.

Все баббиты имеют существенный недостаток – низкое сопротивление усталости, что ухудшает работоспособность подшипника. Кроме того, ввиду небольшой прочности баббиты могут успешно эксплуатироваться только в подшипниках, имеющих прочный стальной или чугунный корпус.

Подшипники скольжения (вкладыши) автомобильных двигателей, например, изготавливают штамповкой из тонкой биметаллической ленты, полученной на линии непрерывной заливки.

Предел выносливости (продолжительность работы) подшипников в значительной мере зависит от толщины баббитового слоя, залитого на стальной вкладыш. Уменьшение толщины слоя способствует увеличению срока службы подшипника.

Одним из лучших антифрикционных материалов являются бронзы. Особое место среди них занимают оловянистые и оловяно-свинцовистые бронзы. Оловянистые бронзы обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, но имеют ограниченное применение из-за дефицитности олова.

Свинец улучшает антифрикционные свойства бронз, но понижает их механические свойства.

Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и сравнительно невысоких скоростях скольжения.

В последнее время бронзы широко используют как компоненты для получения антифрикционных материалов методом порошковой металлургии, а также тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами, например, графитом.

Латуни используют для опор трения в качестве заменителей бронз. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Применяют латуни при небольших скоростях скольжения (менее 2м/с) и невысоких нагрузках. Их достаточно часто используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрС30 (с 30% свинца) и алюминиевые сплавы с оловом, например, сплав АО9-2 (содержит 9% олова и 2% меди).Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. В случае граничного трения на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от интенсивного изнашивания.

По сравнению с баббитами более дешевые алюминиевые антифрикционные сплавы отличаются меньшей плотностью, более высокой теплопроводностью и прочностью. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазки на этих сплавах сохраняется при более высоких скоростях скольжения и при более высоких нагрузках.

Важным достоинством этих сплавов является их высокая технологичность и коррозионная стойкость при работе в масляных средах. Детали подшипниковых узлов из антифрикционных алюминиевых сплавов можно изготавливать литьем, прессованием, прокаткой с последующей штамповкой полуфабрикатов.

Недостатком этих сплавов является высокий коэффициент теплового расширения (примерно в два раза выше, чем у стали). Это вызывает определенные трудности при изготовлении и сборке подшипников. Поэтому сборка подшипников из алюминиевых сплавов должна производиться особенно тщательно с зазором больше обычного (до 0,1 мм). При невыполнении этих требований зазор может исчезнуть и наступит преждевременное заедание.

Сплавы алюминия с оловом обладают повышенным пределом выносливости и хорошо работают в условиях полусухого трения. В этих сплавах олово образует мягкие прослойки по границам более твердых зерен алюминия. Антифрикционные свойства сплавов данной группы улучшаются с увеличением массовой доли олова. Используют эти сплавы для отлива монометаллических вкладышей и втулок. Из некоторых алюминиевых сплавов изготавливают вкладыши коленчатого вала автотракторных двигателей.

К сплавам второго типа относятся также серые и легированные антифрикционные чугуны. Роль мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения графита. Достоинство чугунов – невысокая стоимость; недостаток – плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазки и пониженная стойкость к воздействию ударных нагрузок.

В последнее время получили распространение многослойные подшипниковые материалы, в состав которых входят различные антифрикционные сплавы. При этом сплавы или чистые металлы укладываются слоями, каждый из которых выполняет определенную роль. Например, четырехслойный подшипник, применяемый в современных автомобильных двигателях, состоит из стального основания, на котором уложен слой свинцовистой бронзы БрС30 (0,25 мм). Этот слой покрыт тонким слоем никеля (примерно 0,01 мм). На него нанесен слой сплава свинец-олово толщиной 0,025 мм. Верхний мягкий слой обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника. После его износа рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

Следует отметить, что в качестве антифрикционных подшипниковых материалов широко используются многие полимеры, дерево, различные композиционные материалы.

В последние годы разработаны и используются различные конструкционные материалы на основе древесины.

Для изготовления некоторых древесных материалов широкой номенклатуры используют шпон – тонкие слои древесины, получаемые лущением или строганием ствола дерева.

Потребности машиностроения в конструкционных древесных материалах удовлетворяются недостаточно. Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является разработка композиционных материалов, основой которых является древесина.

Наиболее распространенными материалами на основе древесины являются древесно-слоистые пластики (ДСП). В основу технологии получения этих материалов положен процесс прессования древесного шпона, пропитанного полимерными смолами, при заданной температуре. Для пропитки шпона наиболее часто используют растворы термореактивных смол. В качестве связующего возможно также использование некоторых термопластичных полимеров. Материалы, получаемые этим методом, применяют для изготовления подшипников скольжения, зубчатых колес, шкивов для ременных передач и других деталей.

Для снижения коэффициента трения ДСП пропитывают минеральными маслами, добавляют графит и другие минеральные наполнители.

Подшипники из антифрикционных древопластиков обеспечивают надежную работу узлов трения при нагрузках до 2,5 МПа и скоростях скольжения деталей до1м/с. При смазывании маслом, водой древопластики имеют низкий и стабильный коэффициент трения при температурах до 80…90°С.

Для повышения стойкости древопластиков к воздействию ударных и изгибающих нагрузок, их прочности и твердости в состав композиций вводят различные армирующие компоненты – металлическую сетку, волокна и ткани различного состава, а также минеральные дисперсные наполнители. Наибольшее применение в машиностроении получили древесные пластики, содержащие в качестве наполнителя стекло- и углеродные волокна. Армированные древесные пластики широко применяются для изготовления подшипников скольжения, опор трения, корпусных деталей.

Материалы на основе древесины имеют постоянную возобновляемую сырьевую базу. Это делает их наиболее перспективными конструкционными материалами. При модификации дисперсной древесины суспензиями графита, фторопласта, пенопласта получаемые древопластики приобретают комплекс антифрикционных и других ценных эксплуатационных свойств. Достоинствами таких материалов являются также их недефицитность, простота технологии переработки, низкая стоимость, стойкость к воздействию абразивов.

Вопросы для самопроверки

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008