7.2. Подшипниковые сплавы (антифрикционные материалы)

с мягкой матрицей

7.2.1. Общая характеристика подшипниковых материалов

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения и вкладышей узлов трения.

Подшипниковые сплавы должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать низкий коэффициент трения с контактной поверхностью изделия;

- обеспечивать малый износ обеих трущихся поверхностей;

- материал должен выдерживать достаточные удельные давления.

Эти требования будут удовлетворены, если подшипниковый сплав будет обладать следующими свойствами: высокой теплопроводностью; хорошей смачиваемостью поверхности смазочным материалом; способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; хорошей прирабатываемостью, основанной на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Для подшипников скольжения используют:

а) металлические материалы;

б) неметаллические материалы - пластмассы, как термореактивные (текстолит), так и термопластические (такие полимеры, как полиамиды ПС 10, анид, капрон, фторопласт);

в) комбинированные материалы - самосмазывающиеся подшипники из порошковых материалов (железо - графит, железо - медь - графит, бронза - графит при содержании графита в пределах 1-4%), металлофторопластовые подшипники из 4-слойной металлофторопластовой ленты;

г) минералы - полудрагоценные и драгоценные камни - естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд), или их заменители - ситаллы (стеклокристаллические материалы); такие опоры и подшипники используются в прецизионных приборах.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа:

1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями, к которым и относятся сплавы на основе легкоплавких металлов (баббиты и цинковые антифрикционные материалы), а также сплавы на основе меди (бронзы и латуни);

2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями, к которым относятся свинцовистая бронза БрС30, алюминиевые сплавы с оловом ( например, сплав АО 9-2, содержащий 9% олова и 2% меди), а также серые чугуны.

Сравнительная характеристика ряда антифрикционных материалов приведена в таблице 7.2.

7.2.2. Легкоплавкие подшипниковые сплавы с мягкой

матрицей (баббиты)

При применении мягких легкоплавких подшипниковых сплавов обеспечивается меньший износ шейки вала. Они имеют и минимальный коэффициент трения со сталью (см. табл. 7.1) и хорошо удерживают смазку.

В качестве таких материалов используют: а) сплавы системы Sn - Sb (+ Cu) - оловянные баббиты; б) сплавы системы Pb - Sn - Sb (+ Cu и другие элементы) - свинцово-оловянные баббиты; в) сплавы системы Pb - Sb (+ Cu) - свинцовые баббиты и системы Pb - Ca - свинцово-кальциевые баббиты; г) сплавы системы Zn - Cu - Al - цинковые антифрикционные материалы (иногда называемые цинковыми баббитами); д) сплавы системы Al - Sn (+ Cu) - алюминиевые подшипниковые сплавы(иногда называемые алюминиевыми баббитами).

На рисунке 7.1 представлены диаграммы состояния сплавов ряда систем.

В оловянных баббитах (Б 88, Б 83), состав и свойства которых приведены в табл. 7.3, мягкой основой является  -твердый раствор на основе олова, а твердыми частицами - ‘-фаза - твердый раствор на базе интерметаллидного соединения SnSb , а вследствие ввода 2,5-6,5% Cu для предотвращения сильной ликвации - и частицы Cu₃Sn, образующие “каркас” еще до начала кристаллизации других фаз. Оловянные (или, как их часто называют, оловянносурьмяномедные) баббиты обладают наилучшими свойствами и имеют максимальные значения рабочих параметров, определяющих допустимый режим работы.

Таблица 7.2 - Характеристика антифрикционных материалов

Материал		Твердость, HB	Коэффициент трения по стали		Допустимый режим работы
			без смазки	со смазкой	 * 10-5, Па	v, м/с
Баббиты:
Б 83		30	0.07-0.12	0.004-0.006	150	50
Б 16		30			100	30
БК 2		32			150	15
Бронзы:
Бр О10Ф1		100	0.1-0.2	0.004-0.009	150	10
Бр О5Ц5С5		60			80	3
Бр С30		25			250	12
Латуни:
Л Ц16К4		100	0.15-0.24	0.009-0.016	120	2
Л Ц38Мц2С2		80			106	1
Алюминиевый сплав АО 9-2		31	0.1-0.15	0.008	250	20
Антифрикционные серые чугуны:
АЧС-1		220	0.12-0.23	0.008	25	5
АЧС-2		160		0.016	60	0.75
Пластмассы:
капрон		10	0.15-0.21	-	120	5
текстолит		35	0.15-0.25	-	150	8
Комбинированные материалы:
железо-графит		80	0.08-0.12	-	80	1
бронза-графит		56	0.04-0.1	-	60	1
металлофтороплас­товая лента(МФ Пл)		-	0.03-0.1	-	-	-

а б

Рисунок 7.1 - Диаграммы состояния сплавов систем Sn - Sb (а),

и Al - Zn (б)

Оловянные баббиты содержат 7-12 % сурьмы, 2,5-6,5 % меди, иногда - до 1% кадмия (основа -олово), являются дорогими материалами (см. табл. 1.4) и применяются для подшипников ответственного назначения (в дизелях, паровых турбинах и т.д.), работающих при больших скоростях и нагрузках.

В оловянно-свинцовых баббитах (Б 6, БТ, БН, Б 16) содержится 5-17% олова, 13-17% сурьмы, 1-3% меди, а также, в зависимости от марки - в небольших количествах такие элементы, как Cd, Te, As, Ni (табл. 7.3). Основой сплава является свинец. В качестве мягкой основы здесь выступает твердый раствор на базе свинца, а твердыми включениями - преимущественно частицы SnSb. Как и в оловянных баббитах, добавка меди уменьшает ликвацию по плотности и обеспечивает появление частиц дополнительной упрочняющей фазы - Cu₃Sn. Оловянно-свинцовые баббиты значительно дешевле оловянных, а по качеству уступают им ненамного (особенно баббит Б 16). Присадки других элементов обеспечивают различные эффекты: As увеличивает жидкотекучесть и износоустойчивость, Ni повышает твердость, что снижает износ, Te упрочняет сплав.

В свинцовых баббитах (баббит БС) при содержании 16-18% сурьмы являющихся заэвтектическими, мягкой основой является эвтектика Pb - Sb (13% Sb + 87% Pb), имеющая твердость НВ 7-8, а твердыми включениями - кристаллы сурьмы с твердостью НВ30. Такой баббит имеет меньшие прочность и пластичность и более высокий коэффициент трения в сравнении с предыдущими сплавами (см. табл. 7.3) и поэтому применяется в менее нагруженных подшипниках.

Свинцово-кальциевые баббиты (БК, БКА, БК 2), как и баббит БС, являются более дешевыми в сравнении со сплавами, содержащими олово, хотя по ряду показателей и уступают им (см. табл. 7.3). В этих сплавах мягкой основой является свинец, а твердыми частицами - соединения свинца с кальцием и натрием. Такие баббиты используют в железнодорожном транспорте.

Цинковые подшипниковые сплавы (ЦАМ 10-5, ЦАМ 5-10) являются более дешевыми материалами в сравнении с баббитами, имеющими в своем составе свинец и особенно олово. В качестве мягкой основы в них выступает эвтектика Zn+Al (рис. 7.1, в), в состав которой в связи с присутствием меди входит и третья составляющая - CuZn₃, а в роли твердых частиц выступают частицы CuZn₃ (табл. 7.3). Цинковые сплавы уступают оловянным баббитам по пластичности, коэффициенту трения и коэффициенту линейного расширения и примерно равноценны свинцовым баббитам. Цинковые антифрикционные сплавы применяют для изготовления вкладышей, втулок, ползунов, биметаллических деталей.

В качестве подшипниковых сплавов, заменяющих в ряде случаев оловянные и свинцовые баббиты, нашли применение сплавы на основе алюминия (системы Al - Sb, Al - Sb - Pb, Al - Ni, Al - Cu - Si), мягкой основой которых является твердый раствор на основе алюминия, а твердыми включениями - соединения алюминия с легирующими элементами (см. табл. 7.3).

Таблица 7.3 - Химический состав, структура и свойства легкоплавких

антифрикционных сплавов с мягкой матрицей

Мар-ка	Содержание основных элементов,		Структура		Свойства
баб-бита	ос­нова	легирую- щие элементы	мягкая основа	твердые включе-ния		, г/см3	Тпл, С	в, Н/мм2	, 	Ктр
Б 83	Sn	Sb-10-12, Cu-5.5-6.5	(Sn)	SnSb, Cu3Sn		7.4	380	90	6	0.005
Б 88	Sn	Sb-7-8 Cu-2.5-3.5	(Sn)	Cu3Sn		7.3	342	90	9	0.004
Б 6	Pb	Sn-5-6, Sb-14-16 Cu-2.5-3, Cd-1.7-2.2	(Pb)	SnSb, Cu3Sn		9.6	460	70	0.5	0.005
Б 16	Pb	Sn-15-17, Sb-15-17	(Pb)	SnSb, Cu3Sn		9.3	410	80	0.5	0.006
БС	Pb	Sb-16-18, Cu-1-1.5	эвтект. (Pb+Sb)	Sb		10.1	410	40	0.5	0.007
БК	Pb	Ca-0.85-1.15 Na-0.6-0.9	(Pb)	Pb3Ca, Pb3Na		10.5	470	100	2.5	0.004
ЦАМ 10-5	Zn	Al-10,Cu-5	эвтект. (Zn+Al+CuZn)	CuZn3		6.3	395	300	0.5	0.009
ЦАМ 5-10	Zn	Al-5,Cu-10	-”-	-”-		7.1	500	300	1
АСС 6-5	Al	Sb-5-6, Pb-4-5 Mg-0.5-0.6	(Al)	AlSb		3.1	750	80	14
ACM	Al	Sb-3.5-5, Mg-0.5-0.7	(Al)	AlSb		2.8	750	90	29

Примечание:  - плотность сплава, Тпл - температура плавления сплава,

К тр - коэффициент трения (со смазкой).

Алюминиевые сплавы обладают низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, низкой плотностью. Однако, они уступают другим подшипниковым сплавам по технологичности (повышенная твердость требует повышенной чистоты обработки цапф и вкладыша и высокой твердости шейки вала, ибо несоблюдение этих условий приводит к ускоренному износу), коэффициенту линейного расширения (его повышенные значения требуют более тщательной сборки с большим зазором).