7.2. Підшипникові сплави (антифрикційні матеріали) з м’якою матрицею

7.2.1. Загальна характеристика підшипникових материалів

Антифрикційні матеріали призначені для виготовлення підшипників (опор) ковзання і вкладишів вузлів тертя.

Підшипникові сплави повинні задовольняти таким вимогам:

- забезпечувати низький коефіцієнт тертя з контактною поверхнею виробу;

- забезпечити мале зношування обох поверхонь, які труться;

- матеріал повинен витримувати достатні питомі тиски.

Ці вимоги будуть виконані, якщо підшипниковий сплав буде володіти наступними властивостями: високою теплопровідністю; гарною змочуваністю поверхні мастильними матеріалами; здатністю створювати на поверхні захисні плівки м’якого металу; гарною приробляємістю, основаною на здатністі матеріалу при терті легко пластично деформуватися і збільшувати площину фактичного контакту, що приводить до зниження місцевого тиску і температури на поверхні підшипника.

Для виготовлення підшипників ковзання використовують:

а) металеві матеріали;

б) неметалеві матеріали - пластмаси, як термореактивні (текстоліт), так і термопластичні (такі полімери, як поліаміди ПС 10, анід, капрон, фторопласт);

в) комбіновані матеріали – підшипники, які самі змащуються, з порошкових матеріалів (залізо - графіт, залізо - мідь - графіт, бронза - графіт при вмісті графіту у межах 1-4%), металофторопластові підшипники з 4-шарової металофторопластової стрічки тощо;

г) мінерали - напівдорогоцінні і дорогоцінні каміння - природні (агат) і штучні (рубн, корунд), або їх замінники - ситали (стеклокристалічні матеріали); такі опори і підшипники використовують у прецизійних приладах.

Металеві підшипникові матеріали за своєю структурою підрозділяють на два типи:

1) сплави з м’якою матрицею і твердими включеннями, до яких і відносяться сплави на основі легкоплавких металів (бабіти і цинкові антифрикційні матеріали), а також сплави на основі міди (бронзи і латуні);

2) сплави з твердою матрицею і м’якими включеннями, до яких відносяться свинцеві бронзи (наприклад, БрС30), алюмінієві сплави з оловом (наприклад, сплав АО 9-2, який вміщує 9% олова и 2% міді), а також сірі чавуни.

Порівнююча характеристика ряду антифрикційних материалів наведена у таблиці 7.2.

7.2.2. Легкоплавкі підшипникові сплави з м’якою матрицею (бабіти)

При використанні м’яких легкоплавких підшипниковых сплавів забезпечується менший знос шийки валу. Такі сплави мають і мінімальний коефіцієнт тертя у парі зі сталлю (див. табл. 7.1) і добре утримують мастило.

В якості таких матеріалів використовують:

а) сплави системи Sn - Sb (+ Cu) – олов’яні бабіти;

б) сплави системи Pb - Sn - Sb (+ Cu і інші елементи) - свинцево-олов’яні бабіти;

в) сплави системи Pb - Sb (+ Cu) - свинцеві бабіти;

г) сплави системи Pb - Ca - свинцево-кальцієві бабіти;

д) сплави системи Zn - Cu - Al - цинкові антифрикційні матеріали (іноді їх називають цинковими бабітами);

е) сплави системи Al - Sn (+ Cu) - алюмінієві підшипникові сплави (іноді їх називають алюмінієвими бабітами).

На рисунку 7.1 наведені діаграми стану сплавів ряду систем, а на рисунку 7.2 – типові мікроструктури основних типів бабітів.

Таблиця 7.2 - Характеристика антифрикційних матеріалів

Матеріал	Твердість, HB	Коефіцієнт тертя по сталі		Допустимий режим роботи
		Без змащу­вання	Зі змащу­ванням	*10-5, Па	v, м/с
Бабіти:
Б 83	30	0.07-0.12	0.004-0.006	150	50
Б 16	30			100	30
БК 2	32			150	15
Бронзи:
Бр О10Ф1	100	0.1-0.2	0.004-0.009	150	10
Бр О5Ц5С5	60			80	3
Бр С30	25			250	12
Латуні:
Л Ц16К4	100	0.15-0.24	0.009-0.016	120	2
Л Ц38Мц2С2	80			106	1
Алюмінієвий сплав АО 9-2	31	0.1-0.15	0.008	250	20
Антифрикційні сірі чавуни:
АЧС-1	220	0.12-0.23	0.008	25	5
АЧС-2	160		0.016	60	0.75
Пластмаси:
капрон	10	0.15-0.21	-	120	5
текстоліт	35	0.15-0.25	-	150	8
Комбіновані матеріали:
залізо-графіт	80	0.08-0.12	-	80	1
бронза-графіт	56	0.04-0.1	-	60	1
металофтороплас­това стрічка(МФ Пл)	-	0.03-0.1	-	-	-

В олов’яних бабітах (Б 88, Б 83), склад і властивості яких наведені у табл. 7.3, м’якою основою є  -твердий розчин на основі олова, а твердими включеннями -  -фаза - твердий розчин на базі інтерметалідної сполуки SnSb, а внаслідок введення 2,5...6,5% Cu з метою попередження розвитку сильної ліквації - і частинки Cu₃Sn, які утворюють “каркас” ще до початку кристалізації інших фаз (рисунок 7.2, а). Олов’яні (чи, як їх часто називають, олов’яносурм’яномідні) бабіти володіють найкращими властивостями і мають максимальні значення робочих параметрів, які визначають допустимий режим роботи. Олов’яні бабіти вміщують (за масою) 7…12 % Sb, 2,5…6,5 % Cu, іноді - до 1% Cd (основа - Sn), є дорогими матеріалами (див. табл. 1.4) і використовуються для виготовлення підшипників відповідального призначення (у дизелях, парових турбінах тощо), які працюють при великих швидкостях і навантаженнях.

а б

Рисунок 7.1 - Діаграми стану сплавів систем Sn - Sb (а) та Al - Zn (б)

а б

в г

а – олов’яний бабіт Б83: темна основа - - твердий розчин, світлі кристали  (SnSb) і сполуки Cu₃Sn (у формі зірочок);

б - свинцево- олов’яний бабіт Б16: основа – евтектика (Pb)+(SnSb), тверді включення – світлі кристали (SnSb) і голки сполуки Cu₃Sn;

в – свинцевий бабіт БС: основа – евтектика (Pb)+(Sb), світлі кристали (Sb) і голки сполуки Cu₂Sb;

г – свинцево-кальцієвий бабіт БК: основа - - твердий розчин (темне поле), тверді включення – сполуки Pb₃Ca та Pb₃Na (світлі)

Рисунок 7.2 – Мікроструктура бабітів різного типу: Х100.

Таблиця 7.3 - Хімічний склад, структура і властивості легкоплавких

антифрикційних сплавів з м’якою матрицею

Мар-ка спла­ву	Вміст основних елементів,		Структура		Властивості
	Ос­нова	Легуючі елементи	М’яка основа	Тверді вклю­чення	, 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	евтект. (Zn+Al+CuZn3)	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

Примітка:  - густина сплаву, Т_пл - температура плавлення сплаву,

Ктр - коефіцієнт тертя (зі змащуванням).

В олов’яно-свинцевих бабітах (Б6, БТ, БН, Б16) міститься 5...17% Sn, 13...17% Sb, 1...3% Cu, а також, в залежності від марки - у невеликих кількостях такі елементи, як Cd, Te, As, Ni (табл. 7.3). Основою сплаву є свинець. В якості м’якої основи тут виступає твердий розчин на базі свинцю, а в якості твердих включень - переважно частинки SnSb (рисунок 7.2, б). Як і в олов’яних бабітах, добавка міді зменшує ліквацію за густиною і забезпечує появу частинок додаткової зміцнюючої фази - Cu₃Sn. Олов’яно-свинцеві бабіти є значно дешевшими за олов’яні, а за показниками якості поступаються їм ненабагато (особливо бабіт Б16). Присадки інших елементів забезпечують різні ефекти: As збільшує рідкотекучість і зносостійкість, Ni підвищує твердість, що зменшує зношування, Te зміцнює сплав.

В свинцевих бабітах (бабіт БС), які при вмісті 16...18% Sb є заевтектичними, м’якою основою є евтектика Pb - Sb (13% Sb + 87% Pb), яка має твердість НВ 70...80 Н/мм², а твердими включеннями - кристали сурми з твердістю НВ 300 Н/мм² (рисунок 7.2, в). Такий бабіт має менші показники міцністі і пластичності і більш високий коефіцієнт тертя в порівнянні з попередніми сплавами (див. табл. 7.3) і тому використовуються у менш навантажених підшипниках.

Свинцево-кальцієві бабіти (БК, БКА, БК2), як і бабіт БС, є більш дешевими у порівнянні зі сплавами, які містять олово, хоча за рядом показників і поступаються ним (див. табл. 7.3). В цих сплавах м’якою основою є свинець, а твердими включеннями - сполуки свинцю з Ca та Na (рисунок 7.2, г). Такі бабіти використовують у залізничному транспорті.

Цинкові підшипникові сплави (ЦАМ 10-5, ЦАМ 5-10) є більш дешевими матеріалами у порівнянні з попередніми сплавами (бабітами), які мають у своєму складі свинець і особливо олово. В якості м’якої основи в них виступає евтектика Zn+Al (рис. 7.1, в), до складу якої у зв’язку з присутністю міді входить і третя складова - CuZn₃, а в ролі твердих включень виступають частинки CuZn₃ (табл. 7.3, рисунок 7.3). Цинкові сплави поступаються олов’яним бабітам за пластичністю, коефіцієнтом тертя і коефіцієнтом линійного розширення і примірно рівноцінні свинцевим бабітам. Цинкові антифрикційні сплави застосовують для виготовлення вкладишів, втулок, ползунів, біметалевих деталей.

а б

Рисунок 7.3 – Мікроструктура сплавів ЦАМ 10-5 (а) та ЦАМ 5-10 (б); світлі кристали твердого розчину, світлі ділянки подвійної евтектики і темні ділянки потрійної евтектики: х100.

В якості підшипникових сплавів, які здатні замінити у ряді випадків олов’яні і свинцеві бабіти, знайшли застосування сплави на основі алюмінію (системи Al - Sb, Al - Sb - Pb, Al - Ni, Al - Cu - Si), м’якою основою яких є твердий розчин на основі алюмінію, а твердими включеннями - сполуки Al з легуючими елементами (див. табл. 7.3). Але ці сплави не відносяться до легкоплавких. Алюмінієві сплави характеризуються низьким коефіцієнтом тертя, високою зносостійкістю, низькою густиною. Однак, вони поступаються іншим підшипниковим сплавам за технологічністю (підвищена твердість потребує підвищеної чистоти обробки цапф і вкладишів і високої твердісті шийки валу, бо невиконання цих умов приведе до прискореного зносу), коефіцієнтом линійного розширення (його підвищені значення потребують більш точного складання вузла з великим зазором).