1.8.4 Выбор материала

Следует отметить, что не существует универсального материала равно износостойкого для разных условий трения. Схема выбора материалов трибосопряжений представлена на рисунке 1.27

Выбор износостойкого материала.

При абразивном изнашивании (микрорезании) чем более твердым будет материал, тем выше будет его сопротивление царапанью абразивными частицами и износостойкость.

Снизить абразивное воздействие может и уменьшение поверхностной жесткости деталей (модуля) путем их плакирования резиной.

Типичные марки износостойких сталей 60Г, ШХ15, 110Г13Л.

При повышенной температуре износостойкость материалов определяется окалиностойкостью - сопротивлением окислительному износу, например: стали 25Х23Н7СЛ, 40Х9С9Л; или красностойкостью - сохранением механических свойств при повышенной температуре. Это инструментальные материалы: быстрорежущие стали (например – Р9) или металлокерамические сплавы ВК3, Т5К10.

При усталостном характере изнашивания износостойкими являются детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Например: цементированные и закаленные ТВЧ стали 20 и 20Х.

Таким образом, износостойкие материалы выбираются в зависимости от превалирующего типа изнашивания в рассматриваемом сопряжении.

Выбор фрикционного материала.

В качестве фрикционных материалов используются:

1 – металлические сплавы: стали, чугуны, титановые сплавы;

2 – порошковые спеченные композиты на железной, медной, алюминиевой основе;

3 – композиты с полимерной матрицей: асбокаучуковые материалы, асбокомпозиции с комбинированным связующим;

4 – композиты с углеродной матрицей: углеволокниты, углеграфитовые композиты;

5 – натуральные материалы: кожа, модифицированная древесина.

Основные требования к фрикционным материалам включают:

1 – быстрая прирабатываемость, при первом торможении тормозной момент не менее 80% расчетного;

2 – сопротивляемость схватыванию первого и второго рода;

3 – высокое значение коэффициента трения;

4 – стабильное значение коэффициента трения в процессе срабатывания материала;

5 – теплостойкость - сохранение прочностных и фрикционных свойств при повышении температуры;

6 – отсутствие склонности к "писку".

Режим работы фрикционного узла оценивается по продолжительности скольжения. Если она меньше, чем 60 с, то отпадает необходимость в учете теплообмена. Однако требования к теплостойкости материала сохраняются.

Выбор антифрикционного материала.

Количество подшипников, направляющих, шарниров и т.п. в любой машине больше, чем количество тормозов и фрикционных муфт. В связи с этим антифрикционные материалы распространены гораздо больше, чем фрикционные и имеют более широкую номенклатуру.

Антифрикционные материалы включают:

1 – металлы и сплавы;

2 – металлокерамику;

3 – минералокерамику;

4 – углеродные материалы;

5 – полимерные материалы;

6 – природные материалы;

7 – комбинированные материалы.

Основным требованием к антифрикционным материалам является наличие малого коэффициента трения. Все остальные требования совпадают с требованиями к фрикционным и просто конструкционным материалам.

Металлические материалы.

Баббиты – легкоплавкие, белого цвета сплавы, состоящие из мягкой основы и твердых, вкрапленных частиц другой фазы. Эти сплавы появились в середине прошлого века и названы по фамилии изобретателя.

Температура плавления баббитов находится в пределах 165…320С.

К этим сплавам относится оловянистый Б88 (олово, сурьма, медь и кадмий); свинцовый Б16 (олово, сурьма, медь, свинец); свинцово-никелевый БН (свинец, никель, мышьяк).

Баббиты используются для центробежной заливки вкладышей и втулок подшипников скольжения.

Бронзы – традиционно сплавы меди с оловом, в настоящее время существуют безоловянистые бронзы.

Бр011Ц2 – олова ~ 11%, цинка ~ 2%;

БрА9Ж4Н4 – алюминия ~ 9%, железа ~ 4%, никеля ~ 4%.

Латуни – сплавы меди с цинком.

ЛМц58-2 – меди ~ 58%, марганца ~ 2%.

Бронзы и латуни имеют двухфазное гетерогенное строение. Латуни уступают бронзам по антифрикционности.

Серые чугуны имеют вкрапления свободного графита, который определяет их антифрикционность. Специальные антифрикционные чугуны легированы хромом и никелем (АЧС-1…6).

Металлокерамические материалы.

Антифрикционные порошковые материалы получены методами порошковой металлургии и бывают двух типов:

1 – композиции из антифрикционных материалов, например, бронзографиты марок Бр0Гр10-3, Бр0Гр8-4 (бронза работает при жидкостном трении, графит - при пусках и остановках);

2 – пористые композиции, в которых поры заполнены маслом или смазкой (по мере износа и при нагреве смазка вытесняется из пор). Это железографит ЖГр7, железографит с медью ЖГр2Д10.

Минералокерамические материалы.

В связи с высокой твердостью и износостойкостью природных (рубин) и синтетических (рубин, лейкосапфир) камней, последние используются в качестве опор часовых и приборных подшипников.

Ситаллы – кристаллические стекла используют как износостойкое напольное покрытие, уплотнения, обтекатели ракет, сопротивляющиеся эрозионному износу.

Карбид кремния – поликристаллический материал, используемый для торцевых уплотнений различных насосов (марка С-2). Инструментальная минералокерамика – ЦМ332 используется для чистовой высокоскоростной обработки металлов резанием.

Углеродные материалы.

Эти материалы изготавливают из порошков кокса, угля, сажи, природного графита. Связующая смола – каменноугольный пек.

Основные эксплуатационные свойства углеродных материалов:

1 – самосмазываемость графитсодержащих материалов (графит имеет гексагональную ламелярную структуру);

2 – высокая тепло- и электропроводность;

3 – низкий коэффициент термического расширения;

4 – теплостойкость до 3000С.

По технологическому признаку эти материалы бывают:

– обожженные (например, АО600…АО1500, где цифра - давление прессования);

– графитированные при температуре 2300…2600С (например, АГ600…АГ1500).

Из углеродных материалов изготавливают подшипники насосов и другие детали для работы в воде и ряде агрессивных сред.

Полимерные материалы и композиты.

Ненаполненные полимерные смолы используются только в неответственных узлах трения с малыми нагрузками. Так из полиамидов (капрон, капролактам) изготавливают подшипники бытовых вентиляторов, из полиэтилена – скользуны штор, из фторопласта (Ф-4) – втулки катушек спиннингов.

В более нагруженных и ответственных узлах применяют полимерные композиты.

Наиболее крупнотоннажным полимерным композитом является материал автомобильных шин. Здесь матрицей (непрерывной фазой) является резина (вулканизат каучуков), наполнителем – сажа, армирующим каркасом – корд из нитей хлопка, нейлона, стальной проволоки.

Другим примером полимерных композитов является текстолит (марки ПТК и ПТ), используемый для опорных подшипников прокатных станов. В этом материале матрица – фенолоформальдегидная смола, армирующий каркас – ткани различного переплетения из хлопчатобумажных нитей.

Наконец, полимерными композитами являются сальниковые набивки промышленных насосов, представляющие собой плетеный шнур из нейлоновых и фторопластовых волокон, пропитанный эмульсией фторопласта или фторопластовым лаком.

Природные материалы.

Наиболее распространенным природным материалом, используемым в подшипниках, является древесина. Из бука, пропитанного маслом, изготавливают подшипники клавиш соломотряса зерноуборочных комбайнов.

Бакаут – древесина тропического гваякового дерева – используется для дейдвудных подшипников судов. Содержащийся в бакауте сапонин образует с водой мылообразную пленку, которая и является смазкой.

Н атуральный каучук используют в резинометаллических подшипниках погружных и др. насосов.

В настоящее время ведутся работы по замене природных материалов, запасы которых ограничены, синтетикой.

Комбинированные материалы.

Эти материалы могут включать компоненты самой различной природы. Например, антифрикционный материал ПМ15-67 состоит из полиимидной смолы ПМ-67 и 15% графита; материал АТМ-2 включает капрон, текстильные отходы, молотый кокс и природный графит; в материал АМИП-15М входит фторопласт Ф-4, ситалл и дисульфид молибдена, силицированный графит ГСГ-Т состоит из карбида кремния, кремния и графита.

Иногда уместнее говорить не о составе, а о конструкции материла.

Металлофторопластовая лента (рисунок 1.28,а) имеет следующую композиционную структуру или конструкцию. На стальную ленту 1 наносится электролитически слой меди 2, а затем олово 3. На этот подслой наплавляется слой бронзовых сфер 4 в конвейерной печи с восстановительной атмосферой. Поры между сферами заполняются пастой из фторопласта и дисульфида молибдена 5, многократной вакуумной пропиткой с промежуточной сушкой. Затем частицы фторопласта спекают в единое целое.

Другим примером сложной конструкции антифрикционного материала является покрытие из самосмазывающегося волокнита. Этот материал (рисунок 1.28, б) представляет собой полуторослойную ткань из двух типов волокон: антифрикционных (фторопластовых) 1 и прочных (полиимидных) 2. Ткань выполнена таким образом, что на лицевую рабочую поверхность выведены только фторопластовые волокна, а на изнанку в основном полиимидные. Ткань пропитана фенолоформальдегиднокаучуковым связующим (матрица) 3 и им же приклеена к металлической поверхности детали 4. Изменяя структуру армирующего каркаса (плетение ткани) можно управлять свойствами

материала.

Металлофторопластовая лента и композиты на основе тканей нашли широкое применение в аэрокосмической технике.