книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

созданы алюминиевые сплавы, содержащие добавки мягких ме­ таллов (олово, свинец, кадмий).

Наибольшее распространение получили сплавы, содержащие олово. Высокая усталостная прочность в сочетании с хорошими антифрикционными свойствами предопределила быстрое распро­

приводят Норман и Вольдман [284]. Первые сплавы для мономе­ таллических подшипников содержали до 7% Sn (RRAC-7 и RRAC-9 в Англии, 750 и ХА750 в Америке и др.). Сплавы разли­ чались в основном легирующими упрочняющими компонентами. Вначале алюминиевые сплавы применяли для изготовления мо­ нометаллических подшипников, а затем их стали широко исполь­ зовать в качестве антифрикционного слоя в биметалле. По дан­ ным [233] к середине 60-х годов в США примерно на 30% всех моделей двигателей применяли подшипники из алюминиевых сплавов.

Увеличение выпуска биметаллических подшипников возросло после разработки технологии изготовления биметалла сталь — алюминиевые сплавы, в которых было повышено содержание олова, чтобы улучшить антифрикционные свойства сплавов и уменьшить износ цапф [248]. Особенно большое распространение получили биметаллические подшипники со слоем алюминиевого сплава, содержащего 20% Sn и 1% Си. Этот сплав был раз­ работан и внедрен английской фирмой «Glacier Metal Со»

[248, 257].

ВАнглии, по данным Пратта [288], в 1968 г. 58% легковых автомобилей и 96% дизелей были оборудованы биметаллическими подшипниками.

В1969 г. фирма «Glacier Metal Со» начала выпуск биметал­ лической полосы со сплавом АО20-1 (20% Sn и 1% Си) для круп­

ных подшипников т о л щ и н о й 12,7 мм. Получили распространение такие биметаллические подшипники и в США (фирмы «American Bearing Corp», «Federal Mogul») [246].

В СССР алюминиевые сплавы, содержащие олово, начал раз­ рабатывать в 1950 г. Харьковский тепловозостроительный завод [210]. В состав сплава А35, предложенного этим заводом для мо­ нометаллических подшипников, входили 3% Sn и добавки крем­ ния, меди и никеля. В последующем, начиная с 1956 г., работы по изучению алюминиевых сплавов для монометаллических под­

нию оптимальных свойств алюминиево-оловянных сплавов и тех­ нологии получения биметалла с этими сплавами осуществлялись

10

в ЦНИИ МПС [23]. В настоящее время в итоге работ Гипроцветметобработки, ЦНИИ МПС, ИМАІІІ, НАМИ и ряда металлурги­ ческих заводов предложена и внедрена технология изготовления биметаллических подшипников с алюминиево-оловянными спла­ вами двух типов: А09-1 и АО20-1 (ГОСТ 14113—69).

Меньшее распространение получили сплавы, содержащие кад­ мий в качестве мягкой структурной составляющей. Первые иссле­ дования таких сплавов относятся к 40-м годам [280].

В настоящее время в США используется так называемый сплав Морен-400, содержащий 0,5—1,4% Cd и 1,5—4,0% Si [281].

В последние годы большое внимание уделяется разработке со­ ставов и технологии изготовления алюминиевых сплавов, содер­ жащих свинец в качестве мягкой структурной составляющей, для применения в подшипниках скольжения. Наличие свинца в алю­ миниевых сплавах резко повышает их противозадирные свойства. Кроме того, такие сплавы недефицитны и экономичны. Однако их внедрение тормозится из-за невозможности получить обычными методами литья равномерное распределение в сплаве более 1% РЬ вследствие малой растворимости его в жидком сплаве.

Увеличить растворимость свинца в алюминии можно введе­ нием одновременно со свинцом некоторых других элементов. Так, А. Д. Курицыной [128] был предложен сплав АСС6-5, содержа­ щий 6% РЬ и 5% Sb. Этот сплав обладает высокими противо­ задирными свойствами, но склонен к ликвации свинца, поэтому широкого применения не получил.

Задерживает процесс расслаивания сплава алюминия со свин­ цом охлаждение с очень высокими скоростями. Поэтому все ме­ тоды, предложенные в последнее время для получения алюми­ ниево-свинцовых сплавов, на этом и основаны. Так, в НАМИ Н. М. Рудницким, Ю. А. Рассадиным и другими [192] разработан метод бесслитковой прокатки алюминиево-свинцовых сплавов, при котором постоянно перемешиваемый металл подается на валки кристаллизатора. Таким способом обеспечивается равномерное без ликвации распределение в сплаве 5—6% РЬ. На получаемый этим способом алюминиевый сплав, содержащий 3—6% РЬ и 2—4% Sb, имеется авторское свидетельство. Необходимо отметить, что наличие такого количества свинца вряд ли будет достаточным Для придания сплаву высокой задиростойкости.

В дальнейшем теми же авторами было предложено заменить в сплаве АО20 10% Sn на 5—6% РЬ и отливать этот сплав в спе­ циально сконструированный медный водоохлаждаемый кокиль

[179].

По механическим свойствам (твердость, прочность, пластич­ ность и выносливость) и задиростойкости при испытании без смазки этот сплав равнозначен сплаву АО20. Задиростойкость при граничном трении, проверенная на специальном стенде, оказалась более высокой у опытных сплавов.

11

В настоящее время биметаллические вкладыши со слоем алю­ миниевого сплава, содержащего 10% Sn, 5—6% Pb и 1% Cu, про­ ходят эксплуатационные испытания на двигателях Заволжского моторного завода. По предварительным данным опытные вкла­ дыши имеют несколько меньший износ.

Известны способы получения равномерного распределения свинца в алюминиевых сплавах, когда перемешивание расплава производят вибрационными методами. Возможность использования ультразвуковой обработки исследовалась В. Г. Горбуновым [61, 62]. Этим способом, как отмечается в работе [62], достигается мелкодисперсное распределение свинца в виде включений разме­ ром 40—50 мк.

За рубежом исследованиями возможности получения алюми­ ниевых антифрикционных сплавов со свинцом занимается целый ряд фирм. По данным работ [288, 289, 291], фирма «Glacier Metal Со» разработала процесс получения прокаткой биметалла со слоем сплава А1 — РЬ, обеспечивающий равномерное распреде­ ление в сплаве примерно 10% РЬ. По мнению фирмы, такое коли­ чество свинца в сплаве обеспечивает материалам трущейся пары необходимую совместимость.

Фирма «General Motors» (США) провела испытание алюми­ ниевого сплава SAE781, содержащего 8% свинцовистого баббита марки SAE19 [292]. По данным фирмы, этот сплав по коррозион­ ной стойкости превосходит свинцовистые бронзы, а по задиро­ стойкости он даже лучше алюминиево-оловянных сплавов. Эти качества, как считает фирма, определяют возможность примене­ ния подшипников из такого материала для всех выпускаемых ею

автомобилей.

Несколько позже [249, 283] фирма «General Motors» разра­

заготовок осуществляют полунепрерывным способом в горизон­ тально расположенные формы. При этом обеспечивается такая скорость охлаждения, которая дает возможность получать нерав­ номерное распределение свинца по толщине слитка: максималь­ ное (7%) у рабочей поверхности, минимальное (3%) у поверх­ ности, подлежащей сцеплению со сталью.

Получение небольшого количества свинца у поверхности, сты­ кующейся со сталью, облегчает сцепление слоев при плакирова­ нии, но наличие 7% РЬ у рабочей поверхности не обеспечит необходимых антифрикционных свойств. По мнению, высказанному в работе [287], такое количество свинца не обеспечит сплаву преимуществ перед сплавом АО20-1 при работе в условиях ультратонких слоев смазки.

Коренным образом отличается от всех перечисленных методов получения алюминиевых антифрикционных сплавов со свинцом способ, разработанный во Всесоюзном институте легких сплавов с участием ЦНИИ МПС [150]. Этот способ состоит в изготовле­

12

нии изделий прессованием гранул алюминиево-свинцового сплава, полученных литьем в воду.

Способ получения изделий прессованием гранулированного ма­

сплавов, полученные прессованием гранул, имеют более высокую прочность и пластичность по сравнению с изделиями, получен­ ными прессованием литых заготовок. Это можно объяснить тем, что благодаря высокой скорости кристаллизации гранул при литье в воду сильно измельчается структура и меняется фазовый состав за счет пересыщения твердого раствора легирующими элементами.

Отливка гранул из алюминиево-свинцовых сплавов произво­ дится на установке, снабженной цилиндрическим стаканом с круг­ лыми отверстиями. При заливке сплава в стакан, вращающийся со скоростью 1500 об/мин, струя разбивается на капли, которые через отверстия попадают в воду. Кристаллизация капель при этом происходит со скоростью охлаждения несколько тысяч гра­ дусов в секунду. Такую скорость охлаждения невозможно получить ни одним из применявшихся до этого методов.

Были отлиты алюминиевые сплавы в виде гранул, содержащих до 20% РЬ и 10—17% РЬ, 2—5% Sn, 1—2% Cu. Свинец распре­ деляется в гранулах равномерно в виде включений размером до 5 мк.

Двойные сплавы А1 — РЬ, так же как и сплавы А1 — Sn, имеют низкую прочность. Для упрочнения в них вводят медь в количестве 1—2%, а для повышения коррозионной стойкости свинца в сплав добавляют олово.

Внастоящее время отрабатываются режимы прессования гра­ нул для последующего плакирования прокаткой полос из этого сплава на сталь.

Алюминиево-свинцовые сплавы, по данным отечественных и за­ рубежных исследований, обладают исключительной задиростой­ костью при работе в условиях очень высоких скоростей и ультратонких слоев смазки [288]. Эти сплавы являются перспективными материалами для использования в подшипниках форсированных Двигателей внутреннего сгорания.

Впатентных материалах имеются сведения о сплавах, содержа­ щих не только кадмий, олово и свинец, но также висмут и таллий, которые образуют мягкие структурные составляющие.

Алюминиевые подшипниковые сплавы классифицируются в за­ висимости от твердости [131] и по микроструктурному признаку

[24]. По второй классификации к I группе относятся сплавы,

впластичной основе которых имеются включения твердых струк­ турных составляющих (FeAl3, Al3Ni, CuA12) Mg2Si, AlSb, кри­ сталлы почти чистого кремния идр.). II группу составляют сплавы,

вструктуре которых наряду с твердыми составляющими имеются мягкие включения (олово, свинец, кадмий, висмут и др.).

Наиболее употребительные сплавы I и II групп указаны соот­ ветственно в табл. 2 и 3.

13

14

Ь ^ Т А Л Ь И О Г О З А Л А

3. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ подшипников ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Монометаллические подшипники

Монометаллические подшипники должны одновременно выполнять функции антифрикционной и несущей нагрузку детали. Поэтому они изготовляются значительной толщины из прочных материалов.

Такие подшипники получили распространение в то время, когда еще не было налажено производство биметалла. Начиная с 30-х го­ дов их изготовляли из прочных сплавов I группы (АН2,5, АЖб и др.), а с появлением сплавов II группы начали преимущественно применять алюминиевые сплавы с оловом. Содержание олова в та­ ких сплавах составляет от 3 до 12%, в некоторых доходит до 30%.

структуры.

Опыт эксплуатации монометаллических подшипников накоплен в Англии, США, ФРГ, Франции, Японии, СССР и других странах. Нашли применение крупногабаритные подшипники транспортных дизелей (железнодорожный транспорт, морской и речной флоты), подшипники технологического оборудования (станки, прессы), подъемно-транспортного оборудования, гидроприводов и насосов, прокатных станов и др.

В Америке на дизелях типа «Фербенкс — Морзе», имеющих много общего с дизелем типа 2Д100, применены монометалличе­ ские вкладыши из сплава типа 750. За 3000 ч работы был зафикси­ рован незначительный износ подшипников: коренных — на 0,038 мм, шатунных — на 0,043 мм [263]. Эти дизели мощностью от 1060 до 2540 л. с. применяются на тепловозах, эксплуатируемых на железнодорожном транспорте. Положительный опыт эксплуатации монометаллических вкладышей прецизионного типа из алюминие­ вых сплавов дал возможность фирме применять их и на новых двигателях без проведения испытаний [302].

Сравнительными испытаниями было установлено, что мономе­ таллические подшипники из сплава типа 750 обладают в 2—5 раз большей долговечностью, чем вкладыши из свинцовистой бронзы, кадмиевых сплавов и баббитов [269].

В работе [232] показаны преимущества подшипников из сплава RRAC9 перед подшипниками со слоем свинцовистой бронзы. Так, износ; подшипников за 100 ч работы составил всего 0,0025 мм. Получены положительные результаты работы монометаллических подшипников в трамваях. Испытания проводились в Риме Инсти­ тутом металлов (Италия) совместно с Институтом олова (Англия) [245]. После годичной работы у подшипников не наблюдалось разрушений, задиров и схватывания. Подшипники, изготовленные из сплавов с высоким содержанием олова (21%), имели в 2— 3 раза меньший износ по сравнению с подшипниками из сплава,

содержащего 6—7% Sn [266].

18

км (рис. 4). Из диаграммы видно, что у опытных валов по сравне­ нию с серийными валами, сопряженными с мягким баббитом марки БК.2, износы шеек имеют большую величину, но абсолютные их значения невелики. Вкладыши же из сплава А9-2 на тех же дизе­ лях (рис. 5) имеют меньший износ, чем серийные.

Важной характеристикой работоспособности трущейся пары вал — подшипник является постепенное изменение величины за­ зоров на масло во время эксплуатации двигателей. По данным Н. К. Бабаева и других [170], средняя величина изменения зазоров на масло в зависимости от пробега для подшипников из сплава А9-2 и бронзо-баббитовых была примерно одинаковой. При исполь­ зовании же вкладышей из сплава АОЗ-1 (рис. 6), имевших приработочный слой полуды, увеличение зазоров происходило быстрее.

В последние годы проводилась опытная эксплуатация мономе­ таллических подшипников на тяжелонагруженных дизелях 10Д100 мощностью 3000 л. с. На 18 тепловозах дизели были оборудованы шатунными вкладышами и частично коренными из сплава А9-2. Дизели эксплуатировались на пассажирских тепловозах ТЭП10 и грузовых 2ТЭ10Л на дорогах с различными климатическими усло­ виями, в том числе в районах Средней Азии. Вкладыши были вы­ полнены бесканавочными, что обеспечивает работу в выгодном режиме трения [154]. Валы, так же как и для дизелей 2Д100, были изготовлены из высокопрочного, не упрочненного термической обработкой чугуна.

По износостойкости опытные вкладыши имели примерно такие же показатели, как и серийные, и при этом повышенного износа сопряженных шеек валов не наблюдалось. В табл. 4 при­ ведены данные эксплуатации двух опытных дизелей приписки депо Красноуфимск Горьковской дороги, оборудованных опытными ша­ тунными вкладышами. Дизели проработали от постройки до капи-

20

После 300 тыс. км пробега на одном дизеле была сменена пара вкладышей из-за наличия трещин.

Сменяемость шатунных вкладышей из-за разрушения на дру­ гих опытных дизелях была в процессе эксплуатации незначитель­ ной. Имелось несколько случаев смены вкладышей из-за появле­ ния трещин в результате повышенного нагрева. Повреждений шеек валов опытные шатунные вкладыши не вызывали.

Значительно хуже вели себя опытные коренные вкладыши. Имелось много случаев их разрушения, образования задиров, при­ водивших иногда к повреждениям шеек валов. Вкладыши из сплава А9-2 более чувствительны к образованию задиров и схва­ тыванию по сравнению с вкладышами со слоем мягкого баб­ бита БК2.

Случаи задиров и разрушения вкладышей на дизелях 2Д100, особенно IОД100, наблюдались даже при использовании мягкого баббита. Объясняется это тем, что при установившихся режимах подшипники работали в условиях полужидкостного трения [89], поскольку использовались валы из высокопрочного чугуна с гло­ булярным графитом. Наличие ферритовой оторочки вокруг гло-

высокая чувствительность подшипников из сплава А9-2 к обра­ зованию задиров сказалась в основном на работе коренных вкла­ дышей, так как при эксплуатации на дизелях 10Д100 они работают в более тяжелых условиях, чем шатунные.

21