книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

ки в зависимости от времени взаимного относительного переме­ щения образцов, можно найти работу и усредненную силу трения на определенном отрезке пути. Можно также измерить усилия разрушения мостиков схватывания и работу, затраченную на их

разрушение.

Воспроизводимость результатов испытаний на устройстве УИС во многом зависит от тщательности предварительной очистки об­ разцов, поэтому образцы протирали ватными тампонами, смочен­ ными ацетоном, и дополнительно обезжиривали последовательно с выдержкой 5—8 мин в трех сосудах с четыреххлористым угле­ родом.

При обработке результатов испытаний определяли: минималь­ ную нагрузку Рсх, при которой образуется лавинное схватывание,, и усилие разрушения «мостиков» схватывания Рст в начале опы­ та при минимальном относительном перемещении образцов; мак­ симальное усилие разрушения мостика схватывания Ртах при взаимном перемещении образцов; работу трения и разрушения мостиков схватывания А при перемещении образцов на опреде­ ленном участке пути (по площади осциллограммы); суммарнуювеличину силы трения и разрушения мостиков схватывания и др.

Для испытаний на схватывание были изготовлены прокаткой с последующим отжигом (рекристаллизация) пластины толщиной 0,8—1,0 мм. Испытывались сплавы, содержащие мягкие струк­ турные составляющие, в том числе и алюминиево-свинцово-оло- вянный, содержащий 15% РЬ, 3% Sn, 1% Cu, остальное—алю­ миний. В качестве контртела применяли пластины толщиной 0,3— 0,4 мм из стали 45, которые после прокатки шлифовали и отжи­ гали в вакуумной печи (вакуум ІО-5 мм рт. .ст.). У пластин из алюминиевых сплавов верхний слой, обедненный мягкими состав­ ляющими после отжига, снимался обработкой в 20-процентном

Из приведенных данных следует, что наиболее низкой сопро­ тивляемостью схватыванию обладает сплав ACM, относящийся к I группе. Для него были получены наиболее низкие нагрузки схватывания, самые высокие нагрузки разрушения мостиков сварки и работа трения и разрушения мостиков схватывания. Особенностью сплава ACM является образование на стальной

2 1 S

пластине нароста, который по мере испытания увеличивается, при этом давление на пластины повышается. Наросты образуются и при испытании других металлов, однако их размеры меньше и они более легко отделяются. Алюминиевая основа сплава ACM упрочнена лишь небольшой добавкой магния (0,5%), а твердые кристаллы интерметаллида AlSb недостаточно препятствуют схва­ тыванию. Поэтому схватывание возникает между основой сплава и стальной пластиной. Прочность таких мостиков схватывания выше, чем при образовании очагов схватывания в результате пе­ реноса защитной пленки олова или свинца у других испытанных сплавов.

На характеристики схватывания содержание олова сказыва­ ется положительно. По мере его увеличения возрастает нагрузка начала схватывания, уменьшаются максимальные усилия разру­ шения мостиков схватывания и работа трения. Положительно влияет также упрочнение основы сплава. Более прочный сплав А09-2 по сравнению с другими сплавами обладает более высо­ кими характеристиками сопротивляемости схватыванию.

Наиболее высокие усилия начала схватывания имеет сплав АОСЗ-15-1, содержащий свинец. По мнению Пратта [289], свинец в алюминиевых сплавах, особенно с добавкой олова, более на­ дежно защищает сплав от схватывания, чем олово или кадмий.

Во второй серим опытов алюминиевые антифрикционные сплавы сопоставлялись с мягкими баббитами Б83, БК2 и цинковыми сплавами ЦАМЭ-1,5 и ЦАМ10-5. Испытываемые сплавы различа­ лись по твердости, поэтому сжимающая нагрузка N была принята равной половине твердости по Бринеллю, чтобы получить при­ мерно одинаковую степень пластической деформации. Результаты опытов приведены в табл. 38, из которой следует, что алюминие­ вые антифрикционные сплавы по сопротивляемости схватыванию уступают баббитам, но превосходят цинковые сплавы.

Для оценки поведения металла после образования задира (первых мостиков схватывания) имеет смысл сравнивать значе­ ния Рсч И Ршах- При возрастании различия между Р ст И Рщах по­ вышается трение, увеличивается тепловыделение. Поэтому сле­

214

различие между Ршах И Рст Hâ- блюдается у мягких баббитов, Далее следуют алюминиевые сплавы, а затем цинковые. Из алюминиевых отличается сплав АОСЗ-15-1, у которого не было выявлено различия между Ртах

И Рст-

Следует учесть, что ука­ занный прогноз поведения ме­

таллов не учитывает возможных изменений в их свойствах при повышении скоростей относительного перемещения поверхностей. При увеличении тепловыделения возможно размягчение поверх­ ностных слоев, особенно у низкоплавких цинковых сплавов. Тогда не будет большого различия между Ртах и Рст-

Обработка осциллограмм изменений усилия сдвига при обра­ зовании очагов схватывания позволила установить особенности протекания этого процесса для различных металлов. На осцилло­ грамме процесс образования и разрушения мостиков схватывания фиксируется скоростью возрастания усилия сдвига (угол подъ­ ема а и соответственно tg a на рис. 113) и скоростью падения на­ грузки (угол ß и tgß). Больший угол подъема усилия и соответ­ ственно большее значение tg a свидетельствуют о том, что про­ цесс упрочнения проходит с большей интенсивностью. Большие значения углов ß имели место при вязком разрушении металла, сопровождающемся высокой пластической деформацией, малые — при хрупком разрушении. Отношение tg ß /tg a является своеоб­ разной мерой изменчивости процесса схватывания на двух его фазах (образование и разрушение связи).

При tg ß /tg a < l, особенно если это отношение близко к нулю, можно считать, что при образовании очагов схватывания в про­ цессе упрочнения в какой-то мере или полностью исчерпан запас пластичности. В этом случае трещина образуется и развивается в зоне упрочненного металла при резкой концентрации напряже­ ний.

При tg ß /tg a > l происходит глубинное разрушение по пла­ стичному неупрочненному металлу.

Результаты обработки осциллограмм представлены в табл. 39,. из которой следует, что:

при идентичных условиях испытаний (сопряженное тело — мяг­ кая сталь) все алюминиевые сплавы, применяемые для изготов­ ления биметаллических полос (ACM, АОСЗ-15-1, AO20-I, А09-1),. имеют сравнительно малое различие в средних значениях угла а (соответственно 15, 19, 18, 18°). Это дает основание полагать, что степень упрочнения сплавов, определяемая легированной алюми­ ниевой матрицей, примерно одинаковая. Из-за наличия большого' количества легирующих добавок в сплаве А09-2 угол а соответ­ ственно более высокий;

215"

в отличие от угла а значения углов ß различаются весьма су­ щественно. Наименьшие значения получены для сплавов ACM и

АО20-1) в зависимости от величины сжимающей нагрузки и ха­ рактера ее приложения. Постепенное возрастание нагрузки уве­ личивает степень упрочнения (угол а увеличивается, угол ß уменьшается). Резко увеличивается при этом количество участ­ ков, где tg ß /tg a < l. Для сплава АО20-1 при таком нагружении

обнаруживается хрупкое поверхностное разрушение участков схватывания;

чистые металлы (алюминий и цинк) в отличие от сплавов на их основе обладают малой упрочняемостью (малые углы а), но высокой пластичностью при разрушении мостиков схватывания. Аналогично ведет себя и мягкий баббит Б83, у которого в 100% случаев отношение tg ß /tg a > l;

Рис. 116. Дорожки трения на цинковых сплавах ЦАМ9-1,5 (а) и ІДАМ10-5 (б)

2 1 8

вотличие от алюминиевых сплавов цинковые сплавы ЦАМ10-5

иЦАМЭ-1,5 способны в процессе схватывания резко упрочняться (а = 43 и 29°) и хрупко разрушаться (ß = 0). При этом на осцил­

лограммах обнаруживается очень большое количество пиков. Ос­ циллограммы имеют пилообразный характер с мелким зубом, указывающим на то, что разрушение не распространяется в глубь металла. На дорожках трения зубцы (наросты) располагаются почти на одинаковом расстоянии друг от друга.

При рассмотрении дорожек трения, характера образования по­ вреждений и разрушения наростов подтвердилась правильность расшифровки осциллограмм. У алюминиевых сплавов образую­ щиеся наросты разрушаются с большой пластической деформа­ цией и течением металла на стороны. Излом наростов происхо­ дит в глубине металла под наплывшими слоями (рис. 114).

Глубинное развитие трещин обнаруживается также на спла­ вах А09-2 (рис. 115, а) и А09-1 (рис. 115,6). У сплавов на цин­ ковой основе очаги схватывания расположены ближе друг к д р у ­ гу, разрушение не распространяется в глубину (рис. 116). В этом

Рис. 117. Дорожки трения на алюминиевых сплавах А 09-2 (а)

и ACM (ff)

2 1»

Т а б л и ц а 40

отношении цинковые сплавы резко отличаются от алюминиевых, где наросты на дорожках трения расположены на большом рас­ стоянии друг от друга, наблюдается большая пластическая де­ формация металла (рис. 117). Высокая деформация способствует увеличению микротвердости в зоне сварки. Особенно сильное упрочнение наблюдается у сплавов А09-2 и АОСЗ-15-1 (табл. 40).

Испытания и исследования позволили установить особенности схватывания алюминиевых сплавов, оценить их сопротивляемость переносу, образованию повреждений на поверхностях трения, вы­ явить положительные свойства алюминиевых сплавов, содержа­ щих мягкие структурные составляющие, и сравнить их с другими сплавами.

Оценка противозадирных свойств алюминиевых антифрикционных сплавов

Случаи образования задиров наблюдаются на тяжело нагружен­ ных подшипниках двигателей тепловозов [30, 92] и других ди­ зелей. У двигателей тракторов нередки задиры подшипников, из­ готовленных с использованием сплава ACM [152], а на дизелях, выпускаемых Челябинским тракторным заводом, имеются случаи задиров подшипников, изготовленных из прокатанных полос со слоем сплавов А09-1 и АО20-1. По мере увеличения нагрузок на подшипники и роста окружных скоростей вероятность образова­ ния задиров возрастает. В связи с этим в нашей стране и за ру­ бежом проводятся исследования в области подбора оптимальных сочетаний материалов трущихся пар с соблюдением принципа совместимости [22, 290], подбираются соответствующие покрытия из мягких металлов [305] и вводятся присадки к смазкам, повы­ шающие задиростойкость трущегося узла, в том числе весьма эф­ фективная добавка мелкодисперсных частиц дисульфида молиб­ дена, резко повышающая несущую способность вкладышей [268].

зи с тем что алюминиевые сплавы получили широкое применение для подшипников двигателей автомобилей, Н. М. Рудницким, Ю. А. Рассадиным и И. Е. Фокиным были проведены обширные исследования по определению влияния твердости и легирования на задиростойкость различных алюминиевых сплавов.

220

Испытания проводились на машине Амслера. Нагружение об­ разцов осуществлялось так, чтобы через каждую минуту испыта­ ния удельное давление повышалось на 2,5 кГ/см2. Момент наступ­ ления заедания определялся после увеличения коэффициента тре­ ния на 0,1 по сравнению с его значением после окончания пери­ ода приработки. Для сплавов, твердость которых изменялась в пределах НВ 20—60, зависимость наиболее вероятного удельного давления заедания от твердости была установлена следующим уравнением регрессии:

Дзд= 2,312+ 0,0049 НВ кГ/мм2.

Интересные зависимости были получены при изучении влия­ ния содержания олова на противозадирные свойства алюминие­ вых сплавов. Из рис. 118 и 119 видно, что с возрастанием содер­ жания олова увеличивается допустимое давление, при котором наступает заедание, и уменьшается коэффициент трения. Измене­ ние коэффициента трения по мере увеличения количества олова позволило авторам работы [193] сделать вывод, что при трении образцов пленка олова переносится не на все пятна контакта и что число пятен, на которых образуется пленка олова, возрастает по мере увеличения его количества в сплаве. В процессе трения происходит износ перенесенных пленок олова и образование но­ вых. При заданных условиях трения устанавливается равновесие этих процессов.

Такое представление дает возможность производить соответ­ ствующую математическую обработку количественных зависимо­ стей происходящих процессов. Предложенный подход к механиз­ му процесса хотя и формален, но приемлем. Однако процесс вза­ имодействия трущихся поверхностей более сложен.

Выше было указано, что при неблагоприятных режимах тре­ ния на сопряженной поверхности образуется достаточно сплош­ ная пленка олова. По-видимому, процесс переноса мягкой струк­ турной составляющей проходит через точечное образование с по­ степенным увеличением количества пятен и возрастанием их площади до непрерывной пленки, возникающей еще и за счет пластического течения поверхностных мягких образований.

221

Т а б л и ц а 41

*Один образец разрушился после 134 ч испытаний.

**Один образец разрушился после 158 ч испытаний.

Последующий износ пленки олова скорее всего будет прохо­ дить за счет адгезионного взаимодействия поверхностей и уста­ лостного разрушения — отслоения частиц за счет перенаклепа. Увеличение количества мягкой структурной составляющей уско­ ряет процессы переноса, дает возможность осуществляться тре­ нию при пленке большей толщины, обладающей повышенной сплошностью.

Для оценки равновесного процесса авторами работы [193] была выведена следующая зависимость давления заедания от ко­ личества олова в алюминиевых сплавах, содержащих 1 % Си:

0,45С

^зд == 3,3 + 1 + 0,14С'

где с — объемная концентрация мягкого металла в сплаве.

Для двойных сплавов, не содержащих олово, уравнение имеет

1 + 0,127С •

2 2 2