книги из ГПНТБ / Антифрикционные пористые сплавы Е. Ф. Меркулов. 1960- 6 Мб
.pdf
Е. Ф. МЕРКУЛОВ
АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОРИСТЫЕ СПЛАВЫ
млшгиз
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1960 ЛЕНИНГРАД
В брошюре излагаются физико-механические и металлогра фические свойства новых антифрикционных пористых сплавов, получаемых обычными металлургическими способами.) Дается описание технологии получения этих сплавов, механической обработки их и сборки машин на вкладышах из пористых сплавов.
Брошюра предназначена как для инженерно-технических работников предприятий машиностроительной, тракторной, авто мобильной, судостроительной и приборостроительной промышлен ности, так и для работников ремонтно-механических цехов, отде лов главного механика фабрик и заводов и ремонтных мастерских автобаз.
1UU
Рецензент проф. д-р техн, наук Н. А. Филин
Редактор И. М. Слицкая
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ МАШГИЗА
Редакция литературы по конструированию и эксплуатации машин
Заведующий редакцией инж. Ф. И. Фетисов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Июньский Пленум ЦК КПСС 1959 г. призвал советских людей
бороться за дальнейший подъем производительных сил страны,
за технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства. Для досрочного выполнения семилетнего плана развития народ ного хозяйства, утвержденного XXI съездом КПСС, понадобятся дополнительные материалы, в первую очередь заменители остродефи цитных цветных металлов для подшипниковых сплавов на оловян ной основе и притом с лучшими антифрикционными свойствами. Экономное расходование меди, никеля, олова, свинца и других дорогостоящих цветных металлов в народном хозяйстве должно
проводиться в строгом соответствии с письмом ЦК КПСС от 17 декабря
1959 г.
Практика работы двигателей, собранных на вкладышах из раз личных антифрикционных материалов (от высокооловянистых баб битов Б83 и Б90 до антифрикционного чугуна включительно), пока зала, что главное место в эксплуатации их занимает смазка. При
этом не только в период горячей обкатки, но и в эксплуатационный период вопросы циркуляции смазки, ее нагрева и вопросы тепло обмена получают доминирующее значение, и от них зависит пра
вильная и нормальная работа двигателей. Мало того, даже износы шеек валов двигателей находятся в функциональной зависимости не только от условий изменения динамических нагрузок вала, но и от теплообмена вкладышей подшипников, что и вызвало’ приме нение сетчатых подшипников.
Таким образом, пористость антифрикционных материалов и анти фрикционных сплавов, обеспечивающая рациональный теплообмен смазки в подшипниках просачиванием масла через поры, является основным условием нормальной работы подшипников.
Существуют два способа получения пористых подшипников: меха
нический (сетчатые подшипники), |
достаточно широко освещенный |
1* |
3 |
в литературе, и металлургический, до сих пор мало практиковав шийся, если не считать пористых подшипников, получаемых метал
локерамическим способом. .
В брошюре описываются пористые антифрикционные сплавы,
предложенные, разработанные и практически внедренные автором:
1)алюминиево-свинцово-медный баббит (алькусип);
2)антифрикционная алюминиево-свинцовая бронза;
3)антифрикционный пористый чугун.
Новые антифрикционные пористые сплавы, рассматриваемые
в этой брошюре, являются хорошими заменителями высокооловя-
нистых дорогостоящих остродефицитных баббитов Б83 и Б90 и высокооловянистых бронз БрОЦС 6-6-3, БрОФ 10-1, БрОФ 10-0,5, так как обладают высокими физико-механическими и антифрикцион ными свойствами. Они также в 15—20 раз стоят дешевле баббита Б83. Следует указать на то, что антифрикционный сплав, называе мый в книге алюминиево-свинцовой бронзой (под этим названием он получил практическое применение), относится наравне с альку-
сипом к одной группе сплавов па алюминиевой основе.
Автор отдает себе отчет в том, что свойства антифрикционных
сплавов изучены им не окончательно, и он надеется, что объектив ная критика читателей поможет ему глубже изучить этц новые сплавы и широко внедрить их в производство.
А втор
ВВЕДЕНИЕ
Для изготовления деталей, работающих в условиях трения сколь жения (подшипники, вкладыши, направляющие втулки, и др.),
применяются различные антифрикционные материалы.
Современные антифрикционные металлические сплавы содержат в качестве главных компонентов олово, медь, свинец, цинк, кадмий, железо, алюминий.
Кроме того, в настоящее время получили распространение металло
керамические материалы, а также сплавы, изготовляемые спе
циальными способами.
Антифрикционные сплавы должны удовлетворять следующим
требованиям:
1)обладать достаточной твердостью и пластичностью;
2)отличаться высокой устойчивостью против истирания;
3)иметь хорошую смазываемость маслом и высокую адсорбцион
ную способность, позволяющие быстро восстанавливать разрыв мас
ляной пленки между рабочей поверхностью шейки, вала и внут ренней поверхностью вкладыша подшипника;
4)иметь мелкозернистое строение;
и |
5) обладать |
высокой теплопроводностью, |
жидкотекучестью |
||
оптимальной |
обрабатываемостью. |
|
изготовляться |
||
из |
Кроме того, |
антифрикционные |
сплавы должны |
||
недефицитных |
материалов. |
материала быстро |
восстанавли |
||
|
Способность |
подшипникового |
|||
вать разрыв масляной пленки на трущихся поверхностях объясняется выделением смазки из пор такого материала при местном его нагреве.
Литые антифрикционные сплавы, например баббит и свинцовая бронза, даже без какого-либо специального металлургического воздействия обладают микропористостью.
Образование микропор в этих сплавах объясняется выделением при охлаждении растворенных в металле газов, усадкой при кристал лизации и разными коэффициентами теплового расширения структур-
ных составляющих.
Пористость ' бинарной свинцовой бронзы, включающей 30%
свинца, составляет 2—7% объема отливки.
Наблюдения Показали, что благодаря пористости свинцовая
бронза поглощает много масла, которое образует как бы «аварий ный запас» подшипника для смазки поверхности трения в момент местнбго перегрева. Этот же запас питает трущуюся поверхность в начальный период движения машины.
5
С заданной пористостью можно изготовить подшипники скольже ния из металлических порошков путем прессования и спекания.
Наибольшее распространение получили самосмазывающиеся брон зовые подшипники, состоящие из спекающихся медного и оловян ного порошков. В результате процесса спекания получается ком пактный чрезвычайно пористый материал, способный удерживать в своих порах смазку. Такие подшипники, несмотря на остродефи-
цитность олова, оказались в некоторых случаях выгодными, и область их применения за последние годы очень расширилась.
Если в обыкновенных подшипниках наблюдается значительная утечка масла и при больших скоростях требуется дополнительная
подача смазки, то в бронзовых пористых подшипниках этого не про исходит. Объясняется это тем, что небольшое повышение температуры
пористых подшипников автоматически вызывает добавочное выделе ние масла из пор на трущиеся поверхности. При охлаждении же изли шек масла впитывается подшипником.
Это свойство пористости антифрикционного материала преду преждает опасность.преждевременного выхода подшипника из строя, уменьшает износ вкладыша и вала, сокращает расход масла, упро
щает конструкцию и облегчает эксплуатацию узлов трения.
Вместе с пористыми подшипниками в последние годы широкое
применение получило пористое хромирование. Оно применяется при нанесении хромовых покрытий на поверхность гильз, поршне вых колец, двигателей внутреннего сгорания, подшипников сколь жения и многих других изделий. В отличие от обычного, при пори стом хромировании в покрытии образуются каналы и поры, служа щие резервуарами для масла, расходуемого при работе на смазку трущихся поверхностей.
Широкое распространение пористых металлокерамических под
шипников ограничивается низкой механической прочностью мате риала при высокой его твердости.
Что же касается пористого хромирования подшипников, то оно не получило большого распространения из-за сложности технологи ческого процесса.
До настоящего времени пористые подшипники использовались в основном при малых и средних нагрузках и скоростях. Необходи мость получения обычным металлургическим способом пористых подшипников, не уступающих по механическим и антифрикционным свойствам высокооловянистым баббитам Б83 и Б90, вызвала появле
ние новых антифрикционных сплавов на алюминиевой и железной
основах. К этим сплавам, представляющим большой практический интерес для производства подшипников, относятся:
1) пористый алюминиево-медный свинцовый баббит (алькусип); 2) пористая антифрикционная алюминиево-свинцовая бронза; 3) пористый антифрикционный чугун.
Пористость, придающая этим сплавам улучшенные антифрик ционные свойства, позволяет им конкурировать с известными анти фрикционными дорогостоящими материалами.
ГЛАВА I
ПОРИСТЫЙ АЛЮМИНИЕВО-СВИНЦОВЫЙ БАББИТ (АЛЬКУСИП)
1. Химический состав алькусипа
Антифрикционные сплавы на алюминиевой основе обладают малым удельным весом, способны выносить высокие удельные давления, отличаются хорошими антифрикционными свойствами,,
дешевизной основного металла и другими полезными свойствами.
Задача внедрения этих сплавов в промышленность в силу их достоин
ства весьма актуальна.
Основными компонентами, определяющими состав антифрик ционных сплавов на алюминиевой основе, являются медь, железо, олово и сурьма, образующие с алюминием в твердом состоянии гете рогенные структуры. Эти структуры состоят из мягкой основы — эвтектики — и твердых включений — химических соединений AlSb,
Al3Fe, A12Cu.
В сплавах с кремнием твердым включением является чистый кремний. Бинарные же сплавы алюминия с оловом не содержат твердых включений, если не принимать во внимание более твердую
фазу |
практически |
чистого |
алюминия по |
сравнению |
с |
эвтектикой |
А1 — Sn. Основные и вспомогательные добавки, такие |
как медь, |
|||||
цинк |
и магний, |
имеющие |
сравнительно |
большую |
растворимость |
|
в алюминии, придают алюминиевым подшипниковым сплавам повы шенную прочность при несении подшипником увеличенной нагрузки.
Эти добавки (медь, цинк и магний) особенно важны при работе
вкладышей, так как они обеспечивают повышение предела теку чести сплава и тем самым способствуют расширению области при менения его при повышении рабочих температур.
Однако алюминиевые антифрикционные сплавы с вышеуказан ными добавками обладали из-за высокой твердости меньшей пла стичностью чем баббиты, что вело к снижению их антифрикцион ных свойств и в первую очередь прирабатываемости. Попытки применения алюминиевых подшипниковых сплавов даже для трак торных двигателей со скоростью 1000—1200 об/мин. не увенчались успехом, главным образом, в силу большой выработки, эллипсности
7
и задиров, приводивших в негодность моторы. Еще большие труд ности возникали при попытках применения подшипниковых сплавов на алюминиевой основе для автомоторов грузовых автомобилей, делающих 2300—2400—2700 об/мин., и для других быстроходных
машин-двигателей.
Необходимость введения свинца для улучшения антифрикцион ных свойств алюминиевых сплавов была вполне очевидна, но труд
ность заключалась в том, |
что свинец как |
наиболее легкоплавкий |
и тяжелый компонент обычно ликвирует, |
причем имеет место как |
|
прямая, так и обратная |
ликвация. |
|
В силу этого получить эвтектический сплав алюминий—свинец было совершенно невозможно.
Однако германский патент № 265924 характеризовал сплав А1—РЬ с содержанием 11 % РЬ.
В ранее известных многокомпонентных сплавах свинец встре
чается чаще. Так, например, один из сортов магналия наряду с Mg,
Си и Zn содержит еще 0,7% РЬ.
Другой германский патент № 45051 рекомендовал алюминиевый
сплав, в котором, кроме Мп, Zn, Sn и Р, содержится также 1,4% РЬ. Сплав квалифицировался как «стойкий по отношению к песку
ивлажности».
Однако указанные сплавы не получили расширенного внедрения
из-за недостаточной их стойкости.
В результате длительной экспериментальной работы автору удалось получить соединение алюминия со свинцом в виде эвтек тического сплава. Данное соединение было достигнуто путем под
бора необходимого химического состава, рациональной дозировки его отдельных компонентов, специальной технологии плавки и заливки, а также применения поташа (К2СОз).
Этот сплав получил название алькусип 1 соответственно с сокра щенными названиями входящих в него четырех компонентов: А1,
Си, Si, РЬ, без пятого компонента — Fe. Алюминиево-свинцово-медный баббит — алькусип не следует
смешивать с алькусином—Д, который был предложен в 1938 г., но не получил широкого практического применения в силу повышен ной твердости (100 НВ).
Химический состав алькусипа приведен в табл. 1.
Если оловянные баббиты, в зависимости от своего назначения, имеют разный химический состав с различным содержанием олова, то алькусип является «многомарочным», вследствие чего в табл. 1 и дан его химический состав с верхними и нижними пределами отдель ных компонентов.
Как показал опыт, вкладыши из алькусипа для шатунных шеек коленчатого вала автодвигателей рекомендуется делать с пони женной твердостью, но не ниже 30,8 НВ, а вкладыши для коренных шеек — не ниже 34,5 НВ.
1 Изобретение зарегистрировано Управлением по изобретениям и открытиям Гостехники СССР за 1950 г., № 410570.
8