Matved / МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 2 / Антифрикционные мат

Антифрикционные материалы

Подшипники скольжения – антифрикционность (низкий коэффициент трения скольжения) и сопротивление усталости. Сопряжённая деталь – стальной или чугунный вал.

Антифрикционность обеспечивается такими свойствами материала как:

1. Высокая теплопроводность.

2. Хорошая смачиваемость смазочными материалами.

3. Способность на поверхности образовывать защитные плёнки мягкого металла.

4. Прирабатываемость – способность материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта.

Критерии оценки подшипникого материала:

1. Коэффициент трения.

2. Допустимая нагрузочно-скоростная характеристика – давление, действующее на опору и скорость скольжения: параметр pv (удельная мощность трения).

Металлические материалы

Материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения – режим граничной смазки. При перегреве возможно разрушение граничной масляной плёнки, поэтому материал должен сопротивляться схватыванию. Для этого сплав должен иметь в структуре мягкую составляющую.

Металлические антифрикционные материалы по структуре делятся на два типа:

1. Мягкая матрица и твёрдые включения.

А) Матрица обеспечивает защитную реакцию подшипникого материала на усиление трения.

Б) Хорошую прирабатываемость.

В) Микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение поверхности смазочным материалом.

Твёрдые включения обеспечивают износостойкость.

2. Твёрдая матрица и мягкие включения.

Первый тип – баббиты, бронзы и латуни (сплавы на основе меди).

Баббиты – сплавы на оловянной или свинцовой основе – Б83 (83% Sn, 11% Sb, 6% Cu) на оловянной основе; Б16 (16% Sn, 16% Sb, 2% Cu) на свинцовой основе. Свинцово-кальциевые баббиты (БКА, БК2) дешевле. Баббиты самые лучшие из сплавов по антифрикционным свойствам, но плохо сопротивляются усталости¹. Поэтому баббиты применяют в виде тонких покрытий (до 1 мм) рабочей поверхности опоры скольжения.

Лучшие баббиты – оловянистые (pv = 5070 МПамс), но они дороги и используются в ответственных узлах. Структура – твёрдый раствор сурьмы в олове (мягкая фаза) и твёрдых интерметаллических включений (SnSb, Cu₃Sn).

Бронзы – лучшие антифрикционные материалы. Это оловянистые бронзы – БрО10Ф1, БрО10Ц2, и оловянисто-цинково-свинцовистые – БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3. Их применяют для монолитных подшипников скольжения. Их используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твёрдым смазочным материалом.

Латуни – уступают бронзам по антифрикционным и прочностным свойствам, но они дешевле. Они применяются при малых скоростях скольжения и не больших нагрузках (ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2).

Второй тип сплавов – свинцовистые бронзы (БрС30) и алюминиевые сплавы с оловом (А09-2 – 9% Sn, 2% Cu). Мягкая составляющая – включения свинца или олова. При трении на поверхность вала наносится тонкая плёнка мягкого лёгкоплавкого металла, которая защищает его шейку. Из алюминиевых сплавов отливают монометаллические вкладыши, бронзу используют для наплавки на стальную ленту.

Чугуны относятся также ко второму типу сплавов, где мягкая составляющая – графит. Они используются при значительных давлениях и малых скоростях скольжения (СЧ 15, СЧ 20, антифрикционные чугуны – АЧС-1, АЧС-2, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2). Чугуны вибирают так, чтобы его твёрдость была меньше твёрдости стального вала. Достоинства чугунов – низкая стоимость; недостатки – плохая приробатываемость, низкая стойкость к ударным нагрузкам и чувствительность к недостатку смазочного материала.

Многослойные подшипники. Сталь обеспечивает прочность и жёсткость изделия; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость, после износа которого рабочим слоем становится свинцовистая бронза; никелевый слой препятствует диффузии олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

Неметаллические антифрикционные материалы. Текстолит, капрон и особенно фторопласты (Ф4, Ф40) – отличаются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Недостатки – низкая теплопроводность полимеров, старение, а фторопласты при очень низком коэффициенте трения (0,04 – 0,06 без смазки) – под нагрузкой «течёт».

Комбинированные материалы.

1. Самосмазывающиеся подшипники. Материал – железо-графит, железо-медь(2 – 4%)-графит, бронза-графит. Графита – 1 – 4%. Изделия изготовляются методами порошковой металлургии и после спекания они имеют пористость 15 – 35%. Поры заполняют маслом. При увеличении трения происходит разогрев подшипника, поры расширяются и при этом увеличивается подача смазки в зону трения. Подшипники работают при небольших скоростях скольжения, при отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных местах.

2. Металлофторопластовые подшипники. Четырёхслойная лента состоит из верхнего – приработочного слоя из фторопласта, наполненного MoS₂ – 25% масс. тощиной 0,01 – 0,05 мм; второй слой – бронзофторопластовый – пористая бронза БрО10Ц2 в виде шаровидных спечённых частиц, заполненная смесью фторопласта и 20% Pb (или MoS₂); третий слой – 0,1 мм меди для сцепления бронзового слоя со сталью (сталь 08, 1 – 4 мм).

Фторопластовая губка является смазочным материалом. При разогреве в месте трения фторопласт из-за большего температурного коэффициента линейного расширения выдавливается из пор бронзы и увеличивает количество смазки в зоне трения и разогрева. При сильном разогреве начинает плавиться свинец (327^оС), что приводит к снижению коэффициента трения.

Металлофторопластовые подшипники могут работать в вакууме, в жидких не смазывающих средах и при наличии абразивных частиц, которые «утапливаются» в их мягкой составляющей.

Минералы. Естественные твёрдые минералы (агат), искусственные минералы (рубин, корунд) и ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяются для миниатюрных подшипников скольжения – каменных опор. Основное их достоинство – низкий и стабильный момент трения. Момент трения мал благодаря:

- малым размерам опоры;

- низкой адгезией металла к минералу (низкий коэффициент трения);

Постоянство момента трения обеспечивается высокой износостойкостью минералов, благодаря их высокой твёрдости.

1 Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Свойство противостоять усталости – выносливость.

Циклическая долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определённой протяжённости или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Она характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений между двумя предельными значениями _max и _min в течении периода Т. При экспериментальном определении сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения.

Циклическая долговечность – физический или ограниченный предел выносливости. Он характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы.

4