17.5.1.2 Выбор материала

Функциональная надежность и срок службы креплений подшипников скольжения зависят от свойств пары материалов: подшипник - вал, а также от свойств смазки. В соответствии с условиями эксплуатации превалирует либо действие материала пары скольжения, либо действие смазки.

Параметры подбора, условия эксплуатации и экономические затраты являются основой для выбора материалов подшипников. Кроме указанных свойств скольжения, размера и характера силы, вызывающей нагрузку, диапазона скорости скольжения и рабочей температуры также необходимо учитывать количество и тип смазки, ее надежность, влияние окружающей среды, необходимый срок службы и экономические факторы. Для правильного выбора материала подшипника необходимо принимать во внимание свойства скольжения, механические и физические свойства.

Требования к подшипникам скольжения различны, поэтому известные материалы подшипников не могут соответствовать им в полной мере. Поэтому последовательность наиболее значительных требований должна быть определена для каждого конкретного случая, и необходимо выбрать частное решение. Для гидростатических подшипников или подшипников, работающих в условиях гидродинамической смазки, чтобы обеспечить прочность, в первую очередь необходимо уделить внимание подбору подшипника и выбору смазки. Для подшипников, работающих в условиях предельной смазки, которые также были рассчитаны для условий гидродинамической смазки, а также для подшипников скольжения без смазки необходимо учитывать свойства скольжения материала. Эти свойства скольжения являются основным критерием для условий смешанного трения.

Основные критерии для выбора материалов подшипников:

• сопротивляемость сцеплению

• адаптивность и впитывающая способность твердых частиц

• усталостная прочность

• коррозийная стойкость

• сопротивление изнашиванию

• значения коэффициента трения

Значение и последовательность этих критериев зависят от эксплуатационных условий, к которым также можно отнести свойство хода, аварийные свойства, способность к увлажнению с помощью смазки, твердость, удельная теплопроводность, тепловое расширение, плотность и т.д.

Критерии функциональности основных категорий материалов подшипников представлены в таблице.

Материал подшипника	Сопротивляемость сцеплению при стальном вале	Адаптивность и впитывающая способность	Коррозийная устойчивость к маслу	Усталостная прочность
Оловянные составы	Высокая	Высокая	Высокая	Очень низкая
Свинцовые составы	Высокая	Высокая	Средняя	Очень низкая
Сплав Cu-Sn	Очень низкая	Очень низкая	Хорошая	Высокая
Сплав Cu-Sn-Pb	Средняя	Низкая	Низкая	Хорошая
Сплав Al-Sn	Хорошая	Хорошая	Очень низкая	Средняя
Сплав Cu-Pb	Низкая	Средняя	Высокая	Высокая
Серый чугун	Очень низкая	Очень низкая	Средняя	Высокая
Смешанная пластмасса	Высокая	Высокая	Высокая	-
Графит	Высокая	Средняя	Высокая	-

Чем больше твердость материала подшипника, тем больше его нагрузочная способность и сопротивление изнашиванию. Чем мягче материал подшипника, тем меньше возможность повреждения поверхности вала и лучше его адаптивная способность, свойства хода и впитывающая способность твердых частиц, которые являются его особенными свойствами. Отсюда правило о том, что различие между двумя частями пары скольжения является важным, действительно. При использовании материала подшипника необходимо обеспечить, чтобы

• твердость вала была значительнее выше (обычно на 100 HB);

• текстура поверхности скользящей пары соответствовала рекомендуемым значениям;

• надежный источник смазки и его чистота были в наличии.

В таблице приведены значения свойств материалов креплений подшипников скольжения:

Материал	Средняя твердость в HB при		Прочность растяжения [МПа]	Модули упругости [MПa]	Максимальная допустимая рабочая температура [°C]
	20 °C	100 °C
Состав Sn	26	9	80	48 000	110
Состав Pb	22	8	77	30 000	100
Сплавы Cu-Sn	80	60	250	110 000	выше 250
Сплавы Cu-Pb	30	25	60	85 000	160
Сплавы Cu-Sn-Pb	60	50	300	98 000	220
Сплавы Al-Cu	60	40	400	70 000	120
Сплавы Al-Sn	35	30	150	65 000	120
Сталь	160	150	550	210 000	выше 250
Чугун	200	190	250	150 000	выше 250

Основные свойства, максимальная нагрузочная способность и примеры подходящего использования:

• Оловянные и свинцовые составы. Используются для облицовки втулок и корпусов из обычной стали или из литой стали. Преимущество этих составов заключается в высокой степени сопротивляемости сцеплению, адаптивности и впитывающей способности инородных частиц. Оловянный состав обладает большей коррозийной стойкостью. При более низкой коррозийной стойкости свинцовых составов необходимо использовать масла, в которых содержатся ингибиторы коррозии. Свинцовые составы обладают более низкими значениями сопротивляемости при высокой температуре, чем оловянные составы. Их рабочая температура не должна превышать 100 град. C. Они также приносят незначительный вред обратной грани, но способствуют покрытию граней небольшим количеством состава.

Недостаточное количество состава может привести к значительному уменьшению свойств функциональности с ростом температуры. Другие недостатки, например низкую прочность и низкий предел усталости, можно частично компенсировать за счет выбора самой маленькой толщины облицовки. Рекомендуемая текстура поверхности для подшипников - 0,4, для валов - 0,2 микрон. Низкие значения твердости состава позволяют использовать валы из мягкой стали. Диапазон максимальной нагрузочной способности составляет 40 - 45 МПа при окружной скорости от 1 до 2 м/с. Максимальная нагрузка до 5 МПа задана для скорости 10 м/с.

Тонкостенная облицовка (менее 0,3 мм) обладает большим сроком службы, поэтому ее используют особенно в автомобильной промышленности. Толстостенная облицовка используется для прочных подшипников, например в железнодорожных вагонах.

• Медные сплавы. Оловянистая бронза обладает высокой прочностью и пределом усталости, а также высокой степенью сопротивления износу. Поэтому она считается хорошим материалом для нагруженных подшипников скольжения, которые могут переносить динамическую нагрузку. При добавлении свинца твердость оловянистой бронзы снижается до 50 HB, увеличивается адаптивность, впитывающая способность твердых частиц и повышается сопротивляемость сцеплению без изменения значений прочности.

При добавлении алюминия достигаются высокие значения твердости бронзы, от 140 до 160 HB, и также повышается прочность, которая определяет тип материала подшипников с наибольшей нагрузкой при низкой скорости скольжения. Добавление цинка приводит к красной бронзе с низкими значениями твердости, около 60 MB, которая обладает высокой сопротивляемостью сцеплению.

Для медных сплавов верхний предел допустимой рабочей температуры обычно определяется самой высокой допустимой температурой используемой смазки. Для оловянистой бронзы с большим содержанием свинца температура не должна превышать 150 град. C. Рекомендуемая текстура поверхности для подшипников - 0,4, для валов - 0,2 микрон. Диапазон максимальной нагрузочной способности составляет 28 - 35 МПа при окружной скорости от 1 до 2 м/с, для скорости 10 м/с, максимальная нагрузочная способность составляет до 3 МПа. Для бронзы с добавлением свинца и цинка максимальная нагрузочная способность составляет до 42 МПа. С экономической точки зрения использование оловянистой бронзы не выгодно.

• Алюминиевые сплавы. Способность к хорошему скольжению алюминиевых сплавов в условиях максимального трения, высокий предел усталости, проводимость высокой температуры, быстрая обрабатываемость и минимальные затраты являются преимуществами для широкого использования даже в очень тяжелых условиях эксплуатации (большая статическая и динамическая нагрузки при низкой и высокой скоростях скольжения).

Рабочая температура ограничена максимальной постоянной допустимой температурой используемой смазки. Для работы при высокой температуре необходимо учитывать расширяемость сплава при температуре, когда определяется радиальный зазор.

Диапазоны максимальной нагрузки от 45 до 50 МПа для окружной скорости 1 м/с. Максимальная нагрузка до 6 МПа задана для скорости 10 м/с. Текстуры поверхностей для втулок и скользящих граней вала воздействуют на допустимую нагрузку и срок службы скользящих креплений из алюминиевых сплавов. По этой причине текстура поверхности втулки должна быть 0,4 микрон и сумма текстур поверхности втулки и шейки - максимум 0,6 микрон.

Необходимо использовать высокую скорость резания и инструменты с цементированным карбидом при обработке алюминиевых сплавов. Для сверления необходим алмазный резец. Из-за тонкой структуры ковкие сплавы, в отличие от литейных сплавов, способствуют более гладкой поверхности, а также имеют более низкие значения коэффициента трения в области предельной смазки.

Для продолжительного срока службы скользящих креплений необходимо использовать упрочненные валы, твердость которых должна быть не меньше 250 HB. Из-за низкого коэффициента впитывающей способности твердых деталей с алюминиевыми сплавами, рекомендуется использовать смазку высокой степени чистоты.

• Серый чугун. Свойства серого чугуна отличаются от свойств других материалов подшипников. Поэтому при их использовании необходимо учитывать следующие условия:

• сумма шероховатостей двух скользящих поверхностей должна быть до 0,6 микрон;

• длина подшипников не должна превышать его внутренний диаметр;

• гладкий ход без ударной нагрузки для скорости скольжения в диапазоне от 0,5 до 5 м/с;

• обеспечение непрерывной смазки и фильтрации смазки.

Подшипники из серого чугуна очень чувствительны к нагрузке на ребра, которая определяется твердостью в 190 - 240 HB. При использовании этого материала закаленные стали с более высокой степенью твердости, чем серый чугун, используются для валов подшипников. Максимальная нагрузка для системы циркулирующей смазки под давлением представлена при 8 МПа для окружной скорости 1 м/с. Максимальная нагрузка до 1,5 МПа для скорости 5 м/с.

• Спеченная сталь, спеченная бронза. Спеченная сталь и бронза изготавливаются из порошковых металлов. Множественные поры заполняются маслом или другой смазкой. Из-за разных температур расширяемости втулки подшипника и масла, из-за сил поверхности, масло попадает на скользящую грань при эксплуатации. Обычная рабочая температура равна 35 градусов C.; она не должна превышать 70 градусов C. Втулки, пропитанные маслом, используются для подшипников магнитофонов, проигрывателей, стартеров, миксеров для кухни, двигателей для нагревания и стеклоочистителя, сельскохозяйственных машин и т.д. Текстура поверхности вала не должна превышать 0,2 микрона и твердость ее должна составлять по крайней мере 50 HRC.

• Пластмасса. Пластмасса характеризуется относительно низким коэффициентом трения даже при неэффективной смазке, высокой жесткостью или низкими модулями вязкости, небольшой плотностью и быстрой обрабатываемостью. Низкая теплопроводность и иногда низкая впитывающая способность или набухаемость являются ее недостатками. Большинство типов пластмассы могут использоваться при относительно низкой температуре.

  • закаленные материалы. изготавливаются с помощью наматывания или расслоения материалов, которые пропитаны упрочненной феноловой смолой. Самый верхний слой прозрачной смолы обладают плохими свойствами скольжения, поэтому его необходимо всегда удалять. Перед последней обработкой втулки необходимо поместить в масляную ванну для стабилизации размера. Высокое сопротивление сжатию позволяет использовать закаленные материалы для напряженных подшипников при отсутствии высокой рабочей температуры. Подшипники или сегменты должны находиться в контакте по всей грани подшипника, чтобы они не сгибались под большими нагрузками. Толщина стенки должна быть самой минимальной, принимая во внимание низкую теплопроводимость и значительное тепловое расширение. Тонкостенные втулки приклеиваются к стальным втулкам опоры; толстостенные втулки вставляются в корпусы или ступицы.

Функциональная поверхность вала должна быть тонкой - 0,2 микрона, поверхность вала должна быть закалена при HRC = 50 - 55. Для циркулирующей смазки под давлением максимальная нагрузочная способность может быть до 16 МПа при окружной скорости 1 м/с для намотанного и сжатого закаленного материала. Максимальная нагрузочная способность, равная 7 Мпа, применяется к многослойному и нагруженному закаленному материалу. Закаленные материалы используются для втулок экскаватора, корпусов клетей прокатных станов, подшипников для электрических тяговых двигателей и т.д.

• Полиамиды. Изготавливаются несколькими способами. Самые тонкие втулки производятся из гидролитического и щелочного полиамида, так как эти материалы обладают низкой теплопроводимостью. Их толщина составляет 1,5 - 2 мм при толщине шейки до 30 мм. Перед последней обработкой втулки помещаются в масляную ванну на 24 часа и происходит сжатие на 0,5 - 1 %.

Полиамид характеризуется высокой степенью сопротивления износу даже при эксплуатации без смазки, но нагрузочная способность должна быть небольшой и скорость скольжения максимум 1 м/с. Максимальная нагрузочная способность для гидролитического полиамида равна 8 МПа при окружной скорости 1 м/с, а для щелочного полиамида - 5 МПа.

• Другие неметаллические материалы

  • резина. Применяется для подшипников, которые используются в сильно загрязненной воде или коррозийных растворах. В облицовке должны быть сквозные прорези, а сама облицовка должна быть постоянно погружена в смазку, иначе подшипники быстро выйдут из строя. Максимальная указанная нагрузка - 0,35 МПа для скорости скольжения 0,5 м/с, максимальная скорость скольжения - 5 м/с и максимальная температура - 65 град. C. Подшипники для насосов, гидравлических турбин, валов кораблей и некоторого химического оборудования изготавливаются с помощью вулканизации резины в стальные втулки.

  • угольные материалы, графит. Обладают незначительной степенью сопротивляемости удару, небольшим тепловым расширением, большой теплопроводностью. Они могут переносить термические удары, и нечувствительны к большинству химикатов. Угольные материалы подходят для подшипников, которые работают без смазки (необходима определенная влажность) в воде, а также при низких и высоких температурах. Их коэффициент трения составляет от 0,15 до 0,25 без смазки, а для ограниченной смазки - от 0,05 до 0,1. Диапазон рабочих температур составляет -200 - +500 град. C.

В качестве материала для вала можно выбрать серый чугун, закаленную цветную или азотированную сталь, стекло, керамику и т.д. Алюминиевые сплавы для этого не подходят. Сумма текстур поверхностей скользящих граней не должна превышать 0,6 микрон. Валы, работающие без смазки, используются как решение для скользящих креплений в химической, пищевой и ядерной промышленностях.