54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
Антифрикционные материалы предназначены для использования в различных подшипниках трения-скольжения, применяемых чаще, чем подшипники трения-качения (шариковых и роликовых). Эти материалы должны обладать комплексом противоречивых эксплуатационных свойств: малым коэффициентом трения по отношению к валам, обычно изготавливаемым из закаленной стали; высокой износостойкостью сочетающейся с небольшой твердостью, чтобы не изнашивался вал; достаточной прочностью и сравнительно легко деформироваться, чтобы принимать форму вала; коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью, чтобы отводить тепло, выделяющееся при трении; хорошо удерживать смазку на поверхности и т. д. В зависимости от состава различают антифрикционные материалы металлические (сплавы), неметаллические (полимерные, графитовые, древесные и др.) и комбинированные (металлополимерные, графитометаллические и др.)
Антифрикционные сплавы различного состава нашли самое широкое применение в промышленности для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств структура антифрикционных сплавов должна состоять из мягкой и пластичной основы, в которую вкраплены твердые частицы химических соединений. В этом случае вал, опираясь на твердые частицы, быстро прирабатывается к подшипнику, а появившиеся канавки от движения твердых частиц образуют микроскопические каналы, по которым циркулирует смазка и уносятся продукты износа.
Рис. 54. Микроструктура оловянного баббита
Высочайшими антифрикционными свойствами обладают баббиты53 – мягкие сплавы на основе олова или более дешевого свинца. Баббиты наносятся в виде тонкого слоя (до 1 мм) на поверхность опоры скольжения. Самый дорогой баббит Б88 содержит 88 % олова, сурьму, медь и кадмий. Мягкой основой в нем является α-твердый раствор сурьмы в олове, а твердые частицы образованы β-фазой – твердым раствором на основе SnSb и кристаллами химического соединения Cu3Sn – рис. 54. Оловянные баббиты применяются для подшипников тяжело нагруженных машин (турбин, электрогенераторов, карьерных экскаваторов и т.п.). Более дешевый свинцово-оловянный баббит БС6 содержит 6 % олова, свинец, сурьму и медь. Еще более дешевыми являются свинцово-кальциевые баббиты типа БКА, БК2, содержащие десятые доли % Са и некоторых других элементов.
Высокими антифрикционными свойствами обладают рассмотренные ранее сплавы на медной основе – латуни и бронзы (оловянные, алюминиевые, свинцовые бронзы и кремнистые и марганцовистые латуни). В наиболее ответственных случаях используют бронзы с высоким содержанием олова и свинца.
Антифрикционные чугуны по ГОСТ 1585-85 (серые АЧС-1, … АЧС-6, высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2 и ковкие АЧК-1, АЧК-2) по комплексу эксплуатационных свойств сопоставимы со сплавами на медной основе. Антифрикционные свойства чугунов в значительной степени определяются строением графитовой составляющей, выполняющей роль твердой смазки. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь более крупные включения графита, минимальное количество свободного феррита (до 15 %) и должен отсутствовать свободный цементит.
Для менее нагруженных конструкций в качестве втулок подшипников применяют:
цинковые антифрикционные сплавы, содержащие алюминий и медь: ЦАМ 9,5-1,5; ЦАМ 10-5 (10 % Al, 5 % Cu, остальное Zn), заменяющие при температурах до 100 оС более дорогие оловянные бронзы;
алюминиевые антифрикционные (подшипниковые) сплавы, содержащие олово, медь, никель и кремний: АО3-1 (3 % Sn, 1% Cu, 0,4 % Ni, 1,9 % Si, остальное Al), АО9-2, АО20-1, АН-2,5 (2,5 % Ni, остальное Al).
В настоящее время в малонагруженных подшипниках расширяется использование втулок из полимерных и композиционных материалов, состоящих либо из одного полимера (капрон, фторопласт-4), либо полимера с наполнителем (текстолит), либо из смеси порошков железо-графит, бронза-графит, металлофторопласт и т. п. Применение подшипников скольжения из самосмазывающихся пластмасс упрощает конструкцию, снижает издержки при изготовлении и эксплуатации изделий.
Углеграфитовые антифрикционные материалы используются для работы без дополнительной смазки в различных газовых и жидких агрессивных средах (кислотах, щелочах, растворах солей и органических растворителей) в широком диапазоне температур от –200 до +2000 оС.
Ограниченное применение имеют антифрикционные материалы на основе древесины твердых пород (бакаута, самшита, бука) и фтороуглеродных резин, предназначенные для работы в водной среде, выполняющей роль смазки.