10.4. Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала - антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала: 1) высокая теплопроводность;

2) хорошая смачиваемость смазочным материалом; 3) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; 4) хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко

пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление действующее на опору, скорость скольжения параметр определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Для подшипников скольжения используют металлические материалы, неметаллы, комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные камни). Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы опор скольжения.

Металлические материалы.

Они предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивляемости схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов:

1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди — бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную реакцию подшипникового материала на усиление трения и хорошую прирабатываемость, но и особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочным материалом участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Баббиты - мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. В соответствии с к сплавам на оловянной основе относятся баббиты и на свинцовой основе - Особую группу образуют более дешевые свинцово-кальциевые баббиты: и

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (менее 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты, у которых Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т. п.), работающих при

Рис. 10.5. Микроструктура баббита

ТАБЛИЦА 10.3. (см. скан) Характеристики антифрикционных материалов

больших скоростях и нагрузках (табл. 10.3). Структура этих сплавов (рис. 10.5) состоит из твердого раствора сурьмы в в олове (мягкая фаза, темный фон) и твердых включений

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы ко вторым — и др. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения (см. табл. 10.3).

В последнее время бронзы широко используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные лутуни и др. (ГОСТ 17711 — 80) применяют при малых скоростях скольжения (менее 2 м/с) и невысоких нагрузках. Их часто используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза с 30% РЬ (ГОСТ 493-79) и алюминиевые сплавы

Рис. 10.6. Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения: I — сплав свинца и олова; 2 — никель; 3 — свинцовистая бронза; 4 — сталь

с оловом (ГОСТ 14113-78), например, сплав . Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения.

Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении (см. табл. 10.3).

Алюминиевый сплав применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу - для наплавки на стальную ленту.

К сплавам второго типа относятся также серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. Для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения (см. табл. 10.3) используют серые чугуны и легированные антифрикционные чугуны: серые высокопрочные ковкие АЧК-1, АЧК-2 (ГОСТ 1585-79). С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов — невысокая стоимость; недостатки плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

В качестве примера разберем строение четырехслойного подшипника (рис. 10.6), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы Этот слой покрыт тонким слоем мкм) никеля или латуни. На него нанесен слой сплава толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.