Металлические антифрикционные материалы.
Антифрикционные порошковые материалы.
Cамосмазывающиеся антифрикционные материалы
Материалы с твердыми смазочными компонентами.
Неметаллические антифрикционные материалы.
Металлополимерные антифрикционные материалы.
Ингибиторы изнашивания металополимерных систем.
Минералы.
ВВЕДЕНИЕ
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 – это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали. Антифрикционность обеспечивают следующие свойства материала:
– высокая теплопроводность;
– хорошая смачиваемость смазочным материалом;
– способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого материала;
– 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 сопряженной детали.
Критериями для оценки антифрикционного материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление p; действующее на опору скольжения, скорость скольжения v; параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.
КЛАССИФИКАЦИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Антифрикционные материалы подразделяют
1. Металлические антифрикционные материалы .
2. Антифрикционные порошковые материалы .
3. Самосмазывающиеся спеченные материалы .
4. Материалы с твердыми смазочными компонентами.
5. Неметаллические материалы.
6. Металлополимерные материалы.
7. Минералы.
Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы опор скольжения.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлические материалы 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 сопротивления схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.
Металлические материалы 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.
Баббиты – мягкие (НВ 30) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.).
Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.
Латуни применяют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Латуни применяют при малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках, например, для опор трения приборов.
К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза (БрС30, 30% свинца) и алюминиевые сплавы с оловом (А09-2, 9% олова, 2% меди). 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 стальной вал от повреждения. Алюминиевый сплав применяют для отливок монометаллических вкладышей, бронзу – для наплавки на стальную ленту.
К сплавам второго типа относятся также серые чугуны (СЧ15, СЧ 20, АЧС-1, АЧК-2 и др.) роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы.
В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные металлические подшипники. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение. В качестве примера рассмотрим строение четырехслойного подшипника (рис. 2.1.), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, слоя свинцовистой бронзы, тонкого слоя никеля или латуни и слоя свинцово-оловянного сплава.
Рис. 2.1. Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения:
1 – сплав свинца и олова; 2 – никель; 3 – свинцовистая бронза;
4 – сталь
Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника, верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.
АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, подпятников наряду с литыми сплавами (бронзы, баббиты и чугуны) используют антифрикционные материалы, изготовленные методом порошковой металлургии. Их создают на основе меди или железа с добавлением веществ типа твердых смазок (графит, сульфиды и др.), что обеспечивает им заданные триботехнические и эксплуатационные свойства.
Антифрикционные порошковые материалы по сравнению с обычными антифрикционными материалами обладают радом преимуществ:
1. Их износостойкость в несколько раз выше, чем у баббитов и бронз.
2. Они работают при более высоких скоростях и давлениях.
3. Наличие в структуре пористости (до 35%), позволяет их предварительно пропитывать смазочными маслами. Во время работы по мере нагревания, масло из пор постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника масло частично всасывется обратно в поры. Потому пористые подшипники могут работать длительное время без дополнительной смазки (3…5 тыс. ч.)
САМОСМАЗЫВАЮЩИЕСЯ СПЕЧЕННЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо – графит, железо – медь – графит или бронза – графит. Графит вводят в количестве 1…4%. После спекания в материале сохраняется 15…35% пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности.
Спеченные железографитовые материалы по триботехническим свойствам близки к серым чугунам, но обладают лучшей прирабатываемостью (свойство материалов сглаживать поверхности трения деталей в начальный период трения). Срок службы подшипников из железографитовых материалов не превышает 3…5 тыс.ч. Их применяют в колесных парах тепловозов, узлах трения сельскохозяйственных машин, угольных транспортеров и прокатных станов, сверлильных станков.
Композиция железо – медь – графит обеспечивает длительную работоспособность подшипников при непрерывной подаче смазки в жестких условиях трения.
Широкое распространение получили спеченные самосмазывающиеся подшипники из композиций бронза – графит. Из них изготавливают антифрикционные детали электродвигателей, автотракторного электрооборудования, швейных и стиральных машин, звукозаписывающей аппаратуры и другой бытовой техники.
Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствия ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.
МАТЕРИАЛЫ С ТВЕРДЫМ СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ
В узлах трения, работающих при высоких скоростях скольжения, даже при небольших нагрузках могут развиваться значительные температуры, которые вместе с силами инерции способствуют удалению смазки из зоны трения, что создает трудности при использовании порошковых материалов, модифицированных жидкими или консистентными смазочными материалами.
Для улучшения триботехнических свойств спеченных материалов широко используют твердые вещества, которые наносят на поверхность трения в виде заполнителей пор поверхностного слоя. К ним относятся сульфиды, селениды, йодиды, хлориды, фториды, нитриды, оксиды металлов, пластмассы.
Тонкие слои твердых смазочных материалов наносят на поверхность трения спеченных деталей методом натирания или распыления их суспензий.
Эффективным методом образования стабильной разделительной пленки на поверхности трения является введение частиц твердого смазочного материала в порошковую смесь, из которой формируется материал детали терния. Этот метод более технологичен, исключает дополнительные операции по пропитке пористого порошкового материала или натирания поверхности трения деталей смазочным материалом и допускает механическую обработку деталей трения.
Наиболее широкое распространение в качестве смазочных добавок получили сернистые соединения молибдена (дисульфид молибдена MoS 2), цинка и фторид калия. Улучшая триботехнические характеристики, дисульфид молибдена одновременно снижает механические свойства железографитовых материалов, поскольку располагается по границам зерен, ослабляя адгезию между ними. Для повышения механических характеристик спеченного материала его подвергают ковке. При введении сернистого цинка меняется структура железографитовых материалов. После спекания она становится перлитно-цементитной (Ц до 10%). Сульфидированный железографитовый материал по свойствам сравним с баббитом и применятся для изготовления деталей, работающих в паре с закаленной сталью при нагрузках до 10-15 МПа и скоростях скольжения до 13 м/с.
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Из неметаллических материалов для изготовления подшипников скольжения применяют термореактивные и термопластичные пластмассы. Среди термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники могут работать в тяжелых условиях, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает.
Из термопластов наиболее широко применяют полиамиды: ПС10, анид, капрон и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинства полимеров: низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость. Для повышения износостойкости при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения, характерных для работы в узлах трения современных машин и технологического оборудования в полимеры водят различные наполнители.
Традиционно в качестве наполнителей антифрикционных полимерных композитов применяют твердые смазочные материалы, обеспечивающие в процессе эксплуатации на поверхности трения структуру жидких кристаллов. Такие наполнители имеют слоистую структуру или приобретают ее в процессе трения. Из широкого спектра наполнителей в триботехническом материаловедении часто используют сульфиды (MoS 2 , WS 2 , PbS), селениды (MoSe 2 , WSe 2), теллуриды (MoTe 2 , WTe 2 , NbTe 2), оксиды переходных металлов (PbO, SiO 2), графит, нитрид бора (BN), бронзу, тальк, каолин и др.
Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочных материалов составляет 0,04 – 0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой и, как все полимеры плохо отводит теплоту. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами. В промышленности широко применяется антифрикционный материал «Флубон»– полимерный композиционный материал на основе ПТФЭ и основного наполнителя – углеродного волокна. Флубон предназначается для изготовления деталей узлов трения (уплотнительных колец, подшипников скольжения, торцовых уплотнений, опорных подшипников) и уплотнений неподвижных соединений. Материал может применяться в компрессорах без смазки и с ограниченной смазкой, в реакторах, центрифугах, насосах химических производств. Может использоваться в общем машиностроении, нефтяном и газовом оборудовании.
Известны антифрикционные самосмазывающиеся композиции на основе фторопласта-4, содержащие дисульфид молибдена, нитрид бора, графит и др. модификаторы.
МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлополимерные материалы – это макрогетерогенные материалы, неоднородность которых характеризуется наличием граница раздела компонентов. Эта граница раздела может представлять собой как геометрическое место контакта фрагментов полимера и металла, так и промежуточный слой.
По объемно-структурному признаку металлополимерные материалы подразделяют на матричные, слоистые и дисперсные.
Матричные металлополимерные материалы характеризуются наличием непрерывной основы (матрицы) из одного материала (металла или полимера), в которой содержаться включения другого. Материалы на основе металлической матрицы называются каркасными, а на основе полимерной – наполненными. Традиционно металлополимеры получают сомещением порошкообразных полимеров и металлов с последующим термическим воздействием – прессованием, экструзией, литьем под давлением.
Слоистые металлополимерные материалы состоят из чередующихся непрерывных слоев полимера и металла (фольги, пленки), которые могут быть как сплошные, так и волокнистые, в виде тканей, перфорированные. К слоистым металлополимерным материалам относятся плакированные пленками металла полимерные пленки, фольгированные диэлектрики. Плакированные слоем полимера металлические фольги, листы и ленты и другие длинномерные изделия и пролуфабрикаты.
Особое место среди металлополимерных материалов занимают композиции, в которых металл находится в высокодисперсном (коллоидном) состоянии. Такие материалы получают разложением в среде расплава полимера металлосодержащих соединений типа формиатов (на основе муравьиной кислоты), оксалатов (на основе щавелевой кислоты), карбонилов и др. а также при содержании металлов 0,001…0,1% (мас.) Они имеют более высокие по сравнению с исходным полимером физико-механические характеристики, износостойкость, стойкость к воздействию термоокислительных сред.
Металлополимерные детали – это зубчатые колеса и звездочки, подшипники скольжения, тормозные диски и т.п.
Металлополимерными триботехническими узлами являются: система вал – полимерный подшипник, шток – полимерное уплотнение, металлополимерная щетка – коллектор.
В качестве примера металлополимерных деталей можно привести металлофторопластовые подшипники из металлофторопластовой ленты. Лента состоит из четырех слоев. Первый слой выполнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена. Второй слой – бронзофторопластовый, представляющий собой слой спеченной пористой бронзы, пропитанный смесью фторопласта и свинца или фторопласта и дисульфида молибдена. Третий слой образован медью. Его назначение – обеспечивать прочное сцепление с четвертым слоем – стальной основой.
При работе такого подшипника поверхностный слой выполняет роль смазочного материала. Пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку. Если первый слой изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, при этом фторопласт выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку. При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327 о С, происходит плавление свинца, который снижает трение и тепловыделение. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.
МИНЕРАЛЫ
Антифрикционные минералы подразделяют на: естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд) или их заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы). Минералыприменяют для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах – часах, тахометрах, гироскопах и т.д. Главное достоинство таких опор – низкий и стабильный коэффициент трения. Низкое трение достигается небольшим коэффициентом трения вследствие слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать громадные контактные давления.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
4. М.А. Броновец. Теория трения, износа и проблемы стандартизации / М.А. Броновец и др. Брянск: Приокское книжное издательство, 1978. – 397 с.
5. В.А. Гольгаде. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем / В.А. Гольгаде, В.А. Струк, С.С. Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 240 с.
Лекция 14
Антифрикционные материалы
Антифрикционные сплавы, применяемые в судовом машиностроении
К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения. Антифрикционный материал должен обладать низким коэффициентом трения в кинематическом узле, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, малой склонностью к заеданию (схватыванию), способностью обеспечить равномерную смазку. Перечисленные свойства антифрикционного материала должны им обеспечиваться при определенных удельных контактных нагрузках и различных конструктивных решениях узлов трения.
Большое разнообразие конструктивных типов узлов трения, а также условий эксплуатации привело к необходимости создания самых разнообразных антифрикционных материалов. Различают следующие антифрикционные материалы: сплавы на основе олова, свинца (баббиты), меди (бронзы), железа (сталь, чугун), металлокерамические (бронзографит, железографит), пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древеснослоистые пластики и др.), а также сложные композиции типа “металлпластмасса”.
В табл. 1 приведена номенклатура антифрикционных материалов.
Таблица 1
Номенклатура антифрикционных материалов
| Индекс группы | Наименование | |
| Оловянный Свинцовый Свинцово – никелевый | Б88, Б83, Б83С | |
| Оловянно-фосфористая Оловянно-цинковая Оловянно-цинково-свинцово-никелевая Оловянно-никелевая-цинковая Алюминиево-марганцовистая Алюминиево-железистая Свинцовая | БрОФ10-1, БрОФ6,5-0,15, БрОФ7-0,2 БрОЦ10-2, БрОЦ8-4 БрОЦСН3-7-5-1 БрОНЦ8,5-4-2 БрАМц9-2, БрАМц10-2 | |
| Марганцовистая Марганцовисто-железистая Кремнистая Свинцовая | ||
| Неметаллические материалы: Древесно-слоистый пластик Древесно-текстолитовый пластик Текстолит Фторопласт Полиамид литьевой Полиамид, наполненный графитом Полиамид стеклонаполненный Смола капроновая Капролон Углеграфитовый материал, пропитанный баббитом | 8130, 8075, 1626 ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В П68Г-5, П68Г-10 КПС-30, П-6ВСУ | |
| Композитный материал: Металлополимерный Самосмазывающийся | САММ-3, САММ-4 |
По структурному признаку металлические антифрикционные материалы делят на две группы: первая материалы с мягкой основой и твердыми включениями и вторая материалы с твердой основой и мягкими включениями.
В современном судовом машиностроении используются подшипниковые сплавы на основе олова и свинца, сплавы на медной основе: латуни и бронзы. Для обеспечения, указанного выше комплекса, часто противоречивых свойств, могут использоваться сплавы, состоящие из относительно мягкой основы, в которой распределена достаточно твердая вторая фаза.
Назначение твердых кристаллов осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу. Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют баббиты.
Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 320 МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ90 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.
В России баббиты, используемые в судостроении, стандартизованы ГОСТом1320-74 (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав баббитов ГОСТ 1320-74
| Остальное Остальное | Остальное Остальное |
Баббит Б83 сплав на основе олова, содержащий 83 %Sn, 11 %Sb и 6 %Сu . Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграммы состояния Sn Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов (твердые включения) и темных кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в мягкой составляющей обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu3 Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз (рис. 1).
Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.
Рис. 1. а − Микроструктура баббита Б83; б схематическое изображение микроструктуры)
Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности.
Баббит Б16 применяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, электродвигателей, паровых турбин, не испытывающих ударных нагрузок. По сравнению с оловянными баббитами свинцовые обладают большим коэффициентом трения. Они более хрупки, так как в них мягкой составляющей является достаточно хрупкая эвтектика.
Антифрикционные сплавы на основе меди
В качестве антифрикционных сплавов употребляют бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготавливают из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении. Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы. Их микроструктура подробно рассмотрена в руководстве к выполнению лабораторной работы “Микроструктура медных сплавов”.
Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без олова (БрС30) или с 1 %Sn.
В отличие от баббитов, бронза БрС30 относится к антифрикционным материалам с твердой матрицей (Сu ) и мягкими включениями (Pb). При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка свинца, защищающая шейку стального вала от повреждения. Эта бронза отличается высокой теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у остальных бронз) и хорошим сопротивлением усталости. На рис. 2 изображена микроструктура БрС30.
Рис. 2. а микроструктура бронзы БрС30; б схематическое изображение микроструктуры)
Антифрикционные сплавы на основе железа
В качестве антифрикционных материалов стали используют в очень легких условиях работы при небольших давлениях и невысоких скоростях скольжения. Будучи твердыми и имея высокую температуру плавления, стали плохо прирабатываются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют так называемые медистые стали, содержащие малое количество углерода, либо графитизированные стали, имеющие включения свободного графита. В таблице 3 приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.
Таблица 3
Состав (в %) антифрикционных сталей
| Cu | Al | Si | Mn | ||||
| Медистая Графитизированная |
Антифрикционные чугуны
Ряд чугунов имеет высокие антифрикционные свойства, которые определяются в значительной степени строением графитовой составляющей. Чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь минимальное количество свободного феррита (не более 15%) и должен отсутствовать свободный цементит. В таблице 4 приведена структура и назначение антифрикционного чугуна.
Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.
Таблица 4
Структура и назначение антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85
| Марка чугуна | НВ, МПа | Микроструктура | Терм. обрабо-тка, назначение | |
| Графит | Металл. основа | |||
| 180 241 180 229 160 190 180 229 180 290 100 120 200 260 167 197 187 229 167 197 | Пластинчатый Пластинчатый Шаровидный Шаровидный Хлопьевидный Хлопьевидный | Перлитная Перлитная Аустенитная Перлитная, пористая Перлитная | Закалка, нормализация. Без обработки. Закалка, нормализация. Закалка, норма-лизация, особо нагруженные узлы трения. Без обработки, при темпера-туре до 300 ˚С. Закалка, норма-лизация, повы-шенные окруж-ные скорости. Без обработки, повышенные окружные ско-рости. Закалка, норма-лизация. Без обработки | |
Антифрикционные сплавы на основе алюминия
Алюминиевые сплавы в последнее время все шире используются для замены антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы. Их классифицируют по микроструктурному признаку. Первая группа сплавы, имеющие твердые структурные составляющие (FeAl3 ; Al3 Ni; CuAl2 ; Mg2 Si и др.) в пластичной основе металла. Они применяются при высоких скоростях вращения и невысоких нагрузках с применением смазки. Однако, если подача смазки прекращается, то наступает схватывание. Свободны от этого недостатка сплавы второй группы, они легированы оловом. В случае прекращения поступления смазки олово расплавляется, покрывая вал тонким слоем и тем самым препятствуя контакту железа с алюминием и, следовательно, схватыванию. В таблице 5 приведены современные антифрикционные сплавы. Медь вводят для упрочнения матрицы, кремний, железо, никель и др. для уменьшения износа (образуют твердые частицы).
Таблица 5
Состав (в %) алюминиевых антифрикционных сплавов
| Сплав | Ni | Mg | Sb | Cu | Si | Sn | Ti | |
| II | АО20-1 | 2,7 3,3 0,4 1,0 | 0,3 0,7 | 3,5 3,5 6,5 | 1,0 1,0 2,25 1,0 | 1,85 0,5 | 9,0 3,0 9,0 20,0 | 0,02 0,1 |
Таблица 6
Состав (в %) свинцовых баббитов, используемых
для тонкослойных подшипников
| Pb | Sn | Sb | As | Ca | |
| БК2 с добавкой переплава | 0,7Mg | 0,2 |
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
“Гродненский государственный университет имени Янки Купалы”
Факультет инновационных технологий машиностроения
Контрольная работа
по дисциплине
Материаловедение
Вариант 30
Специальность: 1 -370106 Техническая эксплуатация автомобилей
ВВЕДЕНИЕ
Неметаллические конструкционные материалы. Древесные материалы и их разновидности. Особенности строения и требования, предъявляемые к ним, как к конструкционным материалам
1 Общая характеристика и классификация.
2 Древесные материалы и их разновидности..
Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Области применения. Условия эксплуатации. Маркировка.
1 Антифрикционные сплавы
2 Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Маркировка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
В современном машиностроении широко применяют неметаллические конструкционные материалы.
Все они имеют довольно прочны, относительно легки по весу, хорошо обрабатываются и дешевле металлов и сплавов. Кратко рассмотрим некоторые из них.
Важное значение в машиностроении имеют антифрикционные материалы (от англ. <#"justify">1.Неметаллические конструкционные материалы
1 Общая характеристика и классификация
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.
Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов- на металлические, неметаллические и композиционные материалы <#"justify">Неметаллические конструкционные материалы включают:
Полимеры – химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).
Керамика – изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и других неорганических соединений.
3. Огнеупоры, материалы и изделия, изготовляемые преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью <#"justify">Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.
1.2 Древесные материалы и их разновидности
неметаллический конструкционный материал сплав древесный
До настоящего времени древесные материалы достаточно широко применяют в машино- и приборостроении в качестве конструкционных и отделочных материалов. Дерево обладает достаточной прочностью, хорошей упругостью, легко обрабатывается и склеивается.
Древесина содержит проводящие, механические и запасающие элементы. По мере роста деревьев внутренняя, наиболее старая часть ствола отмирает. Проводящая и запасающая системы перестают функционировать, содержание воды, крахмала, отчасти жиров уменьшается, количество смол, дубильных веществ повышается. У ядровых пород (сосна, лиственница, дуб) центральная часть ствола отличается по окраске и называется ядром, периферическая зона называется заболонью <#"justify">Для производства клееной фанеры выпускают лущеный шпон трех сортов из древесины дуба, бука, березы, ясеня, ольхи и липы. Толщина шпона изменяется от 0,55 до 1,5 мм, а ширина – от 150 до 1900 мм. Влажность лущеного шпона составляет 6-10 %.
Клееную фанеру из лущеного шпона изготовляют из трех или более слоев со взаимно перпендикулярным расположением волокон в смежных слоях. В зависимости от водостойкости для склейки фанеры применяют три типа клеев: фенолформальдегидный (для повышенной водостойкости), карбамидный и альбуминоказеиновый (для средней водостойкости). Размеры листов фанеры определены соответствующим ГОСТом: максимальный размер 2440 х 1525 и минимальный 1220 X 725. Толщина фанеры зависит от числа слоев и толщины шпона и изменяется в пределах 1,5-12 мм.
Для декоративных целей фанеру оклеивают строганным шпоном. Строганный шпон изготовляют из тех же пород древесины, что и лущеный, а также из ореха, вяза, карагача, каштана, платана, груши, яблони, черешни и других ценных пород.
При оценке свойств древесины как конструкционного и отделочного материала учитывают её способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы), износостойкость, способность к загибу некоторых лиственных пород.
Испытания древесины с целью определения показателей физико-механических и технологических свойств проводят на малых чистых (без пороков) образцах. На большинство методов испытаний разработаны стандарты, устанавливающие форму и размеры образцов, процедуру экспериментов, способы вычисления показателей её свойств. Дерево отличается сильной изменчивостью свойств, поэтому при использовании древесины в качестве конструкционного материала особенно важно применение неразрушающих методов поштучного контроля прочности пиломатериалов, основанных, например, на связи между прочностью дерева и некоторыми её физическими свойствами.
Древесина имеет высокие значения коэффициента качества (отношение предела прочности к плотности), хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам, легко обрабатывается и позволяет изготовлять детали сложной конфигурации, надёжно соединяется в изделиях и конструкциях с помощью клея, обладает высокими декоративными свойствами. Однако наряду с положительными свойствами натуральная древесина обладает рядом недостатков: размеры и форма деталей изменяются при колебаниях влажности. При неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации (повышенная влажность, умеренно высокая температура воздуха, контакт с влажной почвой, конденсация влаги на элементах конструкций и т.д.) дерево загнивает. Гниение представляет собой процесс разрушения, в результате жизнедеятельности поселяющихся на ней грибов. Для защиты от загнивания древесину пропитывают антисептиками. Дерево может также повреждаться насекомыми, для защиты от которых используют инсектициды <#"justify">2.Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Области применения. Условия эксплуатации. Маркировка
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.
Антифрикционные материалы отличаются низкой способностью к адгезии, теплопроводностью и стабильностью свойств, а самое главное хорошей прирабатываемостью (т.е. способностью трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания).
Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала:) высокая теплопроводность;
) хорошая смачиваемость смазочным материалом;
) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла;
) 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.
Антифрикционные материалы используются в различных конструктивных типах узлов трения машин и двигателей. Поэтому в процессе применения подобных материалов в конкретных узлах и условиях приводило к созданию разнообразных антифрикционных материалов. Выделяются такие антифрикционные материалы как сплавы на основе олова или свинца – баббиты, меди – бронза, железа – серый чугун, металлокерамические сплавы – бронзографит, железографит, а также пластмассы текстолит, фторопласт-4, древесноложные пластики и сложные композиции типа “металл-пластмасса”.
Подшипниковые материалы – это наиболее распространенные антифрикционные материалы, которые применяемые для различных видов подшипников скольжения. При этом очень важно, чтобы кроме антифрикционных свойств, они обладали необходимой прочностью, сопротивлением коррозии в среде смазки, технологичностью и экономичностью.
Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения v, параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше,чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.
Чаще всего встречается использование антифрикционных материалов на основе олова или свинца (их называют баббиты). Они применяются в подшипниках в виде слоя, заливающего основу детали из стали. Важно, чтобы сталь прошла специальную очистку и желательно имела углубления или пазы для лучшего сцепления. Именно такие подшипники используются в автомобильной промышленности.
Также в качестве антифрикционных сплавов могут выступать различные виды бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Бронзовые подшипники бывают 2 видов: монометаллические (используются оловянистые бронзы) и биметаллические.
Менее распространенные, но все же востребованные антифрикционные материалы бывают на основе стали. Их используют в легких условиях работы, когда в процессе работы механизма есть небольшое давление и невысокие скорости скольжения. Сталь более твердый материал и имеет высокую температуру плавления, поэтому она плохо прирабатывается и легко схватывается с сопряженной поверхностью, из-за чего образуются задиры.
Встречается среди антифрикционных материалов и чугун. Некоторые чугуны имеют высокие антифрикционные свойства, благодаря графитовой составляющей ее структуре. Например, чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.
Ряд антифрикционных материалов очень широк, также как и его применение и самым распространенным из всех видов является олово и свинец, а также их сплавы в виде баббитов.
2.2 Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов. Назначение. Маркировка
Антифрикционные сплавы 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:
) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями;
) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
Таблица 1
МатериалМаркаУсловия примененияНазначение V Siокружная скорость, MfC БаббитБ88 БС620 1550Подшипники быстроходных дизелей Подшипники автотракторных двигателейБронзаБрОЦС5-5-583Подшипники электродвигателей центробежных насосовЛатуньЛМцЖ52-4-142Подшипники рольгангов, конвейеров, редукторов
Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе – олову, свинцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.
Баббиты – антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Их применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках. По химическому составу баббиты классифицируют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК2, БКА). Последние не имеют в своем составе олова.
Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Микроструктура оловянносурьмяномедного баббита Б83 (рис. 1) состоит из мягкой основы, представляющей собой твердый раствор на базе олова. Твердыми частицами являются кубические включения SnSb и игольчатые кристаллы включений Cu3Sn.
Рис. 1. Микроструктура оловянного баббита Б83 при 200х увеличения: 1 – мягкая основа, 2 – кубические включения, 3 – игольчатые кристаллы.
Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное – свинец.
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. Из-за высокою содержания дорогостоящею олова их
используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых
турбин и т. п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов состоит из твердого раствора сурьмы в олове и твердых включений P”(SnSb) и Cu3Sn.
Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые
бронзы.
Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.
Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.
Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.
Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.
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. Их используют для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.
Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, например алюминиевые сплавы.
Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т. е. в виде биметаллического материала. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов:
Сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, содержащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3- 0,7%). Этот сплав хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения. Сплав АСМ широко применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала двигателей тракторов и автомобилей.
Сплавы алюминия с оловом и медью, например АО20-1 (20% олова и до 1,2% меди) и А09-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.
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.2), применяемою в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗО). Этот слой покрыт тонким слоем (~ 10 мкм) никеля или латуни. На него нанесен слой сплава Pb-Sn 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.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.
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.
§ 30. АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ
Требования к сплавам. Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. Трение происходит в подшипниках скольжения между валом и вкладышем подшипника. Поэтому для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения. Исходя из этих требований, антифрикционный материал представляет собой сочетания достаточно прочной и пластичной основы, в которой имеются опорные (твердые) включения. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. В этом случае трение происходит не по всей поверхности подшипника, а смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы.
Антифрикционными сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами (табл. 16). Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. Это, в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопроводность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.
Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе – олову, свинцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.
Сплавы. Баббиты – антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Их применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках. По химическому составу баббиты классифицируют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК2, БКА). Последние не имеют в своем составе олова.
Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Микроструктура оловянносурьмяномедного баббита Б83 (рис. 49) состоит из мягкой основы, представляющей собой твердый раствор на базе олова. Твердыми частицами являются кубические включения SnSb и игольчатые кристаллы включений Cu 3 Sn.
Рис. 49. Микроструктура оловянного баббита Б83 при 200 х увеличении:
1 – мягкая основа, 2 – кубические включения, 3 – игольчатые кристаллы
Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное – свинец.
Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.
Алюминиевые бронзы , используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.
Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.
Латуни по антифрикционным свойствам уступают бронзам. Их используют для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.
Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, например алюминиевые сплавы . Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т. е. в виде биметаллического материала. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов.
1. Сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, содержащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3-0,7%). Этот сплав хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения. Сплав АСМ широко применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала двигателей тракторов и автомобилей.
2. Сплавы алюминия с оловом и медью, например АО20-1 (20% олова и до 1,2% меди) и А09-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.
Для работы в подшипниковых узлах трения применяют специальные антифрикционные чугуны . Изготовляют три типа антифрикционного чугуна: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий (см. табл. 16). Антифрикционный чугун идет на изготовление червячных зубчатых колес, направляющих для ползунов и т. п. деталей машин, работающих в условиях трения.
Металлокерамические сплавы получают прессованием и спеканием порошков бронзы или железа с графитом (1-4%). Пористость сплава 15-30%. После спекания сплавы пропитывают минеральными маслами, смазками или маслографитовой эмульсией. Сплавы хорошо прирабатываются к валу, а наличие смазки в порах способствует снижению износа подшипника.
Эти материалы могут быть применены в паре трения в качестве «мягкой» поверхности, с защитными структурами 2-го рода. К антифрикционным материалам предъявляют определенные требования. Они должны иметь: 1) минимально возможный коэффициент трения (для снижения потерь на трение); 2) достаточную износостойкость; 3) способность быстро прирабатываться к твердым поверхностям и легко приспосабливаться к новым условиям работы узла; 4) повышенное сопротивление заеданию и задирам; 5) достаточную прочность; 6) достаточное сопротивление усталости, коррозии, эрозии и абразивному изнашиванию.
В конце 19-начале 20 вв. в технике при разработке антифрикционных сплавов применялся принцип Шарпи, сформулированный в 1897 г. В соответствии с этим принципом, антифрикционные сплавы должны иметь структуру, состоящую из вязкой основы и равномерно распределенных в ней твердых включений. Типичным примером реализации этого принципа являются оловяннистые баббиты. Позже появились новые антифрикционные сплавы, разработанные по другим принципам, например, с мягкими включениями (пример – свинцовистые), однофазные (полимеры) и другие. Современные антифрикционные материалы можно подразделить на металлические, неметаллические и комбинированные.
Металлические антифрикционные материалы
К этой группе материалов, в основном, относят цветные металлы и их сплавы. Одной из главных положительных свойств подшипников на базе цветных металлов является способность довольно легко прирабатываться к твердой поверхности и, тем самым, повышать образом, фактическую площадь контакта. Это снижает пиковые нагрузки в точках касания поверхностей и улучшает условия трения.
К металлическим материалам относят:
1. Баббиты – сплавы на основе олова (например, баббит Б83 содержит: 82…84 % Sn; 5…6 % Сu; 11% Sb). Структура баббитов состоит из мягкого -твердого раствора на основе олова и упрочняющих включений твердого раствора на основе SnSb (рис.3.6, а). Поскольку олово расширяет область существования структур 2-го рода, баббиты имеют высокую антифрикционность вследствие значительной прочности защитных структур на поверхности подшипника. Марки олов(янистих баббитов – Б83, Б89, Б91, Б93.
Поскольку олово является дорогим и дефицитным элементом, его стараются заменить в составе баббитов другими металлами. Так были разработаны баббиты-заменители, например, на основе свинца (марка Б16 содержит 15…17 % Sn; 15…17 % Sb; 64…68 % Pb), или на сонове свинца с добавкой кальция (марка БКА: 98…99 % Pb; 0,9…1,2 % Са). По антифрикционности баббиты-заменители уступают оловяннисті баббитам.
При изготовлении подшипника баббит заливается на вкладыш слоем толщиной 1-3 мм. Недостатком баббитов является низкое сопротивление усталости, что связано с гетерогенностью их строения. С понижением толщины покрытия сопротивление усталости баббитов возрастает.
2. Сплавы на основе меди . Среди сплавов на основе меди наилучшие антифрикционніе свойства имеют високооловяннистые (например, БРОФ 8-0,3: 8 % Sn; 0,3 % Pb) и низкооловяннистые (например, БРОЦС 4-4-2,5: 4 % Sn; 4 % Zn; 2,5 % Pb) бронзы (рис.3.6, б, в). Безоловяннистые бронзы (напр., БРАЖ 9-4) более дешевы, однако уступают оловяннистым по антифрикционности. Среди безоловяннистых бронз в лучшую сторону выделяются свинцовистые бронзы (БрС30; БрОС5-25): частицы свинца, присутствующие в структуре бронзы, попадая на поверхность трения, размягчаются и подплавляются при нагреве, образуя полужидкую прослойку, играющую роль смазки. Кроме того, свинец способствует образованию защитных структур 2-го рода, что облегчает достижение режима нормального трения. В условиях трения при значительных нагрузках (дорожные машины, станочное оснащение) используют алюминиевые бронзы.
Рис. 3.6 – Микроструктура баббита Б83 (а), деформируемой однофазной бронзы (5 % Sn) в состоянии рекристаллизации (б), литейной двухфазной бронзы (10 % Sn) .
В сравнении с бронзами латуни имеют меньший уровень антифрикционных свойств. Это обстоятельство обусловленная тем, что цинк (одна из главных составляющих латуней) расширяет область существования вторичных структур 1-го рода, чем ухудшает условия трения в паре «латунь – закаленная сталь». В качестве антифрикционных нашли использования кремниевые, марганцовистые и железо-алюминиевые латуни (рис.3.7).
Рис.3.7 – Микроструктура латуней: а – однофазная, б – двухфазная (темная – -фаза, светлая – -фаза) .
3. Сплавы на основе алюминия . Имеют достаточное сопротивление усталости, коррозии, высокую задиростойкость, хорошую антифрикционность. Такой комплекс свойств обусловил тенденцию замены оловяннистых и свинцовистых антифрикционных сплавов на алюминиевые композиции.
Антифрикционные сплавы на основе алюминия по структурным признакам подразделяют на две группы (табл.3.1). К первой группе относят сплавы, имеющие в структуре твердые включения (FeAl 3 , Al 3 Ni, CuAl 2 , Mg 2 Si, AlSb и т.д.), распределенные в пластичной металлической матрице. В структуре сплавов второй группы помимо твердых частиц находятся и мягкие интерметаллидные включение.
Перспективной является разработка материалов на Al-Sn или Al-Pb основе для высоконагруженных узлов трения с высокой стойкостью к задирам. Такие сплавы содержат до 40 % олова или не меньшее 14 % свинца .
Таблица 3.1 – Химический состав некоторых антифрикционных сплавов на основе алюминия .
| Содержимое, масс.% | ||||||||
4. Цинковые сплавы. Эти сплавы используются как заменители бронз и баббитов в узлах трения. Благодаря низкой температуре плавление (приблизительно 400 о С) цинковые славы размягчаются при трении быстрее, чем бронзы или алюминиевые сплавы, и поэтому легче прирабатываются к твердым поверхностям. Из цинковых сплавов изготовливают монометаллические и биметаллические детали. Наиболее широко используют сплав ЦАМ 10-5, в состав которого входят 9…12 % Al; 4…3,5 % Cu и 0,03…0,06 % Mg. После холодной пластической деформации этот сплав имеет следующие механические свойства: в =350 Н/мм 2 ; = 4,0 %; твердость 90 НВ .
5. Сплавы на основе железа . К антифрикционным сплавам на основе железа относятся серые чугуны и графитизированные стали. Главным фактором антифрикционности этих сплавов является присутствие в структуре графитных включений (рис.3.8). В парах трения используются чугуны марок АЧС (серые), АЧВ (высокопрочные), АЧК (ковкие) (литера “А” указывает на принадлежность чугунов к группе антифрикционных). Эти чугуны имеют перлитную основу и твердость 160…250 НВ. Наилучший эффект дает использование чугуна в контакте с поверхностями, твердость которых превышает 54 HRC.
Сталь используют в качестве антифрикционного материала лишь при легких режимах трения. Как правило, это медистые и графитизированные стали, имеющие в своей структуре включения свободного графита. Область использования антифрикционных чугунов также ограничивается легкими условиями работы (табл. 3.2).
Рис.3.8 – Микроструктура серых чугунов с феррито-перлитной основой: а – чугун с пластинчатым графитом, б – ковкий чугун, в – высокопрочный чугун .
Таблица 3.2 – Структура и условия применения антифрикционных чугунов (по ГОСТ 1585-85) .
| Твердость, | Микроструктура | Предельные режимы работы | ||||
| пластинчатый | ||||||
| пластинчатый | ||||||
| хлопьевидный | ||||||
| сферический | ||||||
6. Спеченные материалы . Спеченные материалы получают по технологии порошковой металлургии. Бывают:
а) сплавы на основе железа (ж); железа и графита (ЖГр1; ЖГр2); железа, графита и меди (ЖГр2Д2,5). Износостойкость спеченных материалов повышается введением Pb, Sn, P, S, пропиткой жидкой серой (возникают защитные вторичные структуры типа сульфидов);
б) сплавы на основе меди (так называемые бронзографиты ): БрОГр10-2; БрОСГр1-29-0,5. Например, сплав БрОГр10-2 содержит 83 % Cu; 10 % Sn; 5 % Pb; 2 % графита).
Одной из главных причин, определяющих высокую антифрикционность спеченных материалов, является наличие достаточно большого количества пор, пустот. Количество пустот контролируется при изготовлении материалов и зависит от нагрузки на подшипник. Благодаря заполнению пустот маслом при смазке эти материалы в дальнейшем могут применяться в условиях ограниченной подачи масла в зазор трения; при этом расходы смазки уменьшаются у десятки раз. При нагреве сплава в условиях трения масло выходит из пустот (за счет разного термического расширения металла и масла) и смазывает трущиеся поверхности. При тяжелых условиях трения перегревание узла вызывает тепловое расширение масла и растворенных в нем газов, что автоматически обеспечивает дополнительное смазывание поверхностей. При снижении температуры в зоне трения излишек масла всасывается пустотами спеченного материала. Таким образом, спеченный материал сам «регулирует» поступление и количество смазки в зону трения.
Отдельную группу металлических антифрикционных материалов составляют композиционные металлофторопластовые ленточные материалы . Впервые такие материалы были разработаны британской фирмой “Глассье”. Схематическое изображение ленточного материала представлено на рис.3.9. Материал состоит из слоя фторопласта-4 (политетрафторэтилен – ПТФЭ); спеченной оловяннистой бронзы, пропитанной свинцом и фторопластом, и стальной основы. Стальная основа обеспечивает механическую прочность композиции, бронза – хорошее соединение смазки (рb, ПТФЭ) с основой, а пористость спеченной бронзы обусловливает ее высокую теплопроводность, что уменьшает перегрев поверхности при трении.
Соединение разных материалов, дополняющих друг друга, обеспечивает эффект высокой износостойкости в условиях трения скольжение. Композиция работает без смазки при температурах от -200 о С до +280 о С, является стойкой к разнообразным промышленным жидкостям.
Рис. 3.9 – Структура металлофторопластового материала: 1 – слой ПТФЭ, 2 – спеченная бронза, 3 – стальная основа, А – рабочая поверхность .
Неметаллические материалы
К неметаллическим материалам, которые применяются в качестве антифрикционных, относятся пластмассы, древесина, композиты и т.п.
Пластмассами называют неметаллические материалы, синтезированные на основе смол и их композиций. В основном, пластмассы изготавливают в виде композитов, сочетающих матрицу и наполнитель. Введение наполнителей (армирование ) в 3-4 раза повышает прочность, теплостойкость и стабильность размеров детали. Наполнители пластмасс бывают:
а) органическими (целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, древесинная мука, и т.п.),
б) неорганическими (графит, тальк, Мо 2 , стеклянная ткань, асбест, и т.п.),
в) металлическими (Zn, Cu, Al, латунь).
К преимуществам пластмасс можно отнести высокую износостойкость при работе в отсутствии смазки и в агрессивных средах, значительную удельную прочность, высокие демпфирующие свойства (способствуют снижению шума и вибрации), достаточную технологичность и низкую стоимость. Вместе с тем пластмассы имеют такие недостатки, как низкая теплопроводность, довольно высокий коэффициент термического расширения, гигроскопичность (способность поглощать влагу из атмосферы).
Пластмассы делятся на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). При трении и разогреве термопластичные пластмассы размягчаются и быстро прирабатываются к твердым поверхностям. Термопласты способны многократно размягчаться при трении. Недостатком этот вида пластмасс является большой коэффициент термического расширения, что облегчает их терморастрескивание. К термопластичным пластмассам относятся:
– полиамиды (отличаются простотой и низкой стоимостью изготовления, имеют хорошие демпфирующие свойства, достаточно высокую прочность. Наилучший эффект достигается при использования полиамидов в паре с закаленной сталью);
– полиэтилены (имеют низкую прочность, высокий коэффициент термического расширения);
– винипласт (характеризуется значительной стойкостью к ударным нагрузкам, но низкой теплопроводностью и теплостойкостью);
– фторопласт (политетрафторэтилен ) (имеет высокую хладотекучесть, низкую теплопроводность; является токсичным при изготовлении);
– полиуретан, нейлон, капрон ;
– армированные термопласты : армированный нейлон, полиэтилен и т.д.
В отличие от термопластов, термореактивные пластмассы при нагреве в условиях трения начинают разлагаться, гореть с образованием сажистых продуктов реакции. Появление этих продуктов повышает силы трения, что не позволяет многократно использовать реактопласты при трении. Впрочем, последние имеют низкий (по сравнению с термопластами) коэффициент термического расширения, что способствует повышению стойкости против термического растрескивания.
К термореактивным пластмассам относятся:
Композиции на основе фенол- и креолформальдегидной смолы (текстолит, волокнит, гетинакс и др.);
Композиции на основе эпоксидних и фуранових смол.
К неметаллическим антифрикционным материалам также относятся материалы на основе древесины, резины, фторопластовые ткани, у глеграфитовые антифрикционные материалы .
Достаточно широко распространено использование древесины – естественного антифрикционного материала. Применяют твердые сорта деревьев, содержащие смолянистые, со смазочными свойствами, вещества (бук, самшит, бакаут). Другие породы древесины модифицируют уплотнением, пропитывают полимерами и маслами. В частности, для подшипников скольжения используют древесно-стружечные материалы ДСП-Б, ДСП-В и ДСП-Г.
Резину разных типов применяют при изготовлении деталей узлов, которые работают в условиях смазки водой. При трении без смазки нашла использования так называемая “скользкая” резина, которую получают прививкой к резиновым поверхностям молекул фтороуглеводов.
Антифрикционные ткани состоят из волокон фторопласта-4 и волокон других материалов (металлов, полимеров и др.). Особенностью таких тканей является то, что с лицевой стороны они имеют фторопластовую поверхность, а с обратной стороны – поверхность из другого материала. Антифрикционные ткани крепят к основе конструкции клеем или пайкой. Свойства некоторых антифрикционных тканей приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 – Свойства антифрикционных тканей на основе фторопласта-4 .
Углеграфитовые антифрикционные материалы (ВАМ). Этот тип материалов нашел использование в условиях трения без смазки в разнообразных газовых (за исключением инертных газов, обезвоженных газов и вакуума) и жидких агрессивных средах при температурах от минус 200 о С до +200 о С. Они имеют высокую теплопроводность (93…210 Вт/(г о С)), очень низкий коэффициент термического расширения (=(23)10 -6), термическую стойкость в нейтральных и восстановительных газовых средах с температурой до 3000 о С, коррозийную стойкость в растворах кислот, щелочей, в солевых растворах и органических растворителях.
ВАМ вырабатывают с углеродсодержащих компонентов – нефтяного кокса, сажи, антрацита, естественного графита. После обжига (при 1000-1560 о С) и графитирования (при 2200-2500 о С) получают спеченные полые материалы. Пустоты заполняют смолами, металлами, полимерами. Пропитка улучшает прочность и плотность ВАМ.
Недостатками графитовых материалов есть повышенный износ (пылевидное изнашивание) при трении в средах нейтральных или обезвоженных газов, а также в вакууме.
