Какими свойствами должны обладать антифрикционные сплавы
Антифрикционные сплавы представляют собой группу материалов, которые обладают небольшим коэффициентом трения или способны понизить его у других композитов. Твердые смазочные источники устойчивы к изнашиванию при длительном использовании. Ими покрывают различные трущиеся поверхности. Для этого используют фторопласт, латунь, бронзу, железографит и баббит. Материалы должны быть пластичными и износостойкими, полностью отвечать нагрузкам при эксплуатации деталей и конструкций.
Некоторые особенности сплавов
Основная роль антифрикционных сплавов состоит в повышении срока службы соприкасающихся поверхностей различных механизмов и машин. Их применяют в основном для изготовления втулок и подшипников или для нанесения их на поверхности трущихся деталей. С одной стороны, сплавы должны обладать пластичностью и хорошо прирабатываться, а с другой – быть твердыми и прочными, для уменьшения износа деталей.
Для выполнения этих условий делают композиты разнородной структуры: основа мягкая и пластичная, а вкрапления в нее более твердые. Благодаря этому, в процессе работы детали мягкая основа стирается, образуя на поверхности рельеф. А это способствует неплохой циркуляции смазочных масел по соприкасающимся поверхностям, что уменьшает коэффициент трения и повышает производительность работы механизма. При использовании антифрикционных сплавов необходимо учитывать и их теплопроводность, чтобы трущиеся части деталей не перегревались.
Основные свойства сплавов
Сплавами с антифрикционным эффектом заливают вкладыши подшипников скольжения. Требования к ним устанавливаются в зависимости от условий, в которых работают детали. Материал, из которого они вырабатываются, обязан располагать следующими свойствами антифрикционных сплавов:
- достаточной пластичностью, чтобы иметь способность прирабатываться к вращающейся поверхности и твердостью, необходимой для вкладыша, но не истирающей вал;
- рабочая поверхность должна способствовать удержанию смазочного материала;
- небольшим коэффициентом трения с материалом, из которого изготовлен вал вращения;
- невысокой температурой плавления.
Какие сплавы используют в качестве антифрикционных материалов
Все сплавы такого рода делятся на три группы:
- Белые – баббиты. Основой их является олово и свинец, а примеси состоят из меди и сурьмы. Самыми высококачественными считаются оловянные баббиты. Они способны выдерживать значительную частоту вращения вала. Их применяют для изготовления турбинных подшипников крупных двигателей для водных судов, турбокомпрессоров, турбонасосов. Они отличаются хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам и минимальным коэффициентом трения. Баббиты из свинца используют для машин с меньшими нагрузками. Кальциевые, основой которых является свинец с небольшой добавкой кальция, натрия, магния и других элементов, быстро изнашиваются и применяются только при небольшой нагрузке, но и стоимость их значительно меньше, чем оловянных и свинцовых.
- Желтые – бронза и латунь. Распространено применение оловянных бронз. Кроме высоких антифрикционных свойств, они обладают отличной твердостью и имеют хорошую антикоррозийную устойчивость. А также используют оловянно-фосфорные и оловянно-свинцовые бронзы для деталей разного вида машин. Подшипники для дизелей, авиамоторов и двигателей трактора делают из бинарных свинцовых бронз, где доля последнего доходит до 30 %. Такие антифрикционные сплавы используют в качестве готовых отливок (втулок) и вкладышей подшипников. Для их изготовления используют стальную ленту, поверхность которой залита свинцовой бронзой. Для совсем мелких подшипников применяют оловянно-свинцово-цинковый металл. Бронзы (марганцовистая, кремнистая, алюминиевая) без содержания олова также находят свое применение. Латуни по смазочным свойствам уступают последним. Их чаще всего используют как антифрикционные сплавы подшипников при работе деталей на малых скоростях и небольших нагрузках.
- Черные – антифрикционные чугуны. Они применяются как дешевые материалы в основном двух типов:
- перлито-графитовый: основа его состоит из перлита и имеет твердую структуру, графит – мягкое вещество, способствующее улучшению условий смазки и неплохо впитывающее смазочные масла;
- феррито-графито-фосфидный: структура его состоит из мягкой и пластичной основы с вкраплением твердых фосфидов.
Сплавы для подшипников
Антифрикционные материалы находят широкое применение. При изготовлении подшипников, используемых в нынешних автомобилях и приборах, они востребованы, благодаря их бесшумной работе, стойкости к вибрациям и малым размерам. К группе антифрикционных подшипниковых сплавов принадлежат бронзы, баббиты, латуни, серые чугуны и отдельные сплавы алюминия.
Для выбора материала важно знать режим смазки и условия, при которых работает подшипник. Металлические смазочные материалы определены для режима жидкостного трения – вал и подшипник разделяются тонкой масляной пленкой. Но при пуске и остановке машины отмечается режим граничной смазки. Она может разрушиться и в результате перегрева узла подшипника. Как поведет себя материал в данном случае, будет зависеть от его тяготения к схватыванию.
Припои для пайки
Для совмещения деталей из металла применяют пайку. Для качественной работы необходим соответствующий припой. Он состоит из сплава олова, чаще всего со свинцом, взятым в различных пропорциях в зависимости от назначения. Так, сплав, содержащий 62% свинца и 38% олова, применяют для пайки деталей в электротехнике и электронике. Иногда используют припои и не содержащие свинец. Но большая часть антифрикционных сплавов и припоев обязательно включает в свой состав олово и свинец. Эти сплавы сохраняют механизмы машины, уменьшая трение, а припои позволяют соединять металлические детали.
Алюминиевые сплавы
Антифрикционные сплавы из алюминия содержат никель, олово, медь, сурьму, кремний и обладают:
- неплохими смазочными свойствами;
- значительной теплопроводностью;
- коррозийной стойкостью в масляной среде;
- хорошими механическими и технологическими свойствами.
Их используют в виде тонкого покрытия, которое наносится на стальное основание. Алюминиевые сплавы по химическому составу делятся на две группы, включающие:
- Сурьму и медь. Эти металлы образуют твердые вкрапления в мягкую алюминиевую основу. Сплавы выдерживают большую нагрузку и высокие скорости при жидкостном трении. Используются в автомобилях и тракторах в качестве вкладышей для подшипников коленчатого вала.
- Медь и олово. С такими добавками сплавы работают при наличии полужидкого и сухого трения. По антифрикционным свойствам схожи с баббитами. Из них изготовливают подшипники в автомобильной и машиностроительной промышленности.
Разные области применения антифрикционных сплавов
Баббиты – это сплавы, основой которых является олово и свинец. Кроме того, в их состав вводят легирующие добавки для улучшения свойств. Баббиты превосходят все сплавы по антифрикционным свойствам, но имеют низкую сопротивляемость усталости. Поэтому их используют для тонкого слоя покрытия поверхностей опор скольжения. Оловянные баббиты считаются лучшими по своим свойствам, но имеют высокую цену, поэтому их используют в ответственных ситуациях (для подшипников дизельных двигателей, турбокомпрессоров, паровых турбин).
Хорошая теплопроводность сплавов позволяет применять их на высоких скоростях и больших нагрузках, сохраняя надежность подшипниковых узлов. Недостатком является резкая потеря износостойкости при повышении температуры выше 70 градусов Цельсия. Свинцовые баббиты несколько уступают оловянным, но и стоят дешевле. Они находят применение для подшипников тепловозов, оборудования тяжелого машиностроения, путевых машин, автомобильных и тракторных двигателей. Самыми дешевыми из баббитов являются кальциевые. Они легко окисляются, имеют небольшую теплопроводность. Используют их в конструкциях железнодорожного подвижного состава. Имея малую прочность, баббиты хорошо эксплуатируются в подшипниках с прочным стальным или чугунным корпусом.
Цинковые сплавы
В их состав входит алюминий и медь, и добавлен магний, который увеличивает коррозийную стойкость. Цинковые сплавы используют в литом, прокатном и прессованном состоянии. Они отличаются высокими антифрикционными свойствами, хорошей прочностью.
Прекрасно заменяют бронзы в узлах трения при температуре не выше 100 градусов по Цельсию. При более высоких температурных режимах они размягчаются и происходит намазывание на вал. Из антифрикционных цинковых сплавов производят литые биметаллические и монометаллические детали (вкладыши, втулки, ползуны).
Заключение
В основу состава антифрикционных сплавов входит олово, свинец, медь или алюминий. Они гарантируют минимальное трение в подшипниках скольжения, обеспечивают отличную прирабатываемость соприкасающихся деталей, высокую теплопроводность, небольшой коэффициент трения, возможность сохранять смазку. В практической деятельности чаще всего используются серые чугуны, алюминиевые сплавы, латуни и бронзы, баббиты.
К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения (рис. 1). В судовом машиностроении из этих деталей конструируются кинематические узлы с вращательным или качательным движением. 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 (рис. 2).
- канал подачи смазочного материала;
- вкладыш;
- корпус;
- зазор, заполненный смазочным материалом;
- цапфа вала
Рис. 1. Типовая конструкция подшипника скольжения
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 (серый чугун),
- металлокерамические (бронзографит, железографит),
- пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древесноложные пластики и др.),
- а также сложные композиции типа “металл–пластмасса”.
Рис. 2. Различные конструктивные узлы трения
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 (рис. 3). 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.
Рис. 3. Схема «вал – вкладыш»
1. Баббиты
Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320МПа), 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 (табл.1).
Табл.1. Химический состав баббитов (ГОСТ 1320–74).
Литейные сплавы на основе свинца, и олова для многослойных подшипников регламентированы международным стандартом. К ним относятся сплавы на основе свинца: PbSb15SnAs; PbSb15Sn10; PbSb14Sn9CuAs; PbSb10Sn6 и олова SnSbl2Cu6Pb; SnSb8Cu4; SnSb8Cu4Cd. Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83% Sn, 11% Sb и 6% Си. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов β – фазы (твердые включения) и темных α – кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в α – фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Промежуточную фазу можно рассматривать как твердый раствор на основе соединения SnSb. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллиды Cu3Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких β – кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз – α, β (SnSb) и g (Cu3Sn.) (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктура баббита Б83 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)
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.
Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром (рис. 5), – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности. В сплаве Б16 первично выделяются кристаллы соединения Cu6Sn5, затем двойная эвтектика β +Cu6Sn5и тройная эвтектика α +β +Cu6Sn5.
Рис. 5. Микроструктура баббита Б16 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)
Фаза β – это твердый раствор на соединения SnSb содержащий значительное количество свинца, β – фаза – твердый раствор олова и сурьмы в свинце. Твердыми включениями в этом баббите являются β – фаза (белые граненые кристаллы) и интерметаллиды g (Cu6Sn5) – (звездчатые кристаллы). Пластичная основа – эвтектическая смесь (β + g), в которой β – фаза светлая, g – фаза темная. Пестрая структурная составляющая с ярко выраженным эвтектическим строением резко отличает микроструктуру сплава Б16 от микроструктуры баббита Б83.
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.
2. 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 (рис. 6). Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы.
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 (Си) 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. 52 изображена микроструктура БрС30.
Рис. 6. Схемы исполнения биметаллических и триметаллических подшипников
Биметаллические подшипники имеют стальное основание обеспечивающее жесткость и натяг в тяжелых условиях повышенной температуры и циклических нагрузок.
Второй слой материала состоит из антифрикционного сплава. Его толщина относительно велика – она составляет около 0.3 мм. Толщина антифрикционного слоя является важной характеристикой биметаллических подшипников, которые способны прирабатываться и приспосабливаться к относительно большим геометрическим дефектам. Биметаллический подшипник также обладает хорошей абсорбционной способностью, поглощая как мелкие, так и крупные включения в масле.
Обычно рабочий слой сделан из алюминия, содержащего 6 – 20% олова в качестве твердого смазочного материала, обеспечивающего антифрикционные свойства. Кроме этого, сплав часто содержит 2 – 4% кремния в виде мелких включений, распределенных в алюминии. Твердый кремний упрочняет сплав и также обладает способностью полировать поверхность вала. Присутствие кремния особенно важно при работе с валами из ковкого чугуна. Алюминиевый сплав может быть дополнительно упрочнен небольшими добавками меди, никеля, марганца, ванадия и других элементов.
Рис. 7. Микроструктура бронзы БрС30 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)
3. Антифрикционные сплавы на основе железа
Стали. 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 2 приложения приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.
Табл.2. Состав (в %) антифрикционных сталей Антифрикционный чугун.
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.
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.
Рис. 8. Структуры антифрикционных чугунов с глобоидальной и шаровидной формой графита на перлитной основе
4. Назначение антифрикционного чугуна
Таблица 4.
| Марка чугуна | Назначение |
| АЧС-1 | Для работы в паре с закаленным или нормализованным валом |
| АЧС-2 | То же |
| АЧС-3 | Для работы в паре с закаленным или нормализованным валом, или валом, не подвергающимся термической обработке |
| АЧС-4 | Для работы в паре с закаленным или нормализованным валом |
| АЧС-5 | Для работы в особо нагруженных узлах трения в паре с закаленным или нормализованным валом |
| АЧС-6 | Для работы в узлах трения при температуре до 300 °С в паре с валом, не подвергающимся термической обработке |
| АЧВ-1 | Для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом |
| АЧВ-2 | Для работы в условиях трения с повышенными окружными скоростями в паре с валом, не подвергающимся термической обработке |
| АЧК-1 | Для работы в паре с закаленным или нормализованным валом |
| АЧК-2 | Для работы в паре с валом, не подвергающимся термической обработке |
5. 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; Al3Ni; CuAl2; Mg2Si 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.
| Группа | Сплав | Ni | Mg | Sb | Cu | Si | Sn | Ti |
| I II | АН-2,5 АСМ АО9-1 АО3-1 АО9-2 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 |
Заключение
Конструкционные материалы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современное судостроение без конструкционных материалов. Области применения конструкционных материалов многочисленны: авиационно-космическая, ракетная, энергетическое турбостроение, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.
Просмотров: 1 806