ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 28
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекция 14
Антифрикционные материалы
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 “металл–пластмасса”.
В табл. 1 приведена номенклатура антифрикционных материалов.
Таблица 1
Номенклатура антифрикционных материалов
| Индекс группы | Наименование | Марка |
| А | Баббит: Оловянный Свинцовый Свинцово - никелевый | Б88, Б83, Б83С Б16 БН |
| Б | Бронза: 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 БрАЖ9-4 БрС30 |
| В | Латунь: Марганцовистая Марганцовисто-железистая Кремнистая Свинцовая | ЛМц58-2 ЛМцЖ55-3-1 ЛК80-3 ЛС59-1 |
| Г | Неметаллические материалы: Резина Древесно-слоистый пластик Древесно-текстолитовый пластик Текстолит Бакаут Фторопласт Полиамид литьевой Полиамид, наполненный графитом Полиамид стеклонаполненный Смола капроновая Капролон Углеграфитовый материал, пропитанный баббитом | 8130, 8075, 1626 ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В Д5ТСП ПТК-С Ф4, Ф40 610 П68Г-5, П68Г-10 КПС-30, П-6ВСУ Б В ЭГ-О-Б83 |
| Д | 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.
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
| Марка | Олово | Сурьма | Медь | Кадмий | Никель | Свинец |
| Б88 Б83 Б16 БН | Остальное Остальное 15,0 – 17,0 9,0 – 11,0 | 7,3 – 7,8 10,0 – 12,0 15,0 – 17,0 5,5 – 6,5 | 2,5 – 3,5 5,5 – 6,5 1,5 – 2,0 1,5 – 2,0 | 0,8 – 1,2 – – 0,1 – 0,7 | 0,15 – 0,25 – – 0,1 – 0,7 | – – 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 Cu3Sn (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.
а б
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.
а б
Рис. 2. а – микроструктура бронзы БрС30; б – схематическое изображение микроструктуры)
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 3 приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.
Таблица 3
Состав (в %) антифрикционных сталей
| Сталь | Cu | Al | C | Si | Mn | S | P |
| Медистая Графитизированная | 32 – | 2,5 – | 0,1 1,6 | – 1,0 | – 0,3 | – 0,03 | – 0,03 |
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 | |||
| АЧС-1 АЧС-2 АЧС-3 АЧС-4 АЧС-5 АЧС-6 АЧВ-1 АЧВ-2 АЧК-1 АЧК-2 | 180 – 241 180 – 229 160 – 190 180 – 229 180 – 290 100 – 120 200 – 260 167 – 197 187 – 229 167 – 197 | Пластинчатый то же то же то же Пластинчатый то же Шаровидный Шаровидный Хлопьевидный Хлопьевидный | Перлитная Перлитная П + Ф П Аустенитная Перлитная, пористая Перлитная П + Ф П Ф + П | 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; 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
Состав (в %) алюминиевых антифрикционных сплавов
| 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 |