Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

Рис. 11.6. Микроструктура баббита Б83. х400

Таблица 11.2. Характеристики антифрикционных материалов

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрО10Ф1, БрО10Ц2, ко вторым — Бр05Ц5С5, БрОбЦбСЗ (ГОСТ 613-79). Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения

(см. табл. 11.2).

Впоследнее время бронзы широко используются как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.

Латуни применяют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40МцЗА и т.д. (ГОСТ 17711-93) применяют при малых скоростях скольжения (< 2 м/с) и невысоких нагрузках. Их часто используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрСЗО, 30 % РЬ (ГОСТ 493-79), и алюминиевые сплавы с оловом, например сплав А09-2 (9% Sn, 2% Си). Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения

Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении (см. табл. 11.2).

Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу — для наплавки на стальную ленту.

К сплавам второго типа относятся также серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. Для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения (см. табл. 11.2) используют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны: серые АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3; высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2; ковкие АЧК-1, АЧК-2 (ГОСТ 1585-85). С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов — невысокая стоимость; недостатки — плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Внастоящее 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.

Вкачестве примера разберем строение четырехслойного подшипника (рис. 11.7), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он

состоит из стального основания, слоя (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗО), тонкого (~ 10 мкм) слоя никеля или латуни и слоя свинцовооловянного сплава толщиной 25 мкм.' Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющий 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.

Рис. 11.7. Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения: 1 - сплав свинца и олова; 2 - никель; 3 - свинцовистая бронза; 4 – сталь

Из неметаллических материалов для изтотовления подшипников скольжения применяют термореактивные и термопластичные пластмассы (более десять видов). Среди термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники могут работать в тяжелых условиях, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает.

Из полимеров наиболее широко применяют полиамиды: ПС 10, анид, капрон и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинства полимеров: низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочного материала по стали составляет 0,04 - 0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой и, как все полимеры, плохо отводит теплоту. Его можно применять лишь при ограниченных нагрузках и скоростях. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.

Комбинированные материалы состоят из нескольких металлов и неметаллов, имеющих благоприятные для работы подшипника свойства. Рассмотрим подшипники двух типов.

1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо — графит, железо — медь (2 - 3 %) - графит или бронза - графит. Графит вводят в

количестве 1 - 4 %. После спекания в материале сохраняют 15 - 35 % пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры

раскрываются полнее, и смазочный материал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регулирование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

2. Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде свертных втулок методом точной штамповки. Лента состоит из четырех слоев (рис. 11.8). Первый слой (приработочный) выполнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена (25 %). Толщина слоя 0,01 - 0,05 мм. В тех случаях, когда допустимый линейный износ достаточно велик, первый слой утолщают до 0,1 - 0,2 мм. Второй слой (~ 0,3 мм) — бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы БрО10Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферической формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20 % РЬ (или фторопласта и дисульфида молибдена). Третий слой (0,1 мм) образован медью. Его назначение — обеспечить прочное сцепление бронзового пористого слоя с четвертым слоем — стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1- 4 мм.

Рис. 11.8. Схема строения металлофторопластовой ленты:

1 - фторопласт с дисульфидом молибдена; 2 - бронза в слое фторопласта; 3 - медь; 4 - сталь

При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающий его фторопласт выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку.

При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327 ° С, происходит плавление свинца. Образующаяся жидкая фаза снижает коэффициент трения и тепловыделение.

Металлофторопластовые подшипники имеют высокие антифрикцион-

ные свойства (в диапазоне 200 .. .280° С / = 0,03 .. .0,1; pv - 1500 • 10 5 Па • м/с).

Их используют в узлах трения, работающих без смазочного материала, хотя его введение оказывает благоприятное действие. Они могут работать в вакууме, жидких средах, не обладающих смазочным действием, а также при

наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющей материала. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Минералы — естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд) — или их заменители — ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения — камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах — часах, гироскопах, тахометрах и т.д. Главное достоинство таких опор — низкий и стабильный момент трения. Низкое трение достигается малыми размерами опор, что уменьшает плечо действия силы трения, а также 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.

ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент; они работают в тяжелых условиях изнашивания — при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 ° С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Материал выбирают по предельной поверхностной температуре нагрева и максимальному давлению, которые он выдерживает. Неметаллические

материалы применяют при легких (tпред < 200 ° С, рmax < 0,8 МПа) и средних (tпред = 400 ° С, рмах = 1,5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют асбофрикционные материалы] состоящие из связующего

(полимеры каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придает материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют медь, алюминий, свинец, латунь в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания (этому же способствует свинец, который, расплавляясь, служит как бы жидким смазочным материалом); оксиды или соли металлов (ZnO, BaS04 и др.) для увеличения коэффициента трения.

Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25% фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, кусочки латуни и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент