Баббиты

Наиболее давним подшипниковым материалом называют оловянистую бронзу (8-16% Sn). Затем в середине XlX века появляются мягкие сплавы на основе олова и свинца - баббиты (их изобрел английский инженер И. Баббит). В двойной системе Sn-Sb оптимальным будет сплав, состоящий из 87% Sn и 13% Sb. Его структура - двухфазная - α + β, где α - твердый раствор Sb в Sn, а β ' - твердый раствор на базе интерметаллидного сое­динения SnSb. Баббиты на основе Sn являются сплавами тройной системы Sn-Sb-Сu.

В состав баббитов вводят л. э.: Sb - прочность сплава, Си - увели­чивает твердость и ударную вязкость, Ni - вязкость, твердость, из­носостойкость, Cd - прочность и коррозионную стойкость, Те и As - из­носостойкость.

Маркируются буквой Б, за которой следует цифра - содержание основ­ного компонента Sn (остальное - Sb и Си).

Оловяннистый баббит - Б83 (83% Sn + 10-12% Sb + 5-7% Си) имеет структуру состоящую из ажурных первичных кристаллов-дендритов промежу­точной фазы Cu^Sn^-, многогранных (полиэдрических) кристаллов фазы SnSb и - твердого раствора - c? t - Sn (Sb, Cu).

При формировании структуры прежде всего кристаллизуются сильно разветвленные длинноосевые дендриты Cu^Sn^r Они образуют своеобразный скелет в жидком расплаве, препятствуя всплытию легких кристаллов SnSb. Твердые, хорошо полирующиеся кристаллы SnSb оседают на ветвях Cu^Sn^-, равномерно распределяясь в объеме отливки. В последнюю очередь кристаллизуется мягкая основа - at - твердый раствор.

Оловянистые баббиты имеют большую усталостную прочность по сравне­нию со свинцовыми.

Баббиты на основе РЬ: сурьмянистые (БС - без олова; оловянносурь-мянные - Бб, ЬТ, БН) и щелочноземельные (БК).

В системе Pb-sb эвтектика мягкая и недостаточно пластичная (состо­ит из 87% РЬ и 13% Sb). Доэвтектические сплавы, имеющие структуру (эв­тектика (РЬ + Sb) + РЬ), являются слишком мягкими.

Подшипниковыми являются завтектические сплавы, содержащие 16-18% Sb,

Присутствующая в сплавах Си преследует главную цель - уменьшить ликвацию выделением игл соединения Cugb (+ повышает твердость).

Баббит БС (80, 5^% РЬ + 16-18% Sb + 1, 0-1, 5% Си), имеет структуру: мягкая основа - эвтектика (РЬ + Sb) (HB 7-8) + твердые включения -кристаллы Sb (HB 30) + иглы CuSb.

Баббиты Б6, БТ, БН - являются сплавами тройной системы Pb-^n-Sb.

Они легированы Си и (Cd и Те) или Си и As, или Си и (Ni иUd).

Их структура: эвтектика (РЬ + SnSb) + соединения л. э. (TePb, AsPb,
SnAs*,) + иглы CuSb. Где: РЬ - мягкая свинцовая основа, a (SnSb, TePb,
AsPb, SnAs^H иглы CuSb) - твердые включения. *•'*"

Для подшипников, эксплуатируемых при скоростях скольжения до. 50 м/с и удельных нагрузках 10... 20 МПа вкладыши изготавливают из сплавов на основе Sn - Б83, Б83С. Подшипники скольжения из свинцовых баббитов - Б16, БН, БС6, БКА работоспособны при скоростях скольжения до 30 м/с и нагрузках 75... 100 МПа.

Дефицитность Sn и РЬ заставляет изыкивать сплавы на другой, менее дефицитной основе (цинка, меди и алюминия).

Баббит БК (0, 85-1, 15% Са, 0, 6-0, 9% Na) легированы щелочно-земель-ными^Ме и не содержат Sb, Sn и Си. Их гл. недостаток - маллая коррози­онная стойкость на воздухе и выгорание щелочно-земельных Me из распла­ва. Зато по твердости и износостойкости они не уступают свинцово-сурь­мянистым и даже оловянным.

Структура: мягкая основа (твердый раствор Na в РЬ) + твердые вклю­чения PbjCa.

Баббиты обладают низкой твердостью (НВ 130-320 МПа), имеют невысо­кую температуру плавления (240-320°С), повышенную размягчаемость (НВ 90-240 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.

Стандартизированы 2 группы сплавов - литейные сплавы на основе свинца и олова для многослойных подшипников:

ГОСТ 1320-74 - на основе Sn - Б88; Б83; Б83С;

на основе РЬ - Б16; БН; БС6. ГОСТ 1209-78 - на основе РЬ - БКА; БК2; БК2Е

Наиболее распространенные в зарубежной практике баббиты ИСО 4381 -на основе свинца: PbSM5SnAs, PbSbl5SnlO, PbSM4Sn9CuAs, PbSbl0Sn6 на основе олова: SnSbl2Cu6Pb, SnSb8Cu4, SnSb8CuCd.

Подшипники скольжения из баббитов изготавливают в виде биметалли­ческих деталлей (вкладышей). Работоспособность баббитовых подшипников зависит от температуры и толщины вкладыша. Выбор подшипниковых сплавов должен осуществлятся с учетом толщины слоя баббита.

Тонкослойные подшипники работают в условиях жидкостного трения, поэтому антифрикционные свойства материала вкладыша имеют меньшее зна­чение. Баббитные вкладыши в них подвержены усталостным повреждениям под действием значительных циклических нагрузок.

При толщине баббитного вкладыша меле£ 1±_мм. желательна однофазная структура пониженной твердости до НВ 150-200 МПа (= лучшей прирабаты-ваемости) при достаточном сопротивлении смятию, усталости и высокой прочности сцепления с подложкой (с материалом корпуса подшипника).

Для тонкослойных подшипников применяют сплавы на основе РЬ -СОСб-6, БС2, БК2.

Для мощных авиамоторов в качестве антифрикционного материала при­
меняют серебро, наплавляемое на стальную ленту. Его покрывают тончай­
шим слоем (20-30 мкм) свинца.

Подшипники с толщиной баббитного слоя около 3 мм используют при " сравнительно легких условиях работы. К такому типу относятся подшипни­ки скольжения вагонов, вкладыши тихиходных мощных судовых двигателей, компрессоров...

Баббитный слой таких подшипников имеет гетерогенную микроструктуру типа сплава Б83 (с крупными твердыми кубическими кристаллами SnSb). Такой слой обладает способностью хорошо прирабатываться и является своеобразным компенсатором всякого рода неточностей, возникших при об­работке и монтаже или возникающих в процессе эксплуатации).

АНТИФРИКЦИОННЫЕ цинковые сплавы (ПОДШИПНИКОВЫЕ)

Для изготовления малонагруженных подшипников скольжения, эксплуа­тируемых при скоростях скольжения до 3 м/с и удельных нагрузках до 20 МПа, используют цинковые антифрикционные сплавы.

Цинковые сплавы уступают баббитам на оловянной основе по пластич­ности, коэффициенту трения, коэффициенту линейного расширения (и при­мерно равноценны свинцовистым баббитам).

Цинк менее дефицитен, чем олово и свинец. Его сплавы - дешевле.

Цинковые подшипники успешно заменяют бронзовые при Т эксплуатации, не превышающих 120°С. Они легче прирабатываются (размягчаясь при наг­реве), т.к. Т плавления цинковых сплавов (около 400" С), т.е. ниже, чем у бронз и А1 сплавов.

Цинковые сплавы явлются весьма технологичными при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей.

Соединение цинкового сплава со сталью легко достигается литьем и совместной прокаткой, а также жидкостным цинкованием (нанесение расп­лава).

Сплавы на цинковой основе легируют А1, Си, Мп и микродозами Mg (0, 03-0, 06%): ЦАМЭ-1, 5; ЦАМ10-5.

После горячей обработки давлением (при 250-300 " С) прочность и пластичность цинковых сплавов повышаются. Например, для литого сплава ЦАМ9-1, 5 предел выносливости при переменном изгибе вращающихся круглых образцов - 50 МПа, а для прессованного сплава - 100-110 МПа.

АНТИФРИКЦИОННЫЕ медные сплавы (ПОДШИПНИКОВЫЕ) Антифрикционные медные сплавы - это бронзы и латуни.

Монометаллические подшипники (вкладыши, втулки...) изготавливают из бронз, обладающих достаточной прочностью и твердостью.

Бронзы, употребляемые в таких подшипниках, подразделяют на сплавы с высоким (до 10%) и низким (до 3%) содержанием олова. В ответственных случаях используют бронзы с высоким содержанием Sn.

Для монометаллических подшипников иногда используется свинцовистая бронза БрОС5-25.

Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без оло­ва (БрСЗО) или с 1% Sn.

В тяжелонагруженных трибосистемах (дорожные машины, тяжелое ста­ночное обрудование...) применяют высокопрочные алюминиевые бронзы.

В качестве антифрикционных материалов используют и латуни (крем­нистые, марганцовистые и алюмвниево-железные).

АНТИФРИКЦИОННЫЕ алюминиевые сплавы (ПОДШИПНИКОВЫЕ)

Алюминиевые сплавы относят к эффективным подшипниковым сплавам. Они обладают достаточным сопротивлением усталости, коррозионной стой­костью в маслах, имеют сравнительно высокую задиростойкость и хорошие антифрикционные свойства.

А1 сплавы употребляют для изготовления монометаллических деталей (втулок, подшипников, шарников...) и биметаллических подшипников. Их изготавливают штамповкой из биметаллической полосы или ленты (слой А1 сплава соединяют прокаткой со сталью).

Для монометаллических подшипников употребляются сравнительно твер­дые сплавы, а для биметаллических вкладышей - слой из менее твердого пластичного сплава

Классифицируются А1 подшипниковые сплавы преимущественно по мик­роструктурному признаку:

I группа - двухфазные сплавы, имеющие включения твердых структур­
ных составляющих (FeAL, Al.Ni, CuAb, Mg.Si, AlSb, Si...) в пластич­
ной Me основе: ^J * x

система AL-Sb-Ni - AH-2, 5 (2, 7-3, 3% Ni, 3, 5% Sb);

система Al-Sb + Mg - ACM (0, 3-0, 7% Mg, 3, 5-6, 5% Sb); система Al-Si + Cd или Си, Ti - AlSi4Cd, AlSillCup; система Al-Cd + Cu, Ni - ^AlCd3CuNi.

II группа - наряду с твердыми составляющими имеются мягкие включе­
ния:

система Al-Sn + Си - А09-1 (9% Sn, 1% Си); АОЗ-1, А09-2,

А09-2Б, А020-1, AlSn20Cu, AlSn6Cu.

Наибольшее применение из А1 подшипниковых сплавов получил сплав ACM (Al-Sb + Mg). По антифрикционным свойствам он близок к свинцовой бронзе, однако превосходит ее по коррозионной стойкости и технологич­ности.

Сплав АСС-6-5 содержит в своем составе свинец (5%), что придает ему высокие противозадирные свойства.

Подшипники скольжения из сплавов АСМ и АСС-6-5 применяют взамен бронзовых в дизельных двигателях.

Сплавы, содержащие РЬ (до 14%), обладают способностью хорошо соп­ротивляться задиру при ультратонких смазочных слоях.

Из А1 сплавов, легированных оловом (АОЗ-1, А09-1, А09-2Б, А020-1), изготавливают тяжелонагруженные подшипники скольжения (автомобиле-, судо- и общее машиностроение).

Высокооловянистые сплавы А1 (до 40% Sn) по триботехническим свойствам не уступают бронзам.

Высокий к-т теплового расширения А1 (по сравнению с чугунами и сталями) ограничивает применение А1 сплавов для производства мономе­таллических подшипников.

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ

Стали в качестве антифрикционных материалов используют в очень легких условиях работы трибосистемы (при небольших удельных давлениях и невысоких скоростях скольжения). Как замена бронз.

Будучи твердыми и имея высокую Т плавления, стали плохо прирабаты­ваются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры.

Обычно используют так называемые медистые стали, содержащие малое количество углерода (32% Си + 2, 5%" А1 + и, 1% С), либо графитизирован-ные, имеющие включения свободного графита (1, 6% С + 1, 0% Si).

Чутуны (ГОСТ 1585-85) применяют для подшипников с легкими условия­ми работы.

Антифрикционные свойства чугунов определяются в значительной сте­пени строением графитной составляющей. Чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками графита более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками графита. В структуре чугуна желательно иметь ми­нимальное количество свободного феррита (не более 15%).

Рысокопрочный чугун: АЧВ-1 на перлитной основе; АЧВ-2 на П-Ф осно­ве. Ковкий чугун: АЧК-1 на П основе; АЧК-2 на Ф-П основе. Серый чугун: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4 на П основе; АЧС-6 на П пористой основе, АЧС-3 на П-Ф основе; АЧС-5 на аустенитной основе.

Антифрикционные сплавы.

Эти сплавы получают из порошков как черных, так и цветных металлов. После составления шихты и получения порошков металлов последние спрессовывают в штампах под давлением 1000-6000 кг/см2, а затем спекают при температуре, равной 0, 4 температуры плавления основного металла (что обеспечивает возможность протекания в порошках диффузии).Изменяя режимы прессования и спекания, можно получить антифрикционные сплавы различной степени пористости, т. е. с меньшим или большим числом пустот. В связи с этим порошковые антифрикционные сплавы подразделяются на пористые, компактные (непористые) и материалы с неметаллическими составляющими.

Часто в сплавы вводят графит (1-3%), который заполняет поры. При наличии пор, в которых удерживается смазка, и наличии графита, являющегося твердой смазкой, подшипники отличаются малым износом, малым коэффициентом трения, потребляют меньшее количество смазки, хорошо прирабатываются.

У пористых подшипников объем пор составляет от 20 до 30% их общего объема. В последнем случае структура пористых подшипников состоит из спрессованных порошков основных металлов (железа, меди и др.) и пор, заполненных графитом. Зерна порошков основных металлов являются твердыми, а графитовые включения мягкими структурными составляющими.

Пористыми подшипниковыми металлами и сплавами являются: пористое железо; железо-графит (1-2%); железо - медь и железо - медь - графит с содержанием меди до 25% и графита до 3 %; медь (88%) - олово(10%) - графит(2%).

Для пористых железографитных сплавов наиболее желательной структурой, обеспечивающей высокое качество подшипников, является перлит с графитом.

В компактных подшипниках поверхностный слой заполняют свинцовистым баббитом; поэтому они наряду с высокой износоустойчивостью имеют большую прочность. В подшипниках с неметаллическими материалами поры заполняют бакелитом.

Антифрикционные сплавы применяют для изготовления поршневых колец автомобилей, самосмазывающихся подшипников и других деталей.

ФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Назначение: тормозные колодки и накладки, накладки сцепления...

Тормозные устройства из фрикционных материалов предназначены для превращения кинетической энергии движущихся масс в теплоту при сохра­нении их работоспособности для последующих многократных циклов тормо­жения.

При работе в сцеплениях фрикционные материалы должны надежно обеспечить передачу движения от двигателя к исполнительному механизму.

Фрикционный материал должен обладать коэффициентом трения в преде­лах 0, 2-0, 5 (наименьшее значение назначается исходя из необходимой си­лы трения, а наибольшее - из ограничения по самозаклиниванию).

Условия работы фрикционных материалов:

1. широкий диапазон скоростей скольжения (до 50 м/с и выше);

2. большие нагрузки растяжения, сжатия, сдвига, в ряде случаев удар­ные нагрузки (до десятков тонн);

3. нестационарные условия трения (многократный нагрев-охлаждение)

Тепловой режим трения зависит от условий работы (скоростной режим, нагрузка), от конструкции и размеров фрикционного сочленения (при пол­ном перекрытии вся теплота идет вглубь трущихся тел и тепловой режим сопряжения становится более напряженным; при неполном - есть теплоот­дача с открытых участков).

В зависимости от Т разогрева поверхностей трения условия работы фрикционных материалов считают: весьма легкими - Т = до 100 С; легкими - Т = до 250 С;. средними - Т - до 600 С; тяжелыми и весьма тяжелыми -Т = 1000 С и выше.

ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ разделяются на две группы: металлические и неметаллические.

При выборе материала принимается во внимание: величина коэфициента трения и его стабильность.(при изменении скорости скольжения и Т); склонность к схватыванию; физические свойства материала (теплоемкость и теплопроводность); механические свойства (предел текучести, проч­ности, ударная вязкость, твердость), а также способность прирабаты­ваться и сопротивление изнашиванию.

Для легких условий эксплуатации применяют стали (ЗОХГСА, 65Г и ^; * 12Х18Н9Т), легированные чугуны (на П основе; Ф не более 10%) и бронзы. Однако для них характерны нестабильность к-та трения и склонность к схватыванию при высоких Т.

Для условий эксплуатации средней тяжести применяют композиционные асбофрикционные материалы* и спеченные материалы на основе бронз (Cu-Sn-Pb-Fe-C + добавки: Ti, V, Si, As, MoS., Ni, Si, Zn...).

* асбест обладает высокой термостойкостью и прочностью, невысокой стоимостью..., однако, он небезопасен для здоровья. Перспективный за­менитель асбеста - высокопрочное и теплостойкое волокно Кевлар.

Стальные волокна обеспечивают высокую тормозную эффективность, но при этом идет ускоренный износ контртела.

Для тяжелых и сверхтяжелых условий эксплуатации применяют спечен­ные материалы' на железной основе (Fe-Ni-C + добавки: Сг, W, Си. S; Fe-Cu + добавки: Мл, BN, В. С, SiC, MoSi.; Fe-Cu-C + добавки: SiO., асбест, SiC, В. С, FeSO.) и композиционные углеродные материалы (угле­родные или графитовые волокна в углеродной матрице = " карбон").