Антифрикционные материалы

В машиностроении применяют как подшипники качения, так и подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяют в виде вкладышей. Для их изготовления используют антифрикционные сплавы.

Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, — антифракционность и сопротивление усталости.

Антифракционность - способность материала обеспечить низкие значения коэффициента трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала.

Антифракционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала:

- высокая теплопроводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхностей;

- хорошая смачиваемость смазочным материалом;

- способность образовывать на поверхности пленки мягкого материала;

- хорошая прирабатываемость, что обеспечивается гетерогенной структурой сплава, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц. Мягкая основа прирабатывается к валу и вместе с твердыми включениями образует оптимальный антифрикционный микрорельеф с пространством для удерживания смазочных материалов (так называемый принцип Шарпи).

Для повьппения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления.

Для подшипников скольжения используют металлические материалы, неметаллы, комбинированные материалы и минералы.

В качестве металлических материалов, как правило, используют антифрикционные чугуны, свинцовые и оловянистые бронзы и специальные сплавы, называемые баббитами.

Антифрикционные чугуны. Являются наиболее дешевым антифрикционным материалом. В качестве антифрикционных сплавов используют высококачественные чугуны, имеющие перлитную основу и повышенное количество графита. Графит выполняет роль смазки. Впитывая смазочные масла, он существенно понижает коэффициент трения. Присутствие феррита в структуре недопустимо, так как при этом увеличивается износ подшипников. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях из-за сравнительно высокого коэффициента трения пары сталь — чугун (по сравнению с парами бронза — сталь или баббит — сталь).

Антифрикционные бронзы. Для изготовления бронзовых вкладышей применяют оловянные и свинцовые бронзы, например марок БрОС8-12 (8 % Sn, 12 % Pb), БрОС5-25 (5% Sn, 25 % Pb), БрС30 (30 % Pb). В оловянных бронзах твердый раствор выполняет функции мягкой основы, а (α +β) — эвтектоид — твердых включений. В чисто свинцовой бронзе БрС30 (70 % Cu, 30 % Pb) получают мягкую медную основу с еще более мягкими включениями свинца, так как свинец совершенно не растворим в меди. Такие антифрикционные сплавы характеризуются высокими значениями предела выносливости, пластичности и теплопроводности.

Бронзовые вкладыши применяют для подшипников более ответственного назначения, используемых в быстроходных двигателях, при высоких удельных давлениях и значительных динамических нагрузках.

Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравнительно невысокая механическая прочность. Поэтому их иногда наплавляют на стальную ленту. Наплавку производят в защитной атмосфере.

Баббиты. Это специальные легкоплавкие подшипниковые сплавы, превосходящие все остальные сплавы по антифрикционным свойствам, состоящие из мягкой основы и твердых включений. Баббиты бывают оловянные, например Б83 (83% Sn, 11% Sb, 6% Cu,), свинцовые - сплав Б16 (16% Sn; 16% Sb; 2% Cu) и свинцово-кальциевые– сплав БКА (1% Ca; 1% Na). Мягкой составляющей последних баббитов является α -твердый раствор Са и Na в свинце, а твердой — кристаллы Pb₃Ca.

Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баббит — сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочной стальной, чугунный или бронзовый корпус.

Из неметаллических материалов для изготовления подшипников скольжения используют текстолит, капрон и фторопласт. Их достоинством является низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость. Недостатком - низкая теплопроводность и возможность течь под нагрузкой (для фторопласта).

В качестве комбинированных антифрикционных материалов используют материалы, изготовленные методом порошковой металлургии. Они создаются на основе порошков меди или железа и в своем составе содержат вещества типа твердых смазок (графит, сульфиды и др.), что обеспечивает им заданные механические и эксплуатационные свойства.

Антифрикционные порошковые материалы характеризуются низким коэффициентом трения, хорошей износостойкостью, способностью легко прирабатываться к валу и выдерживать значительные нагрузки. Их износостойкость в несколько раз выше, чем у бронз и баббитов. Они работают при более высоких скоростях и давлениях. Наличие в структуре пористости, регулируемой в широких пределах (до 35 %), позволяет их предварительно пропитывать смазочными маслами. Во время работы по мере нагревания масло, удерживаемое в порах и мельчайших каналах материала капиллярными силами, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника масло частично всасывается обратно в поры. Поэтому пористые подшипники могут работать длительное время без дополнительной смазки. Эффект самосмазываемости в пропитанных маслом пористых подшипниках, без подвода смазки извне, может сохраняться в течение 3000 — 5000 ч.