Вопрос 10. Применение, состав и свойства антифрикционных материалов

Опорами вращающегося вала являются подшипники. Несмотря на широкое применение подшипников качения (шариковых, роликовых, игольчатых), подшипники трения скольжения часто используются в узлах трения. Подшипник может быть цельный – втулочный или из двух половин – вкладышей.

Сплавы, из которых изготавливают вкладыши (или только их рабочую часть), называются подшипниковыми. Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие минимальный коэффициент трения между поверхностью вкладыша подшипника и шейкой стального вала.

Основные требования к подшипниковым сплавам:

низкий коэффициент трения при работе в паре с валом;

гетерогенная (неоднородная) структура, «мягкая» основа и «твердые» включения;

хорошая прирабатываемость к шейке вала;

низкая стоимость (вкладыш заменить легче, чем из­готовить вал);

высокая теплопроводность для отвода теплоты из зоны контакта трущихся поверхностей.

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы можно раз­делить на группы: черные, желтые, белые, композиционные.

Черные – антифрикционные чугуны, которые в свою очередь делятся на серые (АЧС-1; АЧС-2), ковкие (АЧК-1; АЧК-2) и высокопрочные (АЧВ-1; АЧВ-2). Они имеют низкую стоимость, выдерживают большие удельные давления, изно­состойкие. Их основной недостаток – высокий коэффициент трения. Рекомендуются для изготовления подшипников с малыми скоростями вращения вала.

Желтые – подшипниковые сплавы – бронзы. Они при­меняются в ответственных подшипниках, работающих с большими удельными давлениями, с ударными нагрузками, при больших скоростях. Их основной недостаток – высокая стоимость. В качестве подшипниковой в основном используется свинцовая бронза, содержащая 30 % свинца (БрС30).

Белые – антифрикционные сплавы на основе олова и свинца, называются баббиты. Применение мягких легкоплав­ких подшипниковых сплавов обеспечивает лучшую сохранность шейки вала. Они имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку. Баббиты, ввиду низкой прочности, наносят заливкой на рабочую поверхность стального или бронзового вкладыша.

Оловянный баббит Б83 – сплав системы «олово – сурьма – медь». С целью упрочнения слишком мягкого (НВ5) и пластичного (d = = 40 %) олова в сплав добавляют сурьму (11%), и структура его становится гетерогенной.

Одна фаза – «мягкая» основа баббита – твердый раст­вор сурьмы (и частично меди) – в олове обладает большей твердостью и прочностью при сохранении высокой пластичности. Другая фаза – химическое соединение олова и сурь­мы – SnSb. Крупные кристаллы этого соединения – «твер­дые» включения – обладают высокой твердостью. Таким образом сурьма упрочняет «мягкую» основу баббита и спо­собствует образованию «твердых» включений.

Сплавы «олово – сурьма» склонны к неоднородности (ликвации по удельному весу). Для предупреждения ее вводится медь, которая, практически не растворяясь в олове, образует кристаллы Cu 3 Sn (Cu 6 Sn 5). Эти кристаллы иголь­чатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслое­нию. Кроме того, в структуре баббита они выполняют роль «твердых» включений. Баббит Б83 обладает наилучшим сочетанием антифрикционных и механических свойств, высо­кой коррозионной стойкостью. Из-за дефицитности олова он используется только в особо ответственных скоростных узлах трения для вкладышей тяжелонагруженных подшипников (мощные паровые турбины, турбокомпрессоры и т. п.).

Для подшипников более широкого применения (в прокатных станах, автотракторных двигателях – машинах сред­ней нагруженности) основным компонентом в баббите явля­ется свинец.

Свинцово-оловянно-сурьмяный баббит Б16 – сплав си­стемы «свинец – олово – сурьма – медь». Олово частично раст­воряется в свинце. Свинец (точнее, твердый раствор) и сурьма образуют эвтектику (НВ18). Олово с сурьмой, как и в Б83, образуют кристаллы SnSb, а медь с сурьмой – химическое соединение Cu 2 Sb. Это соединение играет, ту же роль, что и Cu 3 Sn в оловянном баббите, т. е., предупреждает ликвацию по удельному весу.

«Мягкую» основу структуры сплава составляет эвтекти­ка: кристаллы свинца (точнее, твердого раствора) и кристал­лы твердого раствора олова и свинца в сурьме. Крупные кристаллы SnSb и кристаллы Cu 2 Sb – «твердые» включения. Баббит Б16 отличается пониженной пластичностью, так как «мягкая» основа структуры – эвтектика.

На железнодорожном транспорте сплав Б16 исполь­зуется для заливки вкладышей моторно-осевых подшипников тяговых двигателей локомотивов.