Краткие теоретические сведения

Опорами вращающегося вала или оси являются подшипники. Несмотря на широкое применение подшипников качения (шариковых, роликовых, игольчатых) подшипники трения скольжения часто используются в ответственных тяжелонагруженных узлах трения. Подшипник может быть цельным – втулочным или состоять 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 вала.

Основные требования к подшипниковым сплавам:

1) низкий коэффициент трения при работе в паре с валом;

2) высокая теплопроводность для отвода теплоты из зоны контакта поверхностей трения;

3) достаточно высокие прочность (способность выдерживать повышенное удельное давление – сопротивление выдавливанию), ударная вязкость, циклическая прочность (сопротивление выкрашиванию) и теплостойкость (способность работать при повышенной «рабочей» температуре);

4) хорошая прирабатываемость к шейке вала (способность за короткое время принимать форму поверхности шейки), что снижает удельное контактное давление, способность поглощать продукты изнашивания;

5) наименьшая интенсивность изнашивания поверхностей подшипника (твердость ниже, чем у вала) и особенно вала (подшипник сменить легче);

6) хорошая удерживаемость смазки (способность в процессе приработки образовывать на поверхности трения «маслоудерживающий» рельеф);

7) сопротивление коррозии (в состав смазки могут входить кислоты, щелочи и другие агрессивные присадки);

8) удовлетворительные технологические свойства: низкая температура заливки, высокая адгезия к поверхности вкладыша, хорошая обрабатываемость резанием и др.;

9) невысокая стоимость (стоимость изготовления и замены вкладыша должна быть дешевле, чем стоимость замены вала).

Для выполнения большинства эксплуатационных требований структура антифрикционного сплава может быть только неоднородной (гетерогенной), она должна состоять из «мягкой» основы, которая обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к шейке вала, задиростойкость, ударную вязкость, поглощение продуктов изнашивания и образование при ее изнашивании «маслоудерживающего рельефа» с равномерно распределенными в ней твердыми включениями – опорными частицами, обеспечивающими прочность, теплостойкость, износоустойчивость, образование зазора между изношенной мягкой основой и шейкой вала, который заполняется смазкой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема работы антифрикционного сплава

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы можно разделить на группы:

1) металлические – черные (стали и чугуны), желтые (латуни и бронзы), белые (баббиты, сплавы алюминия и цинка);

2) неметаллические – полимерные, древесные, графитовые и др.;

3) композиционные – металлополимерные, графитометаллические и др.

Черные сплавы – медистые и графитизированные стали, порошковые композиции на железной основе и 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 невысокую стоимость, выдерживают значительные удельные давления, износостойкие. Основной их недостаток – высокий коэффициент трения. Рекомендуются для изготовления подшипников с малой скоростью вращения вала.

Желтые подшипниковые сплавы – латуни и бронзы – применяются в ответственных подшипниках, работающих с большим удельным давлением, с ударными нагрузками, при большой скорости. Основной их недостаток – высокая стоимость. В качестве подшипниковой в основном используется свинцовая бронза, содержащая 30 % свинца (БрС30), структура которой такова: твердая основа – твердый раствор (практически чистая медь), мягкие включения –

Оловянный баббит Б83 – сплав сис-темы Sn–Sb–Cu (таблица). С целью упрочнения слишком мягкого (НВ 50 МПа) и пластичного (δ = 40 %) олова в сплав добавляют сурьму (11 %), и структура его становится гетерогенной.

Характеристики подшипниковых сплавов

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

Сплавы «олово – сурьма» характеризуются свойством неоднородности (ликвации по удельному весу). Для предупреждения этого явления вводится медь, которая, практически не растворяясь в олове, образует кристаллы Cu₃Sn (Cu₆Sn₅). Эти кристаллы игольчатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации из жидкости, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслоению (рис. 3.3, б). Кроме того, в структуре баббита указанные кристаллы выполняют роль «твердых» включений.

Сравнительные характеристики некоторых фрикционных материалов приведены в таблице.

Баббит Б83 характеризуется наилучшим сочетанием антифрикционных и механических свойств, высокой коррозионной стойкостью. Из-за дефицитности олова баббит Б83 используется только в особо ответственных скоростных узлах трения для вкладышей тяжелонагруженных подшипников (мощные паровые турбины, турбокомпрессоры, турбонасосы и т. п.).

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

Свинцово-оловянно-сурьмяный баббит Б16 – сплав системы Рb–Sn–Sb–Cu. 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 Cu₂Sb (рис. 3.3, а) Это соединение играет ту же роль, что и Cu₃Sn в оловянном баббите, т. е. предупреждает ликвацию по плотности.

«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 Cu₂Sb – «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.

		тройная эвтектика
			твердый раствор

а б в

Рис. 3.3. Структура баббитов (300-кратное увеличение):
а – Б16; б – Б83; в – БКА

Наиболее дешевым является свинцовый баббит, который часто называют по второму компоненту кальциевым: БКА – сплав системы Pb–Са–Na–А1–Zn (см. таблицу). Кальций практически не растворяется в свинце и образует с ним химическое соединение Pb₃Са. Натрий (до 0,4 %), весь алюминий и цинк, растворяясь в слишком мягком (НВ = 40 МПа) и пластичном (δ = 45 %) свинце, повышают его твердость и прочность, тем самым улучшают механические и антифрикционные свойства сплава. Нерастворившаяся часть натрия образует со свинцом химическое соединение Pb₃Na. Структура кальциевого баббита: «мягкая» основа – твердый раствор натрия, алюминия и цинка в свинце: «твердые» включения – Pb₃Ca, Pb₃Na (рис. 3.3, в).

Свинцовые баббиты имеют невысокую стоимость, так как не содержат дефицитных элементов. Сплав БКА быстрее прирабатывается к шейке оси и не требует тщательной пригонки «по месту», имеет бόльшие, чем оловянный, твердость и прочность, используется в тяжелонагруженных узлах трения (вагоно-, судо-, дизелестроение и т. п.).

К белым антифрикционным сплавам относятся также сплавы ЦАМ системы Zn–А1–Cu. «Мягкая» основа структуры этих сплавов – эвтектика [Zn +
+ Al + CuZn₃], а «твердые» включения – кристаллы химического соединения CuZn₃. Сплавы ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициентам трения и линейного расширения. Они примерно равноценны свинцовым баббитам, но в три раза превосходят их по прочности.

Металлокерамические композиционные подшипниковые сплавы получают прессованием и спеканием порошков, например, смеси порошка бронзы или железа с графитом (1 – 4 %). Пористость сплава после спекания составляет
15 – 30 %. Сплавы пропитывают смазками, что способствует снижению коэффициента трения и износа подшипникового узла.