Проблемы подбора материалов трибосопряжений

Проблема  выбора материала не ограничивается определением материала одной из деталей трибосистемы или узла трения. При этом, как правило, приходиться решать задачу совместимости материалов, что весьма актуально при современной большой номенклатуре антифрикционных и фрикционных материалов. Под совместимостью конструкционных материалов понимают способность деталей трибосопряжения в данных условиях работы при принятой смазочной среде или в отсутствии смазки приспосабливаться одна к другой в процессе взаимного перемещения, обеспечивая заданные показатели долговечности без повреждения поверхностей трения, приводящих к выходу из строя деталей. При хорошей совместимости материалов элементы в трибосопряжении достаточно быстро прирабатываются, элементы антифрикционных узлов имеют невысокие уровни трения, износа и достаточно длительную работу без повреждений.

3. Антифрикционные сплавы цветных металлов

Цветные металлы  и сплавы на их основе, в настоящее  время являются основными антифрикционными материалами для смазываемых подшипников скольжения.

Классификация антифрикционных цветных сплавов, имеющих широкое применение приведена на рисунке 2.

          Рис. 2 Классификация антифрикационных сплавов цветных металлов

Антифрикционные материалы (от греч. аnti - приставка, обозначающая противодействие, и лат. frictio - трение), обладают низким коэффициентом трения и применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения (подшипников, вкладышей, направляющих втулок и др.). Их используют для работы в условиях сухого трения (в газах, воздухе, вакууме; с маловязкими жидкостями, не обладающими смазочными свойствами - вода, органические растворители, топливо); с жидкими или пластичными смазками на нефтяной или синтетической основе. Они отличаются низкой способностью к адгезии, хорошей прирабатываемостью, теплопроводностью и стабильностью свойств.

Подшипниковые материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим относятся: сплавы на основе олова, свинца, меди, цинка, алюминия, а также некоторые чугуны; к неметаллическим — некоторые виды пластмасс, материалы на основе древесины, графито-угольные материалы, резина. Некоторые материалы представляют собой сочетание металлов и пластмасс (например, пористый слой, образованный спечёнными бронзовыми шариками, пропитанный фторопластом-4 или фторопластом-4 с наполнителями).

Антифрикционность материалов проявляется в условиях несовершенной смазки (или при трении без смазки), и зависит от физических и химических свойств материала, к которым относятся: высокие теплопроводность и теплоёмкость; способность образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение; способность материала легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться, что способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относятся также микрогеометрическое строение поверхности, а именно определённая степень шероховатости или пористости, при которых масло удерживается в углублениях, и способность материала «поглощать» твёрдые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым от износа сопряжённую деталь.

Проявлению антифрикционности в условиях сухого трения способствует наличие в материале таких компонентов, которые, сами обладая смазочным действием и присутствуя на поверхности трения, обеспечивают низкое трение (например, графит, дисульфид молибдена и др.). Одним из важных свойств этих материалов, обусловливающих антифрикционность при всех условиях трения, является его неспособность или малая способность к «схватыванию» (адгезии) с материалом сопряжённой детали. Наиболее склонны к «схватыванию» при трении одноимённые пластичные металлы в паре, имеющие гранецентрированную и объёмноцентрированную кубической решётки. При трении по стали наименее склонны к «схватыванию» серебро, олово, свинец, медь, кадмий, сурьма, висмут и сплавы на их основе.

3.1 Сплавы на медной основе

Латуни - это сплавы меди с цинком (Zn до 50%, практическое применение – до 45% Zn). Латуни классифицируют: по числу компонентов в сплаве: двойные (Сu+Zn) и многокомпонентные (легированные двойные, называемые специальными), а также по техническому признаку: деформированные (изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку др.) и литейные. Латунь, содержащую высокий процент меди (3…12% Zn, остальное Cu), называют томпаком. Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Они хорошо свариваются, легко обрабатываются режущим инструментом, их антифрикционные свойства ниже, чем у бронз. Вследствие этого латуни применяют для опор скольжения, работающих с малыми скоростями.

Латуни применяют  в качестве антифрикционных материалов в значительно меньшей степени, чем бронзы. В антифрикционном качестве используют так называемые кремнистые, маргонцовистые и находят применение алюминиево-железные латуни. В качестве антифрикционных материалов применяются латуни кремнистые (ЛКС80-3-3 – содержание кремния 2,5...4%), маргонцовистые (ЛМцС58-2-2* – содержание марганца до 2,5%), алюминиево-железистые (ЛАЖ60-1-1Л – содержание алюминия до 1,5%, железа до 1,5%).

Бронзы – двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Цинк вводят в качестве легирующего элемента в некоторые марки оловянных бронз, но его содержание меньше, чем в латунях, и не превышает 5%. В особую группу выделяют также медно-никелевые сплавы. Различают две группы бронз по химическому составу: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные: алюминиевые, бериллиевые, марганцевые, кремнистые и др. Особую группу образуют низколегированные бронзы высокой тепло- и электропроводности: хромовые, циркониевые и др. Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некоторым превосходят оловянные бронзы и поэтому широко применяются в машиностроении. В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами, что очень важно для деталей узлов трения. Литейные бронзы применяются для изготовления отливок (заготовок) для деталей триботехнического назначения (втулки и вкладыши подшипников, венцы червячных зубчатых колес) и пароводяной арматуры. Бронзы по сравнению с латунями обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Алюминиевые бронзы – это сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является алюминий, они отличаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами; во многих случаях являются полноправными заменителями дефицитных оловянных бронз и других сплавов. В промышленности применяются двух- и многокомпонентные сплавы. Особенно эффективно применение многокомпонентных алюминиевых бронз, легированных помимо алюминия никелем, железом и марганцем. Алюминиевые бронзы содержат до 11...12 % А1. В меди растворяется довольно большое количество алюминия. Алюминий оказывает существенное влияние и на физические свойства бронз. Плотность алюминиевых бронз значительно ниже плотности чистой меди, что имеет большое значение при промышленном применении алюминиевых бронз, особенно в авиакосмической технике и судостроении. Алюминиевые бронзы хорошо поддаются полировке и благодаря присутствию алюминия имеют хорошую отражательную способность. Алюминий оказывает также существенное влияние на тепло- и электропроводность бронз. Наличие в составе бронз значительного количества алюминия приводит к резкому снижению высокой теплопроводности, характерной для чистой меди. Детали из алюминиевых бронз изготавливают литьем, обработкой. Это, как правило, относительно мелкие, но высокоответственные детали типа зубчатых колес, втулок, подпятников, фланцев.

Бериллиевые бронзы – это сплавы меди с бериллием. Они нашли применение в промышленности для изготовления упругих элементов ответственного назначения благодаря сочетанию ряда ценных свойств. Высокие: прочность, предел упругости и релаксационная стойкость; электро- и теплопроводность, высокое сопротивление коррозии и коррозионной усталости. Они не магнитны, не дают искру при ударе; технологичны – хорошо штампуются, свариваются и т.д. Бериллиевые бронзы мало склонны к хладоломкости и могут работать в интервале температур –200...+250 °С; используются для изготовления плоских и витых пружин, упругих элементов в виде гофрированных мембран, токоподводящих упругих деталей электрооборудования, пружинящих деталей электронных приборов и устройств и т.д. К недостаткам этих сплавов относят высокую стоимость и дефицитность бериллия, а также его токсичность. Важным достоинством бериллиевых бронз является их высокая пластичность при умеренной прочности в закаленном состоянии. Бериллиевые бронзы отличаются высоким сопротивлением малым пластическим деформациям; подвергаются низкотемпературной термомеханической обработке, которая состоит в применении пластической деформации между операциями закалки и старения.

Марганцевые бронзы, содержащие до 20% марганца, при всех температурах в твердом состоянии являются однофазными. Марганец намного повышает температуру рекристаллизации меди (на 150...200 °С) и улучшает характеристики жаропрочности. Наибольшее распространение в промышленности получила бронза БрМц5. Она хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, имеет высокую коррозионную стойкость и сохраняет высокие механические свойства при повышенных температурах.

Кремнистые бронзы. Предельная растворимость кремния в меди достаточно высока – 5,3 %. С понижением температуры она уменьшается и при 20°С составляет около 3,5 %. Среди кремнистых бронз наибольшее распространение получили бронзы, дополнительно легированные никелем и марганцем. Добавки этих элементов улучшают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. В кремнемарганцовистой бронзе БрКМц3-1 добавка марганца (1 ...1,5% Мn). Никель с кремнием образуют соединение Ni₂Si, растворимость которого резко уменьшается с понижением температуры. Бронза БрКН1-3 относится к числу термически упрочняемых сплавов. Кремнистые бронзы БрКМц3-1 и БрКН1-3 отличаются высокими пружинящими и антифрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью, технологичны в обработке давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются с бронзой и сталью, легко паяются мягкими и твердыми припоями. Применяются в приборостроении, химическом и общем машиностроении, морском судостроении для изготовления пружин и пружинящих деталей, антифрикционных деталей и т.д.

2. Сплавы на алюминиевой основе.

Алюминиевые подшипниковые сплавы имеют ряд достоинств, которые позволяют применять их в узлах трения, где традиционно используются антифрикционные сплавы на основе свинца и олова, а также свинцовистая бронза. К таким достоинствам относятся:

• высокая теплопроводность обуславливает лучшую сохранность смазочных материалов в узле трения;
• низкий модуль упругости создает хорошие условия работы машин с повышенным прогибом вала;
• относительно высокая прочность алюминиевых сплавов
• обеспечивает несущую способность и сопротивление усталости подшипника;
• широкий диапазон возможного легирования позволяет создавать подшипники для различных условий и режимов работы;
• хорошая технологичность позволяет изготавливать подшипники методами литья, прессования, прокатки и др.;
• низкая плотность и высокая коррозионная стойкость сплавов благоприятны для работы в смазочных средах.

Из алюминиевых  сплавов изготавливают как монометаллические детали (втулки, шарниры и др.), так и биметаллические подшипники на стальной подложке. Для первых предпочтительны более прочные твердые сплавы, а для вторых (в качестве антифрикционного слоя) – менее твердые пластичные сплавы.

Из сплава АН-2,5 отливают монометаллические вкладыши и прокатывают моно- и биметаллические ленты для последующей штамповки вкладышей с антифрикционным слоем толщиной до 0,5 мм, но из-за способности к задирам и схватыванию при недостаточном смазывании пары трения этот сплав не получил широкого применения. Он используется лишь для изготовления монометаллических вкладышей коленчатых валов двигателей небольшой мощности.

Алюминиевые сплавы с высоким содержание олова (АО6-1, АО9-1, АО20-1 и др.) по своим свойствам близки к баббитам. Они обладают хорошими антифрикционными свойствами, повышенной усталостной прочностью, высокими теплоемкостью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью в маслах. Высокие антифрикционные свойства обусловлены наличием олова в виде мягкой структурной составляющей, повышающей также прочностные свойства сплава.

3. Цинковые антифрикционные сплавы

Цинковые антифрикционные сплавы издавна используются в качестве антифрикционных материалов, но не получили достаточно широкого распространения, в то же время они обладают рядом ценных свойств, которые позволяют применять их во многих случаях взамен бронз и баббитов. Сплавы на цинковой основе имеют низкую температуру плавления (около 400 ^оС) и в большей степени, чем бронзы и алюминиевые сплавы, размягчаются при нагревании и хорошо прирабатываются. Благодаря эффекту снижения абразивной активности свободных абразивных частиц за счет их утапливания в мягком поверхностном слое, подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные детали даже при попадании абразивных частиц в зону трения. Цинковые сплавы технологичны при изготовлении монометаллических и биметаллических деталей опор скольжения. Легко достигается соединение цинкового сплава со сталью, как литьем, так и прокаткой. Цинковые сплавы имеют высокую пластичность и сопротивление усталости. Из цинковых сплавов изготавливают цельные и штампованные из ленты втулки, которые применяют, например, в железнодорожных и других транспортных машинах.

4. Легкоплавкие подшипниковые сплавы (баббиты) – это мягкие антифрикционные сплавы на оловянной, свинцовой, алюминиевой и цинковой основах, в которых равномерно распределены твердые кристаллы. Баббиты отличаются низкой твердостью, невысокой температурой плавления (340...500^оС, алюминиевые бронзы – 630...750^оС). Баббиты отличаются высоким уровнем прирабатываемости и имеют низкий коэффициент трения со сталью, хорошо удерживают граничную масляную пленку. Мягкая и пластичная основа баббита при трении в подшипнике изнашивается быстрее, чем вкрапленные в нее твердые кристаллы других фаз, в результате шейка вала при вращении скользит по этим твердым кристаллам. При этом уменьшается площадь фактического касания трущихся поверхностей, что в свою очередь, снижает коэффициент трения и облегчает поступление смазки в зону трения, предотвращает схватывание и задиры. Благодаря хорошей прирабатываемости баббитов, все геометрические дефекты поверхностей трения деталей, полученные в процессе формообразования и сборки ТС, узлов трения, механизмов и технических систем в целом в процессе приработки на стадии обкатки подшипников могут быть частично или полностью устранены. Антифрикционные свойства баббитов зависят от толщины баббитового слоя, нанесенного заливкой на подложку (основной слой – подложку подшипникового вкладыша обычно изготавливают из стали). В тонкослойных подшипниках при толщине баббита менее 1 мм, он имеет неоднородную микроструктуру с крупными твердыми кристаллами химических соединений, вследствие чего сопротивляемость усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок снижается.
5. Комбинированные материалы