Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В СОЗДАНИИ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

К антифрикционным материалам предъявляются определенные требования. Они должны обладать:

1) по возможности низкими значениями коэффициента трения;

2) высокой износоустойчивостью;

3) способностью быстро прирабатываться и легко приспосабливаться к ужесточению условий работы трибосистемы (вторичная приработка);

4) повышенной сопротивляемостью к заеданию и задиру;

5) хорошими свойствами совместимости трибосистемы;

6) достаточной прочностью и сопротивляемостью усталостным, кавитационным, короззионным и абразивным повреждениям.

Основные служебные свойства подшипникового материала - антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность - способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала: 1) высокая теплопроводность; 2) хорошая смачиваемость смазочными материалом; 3) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; 4) хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения , параметр р, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра р тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Выбор материала зависит от условий работы подшипника.

Материалы, применяемые в качестве антифрикционных:

1) металлические - на основе меди, алюминия, железа;

2) неметаллические;

3) комбинированные;

4) минералы (камни).

Металлические материалы

Баббиты - сплавы на оловянной (Б83 - 83 % Sn, 11 % Sb, 6 % Cu, Б88 и др.) или свинцовой основе (Б16 - 16 % Sn, 16 % Sb, 2 % Cu, остальное Pb, БКА, БК2). Последние два сплава содержат кальций. Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты. Структура этих сплавов состоит из - твердого раствора сурьмы и меди в олове (мягкая фаза) и твердых светлых включений фаз (SnSb) и Cu3Sn. Однако из-за дефицитности олова их применяют для подшипников ответственного назначения, работающих при больших скоростях и нагрузках. В баббитах по истечении времени происходит усталостное разрушение, поэтому наносят их тонким слоем толщиной не более 1 мм.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрО10Ф1, БрО10Ц2, ко вторым - БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 и др. Применятся для подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А и др. Применяются при малых скоростях скольжения ( 2м/с) и невысоких нагрузках.

К сплавам с твердой матрицей и мягкими включениями относится свинцовистая бронза БрС30 с 30 % Pb и алюминиевые сплавы с оловом типа А09-2 (9 % Sn и 2 % Cu). Мягкой составляющей является в этих сплавах, соответственно, свинец и олово. При граничном трении на поверхность вала переноситься тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения. Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу - для наплавки на стальную ленту.

Многослойные подшипниковые материалы - сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

Высокими антифрикционными свойствами обладают комбинированные материалы, получаемые методом порошковой металлургии: железо-графит, железо-медь-графит, бронза-графит. Графит вводят в количестве 1-4 %. После спекания в материале сохраняются поры (15-35 %), которые пропитываются маслом или другой смазкой. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры раскрываются полнее, и смазочный материал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регулирование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

Можно также использовать чугуны. Для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения используют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны: серые АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3; высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2; ковкие АЧК-1, АЧК-2. С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов - невысокая стоимость; недостатки - плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Также используют графитизированные стали. Мягкой составляющей в них служат включения графита.

Неметаллические материалы

Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы - термореактивные и термопластичные (полимеры) более десяти видов. Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники допускают тяжелые режимы работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой.

Антифрикционные материалы на основе полимеров предназначены для работы с жидкостями, не обладающими смазочными свойствами (водой и др.) и без смазки. Для повышения антифрикционности, механических свойств и износостойкости в исходные полимеры вводят различные наполнители. Полимеры являются также существенной частью (связующим) большинства твердосмазочных покрытий, нашедших применение главным образом в вакууме и некоторых газовых средах, в которых использование жидких и пластичных смазок по ряду причин недопустимо.

Из полимеров наиболее широко применяются полиамиды: ПС10, анид, капрон и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинство полимеров - низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочного материала по стали составляет 0,04-0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой и, как все полимеры, плохо отводит теплоту. Он может применяться лишь при ограниченных нагрузках и скоростях. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.

Комбинированные антифрикционные материалы

Весьма перспективны металлофторопластовые подшипники (МФПл). Они совмещают в себе преимущества составных частей: прочность и теплопроводность металлической (стальной) основы; высокую теплопроводность, прочность и противозадирные свойства напеченного пористого слоя из сферических частиц антифрикционного сплава; антифрикционные свойства заполняющей поры и образующей поверхностный слой смеси полимера с наполнителем.

Металлофторопластовые материалы предназначены для подшипниковых узлов машин и приборов, работающих в широком диапазоне условий.

Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде втулок методом точной штамповки. При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающая его фторопластовая «губка» выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку. При тяжелых режимах трения, когда температуры нагрева превышает 327С, происходит плавление свинца. Образующаяся жидкая фаза снижает коэффициент трения и тепловыделение.

Подшипники скольжения, изготавливаемые штамповкой из ленточного металлофторопластового комбинированного материала способны успешно работать без смазки в различных газовых средах (в том числе и химически активных) и в вакууме, а также при недостаточной смазке в диапазоне температур -200 до +300С (при кратковременной работе до +350С). Выдерживают удельные нагрузки до 150 МПа.

Минералы

Для миниатюрных подшипников скольжения в прецизионных приборах, часовых механизмов используются различные минералы: естественные (агат), искусственные (рубин, корунд), ситаллы (стеклокристаллические материалы).

На принципе самосмазывания изготавливают износостойкие материалы для узлов трения, работающих при высокой температуре. Такие материалы обладают хорошей жаропрочностью, сопротивлением коррозии, термической усталости и теплопроводностью, а при работе без смазки на их поверхности образуется тонкая и прочная защитная пленка, предохраняющая поверхность от схватывания и служащая твердой смазкой. Определяющим свойством материала для деталей подшипников качения в таких условиях является твердость. При прочих равных условиях наименьшее трение и износ проявляются в паре, в которой, по крайней мере, на одной из поверхностей образуется с достаточной скоростью плотная окисная пленка. Для работы при высоких температурах используются тугоплавкие материалы, специальные сплавы, керамические материалы твердые сплавы, а также защитные покрытия деталей машин тугоплавкими соединениями. Использование окисных пленок в качестве смазки позволяет изготавливать детали некоторых пар трения, работающих при высокой температуре, из одинаковых материалов.

Для уменьшения трения и износа в условиях слабого образования защитных пленок применяют различные смазки - дисульфид молибдена, графит, тонкие покрытия из мягких металлов (меди, серебра), соединения вольфрама, молибдена, фтора и др.

Для пар скольжения и качения целесообразно применять твердые сплавы из карбидов металлов и окиси алюминия. Хорошие результаты для работы в подшипниках при температурах до 870 °С показал сплав на основе карбида титана с содержанием 17 % Ni и 3,2 % Мо. Сплавы из окиси алюминия А12О3, хрома и молибдена могут работать до температуры 1200 °С с высоким сопротивлением окислению. При температуре около 1100°С удовлетворительно работают пары из керамических материалов MgO-SiC; MgO-Al2O3; Al2O3-TiC; SiC-TiO.

В условиях вакуума образование защитных окисных пленок исключается или затруднено, поэтому узлы трения необходимо смазывать или применять самосмазывающиеся материалы. Применяются следующие пары: металл-твердый сплав на основе окислов или карбидов, металл- пластик, металл-самосмазывающиеся композиции, металл по металлическому покрытию и металл-алмаз. Тефлон и нейлон удовлетворительно работают по закаленной стали, металлокерамике, а также в паре с золотом и серебром. Самосмазывающиеся композиции составляются на основе меди или серебра; другими компонентами являются тефлон и смазывающие вещества типа дисульфида молибдена МоS2.

В условиях повышенных температур в качестве твердой смазки возможно применение порошков легкоплавких металлов: свинца, олова, цинка, кадмия, сплава Вуда. Свинец в паре с нержавеющей сталью обеспечивает минимальный коэффициент трения. Использование титана как конструкционного материала при его низких антифрикционных свойствах возможно при нанесении на его рабочие поверхности диффузионным способом металлических покрытий из хрома, кобальта, железа, золота, серебра, платины и олова.

В области технологических процессов обработки деталей для борьбы с изнашиванием используются, в частности, методы повышения прочности материала детали и ее поверхностной твердости в сочетании со снижением шероховатости поверхностей трения. Применяются разные методы обработки: изменение структуры поверхностного слоя металла детали (цементация, закалка, пластическое деформирование, термомеханическая обработка, лазерная обработка и др.); изменение состава и структуры поверхностного слоя (азотирование, фосфатирование, цианирование, ионная имплантация и др.). Применяют также нанесение износостойких покрытий (гальванические покрытия - хромовые, никелевые, наплавка твердыми сплавами, напыление и др.), абразивную обработку поверхностей для снижения их шероховатости (тонкое шлифование, хонингование, суперфиниширование), отделочно-упрочняющую обработку (алмазное выглаживание, обработку шариками и др.). Это позволяет значительно повысить износостойкость поверхностей трения и надежность машин в целом.

Экологическая чистота значительно повышается при использовании антифрикционных материалов, смазываемых водой. Необходимость замены металлических подшипников с масляной смазкой особенно актуальна для судостроения, энерго-машиностроения (гидротурбо- и насосостроения). Чтобы исключить масляную смазку узлов трения было необходимо заменить металлические антифрикционные материалы на полимерные материалы способные работать с водяной смазкой.

Для замены традиционных материалов в узлах трения, ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» разработаны антифрикционные углепластики на основе эпоксидных и фенольных термореактивных полимерных матриц и углеродных тканей - марок УГЭТ и ФУТ.

Замена традиционных выносных баббитовых подшипников скольжения на встроенные подшипники из углепластика ФУТ позволила:

- полностью устранить утечки перекачиваемой среды с нагнетательной стороны насоса;

- значительно (до 3 раз) снизить вибрационную нагрузку на узлы насоса за счет сближения опор на роторе и повышенных демпфирующих свойств материала ФУТ (по сравнению с металлами);

- снизить затраты на энергопотребление по сравнению с принудительной системой охлаждения маслом баббитовых подшипников скольжения;

- исключить экологические аварии, связанные с утечкой масла из систем смазки выносных баббитовых подшипников.

Для антифрикционных углепластиков, предназначенных для работы при высоких температурах, разработан новый теплостойкий углепластик марки УПФС с полимерной матрицей - термопластичным полифениленсульфидом. Достоинством этого материала являются его высокая теплостойкость, гидролизо-стойкость в перегретой воде с температурой до 200 °С. Кроме того, в связи с высокой вязкостью расплавов и нерастворимостью УПФС в обычных растворителях, потребовалось создание технологии их получения пропиткой из расплава связующего с последующим их прессованием при высокой температуре.

Важную роль в повышении долговечности сопряженныхдеталей играет создание между ними газовой и магнитной подушек.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения?

3. Какие существуют металлические антифрикционные материалы? Каков их химический состав, структура и свойства?

4. Какие существуют неметаллические и комбинированные антифрикционные материалы? Каковы их преимущества и недостатки перед металлическими антифрикционными материалами?

5. Каковы современные направления в повышении долговечности сопряженных деталей?

материал неметаллический антифрикционный долговечность

Перечень ссылок

1. Малинов Л. С. Сплавы с особыми свойствами / Л. С. Малинов, Н. А. Солидор. - Мариуполь : ПГТУ, 2005. - 133 с.

2. Либенсон Г. А. Производство порошковых изделий / Г. А. Либенсон - М. : Металлургия, 1990.- 239 с.

3. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения / Под ред. Д. Н. Гаркунова - М. : Машиностроение, 1982. - 207 с.

Размещено на Allbest.ru