Краткие теоретические сведения. Опорами вращающегося вала или оси являются подшипники

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 цельный – втулочный 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 (выдерживать повышенное удельное давление – сопротивление выдавливанию), ударную вязкость и циклическую прочность (сопротивление выкрашиванию) и теплостойкость (способность работать при повышенной «рабочей» температуре);

4) хорошая прирабатываемость к шейке вала (способность за короткое время принимать её форму поверхности), 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) хорошо удерживать смазку (в процессе приработки образовывать на поверхности трения «масло удерживающий» 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) низкая стоимость (изготовить и заменить вкладыш должно быть дешевле, чем заменить вал).

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 масло удерживающего рельефа. С равномерно распределенными в ней твердыми включениями – опорных частиц, (обеспечивающими прочность, теплостойкость, износоустойчивость, а также способствуют образованию зазора между изношенной мягкой основой и шейкой вала, который заполняется смазкой) (рис. 7).

Рис. 7. 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 – 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 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 – латуни и 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), структура которой: твердая основа – твердый раствор (практически чистая медь); мягкие включения –
поры, заполненные свинцом (рис. 8).

Рис. 8 Структура свинцовистой бронзы БрС30

 

Белые антифрикционные сплавы на основе олова и свинца, называются баббитами. 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 Sn—Sb—Cu (табл. 1.1). С целью упрочнения слишком мягкого (НВ 50 МПа) и пластичного (δ = 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 большой 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 Cu₃Sn (Cu₆Sn₅). Эти кристаллы игольчатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации из жидкости, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслоению (рис. 8 б). Кроме того, в
структуре баббита они выполняют роль «твердых» включений.

а б в

Рис. 8 Структура баббитов х 300: а – Б16; б – Б83; в – БКА

 

Сравнительные характеристики некоторых фрикционных материалов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.2

Характеристики подшипниковых сплавов

Марка сплава	Среднее содержание элементов, %	Структура	Свойства
«мягкая» основа	«твердые» включения	σ в, МПа	δ, %	НВ, МПа	KCU, КДж/м2	Коэф. трения со смазкой	Рабочая температура, °С
БрС30	Cu – 70; Pb – 30	Pb	Cu				76, 5	0, 009
Б83	Sn – 83; Sb – 11; Cu – 6	Твердый раствор	Sn Sb Cu3Sn					0, 005
Б16	Pb – 66; Sn – 16; Sb – 16; Cu – 2	Эвтектика	Sn Sb Cu2Sb		0, 2			0, 006
БКА	Pb – 97; Са – 1, 15; Na – 0, 9; А1 – 0, 2; Zn – 0, 1	Твердый раствор	Pb3Ca, Pb3Na		2, 5			0, 004
ЦАМ10-5	Zn – 85; А1 – 10; Cu – 5	Эвтектика	CuZn3.		0, 4		–	0, 007

 

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, турбонасосы и т. п.).

Для 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. 8 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.

Наиболее дешевый — свинцовый баббит, который часто называют по второму компоненту кальциевым, БКА— сплав системы Pb—Са—Na—А1—Zn (см. табл. 1.1). 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. Не растворившаяся 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. 8 в).

Свинцовые баббиты дешевле, так как не содержат дефицитных элементов. Сплав БКА быстрее прирабатывается к шейке оси и не требует тщательной пригонки «по месту», имеет большие, чем оловянный, твердость и прочность. Используется в тяжелонагруженных узлах трения (вагоностроение, судостроение, дизелестроение и т. п.).

К белым антифрикционным сплавам также относятся 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, коэффициенту трения и коэффициенту 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