Классификация антифрикционных материалов
Металлические антифрикционные материалы.
Антифрикционные порошковые материалы.
Cамосмазывающиеся антифрикционные материалы
Материалы с твердыми смазочными компонентами.
Неметаллические антифрикционные материалы.
Металлополимерные антифрикционные материалы.
Ингибиторы изнашивания металополимерных систем.
Минералы.
ВВЕДЕНИЕ
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. Основные служебные свойства подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости.
Антифрикционность – это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали. Антифрикционность обеспечивают следующие свойства материала:
– высокая теплопроводность;
– хорошая смачиваемость смазочным материалом;
– способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого материала;
– 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 сопряженной детали.
Критериями для оценки антифрикционного материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление p; действующее на опору скольжения, скорость скольжения v; параметр pv, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра pv тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.
КЛАССИФИКАЦИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Антифрикционные материалы подразделяют
1. Металлические антифрикционные материалы.
2. Антифрикционные порошковые материалы.
3. Самосмазывающиеся спеченные материалы.
4. Материалы с твердыми смазочными компонентами.
5. Неметаллические материалы.
6. Металлополимерные материалы.
7. Минералы.
Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы опор скольжения.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлические материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивления схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.
Металлические материалы подразделяются на два типа сплавов: 1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первого типаотносятся баббиты и сплавы на основе меди – бронзы и латуни.
Баббиты – мягкие (НВ 30) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.).
Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.
Латуни применяют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Латуни применяют при малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках, например, для опор трения приборов.
К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза (БрС30, 30% свинца) и алюминиевые сплавы с оловом (А09-2, 9% олова, 2% меди). Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая стальной вал от повреждения. Алюминиевый сплав применяют для отливок монометаллических вкладышей, бронзу – для наплавки на стальную ленту.
К сплавам второго типа относятся также серые чугуны (СЧ15, СЧ 20, АЧС-1, АЧК-2 и др.) роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы.
В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные металлические подшипники. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение. В качестве примера рассмотрим строение четырехслойного подшипника (рис. 2.1.), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, слоя свинцовистой бронзы, тонкого слоя никеля или латуни и слоя свинцово-оловянного сплава.
Рис. 2.1. Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения:
1 – сплав свинца и олова; 2 – никель; 3 – свинцовистая бронза;
4 – сталь
Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника, верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.
АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для изготовления подшипников скольжения, уплотнений, подпятников наряду с литыми сплавами (бронзы, баббиты и чугуны) используют антифрикционные материалы, изготовленные методом порошковой металлургии. Их создают на основе меди или железа с добавлением веществ типа твердых смазок (графит, сульфиды и др.), что обеспечивает им заданные триботехнические и эксплуатационные свойства.
Антифрикционные порошковые материалы по сравнению с обычными антифрикционными материалами обладают радом преимуществ:
1. Их износостойкость в несколько раз выше, чем у баббитов и бронз.
2. Они работают при более высоких скоростях и давлениях.
3. Наличие в структуре пористости (до 35%), позволяет их предварительно пропитывать смазочными маслами. Во время работы по мере нагревания, масло из пор постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника масло частично всасывется обратно в поры. Потому пористые подшипники могут работать длительное время без дополнительной смазки (3…5 тыс. ч.)
САМОСМАЗЫВАЮЩИЕСЯ СПЕЧЕННЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо – графит, железо – медь – графит или бронза – графит. Графит вводят в количестве 1…4%. После спекания в материале сохраняется 15…35% пор, которые затем заполняют маслом. Масло и графит смазывают трущиеся поверхности.
Спеченные железографитовые материалы по триботехническим свойствам близки к серым чугунам, но обладают лучшей прирабатываемостью (свойство материалов сглаживать поверхности трения деталей в начальный период трения). Срок службы подшипников из железографитовых материалов не превышает 3…5 тыс.ч. Их применяют в колесных парах тепловозов, узлах трения сельскохозяйственных машин, угольных транспортеров и прокатных станов, сверлильных станков.
Композиция железо – медь – графит обеспечивает длительную работоспособность подшипников при непрерывной подаче смазки в жестких условиях трения.
Широкое распространение получили спеченные самосмазывающиеся подшипники из композиций бронза – графит. Из них изготавливают антифрикционные детали электродвигателей, автотракторного электрооборудования, швейных и стиральных машин, звукозаписывающей аппаратуры и другой бытовой техники.
Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствия ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.
МАТЕРИАЛЫ С ТВЕРДЫМ СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ
В узлах трения, работающих при высоких скоростях скольжения, даже при небольших нагрузках могут развиваться значительные температуры, которые вместе с силами инерции способствуют удалению смазки из зоны трения, что создает трудности при использовании порошковых материалов, модифицированных жидкими или консистентными смазочными материалами.
Для улучшения триботехнических свойств спеченных материалов широко используют твердые вещества, которые наносят на поверхность трения в виде заполнителей пор поверхностного слоя. К ним относятся сульфиды, селениды, йодиды, хлориды, фториды, нитриды, оксиды металлов, пластмассы.
Тонкие слои твердых смазочных материалов наносят на поверхность трения спеченных деталей методом натирания или распыления их суспензий.
Эффективным методом образования стабильной разделительной пленки на поверхности трения является введение частиц твердого смазочного материала в порошковую смесь, из которой формируется материал детали терния. Этот метод более технологичен, исключает дополнительные операции по пропитке пористого порошкового материала или натирания поверхности трения деталей смазочным материалом и допускает механическую обработку деталей трения.
Наиболее широкое распространение в качестве смазочных добавок получили сернистые соединения молибдена (дисульфид молибдена MoS2), цинка и фторид калия. Улучшая триботехнические характеристики, дисульфид молибдена одновременно снижает механические свойства железографитовых материалов, поскольку располагается по границам зерен, ослабляя адгезию между ними. Для повышения механических характеристик спеченного материала его подвергают ковке. При введении сернистого цинка меняется структура железографитовых материалов. После спекания она становится перлитно-цементитной (Ц до 10%). Сульфидированный железографитовый материал по свойствам сравним с баббитом и применятся для изготовления деталей, работающих в паре с закаленной сталью при нагрузках до 10-15 МПа и скоростях скольжения до 13 м/с.
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Из неметаллических материалов для изготовления подшипников скольжения применяют термореактивные и термопластичные пластмассы. Среди термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники могут работать в тяжелых условиях, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает.
Из термопластов наиболее широко применяют полиамиды: ПС10, анид, капрон и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинства полимеров: низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость. Для повышения износостойкости при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения, характерных для работы в узлах трения современных машин и технологического оборудования в полимеры водят различные наполнители.
Традиционно в качестве наполнителей антифрикционных полимерных композитов применяют твердые смазочные материалы, обеспечивающие в процессе эксплуатации на поверхности трения структуру жидких кристаллов. Такие наполнители имеют слоистую структуру или приобретают ее в процессе трения. Из широкого спектра наполнителей в триботехническом материаловедении часто используют сульфиды (MoS2, WS2, PbS), селениды (MoSe2, WSe2), теллуриды (MoTe2, WTe2, NbTe2), оксиды переходных металлов (PbO, SiO2), графит, нитрид бора (BN), бронзу, тальк, каолин и др.
Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочных материалов составляет 0,04 – 0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой и, как все полимеры плохо отводит теплоту. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами. В промышленности широко применяется антифрикционный материал «Флубон»– полимерный композиционный материал на основе ПТФЭ и основного наполнителя – углеродного волокна. Флубон предназначается для изготовления деталей узлов трения (уплотнительных колец, подшипников скольжения, торцовых уплотнений, опорных подшипников) и уплотнений неподвижных соединений. Материал может применяться в компрессорах без смазки и с ограниченной смазкой, в реакторах, центрифугах, насосах химических производств. Может использоваться в общем машиностроении, нефтяном и газовом оборудовании.
Известны антифрикционные самосмазывающиеся композиции на основе фторопласта-4, содержащие дисульфид молибдена, нитрид бора, графит и др. модификаторы.
МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлополимерные материалы – это макрогетерогенные материалы, неоднородность которых характеризуется наличием граница раздела компонентов. Эта граница раздела может представлять собой как геометрическое место контакта фрагментов полимера и металла, так и промежуточный слой.
По объемно-структурному признаку металлополимерные материалы подразделяют на матричные, слоистые и дисперсные.
Матричные металлополимерные материалы характеризуются наличием непрерывной основы (матрицы) из одного материала (металла или полимера), в которой содержаться включения другого. Материалы на основе металлической матрицы называются каркасными, а на основе полимерной – наполненными. Традиционно металлополимеры получают сомещением порошкообразных полимеров и металлов с последующим термическим воздействием – прессованием, экструзией, литьем под давлением.
Слоистые металлополимерные материалы состоят из чередующихся непрерывных слоев полимера и металла (фольги, пленки), которые могут быть как сплошные, так и волокнистые, в виде тканей, перфорированные. К слоистым металлополимерным материалам относятся плакированные пленками металла полимерные пленки, фольгированные диэлектрики. Плакированные слоем полимера металлические фольги, листы и ленты и другие длинномерные изделия и пролуфабрикаты.
Особое место среди металлополимерных материалов занимают композиции, в которых металл находится в высокодисперсном (коллоидном) состоянии. Такие материалы получают разложением в среде расплава полимера металлосодержащих соединений типа формиатов (на основе муравьиной кислоты), оксалатов (на основе щавелевой кислоты), карбонилов и др. а также при содержании металлов 0,001…0,1% (мас.) Они имеют более высокие по сравнению с исходным полимером физико-механические характеристики, износостойкость, стойкость к воздействию термоокислительных сред.
Металлополимерные детали – это зубчатые колеса и звездочки, подшипники скольжения, тормозные диски и т.п.
Металлополимерными триботехническими узлами являются: система вал – полимерный подшипник, шток – полимерное уплотнение, металлополимерная щетка – коллектор.
В качестве примера металлополимерных деталей можно привести металлофторопластовые подшипники из металлофторопластовой ленты. Лента состоит из четырех слоев. Первый слой выполнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена. Второй слой – бронзофторопластовый, представляющий собой слой спеченной пористой бронзы, пропитанный смесью фторопласта и свинца или фторопласта и дисульфида молибдена. Третий слой образован медью. Его назначение – обеспечивать прочное сцепление с четвертым слоем – стальной основой.
При работе такого подшипника поверхностный слой выполняет роль смазочного материала. Пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку. Если первый слой изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, при этом фторопласт выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку. При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327оС, происходит плавление свинца, который снижает трение и тепловыделение. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.
МИНЕРАЛЫ
Антифрикционные минералы подразделяют на: естественные (агат) и искусственные (рубин, корунд) или их заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы). Минералыприменяют для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах – часах, тахометрах, гироскопах и т.д. Главное достоинство таких опор – низкий и стабильный коэффициент трения. Низкое трение достигается небольшим коэффициентом трения вследствие слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать громадные контактные давления.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
4. М.А. Броновец. Теория трения, износа и проблемы стандартизации / М.А. Броновец и др. Брянск: Приокское книжное издательство, 1978. – 397 с.
5. В.А. Гольгаде. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем / В.А. Гольгаде , В.А. Струк, С.С. Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 240 с.
6. Б.Н. Арзамасов. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2004. – 648 с.
7. В.А. Рогов. Современные машиностроительные материалы и заготовки. / В.А Рогов, Г.Г. Позняк. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 336 с.
8. Д.Н. Гаркунов. Триботехника. Износ и безизностность. / Д.Н.Гаркунов. – М.: издательство МСХА, 2001. – 616 с.
Раздел II
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Лекция № 1
Тема: «ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»