Материалы подшипников скольжения

Материалы подшипников скольжения

Материалы подшипников скольжения

Различают пластичные (< НВ 50), мягкие (НВ 50—100) и твердые (> НВ 100) подшипниковые сплавы.

К пластичным принадлежат баббиты, свинцовые бронзы, алюминиевые сплавы, серебро; к мягким — бронзы оловянные, оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-цинковые; к твердым — бронзы алюминиево-железные и чугуны.

Для высоконагруженных быстроходных подшипников, рассчитанных на работу в области жидкостной смазки, применяют почти исключительно пластичные сплавы в виде тонких слоев, наносимые на стальные (реже бронзовые) втулки и вкладыши.

Мягкие и твердые сплавы применяют для изготовления подшипников граничной и полужидкостной смазки, работающих при умеренных скоростях.

Баббиты

Баббитами называют сплавы мягких металлов (Sn, Pb, Cd, Sb, Zn), характеризующиеся наличием твердых структурных составляющих в пластичной матрице.

Баббиты отличаются низким коэффициентом трения, пластичностью, хорошей прирабатываемостью и износостойкостью.

Пластичность обеспечивает равномерное распределение нагрузки по несущей поверхности: становится относительно безопасным попадание в подшипники мелких твердых частиц (металлическая пыль, твердые продукты окисления масла), которые впрессовываются в баббит и обезвреживаются.

Недостаток баббитов — низкое сопротивление усталости, особенно при повышенных температурах.

Баббиты могут работать в паре с нормализованными или улучшенными стальными валами (HRC 25—35), но для увеличения долговечности подшипника целесообразнее термически обрабатывать валы до твердости > HRC 50.

Наиболее высокими антифрикционными качествами обладают высокооловянные баббиты, представляющие собой сплавы олова с сурьмой с небольшими присадками меди (вводимой для предупреждения ликвации); структура баббита — твердые кристаллиты SnSb, вкрапленные в пластичную эвтектику.

Основные марки высокооловянных баббитов — Б89, Б83 (цифры указывают содержание олова в процентах).

Теплопроводность их (3,0—4,2)·10–2 Вт/(м·°C); коэффициент линейного расширения (22—24)·106. Модуль нормальной упругости Е = (5—6)·104 МПа. Плотность 7,3 кг/дм3. Твердость при 20°С НВ 20—30; предел текучести при сжатии 40—60 МПа. При 100—120°С твердость и предел текучести снижаются примерно вдвое.

Температура плавления оловянистых баббитов: начало 240—250°С, конец 400—420°С.

Баббиты заливают при 450—480°С на вкладыши, предварительно подогретые до 250°С. Наилучшие результаты дает центробежная заливка. Применяют также заливку в кокили и под давлением.

Толщина слоя заливки в подшипниках обычной конструкции 1—З мм. Сопротивление усталости баббитовой заливки повышается с уменьшением толщины слоя заливки, а также с увеличением жесткости системы вкладыш – постель. В последнее время толщину заливки доводят до 0,25—0,4 мм. Еще лучшие результаты даст электролитическое нанесение слоя баббита толщиной 10—20 мкм на подложку из пористой бронзы.

Падение прочности баббитовой заливки при повышенных температурах предупреждают интенсивным масляным охлаждением подшипников. Все это позволяет повысить удельные нагрузки на подшипники с баббитовой заливкой до 10—15 МПа.

В целях экономии дефицитного олова разработаны и внедрены в промышленность низкооловянные баббиты, являющиеся более или менее полноценными заменителями высокооловянистых баббитов.

Свинцово-оловянные баббиты Б16, Б6, БН, БТ состоят на 60—75% из свинца, 5—20% Sn, 10—20% Sb с небольшими присадками Сu, Cd, Ni, Fe. В качестве модификаторов вводят 0,3—1% As.

Антифрикционные качества свинцовых баббитов в условиях полужидкостной смазки ниже, чем высокооловянных. Теплопроводность их (1,2—2,4)·10–2 Вт/(м·°С), плотность 9,5—10 кг/дм3. Твердость и механические свойства примерно такие же, как у оловянных баббитов. Коррозионная стойкость значительно ниже.

В условиях жидкостной смазки разница между свинцовыми и оловянными баббитами малоощутима.

Безоловянные баббиты БК1, БК2 состоят почти целиком из свинца с присадками ~1 % Са и Na. Антифрикционные свойства и коррозиестойкость свинцовых баббитов улучшают, вводя в небольших количествах Sr, Ва, Li, Те.

Состав и свойства оловянных и свинцовых баббитов приведены в табл. 28.

Баббиты

Кадмиевые баббиты содержат 90—97% Cd с присадками Сu, Ni, Ag и других металлов, образующих твердые структурные составляющие в пластичной кадмиевой основе. Твердость кадмиевых баббитов НВ 30—40, коэффициент линейного расширения этих баббитов ~30·10–6 1/°С, теплопроводность (8,4—10,0)·10–2 Вт/(м·°С).

Антифрикционные качества высокие. Недостаток кадмиевых баббитов — низкая коррозионная стойкость.

В биметаллических тонкостенных вкладышах применяют алюминиево-оловянные сплавы, содержащие до 20% Sn. Наиболее распространены сплавы типа АО20—1 (20% Sn; 1% Сu; остальное Аl) и сплав АО6—1 (6% Sn; 1% Сu; 0,5—1% Ni; 1—1,5% Si; остальное AI). Твердость антифрикционных алюминиевых сплавов НВ 35—45; теплопроводность 0,18—0,24 Вт/(м·°С); коэффициент линейного расширения (20—22)·10–6 1/°С, плотность 2,7 кг/дм3.

Алюминиевые сплавы обладают высоким сопротивлением усталости и могут работать при удельных нагрузках до 50 МПа. Склонны к наволакиванию на вал. Необходимы усиленная прокачка масла и применение валов повышенной твердости (> HRC 50).

Для неответственных подшипников применяют дешевые цинкоалюминиевые сплавы типа ЦАМ 10—5 (10% Аl; 5% Сu, остальное Zn) и ЦАМ 9—1,5 (9% Al; 1,5% Сu). Твердость их НВ 60—80; коэффициент линейного расширения (30—32)·10–6; плотность 6,2 кг/дм3. Антифрикционные качества цинкоалюминиевых сплавов посредственные. Необходимо применение валов твердостью более HRC 50. Наилучшими качествами обладают нестандартные высокоалюминиевые цинковые сплавы (30—40% Аl; 5—10% Сu; остальное Zn) Твердость их НB 50—60.

Свинцовые бронзы

Свинцовые бронзы представляют собой сплавы Сu (40—70%) и Рb (30—60%) с присадками небольших количеств Sn, Zn, Ni, Ag. В СССР наиболее распространены бронзы БрС30 (30% Рb; остальное Сu) и БрО5С25 (5% Sn; 25% Рb; остальное Сu). Применяют также высокосвинцовую никелевую бронзу БрС60Н2,5 (60% Рb; 2,5 Ni).

Свинец практически нерастворим в меди и присутствует в сплавах в виде округлых включений, более или менее равномерно распределенных в медной матрице.

Свинцовые бронзы прочнее и тверже баббитов (НВ 40—60). В отличие от баббитов твердость и прочность их остаются практически постоянными до 200°С. Теплопроводность 0,12—0,13 Вт/(м·°С).

Недостатком свинцовых бронз является пониженная коррозионная стойкость (из-за наличия свободного свинца). Кроме того, свинец вызывает ускоренное окисление масла при эксплуатации.

Прирабатываемость и антифрикционные свойства свинцовой бронзы хуже, чем у баббитов. Подшипники с заливкой свинцовой бронзой требуют особенно малой шероховатости поверхностей трения, исключения перекосов, увеличения жесткости системы вал–подшипник, увеличения прокачки масли и тщательной его фильтрации, а также повышения поверхностной твердости вала (>HRC 50). Зазоры в подшипниках с заливкой свинцовой бронзой делают в среднем на 30—50% больше, чем в подшипниках с баббитовой заливкой. Целесообразно применять масла с низким кислотным числом (< 1 мг КОН/г) и вводить в масло противоокислительные присадки.

Рабочие поверхности подшипников с заливкой свинцовой бронзой обрабатывают тонкой расточкой алмазными или твердосплавными резцами с малыми подачами и большими скоростями резания (10—13 м/сек).

Свинцовую бронзу заливают на вкладыши из низкоуглеродистых сталей слоем толщиной 0,5—0,8 мм при 1050°С в графитных формах. Во избежание ликвации и для получения равномерного и тонкодисперсного распределения свинца в сплаве вкладыши сразу после заливки подвергают интенсивному охлаждению водой, пульверизованной сжатым воздухом.

Разработаны улучшенные составы свинцовых бронз с 30% Рb с присадками Ni (до 5%), Sn (до 25%) и незначительных количеств S и Са. Присадка Ni увеличивает коррозионную стойкость, S и Са вводят для предупреждения ликвации свинца.

Наряду с высокосвинцовыми бронзами для заливки подшипников применяют пластичные (НВ 60—80) бронзы с содержанием 5—7% Рb, 5% Р и 5% Zn.

Серебро

Для тяжелонагруженных опор машин, выпускаемых небольшими сериями, применяют подшипники с поверхностью трения из серебра (с присадкой небольших количеств Sn и Рb).

Серебряные покрытия отличаются пластичностью, мягкостью (в отожженном состоянии НВ 25—35), хорошими антифрикционными качествами и высоким сопротивлением усталости.

Теплопроводность серебряных покрытий высокая — 0,36—0,42 Вт/(м·°С). Коэффициент линейного расширения 18·10–6. Модуль упругости Е = 8,2·104 МПа. Температура плавлении 960°С.

Серебро заливают на поверхность вкладышей слоем 0,1—0,3 мм или наносят электролитически на пористую бронзовую или медно-никелевую подложку слоем толщиной 20—50 мкм.

В отдельных случаях для улучшения связи с вкладышем серебро заливают на мелкоячеистую стальную основу. Выступающие на поверхность участки стальной матрицы увеличивают несущую способность подшипника.

В целях улучшения прирабатываемости на поверхность серебряного покрытия наносят слой свинца или свинцово-сурьмяного сплина толщиной 10—30 мкм, который для предупреждения коррозии покрывают слоем индия толщиной несколько микрометров.

Необходимо применение валов повышенной твердости (> HRC 50).

Многослойные покрытия

При многослойной заливке тонкий слой оловянного баббита наносят на подложку из антифрикционного сплава толщиной 0,2—0,5 мм. Позволяя использовать ценные качества оловянных баббитов, этот способ резко сокращает расход олова и вместе с тем увеличивает сопротивление усталости и сопротивляемость заливки ударным нагрузкам.

В качестве подложки применяют свинцовые бронзы, алюминиевые сплавы и бронзы. Наилучшие результаты дают пористые подложки из спеченных сплавов Cu–Al и Сu–Ni (60% Сu, 40% Ni), обеспечивающие прочную связь баббита с вкладышем.

Применяют два способа нанесения баббита. При заливке баббит наносят слоем 0,3—0,4 мм. После обработки толщина баббитового слоя составляет 0,15—0,2 мм.

Технологичнее электролитическое осаждение баббита слоем толщиной 15—20 мкм на поверхности подложки, обработанной начисто. При этом способе обязательно применять пористую подложку, которая, будучи пропитана баббитом, образует антифрикционный подслой, обеспечивающий правильную работу подшипника при местном или общем износе поверхностного баббитового слоя.

Иногда в качестве поверхностного слоя применяют свинцовые баббиты. Для предупреждения коррозии на них наносят электролитический слой In толщиной несколько микрометров, который затем подвергают диффузии посредством нагрева при 150°С в течение 2—3 ч.

Бронзы

Бронзы применяют для изготовления подшипников, работающих в области преимущественно полужидкостной смазки при небольших окружных скоростях (подшипники вспомогательных приводов). Благодаря повышенной твердости они выдерживают большие удельные нагрузки.

Наиболее распространены оловянные, оловянно-свинцовые и оловянно-цинково-свинцовые бронзы (табл. 29).

Бронзы

Хорошими антифрикционными качествами обладают оловянные бронзы типа БрОФ. Бронзы с содержанием >0,5% Sn отливают (предпочтительно в кокили), с содержанием <0,5% Sn — штампуют. Твердость штампованных бронз можно снизить до НВ 50—60 посредством смягчающего отжига.

Введение свинца (бронзы БрОС) улучшает обрабатываемость, увеличивает пластичность и снижает твердость бронзы. Бронза БрО5С25 относится к разряду полупластичных.

Наиболее широко применяют оловянно-цинково-свинцовые бронзы, в которых содержание дефицитного олова снижено до 2—6%. Пластичность их выше, чем у оловянных бронз (удлинение 6—15%); твердость НВ 50—70. Оловянно-цинково-свинцовую бронзу БрОЦС 4-4-2,5 применяют в виде холоднокатаных лент для изготовления тонкостенных втулок.

Алюминиево-железные бронзы типа БрАЖ, имеющие повышенную твердость (НВ 70—100), применяют для изготовления втулок, работающих при высоких нагрузках и малых скоростях в условиях полужидкостной и граничной смазки (направляющие втулки всасывающих клапанов двигателей внутреннего сгорания).

Подшипники, работающие при высоких температурах, при граничной смазке (направляющие выхлопных клапанов) изготовляют из жаропрочных железоникельалюминиевых сплавов типа БрАЖН.

Теплопроводность антифрикционных бронз 0,06—0,12 Вт/(м·°С); коэффициент линейного расширения (16—18)·10–6; модуль упругости Е = (8—10)·104 МПа.

Валы, работающие в бронзовых подшипниках средней твердости, должны иметь твердость более HRC 50, а в подшипниках из бронзы высокой твердости более HRC 55.

Антифрикционные чугуны

В качестве дешевых заменителей бронз применяют антифрикционные чугуны: серые АЧС с пластинчатым графитом, высокопрочные АВЧ с глобулярным графитом, ковкие АЧК с хлопьевидным графитом и медистые ЧМ (табл. 30).

Антифрикционные чугуны

Недостатки антифрикционных чугунов — хрупкость и высокая твердость (НВ 160—250), исключающая возможность самоприработки. Чугунные подшипники чувствительны к перекосам, вызывающим высокие кромочные давления.

Чугунные подшипники применяют с валами высокой поверхностной твердости (> HRC 55). Мягкие антифрикционные чугуны (АЧС-3, АЧВ-2, АЧК-2) могут при небольших нагрузках работать в паре с нормализованными или улучшенными сталями (HRС 25—35).

Легкие сплавы

Из легких сплавов в качестве антифрикционных материалов чаще всего применяют алюминиевые.

Неответственные подшипники изготовляют из литейных сплавов Al–Si (АЛЗ; АЛ4; АЛ5), Аl–Mg (АЛ8). Al–Cu (АЛ10В; АЛ18В) предпочтительно отливкой в металлические формы (НВ 65—70). Целесообразнее изготовлять подшипники штамповкой из деформируемых сплавов типа АК4, АК4-1 (НВ 80—90).

Широкое применение имеют нетермообрабатываемые (НВ 40—60) сплавы АМ8 (8 % Сu); АМК2 (8% Сu; 2% Si); АЖ6 (6% Fe); АН-2,5 (2,5% Ni), АСС6-5 (6% Sb, 5% Pb). Пластичные сплавы АК5М и АН-2,5 (НВ 35—45) применяют в биметаллических ленточных вкладышах.

Наиболее высокими антифрикционными качествами обладают оловянные алюминиевые сплавы (содержание Sn до 20%). Один из лучших сплавов этого типа, сочетающий пластичность и высокую прочность, имеет состав; 6% Sn; 1,5% Ni; 0,5—1 % Sb; 0,5% Si; 0,5—1% Mn; остальное Al.

Твердость антифрикционных алюминиевых сплавов НВ 40—80; теплопроводность 0,12—0,24 Вт/(м·°С); коэффициент линейного расширения (21—24)·10–6; модуль упругости Е ≈ 7·104 МПа. Предел прочности литых сплавов 120—180 МПа, штампованных 200—300 МПа.

Алюминиевые сплавы коррозиестойки и не вызывают окисления масла. Недостатком их является пониженная прирабатываемость и склонность к наволакиванию на вал. Необходима смазка под давлением и применение валов повышенной твердости (> HRC 55).

Модуль упругости алюминиевых сплавов невелик, поэтому для нормальной работы необходимо повышение жесткости подшипников (утолщение стенок, выполнение буртиков жесткости, увеличение жесткости постелей).

В конструкции подшипников из алюминиевых сплавов надо учитывать их высокий коэффициент линейного расширения. При нагреве зазор в подшипнике возрастает, поэтому «холодный» зазор делают минимальным, совместимым с условием надежной работы подшипника в пусковые периоды. Кроме того, при нагреве возрастает натяг на посадочной поверхности подшипника. Подшипники из алюминиевых сплавов предпочтительно применять в корпусах из тех же сплавов.

Втулки из алюминиевых сплавов, установленные в корпусах из материалов с низким коэффициентом линейного расширения (сталь, чугун), могут при повышении температуры приобрести остаточные деформации сжатия. В таких случаях применяют минимальные посадочные натяги с обязательным стопорением втулок; диаметр стопорных штифтов рекомендуется увеличивать во избежание сминания материала подшипника.

Чтобы компенсировать изменение линейных размеров втулки при нагреве, ее делают с температурным швом — разрезом, который располагают в ненагруженной области подшипника. Такие втулки устанавливают в корпус с натягом, который поддерживается более или менее постоянным при колебаниях температуры. Втулки со швом необходимо стопорить от проворачивания.

Магниевые сплавы как антифрикционный материал близки к алюминиевым, но отличаются от последних еще более низким модулем упругости (Е = 4,2·104 МПа) и более высоким коэффициентом линейного расширения α = (26—28)·10–6 1/°С.

Для изготовления подшипников пригодны литейные сплавы МЛЗ, МЛ4 и деформируемые MA1, МА2.

Твердость магниевых сплавов НВ 30—40, теплопроводность 0,072—0,084 Вт/(м·°С).

При конструировании подшипников из магниевых сплавов нужно соблюдать те же правила, что и для алюминиевых сплавов.