Неметаллические материалы для подшипников скольжения

Неметаллические материалы для подшипников скольжения

Неметаллические материалы для подшипников скольжения

В качестве материалов для подшипников используют пластики, твердые породы натурального дерева, усиленную древесину, резину, графит.

Все перечисленные материалы применяют в сочетании с валами повышенной твердости (> HRC 50). При этом условии неметаллические подшипники обнаруживают высокую износостойкость.

Отличительная особенность неметаллических подшипниковых материалов — низкая теплопроводность. Почти все они лучше работают на воде, чем на масле.

Применение водяной смазки оправдано в тех случаях, когда машина работает с водой (водяные насосы) или в воде (установки гребных винтов, подводный механизированный инструмент и т. д.). В отдельных случаях применяют водяную смазку и на машинах общего назначения. При водяной смазке валы выполняют из закаливающихся коррозионностойких сталей (типа 30Х13, 40Х13). Металлические корпуса подшипников необходимо защищать от коррозии.

Пластики

Пластмассовые подшипники применяют преимущественно при полужидкостной смазке (малые частоты вращения, колебательное движение), а также при невозможности поднести к опорам регулярную смазку. Они могут работать с разовой и периодической смазкой, а при небольших нагрузках и окружных скоростях — без смазки. Подшипники из ненабухающих пластиков могут работать на водяной смазке, из химически стойких пластиков — на смазке химически активными жидкостями.

Допустимая удельная нагрузка зависит от твердости и прочности пластика, температуры, окружной скорости, вида и количества подводимой смазки и колеблется в пределах 1—10 МПа.

Для изготовления пластмассовых подшипников чаше всего применяют фенопласты (текстолит), поликарбонаты (дифлон), полиамиды (капрон, найлон), фторопласты (тефлон). Свойства этих пластиков приведены в табл. 32.

Антифрикционные пластики

Пластики как подшипниковые материалы имеют следующие особенности:

  • малая твердость (без наполнителей НВ 5—20);
  • низкий модуль упругости (без наполнителей Е = 103—104 МПа);
  • низкая теплопроводность (0,24—0,36)·10–3 Вт/(м·°С);
  • высокий коэффициент линейного расширения [(50—100)·10–6];
  • низкая теплостойкость (по Мартенсу 80—150°С).

Фенопласты и полиамиды набухают в воде (водопоглощение после длительного соприкосновения с водой до 15% по массе). Фторопласты отличаются ползучестью (возникновение остаточных деформаций под длительным воздействием сравнительно небольших напряжений).

Износостойкость и антифрикционные качества пластиков высокие.

Пластики, особенно термопласты, плохо поддаются механической обработке. Полиамидные и поликарбонатные подшипники изготовляют пресс-литьем, фторопластовые — горячим прессованием с приданием окончательных размеров в пресс-формах. Реактопласты (фенопласты) можно обрабатывать твердосплавным инструментом при малых подачах и высоких скоростях резания.

Вследствие низкой теплопроводности, высокого коэффициента линейного расширения и легкой деформируемости пластмассовые подшипники редко выполняют в виде толстостенных втулок. Главная область применения пластиков — нанесение тонких (0,1—0,5 мм) покрытий на металлические поверхности, а также пропитка поверхностного слоя пористых антифрикционных металлов (спеченных бронз).

В тонких слоях отрицательные особенности пластиков почти не влияют на работу подшипника.

Массивные пластмассовые втулки применяют преимущественно при малых диаметрах (менее 30 мм), небольших нагрузках и частоте вращения. С учетом возможности объемных изменений пластика зазор делают в среднем в 2—3 раза больше, чем в металлических подшипниках (ψ = 0,003—0,006). При больших диаметрах для компенсации объемных изменений втулки делают разрезными с прямым, спиральным или шевронным швом. В таких подшипниках относительный зазор может быть доведен до 0,001—0,002.

Прочность пластиков увеличивают, вводя волокнистые или тканевые наполнители, теплопроводность — вводя металлические порошки (Рb, свинцовая бронза).

Текстолитовые подшипники изготовляют из многослойной шифонной ткани, пропитанной бакелитом и спрессованной под давлением ~100 МПа при 150—180°С.

Текстолитовые подшипники работают лучше, если торцы тканевых слоев расположены перпендикулярно к поверхности трения. В крупногабаритных подшипниках текстолит устанавливают блоками в металлических кассетах.

Максимальная удельная нагрузка при обильной масляной или водяной смазке 10 МПа. Предельная длительная температура 60—80°С

Капрон и нейлон применяют преимущественно для изготовления подшипников диаметром менее 50 мм, работающих при недостаточной смазке или без смазки.

Для увеличения прочности вводят наполнители (ткань, стекловолокно, графитное волокно).

Полиамиды (как и все термопласты) плохо поддаются механической обработке. Капроновые и найлоновые подшипники изготовляют пресс-литьем в металлических формах с точностью размеров в пределах нескольких сотых миллиметра.

Для увеличения прочности, тепло- и износостойкости и уменьшения водопоглощаемости капроновые подшипники подвергают термической обработке (выдержка 3—4 ч в минеральном масле при 150—180°С, кипячение в течение такого же времени в воде, медленное охлаждение).

Тефлон в чистом виде мало пригоден для изготовления подшипников вследствие мягкости, большого коэффициента линейного расширения, холодной ползучести и полной несмачиваемости маслом. Его применяют только в тонких слоях с обязательной присадкой свинца (до 20% по массе). Тефлон плохо наносится на металлические поверхности. Наилучший способ покрытия — вакуумная пропитка тефлоносвинцовой композицией, диспергированной в жидкости пористого антифрикционного слоя из спеченных бронзовых сплавов. Для улучшения антифрикционных качеств в композицию вводят коллоидальный графит и дисульфид молибдена.

Такие подшипники по антифрикционным качествам не уступают подшипникам с оловянно-баббитовой заливкой, а по пределу выносливости превосходят их. Они могут работать в интервале от –50 до +250°С.

Подшипники, работающие при высоких окружных скоростях, нуждаются в циркуляционной смазке.

Применяют также тонкослойные (0,1—0,2 мм) полиамидные, полиуретановые и эпоксидные покрытия, которые наносят наплавлением, горячим напылением, наклеиванием (эпоксиды), осаждением в псевдосжиженном слое в электростатическом поле.

Древесные материалы

Для подшипников применяют пропитанные маслом твердые древесные породы (гваяковое дерево, самшит), как заменители — березу, клен, дубовые породы.

Более высокими качествами обладает усиленная древесина, представляющая собой многослойный березовый шпон (лигнофоли) или крошку (лигностоны), пропитанные фенолоформальдегидными смолами и спрессованные под давлением 30—50 МПа при 150—180°С.

Древесные пластики лучше работают на воде; их применяют для изготовления подшипников гидравлических машин, а также для изготовления низкооборотных, тяжелонагруженных и крупногабаритных подшипников прокатных станов.

Вкладыши из древеснослоистых пластиков набирают из брусков с расположением слоев перпендикулярно к поверхности трения и крепят в металлических корпусах (рис. 693).

Подшипники из древеснослоистых пластиков

Допустимая удельная нагрузка в среднем 2—3 МПа; кратковременная до 15 МПа. Предельная температура 60—70°С.

Резины

Резиновые подшипники представляют собой металлические втулки, облицованные натуральными или синтетическими каучуками (хлор- и фторкаучуки, силиконовые и полисульфидные каучуки). Наилучшими для подшипников скольжения являются фторкаучуки.

Твердость и эластичность каучуков можно менять в широких пределах изменением состава и технологии изготовления.

Резиновые подшипники применяют почти исключительно с водяной смазкой. Их используют в гидравлических машинах, для подводного механизированного инструмента, в концевых установках гребных валов (дейдвудные подшипник). Металлические корпуса подшипников выполняют из коррозионностойких сталей или защищают от коррозии нанесением полимерных пленок.

Для удаления грязи на рабочей поверхности подшипников предусматривают сквозные канавки (рис. 694).

Резиновые подшипники

Коэффициент трения стали по влажной резине f = 0,05—0,1. При достаточной прокачке воды и высоких окружных скоростях (10—20 м/с) можно, несмотря на малую вязкость воды, создать чисто жидкостную смазку (f = 0,002—0,003).

Подшипники из мягких резин применяют, когда важно обеспечить самоустанавливаемость вала, а также амортизацию его колебаний. Несущая способность их незначительна (k = 0,1—0,2 МПа).

Подшипники из твердых резин выдерживают нагрузки до 3—5 МПа.

Углеграфиты

Для изготовления подшипников, работающих без смазки при высоких температурах, в химически агрессивных средах, применяют углеграфиты (смеси графита, угля, сажи и кокса на связке из пека и каменноугольных смол, спрессованные и подвергнутые спеканию).

Физико-механические свойства графита: плотность 2,2 кг/дм3; температура плавления 3500°С; разрушающее напряжение 20 МПа; модуль нормальной упругости 8·103 МПа; коэффициент линейного расширения ϰ = (0,5—1)·10–6 1/°С, теплопроводность (6—8)·10–3 Вт/(м·°С).

Углеграфиты обладают хорошими антифрикционными качествами (коэффициент трения 0,05—0,08), теплостойкостью, химической стойкостью, низким коэффициентом линейного расширения α = (2—3)·10–6. Углеграфиты хорошо обрабатываются резанием. Недостатком их является хрупкость.

Для увеличения прочности, теплопроводности и износостойкости в углеграфиты вводят металлические порошки (Cu, Cd, баббит). Хрупкость уменьшают пропиткой фенолоформальдегидами, силоксанами и тефлоном (графитопласты).

Наилучшими суммарными свойствами обладают антегмиты (табл. 33).

Антегмиты

Валы, работающие в углеграфитных подшипниках, должны иметь твердость более HRC 50.

Углеграфиты широко применяют для уплотнения высокотемпературных узлов (уплотнительные кольца турбин, диски торцовых уплотнений).