Подшипниковые материалы

Антифрикционные свойства трущихся пар зависят от сочетания материалов вала, вкладыша и смазки.

Шейки стальных валов, как правило, закаливают. Чем выше твердость, тем надежнее работа подшипника. Шейки быстроходных валов после цементации закаливают до высокой твердости HRC 55…60 или азотируют.

К материалам вкладышей предъявляются следующие требования:

· теплопроводность, обеспечивающая интенсивный теплоотвод от поверхностей трения, и малый коэффициент линейного расширения во избежание больших изменений зазоров в подшипниках;

· прирабатываемость, обеспечивающая уменьшение кромочных и местных давлений, связанных с упругими деформациями и погрешностями изготовления;

· хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхностях стойкие и быстро восстанавливаемые масляные пленки;

· коррозионная стойкость;

· малый модуль упругости.

Материалы вкладышей:

· Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-79) – серый чугун АЧС, ковкий чугун АЧК, высокопрочный чугун АЧВ – применяются для подшипников тихоходных малонагруженных валов. Чугуны отличаются низкой стоимостью, но требуют отсутствия перекосов при монтаже, отсутствия нагрева при работе. Они чувствительны к режиму смазки, требуют приработки на холостом ходу с постепенным увеличением рабочей нагрузки.

· Баббиты – сплавы на основе олова и свинца, имеют низкую твердость, применяются только в виде заливки или тонкослойных покрытий. Баббиты отличаются хорошей прирабатываемостью и относительно низкими требованиями к твердости шеек вала и к состоянию трущихся поверхностей.

Недостатки баббитов – относительно невысокое сопротивление усталости, ограничивающее их применение в машинах ударного действия и в быстроходных поршневых машинах.

При высоких скоростях и давлениях применяют высокооловянные баббиты Б83, Б88 (p ≤ 20 МПа, pv ≤ 75 МПа∙м/сек). Во избежание выплавления их применяют при температурах до 110ºС.

Давно применяются оловянно-свинцовые баббиты Б16, БН6 (p ≤ 10…15 МПа, pv ≤ 30 МПа∙м/сек), которые дешевле, но антифрикционные свойства и коррозионная стойкость у них ниже.

Для тонкослойных покрытий применяют баббит СОС 6-6 (88% свинца, 6% олова и 6% сурьмы). Этот баббит имеет повышенное сопротивление усталости.

· Бронзы. Универсальными антифрикционными свойствами обладают оловянные и оловянно-цинково-свинцовые бронзы. Широко известна оловянно-фосфористая бронза БрО10Ф1, особо эффективная при высоких давлениях и средних скоростях, но обладающая высокой стоимостью из-за высокого содержания олова. Чаще применяются оловянно-цинково-свинцовые бронзы БрО4Ц4С17 и БрО4Ц7С5.

При высоких скоростях и давлениях (до p =30 МПа) и переменных нагрузках (например, у двигателей внутреннего сгорания) применяют свинцовую бронзу БрС30, которая обладает повышенным сопротивлением усталости, предъявляет повышенные требования к твердости и шероховатости шеек вала, а также к смазке, так как окисление масла вызывает коррозию. В ответственных подшипниках рабочую поверхность вкладыша покрывают тонким приработочным слоем из олова, индия или сплава свинца с оловом.

При значительных давлениях и малых скоростях применяют алюминиево-железистые бронзы БрА9Ж4, с обязательной закалкой шейки вала.

· Алюминиево-оловянные антифрикционные сплавы – обладают высокими антифрикционными свойствами и сопротивлением усталости. Сплавы АО9-1 и АО9-2 применяют в подшипниках двигателей судов, тепловозов, тяжелых тракторов.

· Полиметаллические многослойные подшипники – в последнее время получают большое распространение. В частности, для автомобильных двигателей применяют подшипники, имеющие стальную основу, слой свинцовой бронзы толщиной 0,25 мм, служащей податливой подушкой с хорошей теплопроводностью и сопротивлением усталости, тонкий слой никеля или сплава меди с цинком во избежание диффузии олова и, наконец, хорошо прирабатывающийся слой олово-свинец толщиной 25 мкм.

· Металлокерамические материалы – железографитовые (1…3% графита) и бронзографитовые (1…4% графита) – получают из металлического порошка прессованием (150…200 МПа) и спеканием (при температуре 1050…1100ºС в течении 2…3 часов) в атмосфере инертных газов. Они имеют пористую структуру, объем пор – 15…35%, которые заполняются маслом путем специальной пропитки. Такие вкладыши отличаются удовлетворительной работой при скудном смазывании, поэтому их применяют в самосмазывающихся подшипниках, в которых трудно или невозможно обеспечивать надежную смазку обычными средствами. При низких нагрузках они могут длительное время работать, получая масло из пор.

Железографитовые вкладыши дешевле бронзографитовых, хотя и обладают почти такими же антифрикционными свойствами. Обработка резанием не рекомендуется, возможно калибрование.

· Пластмассовые вкладыши отличаются химической инертностью по отношению к материалу вала, технологичностью, хорошей прирабатываемостью, имеют мягкие продукты износа, могут работать с периодической смазкой или даже без смазки, имеют возможность эффективного использования в качестве смазочного материала воды или другой жидкости, являющихся рабочей средой в машине. Их недостатками являются старение, низкая теплопроводность, большой коэффициент линейного расширения, разбухание от поглощаемой влаги, худшее состояние поверхности.

Пластмассовые вкладыши изготавливают из полиамида (капрон, нейлон), фторопластов (тефлон), фенопластов (текстолит), поликарбонатов (дифлон).

· Резиновые вкладыши изготавливают методом горячей вулканизации, двухслойными, в металлической кассете, с продольными канавками для лучшего охлаждения и уноса абразивных частиц. Фрикционный слой делают из более твердой резины, а внутренний – более податливым. Они применяются с водяной смазкой. Используются в гидравлических машинах, для подводных и забортных механизмов. Подшипники из мягкой резины обеспечивают самоустанавливаемость вала и амортизируют его колебания, но несущая способность мала (p =0,1…0,2 МПа). Подшипники из твердой резины имеют несущую способность до 3…5 МПа.

· Вкладыши из твердых пород древесины (гваякового дерева, бокаута, самшита, дуба) пропитанных маслом используются для валов большого диаметра (например, гребные валы судов). Их набирают из брусков и крепят в металлических корпусах.

Применяются также древеснослоистые пластики. Они хорошо работают при смазывании водой. Их тоже набирают из брусков с расположением слоев перпендикулярно к поверхности трения.

· Графитовые вкладыши (порошковые антифрикционные материалы на основе углерода) – применяют в основном для работы без смазки. Они обеспечивают низкий коэффициент трения (0,04…0,05), обладают высокой температурной (от –200 до +1000ºС) и химической стойкостью, высокой теплопроводностью, но плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Они также хорошо себя зарекомендовали в быстроходных подшипниках с газовой смазкой.

Наибольшее применение нашли графитофторопластовые (из графита и фторопласта) и графитопластовые (из графита и фенолформальдегидной смолы) материалы.