Класифікація антифрикційних матеріалів

Металеві [19]

І типу – сплави з м’якою матрицею та твердими включеннями:

1. Бабіти (сплави на основі олова та свинцю) – матеріал з найкращими антифрикційними властивостями.

2. Антифрикційні матеріали на основі цинку.

3. Мідні антифрикційні матеріали. Бронзи БрО10Ф1, БрО10Ц2, БрО5Ц5С5 та інші застосовують у відповідальних вальницях в умовах високого тиску та великих обертів двигуна. Недолік бронз – вартість. Порівняно із латунями бронзи мають меншу міцність. Латуні (ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3) мають гірші антифрикційні властивості порівняно з бронзами, їх використовують при малих швидкостях ковзання (< 2 м/с) та невисоких навантаженнях.

ІІ типу – сплави з твердою матрицею та м’якими включеннями

1. Сплави на основі заліза. Антифрикційні чавуни: СЧ15, СЧ20, АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2. Використовують при значному тиску та малих швидкостях ковзання. Для зменшення схильності до зношування твердість чавуна повинна бути меншою за твердість сталевої цапфи. Перевага антифрикційних чавунів – мінімальна схильність до схоплення, мала вартість. До недоліків слід віднести погане припрацювання та низьку стійкість до ударних навантажень.

2. Мідні антифрикційні матеріали (свинцеві бронзи БрС30, БрО5С25).

3. Алюмінієві антифрикційні матеріали.

Неметалеві та комбіновані матеріали, мінерали [19]

1. Неметалеві (капрон, фторопласт, текстоліт).

2. Комбіновані матеріали. В цю групу входять залізографітові (ЖГр1, ЖГр3М15), залізоміднографітові, бронзографітові матеріали. Вальниці з цих матеріалів виготовляють порошковою металургією. Вони здатні до самозмащування, експлуатуються в умовах відсутності ударних навантажень, на невеликих швидкостях ковзання (до 3 м/с). До комбінованих матеріалів також відносять металофторопласти. Металофторопластову вальницю виготовляють зі стрічки, яка складається з 4 шарів: 1 шар (зовнішній) – фторопласт з дисульфідом молібдену (25% мас.); 2 шар – бронзо-фторопласт; 3 шар – мідь; 4 шар – сталева основа. Металофторопластові вальниці мають високі антифрикційні властивості, працюють без змащувального матеріалу, можуть експлуатуватися у вакуумі, рідинах.

3. Мінерали. Природний – агат; штучні – рубін, корунд та їх замінник ситал. Використовують для виготовлення дуже маленьких вальниць (в годинниках, гіроскопах, тахометрах та інше). Головна перевага цих вальниць ковзання – низький, стабільний момент тертя.

Вибір матеріалу залежить від режиму змащування та умов роботи опор ковзання.

БАБІТИ

Бабіти – сплави на основі олова та свинцю. Ці сплави відносятьдом’яких антифрикційних матеріалів (НВ 300). За антифрикційними властивостями перевершують всі інші сплави, але поступаються за опором втомі.

Вимоги, які висувають до бабітів [15]:

1. Міцність. При температурах експлуатації вузла тертя бабіти повинні володіти певним комплексом механічних властивостей та витримувати навантаження від шийки валу. При низьких механічних властивостях антифрикційного матеріалу може відбутися його зминання, видавлювання з вальниці, збільшення зазору між вальницею та шийкою валу, що погіршить роботу вузла тертя. Для забезпечення тривалої експлуатації вальниці матеріал повинен мати достатній рівень механічних властивостей (НВ, s_в, s_пц, s_т (s_0,2) як при кімнатній так і при робочій температурі.

2. Пластичність. Більш пластичний матеріал легше припрацьовувається до шийки валу. Так при добрій пластичності матеріалу крихкі частинки, які можуть відірватися від валу в процесі тертя або потрапити разом із мастилом у вузол тертя, легко вдавлюються в поверхню матеріалу і матеріал деформуються без утворення тріщин або інших дефектів. Також антифрикційний матеріал при роботах в умовах ударних навантажень повинен володіти достатньо високою ударною в’язкістю.

3. Припрацювання – завдяки пластичній деформації та зношенню збільшується поверхня прилягання до шийки валу, що знижує питомий тиск на поверхню вальниці. Мінімальне значення питомий тиск досягає при 100% припрацюванні.

4. Антифрикційна структура. Структура повинна бути гетерогенною і складатися з фаз з різними властивостями: в м’якій та пластичній фазі у вигляді окремих включень розташовується фаза з високою твердістю та зносостійкістю. Кількість твердої фази має бути меншою за пластичну. При обертанні вал опирається на тверду фазу, м’яка фаза стирається та припрацювується, утворюється мережа мікроскопічних каналів по яким циркулює мастило (рис.6.1).

Рисунок 6.1 – Схема роботи вальниці ковзання

5. Низький коефіцієнт тертя.

6. Зносостійкість. Найбільш важливий показник роботи вузла тертя, від неї залежить довговічність вальниці. Зносостійкість повинна бути високою та не призводити до суттєвого зношення шийки валу. На зносостійкість впливає: характер тертя (рідке, сухе, напівсухе); твердість та коефіцієнт тертя матеріалу валу; характер продуктів зношення; якість поверхні тертя (величина шорсткості).

7. Достатньо високий опір втомі в умовах вібраційних навантажень запобігає утворенню тріщин від втоми.

8. Добру рідкотекучість.

9. Низьку температуру плавлення.

10. Невеликий коефіцієнт лінійного розширення.

11. Високу теплопровідність для відводу тепла від поверхні тертя.

12. Високу корозійну стійкість.

Внаслідок високої вартості олова вкладиш з бабіту виготовляють дуже тонким (< 1 мм) та використовують тільки в вальницях відповідального призначення, які працюють в умовах високих швидкостей та навантажень. Для більш легких умов роботи використовують бабіти, в котрих значна частина олова замінена на свинець.

Вальницеві вкладиші внаслідок низької міцності бабіту виготовляють штампуванням із біметалевої стрічки бабіт-сталь; заливкою відцентровим способом або литвом під тиском в більш міцний сталевий, чавунний або бронзовий корпус.

Олово та свинець мають відносно низьку температуру плавлення (табл.6.1); низьку твердість та високу корозійну стійкість. Густина свинцю значно більша за густину олова (табл.6.1). Механічні властивості олова та свинцю наведені в табл.6.2.

Таблиця 6.1 – Окремі фізичні властивості олова та свинцю [2]

Фізичні властивості	Олово (b-Sn)	Свинець
Температура плавлення, °С
Атомна маса	118,69	207,19
Атомний радіус, нм	0,158	0,154
Атомний об’єм, см^3/г-атом	16,29	18,27
Густина, г/см^3	7,3	11,34
Кристалічна гратка	Тетрагональна	ГЦК
Період гратки, нм	а = 0,58194; с = 0,31753	а = 0,49389
Температура кипіння, °С
Питома теплоємність, кал/(г×град) при 20°С	0,0542	0,031
Теплопровідність, кал/(см×сек×град)	0,1528 (0°С)	0,0827 (20°С)
Коефіцієнт лінійного розширення, 1/град	20×10^-6 (20…165°С)	29,1×10^-6(20°С)
Питомий електроопір, Ом×см	11,5×10^-6	22×10^-6

Таблиця 6.2 – Механічні властивості Sn та Pb [2]

Метал	НВ, МПа	sв, МПа	d, %	y, %
Sn		24,5
Pb

Олово має дві поліморфні модифікації. Вище 13°С стійка модифікація b-Sn з тетрагональною граткою, нижче температури 13°С – стійка модифікація a-Sn з граткою типу алмазу (а =0,646нм) [2]. Перехід однієї модифікації в іншу супроводжується різкими об’ємними змінами, що призводить до руйнування олова та перетворення його на чорний порошок. В інтервалі температур 13…0°С швидкість поліморфного перетворення низька. При температурах нижче 0°С (особливо –30…–40°С) процес поліморфного перетворення інтенсифікується, на виробах утворюються темні нарости та відбувається руйнування виробів. Це явище отримало назву «олов’яна чума». Таке олово можна відновити тільки переплавом. Свинець не має поліморфних модифікацій.

Особливість олова та свинцю – вони не наклепуються, тому що температура початку рекристалізаці знаходиться нижче кімнатної (–179,2°С та –158,2°С відповідно).

Чисте олово не окислюється у вологому повітрі, стійке в органічних кислотах та киплячій воді, тому олово використовують для лужіння харчової посуди та жесті.

Свинець більш корозійностійкий ніж олово. Він стійкий до дії кислот (особливо сірчаної) та луг. В сухому повітрі свинець не окислюється, а у вологому – покривається оксидною плівкою PbO, яка має добрі захисні властивості.

6.2.1 Бабіти на основі олова (система Sn-Sb, олов’яно-сурм’янисті бабіти). Марки: Б83, Б88, Б83С. Хімічний склад олов’яно-сурм’янистихбабітів наведено в табл.6.3.

Порівняно з оловом сурма більш тугоплавка (t_пл = 630°С), має меншу густину (6,68 г/см³) та більш тверда (НВ 30) [2]. Вкладиши вальниць виготовляють з бабітів із вмістом Sb від 7 до 12%, які мають двофазну структуру: a-твердий розчин заміщення на основі Sn та b¢-фаза (SnSb) упорядкована в інтервалах температур 320…325°С. Форма кристалів b¢-фази квадратна або трикутна. Температуру упорядкування на діаграмі (рис. 6.2) показано пунктирною лінією. Твердий розчин виконує функцію м’якої основи, а
b¢-фаза – твердих включень. Таким чином, сурма зміцнює основу та створює опорні включення підвищеної твердості у вигляді хімічних сполук. При концентрації Sb менше 7% бабіти мають недостатню твердість та зносостійкість внаслідок відсутності в структурі b¢-фази, а при концентрації Sb більше 12% – окрихчуються внаслідок занадто великої кількості b¢-фази. Вплив вмісту Sb на твердість бабіту наведено на рис.6.3.

Таблиця 6.3 – Хімічний склад олов’яно-сурм’янистих бабітів, % (ГОСТ 1320-74)

Марка сплаву	Хімічний склад, %
Основні компоненти	Домішки, не більше
Sn	Sb	Cu	Cd	Ni	Pb	Fe	As	Zn	Pb	Bi	Al
Б83	основа	10,0…12,0	5,5…6,5	-	-	-	0,10	0,05	0,004	0,35	0,05	0,005
Б83С	основа	9,0… 11,0	5,0…6,0	-	-	1,0…1,5	0,10	0,10	0,01	-	0,05	0,005
Б88	основа	7,3… 7,8	2,5…3,5	0,8…1,2	0,15…0,25	-	0,05	0,05	0,005	0,1	0,05	0,005

Примітка. Принцип маркування: буква Б – бабіт, цифри вказують на середній вміст олова у відсотках, С – свинець.

Рисунок 6.2 – Діаграма стану Sn-Sb

Рисунок 6.3 – Твердість сплавів системиSn-Sb [15]

Бабіти схильні до зональної ліквації (ліквація за густиною). Для попередження цього явища в сплави вводиться мідь в концентрації від 2 до 10%. Мідь майже не розчиняється в гратці олова. В присутності міді утворюються тверді включення Cu₃Sn, які мають форму подовжених голок або зірочок. Включення Cu₃Sn кристалізуються з розплаву першими, утворюють якби скелет, який утруднює ліквацію кубічних кристалів SnSb. Крім того, кристали Cu₃Sn є центрами кристалізації кубічних кристалів SnSb, внаслідок чого вони подрібнюється та кристалізуються більш рівномірно.

В залежності від умов кристалізації можна отримати різні за розміром кристали SnSb та Cu₃Sn [2]: при повільному охолодженні більш крупні кристали, при швидкому охолодженні більш дрібні.

Домішки Pb, Bi, Zn, As, присутні волов’яно-сурм’янистихбабітах, утворюють з оловом легкоплавкі евтектики. Так при наявності 0,5% Pb утворюється потрійна евтектика (Sn-Pb-b), яка плавиться при температурі 184°С; при наявності Ві утворюється потрійна евтектика (Sn-Ві-Sb), яка плавиться при температурі 135°С [2]. Ці евтектики знижують температуру експлуатації бабіту, оскільки при випадковому короткочасному перегріванні вальниці легкоплавка евтектика може призвести до оплавлення бабіту. Також наявність евтектик знижує ударну в’язкість бабіту.

Легування кадмієм підвищує зносостійкість, твердість, міцність, опір втомі бабіту, а легування н ікелем приводить до підвищенняударної в’язкості та корозійної стійкості.

Сплав Б88. Сплав Б88 плавиться при температурі 320°С. Температура початку розплавлення ~241°С. Не змінює свої властивості при розігріванні вальниці до 100°С.

Механічні властивості бабіту Б88 при 20°С: НВ 27…30; d = 10,6%; s_в = 114 МПа; s_т = 43 МПа (s_в та s_т при випробуваннях на стиснення).

Сплави Б83, Б83С. Сплав Б83 плавиться при температурі 370°С. Температура початку розплавлення 240°С. Не змінює свої властивості при розігріванні вальниці до 100°С. Має достатню пластичність та здатен витримувати ударні навантаження. Недолік сплаву: невеликій опір втомі, тому його неможна використовувати у вальницях, які заливаються тонким шаром, і працюють в умовах вібраційних навантажень. Механічні властивості при 20°С: НВ 27… 30; d = 6,0%; s_в = 110…120 МПа; s_т = 80…85 МПа (s_в та s_т при випробуваннях на стиснення).

Бабіт Б83С використовують для виготовлення вкладишів вальниць які працюють без значних ударних навантажень. Легування свинцем дозволяє збільшити товщину заливки (> 3 мм) без погіршення антифрикційних властивостей.

Мікроструктура бабіту Б83 наведена на рис.6.4.

Умови експлуатації та приклади використання олов’яно-сурм’янистих бабітів наведені в табл. 6.4.

Cu3Sn

b¢(SnSb)

a

Рисунок 6.4 – Мікроструктура бабіту Б83, ´200

Таблиця 6.4 – Умови експлуатації та призначення олов’яно-сурм’янистих бабітів (ГОСТ 1320-74)

Марка сплаву	Характеристика навантаження	Питомий тиск р, МПа	Колова швидкість v, м/с	Робоча температура, °С	Призначення
Б83	Спокійна ударна	15, 10			Вальниці, які працюють в умовах середніх навантажень на великих швидкостях (вальниці турбін, вальниці малооборотних дизелей, опорні вальниці гребних валів).
Б83С
Б88	Спокійна ударна	20, 15			Вальниці, які працюють в умовах високих динамічних навантажень на високих швидкостях (вальниці для швидкохідних та середньооборотних дизелів; нижні половини крейцкопфних вальниць малооборотних дизелів).

6.2.2 Бабіти на основі свинцю. Оскільки олово дефіцитний та дорогий метал, то в вальницях для широкого використання олово повністю або частково замінюють на свинець (вміст Sn знижують до 6…10%). Свинець має низьку твердість та міцність і в процесі експлуатації може видавлюватися з вальниці, тому для підвищення твердості та міцності його легують Na, Ca, As, Sb, Cd, Sn. Найбільш розповсюджені бабіти на основі систем Pb-Sn-Sb та Pb-Ca-Na.

Діаграма стану Pb-Sb відноситься до діаграм з евтектичним перетворенням (рис.6.5). На основі свинцю існує обмежений a-твердий розчин з максимальною розчинністю 5,8% Sb при 252°С. Твердість евтектики становить 8…5 НВ. Структура доевтектичних сплавів, в яких Sb менше 17,5%, складається з a-твердого розчину, евтектики та вторинних виділень кристалів Sb. При вмісті 17,5%Sb (евтектичний сплав) структура сплаву складається з евтектики. При вмісті Sb більше 17,5% (заевтектичні сплави) структура складається з евтектики та надлишкових кристалів Sb кубічної форми.

Оскільки доевтектичні сплави системи Pb-Sb доволі м’які, мають низьку твердість та високу ударну в’язкість, то в якості антифрикційних матеріалів використовують заевтектичні сплави. М’яка основа – евтектика, тверді включення – кристали Sb, кількість котрих становить біля 5% від загального об’єму сплаву. Кількість кристалів Sb залежить від її вмісту.

Рисунок 6.5 – Діаграма стану Pb-Sb [16]

Для зменшення схильності до зональної ліквації сплави системи Pb-Sb легують міддю, в її присутності утворюється сполука Cu₂Sb, яка додатково підвищує твердість та зносостійкість бабіту. Мікроструктура бабіту БС (17% Sb; 1% Cu; Pb – решта) наведена на рис.6.6.

Cu2Sb

евтектика (a+Sb)

Рисунок 6.6 – Мікроструктура бабіту БС, ´100 [2]

Бабіт БС використовують до температури 60°С, з нього виготовляють вкладиші вальниць вагонів, тролейбусів, гальмівні вальниці та інші.

Для підвищення твердості, міцності, корозійної стійкості, покращення здатності до лужіння сплави системи Pb-Sb додатково легують Sn.

Бабіти на основі системи Pb-Sn-Sb (свинцево-олов’яно-сурм’янистий бабіт). Марки: БН, Б16, БС6. Хімічний склад бабітів наведений в табл.6.5.Фазовий склад сплавів: a-твердий розчин на основі Pb, в гратці котрого розчиняються Sb та Sn, хімічні сполуки SnSb, Cu₃Sn, Cu₂Sb. Від співвідношення вмісту Sn та Sb залежить утворення фази Cu₃Sn чи Cu₂Sb. Структура сплавів: евтектика (a+SnSb) + SnSb + Cu₃Sn(Cu₂Sb). Роль твердої складової виконують включення хімічних сполук, а м’якої – евтектика. Мікроструктура сплаву Б16 наведена на рис.6.7. Механічні властивості бабітів наведені в табл.6.6.

Таблиця 6.5 – Хімічний склад свинцево-олов’яно-сурм’янистих бабітів, %(ГОСТ 1320-74)

Марка сплаву	Хімічний склад, %
Основні компоненти	Домішки, не більше
Sn	Sb	Cu	Cd	Ni	As	Pb	Fe	As	Zn	Сd	Bi	Al
Б16	15,0… 17,0	15,0…17,0	1,5… 2,0	-	-	-	основа	0,08	0,20	0,07	-	0,10	0,010
БН	9,0… 11,0	13,0…15,0	1,5… 2,0	0,1… 0,7	0,1… 0,5	0,5…0,9	основа	0,10	-	0,02	-	0,10	0,05
БС6	5,5… 6,5	5,5… 6,5	0,1… 0,3	-	-	-	основа	0,10	0,05	0,01	0,05	0,07	0,005

Примітка. Принцип маркування: букви Б – бабіт, Н – нікель (0,1-0.5), С – основа свинець; цифри вказують на середній вміст олова та сурми у відсотках.

Таблиця 6.5 – Механічні властивості свинцевих бабітів [19]

Марка сплаву	sв, МПа	sт, МПа	d, %	HB
Б16			0,2
БН	125…130	70…74	1,7	27…29
БС6			12,7	15…17

Примітка: s_в та s_т при випробуваннях на стиснення.

Свинцево-олов’яно-сурм’янисті бабіти легують As, Ni, Cd. Миш’як покращує рідкотекучість (полегшує заливку вкладиша) та утворює тверді включення (AsPb) які підвищують зносостійкість бабіту. Крім того, кадмій з миш’яком утворюючи сполуку AsCd, котра є центром кристалізації b¢-фази (SnSb), подрібнюють структуру бабіту. Нікель підвищує ударну в’язкість, опір корозії, рідкотекучість.

Cu3Sn (Cu2Sb)

SnSb

евтектика (a+SnSb)

Рисунок 6.7 – Мікроструктура бабіту Б16, ´200

Умови експлуатації та приклади використання свинцево - олов’яно-сурм’янистих бабітів наведено в табл. 6.7.

Таблиця 6.7 – Умови експлуатації та призначення свинцево - олов’яно-сурм’янистих бабітів [19]

Марка бабіту	Характеристика навантаження	Питомий тиск р, МПа	Колова швидкість v, м/с	Робоча температура, °С	Призначення
БН	Спокійна ударна	10; 7,6			Вальниці компресорів, які працюють в умовах середніх навантажень на середніх швидкостях
Б16	Спокійна				Моторноосьові вальниці електровозів, колійних машин
БС6	Ударна		-		Вальниці автотракторних двигунів

Бабіти на основі системи Pb-до 1%Ca-до 0,8%Na (кальцієво-натрієвий бабіт). Марки: БКА, БК2, БК2Ш, БК2Ц. Хімічний склад бабітів наведено в табл.6.8.

Таблиця 6.8 – Хімічний склад кальцієво-натрієвих бабітів, % (ГОСТ 1209-90)

Марка бабіту	Хімічний склад, %
Основні компоненти	Домішки, не більше
Ca	Na	Mg	Sn	Al	Zn	Pb	Bi	Sb	Cu	Al	Mg	Ін. до-мішки
БКА	0,95… 1,15	0,70… 0,90	-	-	0,05… 0,20	0,40… 0,60	решта	0,10	0,25	-	-	0,2	0,3
БК2	0,30… 0,55	0,20… 0,40	0,01… 0,05	1,50… 2,10	-	-	решта	0,2	0,2	0,15	0,02	-	0,3
БК2Ш	0,65… 0,90	0,70… 0,90	0,03… 0,09	1,50… 2,10	-	-	решта	0,2	0,2	0,15	0,02	-	0,3
БК2Ц	0,95… 1,15	0,70… 0,90	-	1,50… 2,10	-	0,40… 0,60	решта	0,10	0,25	0,02	0,02	-	0,3

Примітка. Принцип маркування: буква Б – бабіт, К – кальцій, А - алюміній, Ш – вказує на галузь використання (шихтування сплавів при заливці вальниць), Ц – цинк; цифри – вміст олова.

Порівняно з олов’яними кальцієво-натрієві бабіти мають меншу зносостійкість та гірші антифрикційні властивості. Порівняно з бабітом БС менш крихкі, більш зносостійкі, антифрикційні властивості кращі.

Суттєвий недолік кальцієво-натрієвих бабітів – схильність до окислення, погана здатність до лужіння, труднощі при заливці.

Кальцій майже не розчиняється в гратці свинцю та утворює із Pb тверду крихку проміжну фазу Pb₃Са (рис.6.8, а). Натрій, навпаки, добре розчиняється в гратці свинцю (до 12,7%, рис.6.8, б) та утворює a-твердий розчин заміщення на основі Pb. Розчинність Na в гратці Pb із зниженням температури зменшується внаслідок виділення b-фази на основі хімічної сполуки Pb₃Na. Структура кальцієво-натрієвого бабіту: a-фаза + Pb₃Са + Pb₃Na. М’яка основа – a-твердий розчин Са та Na в гратці свинцю. Тверда фаза – включення частинок Pb₃Са та Pb₃Na. Мікроструктура бабіту БКА наведена на рис.6.9.

Кальцієво-натрієві бабіти схильні до природнього старіння. Після заливки через декілька днів твердість бабіту зростає, а лінійні розміри зменшуються внаслідок виділення з a-твердого розчину включень Pb₃Na.

а

б

Рисунок 6.8 – Діаграма стану Pb-Ca (а) та діаграма стану Pb-Na (б) [16]

Pb3Na

Рисунок 6.9 – Мікроструктура бабіту БКА, ´200

Легування кальцієво-натрієвого бабіту елементами Sn, Al, Mg, Zn приводить до зміцнення основи, а додаток алюмінію – і до підвищення пластичності. Крім того, олово, магній, алюміній покращують корозійну стійкість бабіту та здатність до лужіння; магній при концентрації до 0,1% зменшує схильність до угару кальцію та натрію при плавці.

Внаслідок більшої крихкості кальцієво-натрієві бабіти використовують при меншому питомому тиску. Приклади використання кальцієво-натрієвих бабітів наведено в табл.6.9.

Таблиця 6.9 – Призначення кальцієво-натрієвих бабітів