Новые упрочняющие технологии, повышающие свойства пружинных сталей

Анализ свойств пружинных сталей общего назначения показывает, что при соответствующем их составе и структурном состоянии можно получить высокие значения сопротивления микро- и малым пластическим деформациям, определяющим основные характеристики пружин.

Для достижения высокого сопротивления микро- и малым пластическим деформациям углеродистые стали должны содержать повышенное содержание углерода (обычно 0,8-1,2%), а в легированных сталях при содержании 0,4-0,6% С должны присутствовать карбидообразующие элементы- марганец, хром, ванадий, молибден и др.

Очень эффективным оказалось и микролегирование сталей таким поверхностно- активным элементом, как бор. Вот как влияет введение бора на деформируемость при волочении катанки из среднеуглеродистой стали. Известно что одним из наиболее эффективных способов повышения производительности и снижения затрат при производстве проволоки является устранение патентирования катанки перед волочением. Поэтому повышение пластических характеристик катанки является весьма важным для предотвращения образования трещин при волочении. Наиболее благоприятной структурой катанки является перлитная с малым количеством цементита. Добавка бора незначительно влияет на мехсвойства эвтектоидной стали. Но легирование бором среднеуглеродистой стали повышает пластические свойства проволоки, особенно после большой деформации. Легирование бором среднеуглеродистой стали приводит к уменьшению заэвтектоидного феррита и стабилизации цементита, что повышает степень деформационного упрочнения стали.

Легирование пружинных сталей наряду с повышением предела упругости обеспечивает улучшение релаксационной стойкости. Подбором режима термической обработки можно получить различные соотношения прочности и пластичности при достаточном сопротивлении хрупкому разрушению. Термически упрочнить детали можно, используя во время закалки различную методику охлаждения в различных интервалах температур, особенно в интервале температур мартенситного превращения и новую методику отпуска. При новой методике охлаждения и отпуска обеспечивается минимальная деформация и меньшая анизотропия ударной вязкости, что повышает надежность и долговечность изделий, ускоряет процесс производства.

Перспективным для изготовления пружин является использование мартенсито-стареющих сталей, в которых упрочнение достигается совмещением мартенситного превращения с дисперсионным твердением. Повысить комплекс механических свойств таких сталей можно за счет определенных структурных условий. Возможно повысить одновременно показатели прочности, пластичности и трещиностойкости при наследовании процессом завершающего термического упрочнения пластифицирующего эффекта предварительной термообработки.

При старении пружин в свободном состоянии может происходить увеличение диаметра и уменьшение высоты пружины вследствие релаксации внутренних напряжений в металле, образованных при волочении и навивке пружины. Проведение старения в «заневоленном» состоянии обеспечивает определенное ограничение на изменение формы пружины при динамическом старении, что облегчает выход их геометрических параметров на требуемые размеры. Это является актуальным при производстве пружин с высокими требованиями к их геометрии и нагрузочным характеристикам. Существует зависимость механических характеристик проволоки с различной степенью деформации от температуры старения. Установлена линейная зависимость остаточной осадки пружин от величины напряжений в сплаве при динамическом старении. Внутренние напряжения при старении пружины в сжатом состоянии ускоряют процесс дисперсионного твердения сплава и повышают его упругие свойства. Таким образом, очень эффективно применять динамическое старение пружин с целью стабилизации их геометрических параметров.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к пружинным сталям?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения рассматриваемых сталей?

3. Какая микроструктура обеспечивает получение заданного комплекса свойств в пружинных сталях?

4. Каковы факторы, обеспечивающие сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационную стойкость? Каковы режимы термообработки пружинных и рессорных сталей?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

 

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ

Так как подшипники качения должны выдерживать большое количество циклов высоких контактных напряжений, к шарикоподшипниковым сталям предъявляются строгие требования в отношении металлургического качества: общей и осевой пористости, газовых пузырей, флокенов, ликвации, карбидной неоднородности и неметаллических включений. Последние строго лимитируются, так как, выходя на рабочие поверхности, они служат концентраторами напряжений и источником преждевременного разрушения подшипников. Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости.

Кольца шарико- и роликоподшипников со стенками толщиной до 15-20 мм изготовляют из сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15, а более массивные – из сталей ШХ15СГ и ШХ20СГ. Стали изготовляют в виде прутков, труб и проволоки. Они содержат ~1% С, 0,6-2% Cr. Количество марганца и кремния составляет, соответственно, до 1,7 и 0,85%. Содержание хрома в сталях определяется сечением деталей и необходимостью обеспечить требуемую прокаливаемость.

После отжига сталей получают однородную структуру – мелкозернистый перлит с мелкими включениями вторичных карбидов. Такая структура обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость резанием, достаточную пластичность при холодной штамповке шариков и роликов (179-207 HB). Кольца, шарики и ролики проходят закалку в масле от 840-860°С и отпуск при температуре 150-170°С, 1-2 часа. Перед отпуском для снижения количества остаточного аустенита детали подшипников охлаждаются до температуры, не выше 20-25°С. Это повышает стабильность их размеров. Структура представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерным распределением избыточных карбидов и немного остаточного аустенита (8-15%). Для прецизионных подшипников проводят обработку холодом, чтобы исключить остаточный аустенит, который может превращаться в мартенсит в процессе эксплуатации и изменять размеры.

Для получения оптимального сочетания прочности и контактной выносливости кольца и ролики подшипников должны иметь после закалки и отпуска твердость 61-65 HRC (ШХ15) и 60-64 HRC (ШХ15СГ), а шарики – 62-66 HRC.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют цементуемые стали 12Х2Н4А, 12ХН4А, 20Х2Н4А и 18ХГТ.

Повысить долговечность подшипников позволяет использование современных методов рафинирования сталей: электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, снижающие количество неметаллических включений.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к шарикоподшипниковым сталям?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения рассматриваемых сталей?

3. Какая микроструктура обеспечивает получение заданного комплекса свойств в шарикоподшипниковых сталях?

4. Каковы режимы термической обработки, ХТО шарикоподшипниковых сталей?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

 

 

ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхности изделия и, как следствие, потери массы при взаимодействии с другими веществами, телами, деталями в процессе трения.

Износ - результат изнашивания, но не сам процесс.

Износостойкость – сопротивление износу.

Износ возникает в результате:

1) взаимодействия двух контактирующих материалов, называемых парой трения (вал – втулка, две шестерни в редукторе и т.д.);

2) воздействия на материал внешней среды (частицы абразива в почвообрабатывающих машинах; пар, Н₂О – эрозия).

Факторы, влияющие на износостойкость: структура материала; условия внешнего воздействия (сила, скорость движения абразивных частиц и т.д.); среда в которой работают материалы.

Классификация видов изнашивания:

1) окислительное – процесс образования оксидных пленок (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, CuO, Cu₂O) на поверхности и их удаление при трении. Процесс идет при наличии смазок;

2) адгезионное - износ определяется силами трения, действующими на поверхность. Сила трения определяется формулой: F_{Д +} F_A. F_Д – определяется деформацией материала; F_A – сила за счет адгезии.

Когда происходит сваривание материалов или прочие соединения, происходит схватывание: I рода - при малых скоростях перемещения, но при больших давлениях и II рода – при высоких скоростях и давлениях, что сопровождается повышением температуры в зоне трения. Схватывание – результат адгезионного взаимодействия между контактирующими телами. Разрушается тонкая поверхностная пленка и два металла, которые находятся в контакте, образуют мостик сваривания. В результате возникающих напряжений происходит разрушение мостиков, вырывается одна часть металла другим;

3) абразивное изнашивание – подразумевает микрорезание частицами абразива или является полидеформационным процессом. Разновидностью является ударно-абразивное изнашивание;

4) усталостное изнашивание – характерно для циклической работы зубьев шестерен, колес при контакте зубьев. Бывает со смазкой и без. В результате взаимодействия контактирующих деталей наступает контактная усталость в поверхностных слоях и, как следствие, разрушение;

5) эрозионное – вымывание разрушенной поверхности потоком газа, жидкости или смеси газа с абразивом за счет кинетической энергии движущегося потока;

6) кавитационное – процесс разрушения поверхности деталей за счет захлопывания микроскопических пузырьков газа в потоке жидкой среды, особенно при изменении направления этого потока (турбулентности). Сопровождается колоссальным микроударным воздействием (давлением) на металл;

7) коррозионное – чаще всего бывает не в чистом виде, а в сочетании с кавитацией, эрозией и т.д.

Материалы, применяемые в качестве износостойких, могут быть металлическими, моно- или композиционными. В зависимости от условий эксплуатации к износостойким материалам предъявляются различные требования: высокая твердость, контактная выносливость, устойчивость к абразивному изнашиванию, сопротивление большим ударным нагрузкам, кавитационной и газовой эрозии. Для подшипников скольжения требуются антифрикционные материалы. В тормозных устройствах применяются фрикционные материалы.

При абразивном, усталостном, окислительном видах изнашивания наибольшей стойкостью обладают стали и сплавы с высокой исходной твердостью. Сплавы карбидного класса в виде литых и наплавочных материалов, содержат до 4% углерода и большое количество (до35%) карбидообразующих элементов: Cr, W, Ti. В их структуре может быть до 50% специальных карбидов. Матрица в этих сплавах преимущественно мартенситная (У25Х38, У30Х23Г2С2Т и др.).

При ударно-абразивном воздействии в сплавах наряду с мартенситом должен присутствовать аустенит. Чем большей кинетической энергией обладают абразивные частицы, тем больше должно быть в структуре аустенита. Он должен быть метастабильным и в процессе нагружения превращаться в мартенсит деформации. Степень стабильности необходимо оптимизировать применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), изготавливают из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитно-мартенситной (У37Х7Г7С) или аустенитной матрицей (110Г13Л, У30Г34, У25Х12Г5, У30Х12Г5Ф3). Сталь Гадфильда (110Г13Л) находит наиболее широкое применение в промышленности для деталей, подвергающихся интенсивному ударно-абразивному изнашиванию. После закалки от 1050-1100°С в воде фиксируется аустенитная структура и исключается выделение карбидов. Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими вязкостью и пластичностью. Примерные свойства закаленной стали следующие: s_В=780-980 МПа, s_0,2=255-390 МПа, d=40-50%, y=40-50%, 180-220 НВ. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при больших сжатиях и динамических нагрузках. Это объясняется повышенной способностью к наклепу, значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью. Сталь 110Г13Л имеет аустенит с низкой ЭДУ; легко образуются препятствия на пути движущихся дислокаций (сидячие дислокации типа Ломера-Коттрелла). В результате динамического воздействия происходит выделение дисперсных карбидов (динамическое старение), которые также являются дополнительным препятствием на пути движения дислокаций. Высокое упрочнение стали Гадфильда при пластической деформации осуществляется преимущественно путем механического двойникования аустенита. С одной стороны, двойники являются эффективными барьерами на пути движения дислокаций и поэтому упрочняют сталь. С другой стороны, двойники приводят к релаксации внутренних напряжений, предотвращая локализацию пластической деформации и образование трещин.

Недостатками стали 110Г13Л являются низкий предел текучести, плохая обрабатываемость резанием, вследствие низкой теплопроводности и сильной наклепываемости аустенита, возможность изготовления ограниченного круга деталей, высокое содержание марганца, что ухудшает экологию при выплавке. В условиях преобладания абразивного изнашивания, когда преобладает механизм микрорезания поверхностных слоев абразивными частицами, эта сталь не имеет преимуществ даже перед углеродистыми сталями.

В этом случае значительно более высоким сопротивлением изнашиванию обладают стали с метастабильным аустенитом (110Г8Л, 120Г8ФТЛ, 60Х5Г10Л). После закалки от 1050-1100°С эти стали характеризуются более низкими пластическими свойствами и ударной вязкостью, чем 110Г13Л. Для их повышения проводят отпуск при 550°С, в результате которого происходит распад аустенита с образованием ферритокарбидной смеси, а затем осуществляют закалку от 950-1000°С. Это вызывает перекристаллизацию и, соответственно, измельчение зерна. Важным фактором повышения износостойкости, в частности при абразивном изнашивании, является получение в структуре наряду с метастабильным аустенитом твердых фаз –карбидов, нитридов, боридов. Последнее достигается введением в стали с пониженным содержанием марганца Cr, V, Ti, N, B. При малых напряжениях в поверхностных слоях этих сталей образуется мартенсит деформации (реализуется принцип самозакалки при нагружении). Износостойкость данных сталей в 2-2,5 раза превышает износостойкость стали Гадфильда.

Наиболее высокая абразивная износостойкость экономнолегированных марганцем сталей обеспечивается закалкой от сравнительно невысоких температур (750-850°С), когда аустенит, армированный карбидами, под влиянием абразивного воздействия превращается в мартенсит деформации. Повышение температуры нагрева под закалку до 950-1000°С приводит к ее снижению. Это обусловлено уменьшением доли карбидов в структуре и повышением стабильности аустенита по отношению к деформационному мартенситному превращению, протекающему при нагружении.

В случае ударно-абразивного изнашивания наблюдается противоположная картина. С повышением температуры нагрева под закалку ударно-абразивная износостойкость сталей с пониженным содержанием марганца повышается, что объясняется повышением степени стабильности аустенита к деформационному мартенситному превращению вследствие растворения в нем карбидов. В противном случае, при больших динамических нагрузках, сопровождающих ударно-абразивное воздействие, образование большого количества мартенсита охрупчивает сталь и приводит к быстрому разрушению поверхности. В связи с этим деформационное мартенситное превращение должно протекать весьма постепенно, а количество мартенсита на изнашиваемой поверхности не должно превышать 10-20%. В этом случае на развитие деформационного мартенситного превращения расходуется часть внешнего воздействия и, соответственно, меньшая ее доля идет на разрушение материала, вследствие чего повышается работоспособность микрообъемов сплава. В этом же направлении влияет динамическое старение мартенсита и аустенита.

В связи с этим необходимо дифференцированно выбирать режим термообработки, стабилизируя или дестабилизируя аустенит.

Новым перспективным направлением является разработка высокопрочных низкоуглеродистых марганцовистых (4-12% Mn) сталей, подвергаемых цементации. В этом случае структура метастабильного аустенита обеспечивается в поверхностном слое, сердцевина же имеет структуру мартенсита и остаточного аустенита. Примером таких сталей являются: 08ХГ4МФ, 10Х2Г7, 10Х2Г6ФТ, 08ХГ10Ф, 10Г12Ф. Они обладают высоким уровнем механических свойств сердцевины и повышенной износостойкостью при больших контактных нагрузках.

В ряде случаев используют низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения: ТВЧ, плазменной, электронно-лучевой или лазерной обработки.

Новым подходом является использование метастабильности аустенита и реализация деформационных фазовых превращений в процессе изнашивания в поверхностном слое белых чугунов для повышения их износостойкости. В износостойких чугунах часто используется два принципа: 1) принцип Шарпи – создается структура, в которой чередуется мягкая и твердая структурные составляющие, причем твердые частицы должны быть изолированы друг от друга, т.е. разделяться мягкой фазой; 2) принцип инверсии (преобразования) структуры термической обработкой – преобразование матричной фазы во включения, раздробление розеток и сфероидов и получение изолированных частиц. Инвертирование структуры можно производить нормализацией при 950-1150°С в зависимости от типа карбидной фазы. Структура чугунов после данной термообработки представляет собой мартенсит, специальные карбиды и остаточный аустенит. Чаще всего используются доэвтектические и эвтектические чугуны (2-3,8% С), т.к. они менее хрупки. Наиболее износостойкими являются чугуны: ЧХ5, ЧХ15М2, 270Х21Н2, ЧН6, ЧХ15Г4ТЮ (разработ. профессором, д.т.н. А.П. Чейляхом), ЧГ30С2. Их применяют для изготовления футеровочных плит, лопаток дробеметов, желобов рудных течек. Износостойкость их в 2-3 раза выше, чем из стали 110Г13Л.

Необходимо отметить, что деформационные фазовые превращения в сталях и чугунах с метастабильным аустенитом должны носить запрограммированный количественно управляемый характер в зависимости от условий изнашивания.

Очень важным средством снижения износа трущихся поверхностей является использование смазки (жидкой, твердой и газообразной). Установлен эффект самовосстановления деталей за счет введения в смазку меди и ее солей, которые осаждаются на контактных поверхностях и обеспечивают процесс самовосстановления.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что такое изнашивание, износ? Какие существуют виды и закономерности изнашивания?

2. Какова классификация износостойких сплавов? Каковы принципы легирования износостойких сталей и сплавов?

3. Какие стали и чугуны применяются для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания?

4. Какова роль метастабильного аустенита в повышении сопротивления изнашиванию?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

 

 

Антифрикционные материалы

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.

К антифрикционным материалам предъявляются определенные требования. Они должны обладать:

1) по возможности низкими значениями коэффициента трения;

2) высокой износоустойчивостью;

3) способностью быстро прирабатываться и легко приспосабливаться к ужесточению условий работы трибосистемы (вторичная приработка);

4) повышенной сопротивляемостью к заеданию и задиру;

5) хорошими свойствами совместимости трибосистемы;

6) достаточной прочностью и сопротивляемостью усталостным, кавитационным, короззионным и абразивным повреждениям.

Основные служебные свойства подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали – стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала: 1) высокая теплопроводность; 2) хорошая смачиваемость смазочными материалом; 3) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; 4) 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 подшипника.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на опору, скорость скольжения u, параметр рu, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра рu тем больше, чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Выбор материала зависит от условий работы подшипника.

Материалы, применяемые в качестве антифрикционных:

1) металлические – на основе меди, алюминия, железа;

2) неметаллические;

3) комбинированные;

4) минералы (камни).

Металлические материалы

Баббиты – сплавы на оловянной (Б83 - 83%Sn, 11%Sb, 6%Cu, Б88 и др.) или свинцовой основе (Б16 – 16%Sn, 16%Sb, 2%Cu, остальное Pb, БКА, БК2). Последние два сплава содержат кальций. Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты. Структура этих сплавов состоит из a - твердого раствора сурьмы и меди в олове (мягкая фаза) и твердых светлых включений фаз b^¢ (SnSb) и Cu₃Sn. Однако из-за дефицитности олова их применяют для подшипников ответственного назначения, работающих при больших скоростях и нагрузках. В баббитах по истечении времени происходит усталостное разрушение, поэтому наносят их тонким слоем толщиной не более 1 мм.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрО10Ф1, БрО10Ц2, ко вторым – БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 и др. Применятся для подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А и др. Применяются при малых скоростях скольжения (< 2м/с) и невысоких нагрузках.

К сплавам с твердой матрицей и мягкими включениями относится свинцовистая бронза БрС30 с 30% Pb и алюминиевые сплавы с оловом типа А09-2 (9%Sn и 2%Cu). Мягкой составляющей является в этих сплавах, соответственно, свинец и олово. При граничном трении на поверхность вала переноситься тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения. Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу – для наплавки на стальную ленту.

Многослойные подшипниковые материалы – сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

В качестве примера разберем строение четырехслойного подшипника (рис.1), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрС30). Этот слой покрыт тонким слоем (~10 мкм) никеля или латуни. На него нанесен слой сплава Sb–Sn толщиной 25 мкм.

Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становиться свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющий невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталость. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

Высокими антифрикционными свойствами обладают комбинированные материалы, получаемые методом порошковой металлургии: железо-графит, железо-медь-графит, бронза-графит. Графит вводят в количестве 1–4%. После спекания в материале сохраняются поры (15-35%), которые пропитываются маслом или другой смазкой. Масло и графит смазывают трущиеся по-

 

 

Рисунок 1 - Строение четырехслойного подшипника:

1 – слой сплава Sb-Sn толщиной 25 мкм;

2 – слой Ni или латуни толщиной 10 мкм;

3 – слой свинцовистой бронзы БрС30 толщиной 250 мкм;

4 – стальное основание

 

 

верхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры раскрываются полнее, и смазочный материал поступает обильнее. Тем самым осуществляется автоматическое регулирование подачи смазочного материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3 м/с), отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

Можно также использовать чугуны. Для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения используют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны: серые АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3; высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2; ковкие АЧК-1, АЧК-2.С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов – невысокая стоимость; недостатки – плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Также используют графитизированные стали. Мягкой составляющей в них служат включения графита.

Неметаллические материалы

Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы – термореактивные и термопластичные (полимеры) более десяти видов. Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники допускают тяжелые режимы работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой.

Антифрикционные материалы на основе полимеров предназначены для работы с жидкостями, не обладающими смазочными свойствами (водой и др.) и без смазки. Для повышения антифрикционности, механических свойств и износостойкости в исходные полимеры вводят различные наполнители. Полимеры являются также существенной частью (связующим) большинства твердосмазочных покрытий, нашедших применение главным образом в вакууме и некоторых газовых средах, в которых использование жидких и пластичных смазок по ряду причин недопустимо.

Из полимеров наиболее широко применяются полиамиды: ПС10, анид, капрон и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинство полимеров – низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент трения которого без смазочного материала по стали составляет 0,04-0,06. Однако фторопласт "течет" под нагрузкой и, как все полимеры, плохо отводит теплоту. Он может применяться лишь при ограниченных нагрузках и скоростях. Высокие антифрикционные свойства фторопласта реализуют в комбинации с другими материалами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.

Комбинированные антифрикционные материалы

Весьма перспективны металлофторопластовые подшипники (МФПл). Они совмещают в себе преимущества составных частей: прочность и теплопроводность металлической (стальной) основы; высокую теплопроводность, прочность и противозадирные свойства напеченного пористого слоя из сферических частиц антифрикционного сплава; антифрикционные свойства заполняющей поры и образующей поверхностный слой смеси полимера с наполнителем.

Металлофторопластовые материалы предназначены для подшипниковых узлов машин и приборов, работающих в широком диапазоне условий.

Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде втулок методом точной штамповки. Лента состоит из четырех слоев (рис.2).

 

 

Рисунок 2 - Металлофторопластовый подшипник:

1 – слой фторопласта, наполненного MoS₂, толщиной 0,01-0,05 мм;

2 – бронзофторопластовый слой толщиной 0,3 мм;

3 – слой меди или латуни толщиной 0,1 мм;

4 – стальная основа

 

 

Верхний слой (приработочный) выполнен из фторопласта, наполненного дисульфидом молибдена MoS₂ (25% по массе). Толщина слоя 0.01-0.05 мм. В тех случаях, когда допустимая величина линейного износа достаточно велика, первый слой утолщают до 0.1–0.2 мм. Второй слой (~0.3 мм) – бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы БрО10Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферический формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20% Pb (или фторопласта и дисульфида молибдена). Третий слой (0.1 мм) образован медью или латунью. Его назначение – обеспечить прочное сцепление бронзового пористого слоя с четвертым слоем – стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1-4 мм.

При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающая его фторопластовая «губка» выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку. При тяжелых режимах трения, когда температуры нагрева превышает 327°С, происходит плавление свинца. Образующаяся жидкая фаза снижает коэффициент трения и тепловыделение.

Подшипники скольжения, изготавливаемые штамповкой из ленточного металлофторопластового комбинированного материала способны успешно работать без смазки в различных газовых средах (в том числе и химически активных) и в вакууме, а также при недостаточной смазке в диапазоне температур -200 до +300°С (при кратковременной работе до +350°С). Выдерживают удельные нагрузки до 150 МПа.

Минералы

Для миниатюрных подшипников скольжения в прецизионных приборах, часовых механизмов используются различные минералы: естественные (агат), искусственные (рубин, корунд), ситаллы (стеклокристаллические материалы).