Классификация подшипниковых сплавов.

Антифрикционные материалы могут быть металлическими, неметаллическими и комбинированными. Из неметаллических материалов для изготовления подшипников скольжения используются термореактивные пластмассы и полимеры (термопластические пластмассы), фторопласты, п/амиды.

Комбинированные материалы состоят из нескольких металлов и неметаллов, обладающих необходимыми свойствами. Могут использоваться такие комбинации: Fe-графит, Fe-Cu-графит (2¸3%), бронза-графит. В материале после спекания оставшиеся поры (15¸35%) заполняют маслом.

Комбинированные материалы получают также в виде слоистых лент, например, из подобных лент изготавливают металлофторопластовые подшипники.

Для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор в прецизионных приборах (часы, тахометры) используют минералы – естественные – агат; искусственные – рубин, корунд, ситаллы. Они обладают высокой износостойкостью, выдерживают огромные контактные давления. Металлические материалы предназначены для работы в условиях жидкостного трения. По своей структуре они подразделяются на 2 типа:

1. Сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями.

2. Сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К 1-му типу сплавов можно отнести так называемые баббиты – мягкие (НВ=300) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. Иногда баббитами называют сплавы на цинковой основе (с добавками меди или алюминия) и на алюминиевой основе (с добавками меди, никеля, сурьмы).

К 1-му же типу относятся и сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения со значительными рабочими давлениями и средними скоростями скольжения (компрессоры, эл/двигатели, турбины). Бронзы вообще ставят в ряд лучших антифрикционных материалов, особенно оловянистые марок Бр010Ф1, Бр010Ц2 и оловянисто-цинково-свинцовистые марок Бр05Ц5С5, Бр06Ц6С3 (ГОСТ 613-79).

Для опор трения часто вместо бронз используют латуни, но по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Поэтому их используют при малых скоростях скольжения (менее 2м/с) и невысоких нагрузках. В качестве примера можно назвать 2-х фазные латуни типа ЛЦ16К4, ЛЦ40Мц3А и т.д. (ГОСТ 17711-80).

К сплавам 2-го типа относятся серые чугуны. Роль мягкой составляющей принадлежит включениям графита. Серые чугуны СЧ15, СЧ20 и легированные антифрикционные чугуны АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3 (сер.), АЧК-1, АЧК- 2 (ковкие) используют при значительных рабочих давлениях и малой скорости скольжения. Для уменьшения износа детали, марку чугуна подбирают в зависимости от твердости стальной цапфы, твердость которой должна быть выше. Чугуны дешевле стоят, но плохо прирабатываются и чувствительны к ударной нагрузке.

Свинцовистая бронза БрС30 с 30% Pb (ГОСТ 493-79) и алюминиевые сплавы типа А09-2С Sn и 2% Cu (ГОСТ 14113-78) также относят к сплавам П типа. Включения Pb и Sn выполняют функцию мягких составляющих. Эти металлы легкоплавки и при граничном трении их тонкая пленка защищает шейку стального вала от повреждения, причем при больших скоростях скольжения и высоком давлении.

Поскольку с такими сплавами, как бронза, чугуны и латуни мы уже знакомы, отдельно поговорим о баббитах.

Баббиты.

Марки баббитов обозначают буквой Б, справа от которой ставится цифра, показывающая % Sn или буква, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав. Например, марки Б83 и Б16 обозначают, что эти баббиты содержат соответственно 83 и 16% Sn. “БН” означает, что баббит содержит никель и т.п. Обозначение условно и не показывает полного состава сплава.

Баббиты по составу можно разделить на 3 группы: Ι гр. – оловянносурьмяные (Б83, Б89), П - Pb-Sn-Sb-мяные (Б6, БН, Б16), Ш – свинцовые, не содержащие Sn.

Из-за высокого содержания Sn оловянистые баббиты применяют для подшипников ответственного назначения (например, паровых турбин), т.к. Sn очень дорогое. Оловянносурьмяные баббиты (Б83 и Б89) являются наилучшими. Вязкая и пластичная оловянная основа меньше склонна к усталостному разрушению.

В системе Sn-Sb (Sn HB=5) твердыми включениями служит b ¢- фаза – твердый раствор на базе интерметаллида SnSb.

Sn-Pb-Sb баббит по качеству несколько ниже. В нем мягкой основой является твердый раствор на базе Pb, а твердыми включениями служат соединения SnSb. Но Sn-Pb-Sb баббиты значительно дешевле.Pb-Sb баббит (БС) хуже, т.к. его эвтектическая основа недостаточно пластична.

Для подшипников ж/д транспорта широкое применение получили баббиты, состоящие почти из одного свинца, в которые вводят незначительное количество щел.-зем. элементов (марки БКА и БК2). В этих баббитах основа – свинец – упрочняется натрием, т.к. образуется раствор натрия в свинце. Твердые включения образуют Са, дающий химическое соединение Pb₃Ca. Состав БКА: Са 0,95-1,15; Na 0,7-0,9; Sn ; Mg - Al 0,5-0,2; БК2 - 0,3-0,55 0,2-0,4; 1,5-2,1; 0,06-0,11.

Дефицитность Sn и Pb создает необходимость поиска и применения сплавов на менее дефицитной основе, например, цинк и алюминий.

Цинковые баббиты марок ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 по свойствам примерно такие же как свинцовые баббиты, но по пластичности, коэффициентам трения и пределу расширения они уступают сплавам на оловянистой основе. Мягкой основой в названных баббитах является эвтектика Zn+Al+CuZn_3. Твердые включения – CuZn_3.

Алюминиевые подшипниковые сплавы уступают обычным баббитам по технологичности. Они обладают большой твердостью, и поэтому требуется обработка цапф и вкладыша повышенной чистоты. Кроме того, шейка вала должна быть твердой. Если не соблюдать эти условия, то неизбежен ускоренный износ. Высокий коэффициент предела расширения требует тщательной сборки и с большими зазорами. Но все же алюминиевые сплавы обладают низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью.

Мягкой основой алюминиевых баббитов является алюминий, твердыми включениями, в зависимости от состава - AlSb Al₃Ni или CuAl₂

Наибольший предел прочности σ_в у последнего сплава.

Припои.

Припои – это сплавы, обладающие невысоким переходным сопротивлением и используемые при пайке металла высокой проводимости.

Различают припои 2-х видов: мягкие и твердые. Мягкие припои с низкой температурой плавления. Они обеспечивают герметичность спая, но механические свойства спая низки и деталь нельзя подвергать механическим нагрузкам. Температура плавления их менее 400 ^оС. Чтобы получить хороший спай, температура плавления припоя должна быть меньше, чем температура плавления металла, подвергающегося пайке. Необходимым условием должны быть близкие коэффициенты линейного расширения металла и припоя. Расплав припоя на основе Sn, Pb, Zn, Ag, т.к. они обладают хорошей электропроводностью. Эти сплавы образуют эвтектики, электропроводность которых мало отличается от электропроводности металлов, образующих сплав.

Согласно ГОСТа 21931-76 применяют Sn-Pb и Sn-Zn низкотемпературные припои. Sn-Pb сплав эвтектического типа марки ПОС-61 обеспечивает качественный шов и высокие механические свойства. Для сплавов характерна ДС Ш типа, как для сплава с ограниченной растворимостью эвтектики (61% Sn и39% Pb), температура плавления эвтектики низка 183 ^оС, жидкотекучесть хорошая.

Можно назвать еще ряд сплавов доэвтектического типа: ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, заэвтектический ПОС-90. Цифра в маркировке обозначает содержание олова. Припои подобного типа имеют переходное электрическое сопротивление ρ=0,14¸0,21мкОм м. Их применяют, когда недопустим высокий нагрев в зоне пайки, а также для пайки тонких медных проводов и медных сплавов.

Из сплавов Sn и Zn лучшим является эвтектический сплав ПОЦ-90 (90% Sn и 10% Zn). Из сплавов этой системы он обладает самой низкой температурой плавления 199⁰С. Для пайки Al и его сплавов, кроме ПОЦ-90, применяют сплав ПОЦ-70, ПОЦ-60 и ПОЦ-40.

Когда требуется снизить нагрев меньше 100 ^оС, используют сплавы Bi со Pb, Sn, Cd. Они образуют легкоплавкие тройные эвтектики, но высокая прочность не обеспечивается.

Твердые припои имеют высокую температуру плавления. Пайку осуществить в этом случае труднее, но механические свойства спая высоки. Происходит взаимная диффузия основного металла и элементов припоя, чем обеспечиваются более прочные соединения. Переходное электрическое сопротивление таких припоев ниже, чем низкотемпературных, например, для медно-цинковых припоев (ГОСТ 21737-78) ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54, ρ=0,03-0,04мкОм∙м. Цифра в маркировке обозначает содержание меди. Тпл медно-цинковых припоев увеличивается с увеличением содержания Cu от 825 до 880 ^оС. В качестве высокотемпературных припоев используют также медные и медно-фосфористые сплавы, например, ПМФ-7. Здесь цифра указывает содержание фосфора. Припой ПМФ-7 и другие медно-фосфористые сплавы можно эксплуатировать без флюса, что значительно упрощает пайку меди.

Иногда высокотемпературные припои содержат Ag, присутствие которого улучшает технологичность. Подобные припои хорошо смачивают, пригодны для пайки любых металлов и сплавов. Спай получается с высокими механическими свойствами и небольшим переходным сопротивлением. Маркируются они следующим образом: ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10. ρ возрастает от 0,022 до 0,065мкОм×м. Цифра – содержание Ag.Тпл от779 до 920. Содержат кроме Ag-Cu или Сu с Zn.