Антифрикционные сплавы: описание, виды и свойства

Антифрикционные сплавы представляют собой группу материалов, которые обладают небольшим коэффициентом трения или способны понизить его у других композитов. Твердые смазочные источники устойчивы к изнашиванию при длительном использовании. Ими покрывают различные трущиеся поверхности. Для этого используют фторопласт, латунь, бронзу, железографит и баббит. Материалы должны быть пластичными и износостойкими, полностью отвечать нагрузкам при эксплуатации деталей и конструкций.

Некоторые особенности сплавов

Основная роль антифрикционных сплавов состоит в повышении срока службы соприкасающихся поверхностей различных механизмов и машин. Их применяют в основном для изготовления втулок и подшипников или для нанесения их на поверхности трущихся деталей. С одной стороны, сплавы должны обладать пластичностью и хорошо прирабатываться, а с другой – быть твердыми и прочными, для уменьшения износа деталей.

Для выполнения этих условий делают композиты разнородной структуры: основа мягкая и пластичная, а вкрапления в нее более твердые. Благодаря этому, в процессе работы детали мягкая основа стирается, образуя на поверхности рельеф. А это способствует неплохой циркуляции смазочных масел по соприкасающимся поверхностям, что уменьшает коэффициент трения и повышает производительность работы механизма. При использовании антифрикционных сплавов необходимо учитывать и их теплопроводность, чтобы трущиеся части деталей не перегревались.

Основные свойства сплавов

Сплавами с антифрикционным эффектом заливают вкладыши подшипников скольжения. Требования к ним устанавливаются в зависимости от условий, в которых работают детали. Материал, из которого они вырабатываются, обязан располагать следующими свойствами антифрикционных сплавов:

• достаточной пластичностью, чтобы иметь способность прирабатываться к вращающейся поверхности и твердостью, необходимой для вкладыша, но не истирающей вал;
• рабочая поверхность должна способствовать удержанию смазочного материала;
• небольшим коэффициентом трения с материалом, из которого изготовлен вал вращения;
• невысокой температурой плавления.

Какие сплавы используют в качестве антифрикционных материалов

Все сплавы такого рода делятся на три группы:

• Белые – баббиты. Основой их является олово и свинец, а примеси состоят из меди и сурьмы. Самыми высококачественными считаются оловянные баббиты. Они способны выдерживать значительную частоту вращения вала. Их применяют для изготовления турбинных подшипников крупных двигателей для водных судов, турбокомпрессоров, турбонасосов. Они отличаются хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам и минимальным коэффициентом трения. Баббиты из свинца используют для машин с меньшими нагрузками. Кальциевые, основой которых является свинец с небольшой добавкой кальция, натрия, магния и других элементов, быстро изнашиваются и применяются только при небольшой нагрузке, но и стоимость их значительно меньше, чем оловянных и свинцовых.

• Желтые – бронза и латунь. Распространено применение оловянных бронз. Кроме высоких антифрикционных свойств, они обладают отличной твердостью и имеют хорошую антикоррозийную устойчивость. А также используют оловянно-фосфорные и оловянно-свинцовые бронзы для деталей разного вида машин. Подшипники для дизелей, авиамоторов и двигателей трактора делают из бинарных свинцовых бронз, где доля последнего доходит до 30 %. Такие антифрикционные сплавы используют в качестве готовых отливок (втулок) и вкладышей подшипников. Для их изготовления используют стальную ленту, поверхность которой залита свинцовой бронзой. Для совсем мелких подшипников применяют оловянно-свинцово-цинковый металл. Бронзы (марганцовистая, кремнистая, алюминиевая) без содержания олова также находят свое применение. Латуни по смазочным свойствам уступают последним. Их чаще всего используют как антифрикционные сплавы подшипников при работе деталей на малых скоростях и небольших нагрузках.

• Черные – антифрикционные чугуны. Они применяются как дешевые материалы в основном двух типов:
  • перлито-графитовый: основа его состоит из перлита и имеет твердую структуру, графит – мягкое вещество, способствующее улучшению условий смазки и неплохо впитывающее смазочные масла;
  • феррито-графито-фосфидный: структура его состоит из мягкой и пластичной основы с вкраплением твердых фосфидов.

Сплавы для подшипников

Антифрикционные материалы находят широкое применение. При изготовлении подшипников, используемых в нынешних автомобилях и приборах, они востребованы, благодаря их бесшумной работе, стойкости к вибрациям и малым размерам. К группе антифрикционных подшипниковых сплавов принадлежат бронзы, баббиты, латуни, серые чугуны и отдельные сплавы алюминия.

Для выбора материала важно знать режим смазки и условия, при которых работает подшипник. Металлические смазочные материалы определены для режима жидкостного трения – вал и подшипник разделяются тонкой масляной пленкой. Но при пуске и остановке машины отмечается режим граничной смазки. Она может разрушиться и в результате перегрева узла подшипника. Как поведет себя материал в данном случае, будет зависеть от его тяготения к схватыванию.

Припои для пайки

Для совмещения деталей из металла применяют пайку. Для качественной работы необходим соответствующий припой. Он состоит из сплава олова, чаще всего со свинцом, взятым в различных пропорциях в зависимости от назначения. Так, сплав, содержащий 62% свинца и 38% олова, применяют для пайки деталей в электротехнике и электронике. Иногда используют припои и не содержащие свинец. Но большая часть антифрикционных сплавов и припоев обязательно включает в свой состав олово и свинец. Эти сплавы сохраняют механизмы машины, уменьшая трение, а припои позволяют соединять металлические детали.

Алюминиевые сплавы

Антифрикционные сплавы из алюминия содержат никель, олово, медь, сурьму, кремний и обладают:

• неплохими смазочными свойствами;
• значительной теплопроводностью;
• коррозийной стойкостью в масляной среде;
• хорошими механическими и технологическими свойствами.

Их используют в виде тонкого покрытия, которое наносится на стальное основание. Алюминиевые сплавы по химическому составу делятся на две группы, включающие:

1. Сурьму и медь. Эти металлы образуют твердые вкрапления в мягкую алюминиевую основу. Сплавы выдерживают большую нагрузку и высокие скорости при жидкостном трении. Используются в автомобилях и тракторах в качестве вкладышей для подшипников коленчатого вала.
2. Медь и олово. С такими добавками сплавы работают при наличии полужидкого и сухого трения. По антифрикционным свойствам схожи с баббитами. Из них изготовливают подшипники в автомобильной и машиностроительной промышленности.

Разные области применения антифрикционных сплавов

Баббиты – это сплавы, основой которых является олово и свинец. Кроме того, в их состав вводят легирующие добавки для улучшения свойств. Баббиты превосходят все сплавы по антифрикционным свойствам, но имеют низкую сопротивляемость усталости. Поэтому их используют для тонкого слоя покрытия поверхностей опор скольжения. Оловянные баббиты считаются лучшими по своим свойствам, но имеют высокую цену, поэтому их используют в ответственных ситуациях (для подшипников дизельных двигателей, турбокомпрессоров, паровых турбин).

Хорошая теплопроводность сплавов позволяет применять их на высоких скоростях и больших нагрузках, сохраняя надежность подшипниковых узлов. Недостатком является резкая потеря износостойкости при повышении температуры выше 70 градусов Цельсия. Свинцовые баббиты несколько уступают оловянным, но и стоят дешевле. Они находят применение для подшипников тепловозов, оборудования тяжелого машиностроения, путевых машин, автомобильных и тракторных двигателей. Самыми дешевыми из баббитов являются кальциевые. Они легко окисляются, имеют небольшую теплопроводность. Используют их в конструкциях железнодорожного подвижного состава. Имея малую прочность, баббиты хорошо эксплуатируются в подшипниках с прочным стальным или чугунным корпусом.

Цинковые сплавы

В их состав входит алюминий и медь, и добавлен магний, который увеличивает коррозийную стойкость. Цинковые сплавы используют в литом, прокатном и прессованном состоянии. Они отличаются высокими антифрикционными свойствами, хорошей прочностью.

Прекрасно заменяют бронзы в узлах трения при температуре не выше 100 градусов по Цельсию. При более высоких температурных режимах они размягчаются и происходит намазывание на вал. Из антифрикционных цинковых сплавов производят литые биметаллические и монометаллические детали (вкладыши, втулки, ползуны).

Заключение

В основу состава антифрикционных сплавов входит олово, свинец, медь или алюминий. Они гарантируют минимальное трение в подшипниках скольжения, обеспечивают отличную прирабатываемость соприкасающихся деталей, высокую теплопроводность, небольшой коэффициент трения, возможность сохранять смазку. В практической деятельности чаще всего используются серые чугуны, алюминиевые сплавы, латуни и бронзы, баббиты.