Антифрикционные сплавы, применяемые в судовом машиностроении

Получить навык металлографического анализа антифрикционных сплавов.

Изучить микроструктуру и знать применение антифрикционных сплавов.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов антифрикционных сплавов, фотографии микроструктур.

К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения. В судовом машиностроении из этих деталей конструируются кинематические узлы с вращательным или качательным движением. Антифрикционный материал должен обладать низким коэффициентом трения в кинематическом узле, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, малой склонностью к заеданию (схватыванию), способностью обеспечить равномерную смазку. Перечисленные свойства антифрикционного материала должны им обеспечиваться при определенных удельных контактных нагрузках и различных конструктивных решениях узлов трения.

Большое разнообразие конструктивных типов узлов трения, а также условий эксплуатации привело к необходимости создания самых разнообразных антифрикционных материалов. Различают следующие антифрикционные материалы: сплавы на основе олова, свинца (баббиты), меди (бронзы), железа (сталь, чугун), металлокерамические (бронзографит, железографит), пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древеснослоистые пластики и др.), а также сложные композиции типа “металл–пластмасса”.

В табл. 1 приведена номенклатура антифрикционных материалов, применяемых в судостроении.

По структурному признаку металлические антифрикционные материалы делят на две группы: первая – материалы с мягкой основой и твердыми включениями и вторая – материалы с твердой основой и мягкими включениями.

В современном судовом машиностроении используются подшипниковые сплавы на основе олова и свинца, сплавы на медной основе: латуни и бронзы. Для обеспечения, указанного выше комплекса, часто противоречивых свойств, могут использоваться сплавы, состоящие из относительно мягкой основы, в которой распределена достаточно твердая вторая фаза.

Назначение твердых кристаллов – осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы – обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу. Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют баббиты.

Баббиты

Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320 МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 – 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ90 – 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.

В России баббиты, используемые в судостроении, стандартизованы ГОСТом1320-74(табл. 2).

Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83 %Sn, 11 %Sb и 6 %Сu. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграммы состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов  -фазы (твердые включения) и темных  -кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в  -фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu₃Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких  -кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз:  ,  (SnSb) и  (Cu₃Sn.) (рис. 1).

Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.

Рис. 1. Микроструктура баббита Б83

(Справа – схематическое изображение микроструктуры)

Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности.

Баббит Б16 применяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, электродвигателей, паровых турбин, не испытывающих ударных нагрузок. По сравнению с оловянными баббитами свинцовые обладают большим коэффициентом трения. Они более хрупки, так как в них мягкой составляющей является достаточно хрупкая эвтектика.

Антифрикционные сплавы на основе меди

В качестве антифрикционных сплавов употребляют бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготавливают из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении. Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы. Их микроструктура подробно рассмотрена в руководстве к выполнению лабораторной работы "Микроструктура медных сплавов".

Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без олова (БрС30) или с 1 %Sn.

В отличие от баббитов, бронза БрС30 относится к антифрикционным материалам с твердой матрицей (Сu) и мягкими включениями (Pb). При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка свинца, защищающая шейку стального вала от повреждения. Эта бронза отличается высокой теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у остальных бронз) и хорошим сопротивлением усталости. На рис. 2 изображена микроструктура БрС30.

Рис. 2. Микроструктура бронзы БрС30

Стали

Антифрикционные чугуны

Ряд чугунов имеет высокие антифрикционные свойства, которые определяются в значительной степени строением графитовой составляющей. Чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь минимальное количество свободного феррита (не более 15%) и должен отсутствовать свободный цементит. В таблице 4 приведена структура и назначение антифрикционного чугуна.

Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Алюминиевые сплавы в последнее время все шире используются для замены антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы. Их классифицируют по микроструктурному признаку. Первая группа – сплавы, имеющие твердые структурные составляющие (FeAl₃; Al₃Ni; CuAl₂; Mg₂Si и др.) в пластичной основе металла. Они применяются при высоких скоростях вращения и невысоких нагрузках с применением смазки. Однако, если подача смазки прекращается, то наступает схватывание. Свободны от этого недостатка сплавы второй группы, они легированы оловом. В случае прекращения поступления смазки олово расплавляется, покрывая вал тонким слоем и тем самым препятствуя контакту железа с алюминием и, следовательно, схватыванию. В таблице 5 приведены современные антифрикционные сплавы. Медь вводят для упрочнения матрицы, кремний, железо, никель и др. для уменьшения износа (образуют твердые частицы).

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Схемы микроструктур заданных образцов с указанием структурных составляющих и фазового состава.

4. Химический состав заданных сплавов и их применение.

5. Выводы.

1. Что такое антифрикционный материал?

2. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам?

3. Какие материалы используются для вкладышей тонкостенных подшипников?

4. Что такое баббит?

5. Каким образом структурные составляющие обеспечивают антифрикционные свойства баббита?

6. Каким образом устраняется ликвация по плотности в баббите?

7. Каково назначение баббита Б88?

8. По каким важным антифрикционным свойствам свинцовые баббиты уступают оловянным?

9. По каким важным антифрикционным свойствам антифрикционные чугуны уступают баббитам?

10. Какими достоинствами и недостатками обладают бронзовые вкладыши?
Таблица 1

Номенклатура антифрикционных материалов,

применяемых в судостроении

Индекс группы	Наименование	Марка
А	Баббит: Оловянный Свинцовый Свинцово - никелевый	Б88, Б83, Б83С Б16 БН
Б	Бронза: Оловянно-фосфористая Оловянно-цинковая Оловянно-цинково-свинцово-никелевая Оловянно-никелевая-цинковая Алюминиево-марганцовистая Алюминиево-железистая Свинцовая	БрОФ10-1, БрОФ6,5-0,15, БрОФ7-0,2 БрОЦ10-2, БрОЦ8-4 БрОЦСН3-7-5-1 БрОНЦ8,5-4-2 БрАМц9-2, БрАМц10-2 БрАЖ9-4 БрС30
В	Латунь: Марганцовистая Марганцовисто-железистая Кремнистая Свинцовая	ЛМц58-2 ЛМцЖ55-3-1 ЛК80-3 ЛС59-1
Г	Неметаллические материалы: Резина Древесно-слоистый пластик Древесно-текстолитовый пластик Текстолит Бакаут Фторопласт Полиамид литьевой Полиамид, наполненный графитом Полиамид стеклонаполненный Смола капроновая Капролон Углеграфитовый материал, пропитанный баббитом	8130, 8075, 1626 ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В Д5ТСП ПТК-С Ф4, Ф40 610 П68Г-5, П68Г-10 КПС-30, П-6ВСУ Б В ЭГ-О-Б83
Д	Композитный материал: Металлополимерный Самосмазывающийся	САММ-3, САММ-4

Таблица 2

Химический состав баббитов ГОСТ 1320-74

Марка	Олово	Сурьма	Медь	Кадмий	Никель	Свинец
Б88 Б83 Б16 БН	Остальное Остальное 15,0 – 17,0 9,0 – 11,0	7,3 – 7,8 10,0 – 12,0 15,0 – 17,0 5,5 – 6,5	2,5 – 3,5 5,5 – 6,5 1,5 – 2,0 1,5 – 2,0	0,8 – 1,2 – – 0,1 – 0,7	0,15 – 0,25 – – 0,1 – 0,7	– – Остальное Остальное

Таблица 3

Состав (в %) антифрикционных сталей

Структура и назначение антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85

Таблица 5

Состав (в %) алюминиевых антифрикционных сплавов

Группа	Сплав	Ni	Mg	Sb	Cu	Si	Sn	Ti
I II	АН-2,5 АСМ АО9-1 АО3-1 АО9-2 АО20-1	2,7 – 3,3 – – 0,4 1,0 –	– 0,3 – 0,7 – – – –	3,5 3,5 – 6,5 – – – –	– – 1,0 1,0 2,25 1,0	– – – 1,85 0,5 –	– – 9,0 3,0 9,0 20,0	0,02 – 0,1

Таблица 6

Состав (в %) свинцовых баббитов, используемых

для тонкослойных подшипников

Баббит	Pb	Sn	Sb	As	Ca
БС2 БК2 с добавкой переплава	– –	2 2	9,5 0,2	0,7 0,7Mg	– 0,2