АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СУДОВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Получить навык металлографического анализа антифрикционных сплавов.
Изучить микроструктуру и знать применение антифрикционных сплавов.
ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ
Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов антифрикционных сплавов, фотографии микроструктур.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
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
(Справа – схематическое изображение микроструктуры)
Антифрикционные сплавы на основе железа
Стали
В качестве антифрикционных материалов стали используют в очень легких условиях работы при небольших давлениях и невысоких скоростях скольжения. Будучи твердыми и имея высокую температуру плавления, стали плохо прирабатываются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют так называемые медистые стали, содержащие малое количество углерода, либо графитизированные стали, имеющие включения свободного графита. В таблице 3 приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.
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.
Антифрикционные сплавы на основе алюминия
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).
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
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.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
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
Сталь
|
Cu
|
Al
|
C
|
Si
|
Mn
|
S
|
P
|
Медистая
Графитизированная
|
32
–
|
2,5
–
|
0,1
1,6
|
–
1,0
|
–
0,3
|
–
0,03
|
–
0,03
|
Таблица 4
Структура и назначение антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85
Марка чугуна
|
НВ,
МПа
|
Микроструктура
|
Терм. обрабо-тка, назначение
|
Графит
|
Металл. основа
|
АЧС-1
АЧС-2
АЧС-3
АЧС-4
АЧС-5
АЧС-6
АЧВ-1
АЧВ-2
АЧК-1
АЧК-2
|
180 – 241
180 – 229
160 – 190
180 – 229
180 – 290
100 – 120
200 – 260
167 – 197
187 – 229
167 – 197
|
Пластинчатый
то же
то же
то же
Пластинчатый
то же
Шаровидный
Шаровидный
Хлопьевидный
Хлопьевидный
|
Перлитная
Перлитная
П + Ф
П
Аустенитная
Перлитная, пористая
Перлитная
П + Ф
П
Ф + П
|
Закалка, нормализация.
Без обработки.
Закалка, нормализация.
Закалка, норма-лизация, особо нагруженные узлы трения.
Без обработки, при темпера-туре до 300 ˚С.
Закалка, норма-лизация, повы-шенные окруж-ные скорости.
Без обработки, повышенные окружные ско-рости.
Закалка, норма-лизация.
Без обработки
|
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
|
Достарыңызбен бөлісу: |