Требования, предъявляемые к подшипниковым сплавам. Сплавы, их структура и свойства.

Основной тенденцией развития конструкций дизельных двигателей является повышение удельной мощности за счет форсирования по среднему эффективному давлению сгорания и частоте вращения коленчатого вала.
Реализация этой тенденции в конкретных конструкциях двигателей неизбежно приводит к повышению механических и термических нагрузок на детали и узлы и в том числе на подшипники коленчатого вала. Кроме того, требования повышения экономичности двигателей, условия их работы в различных климатических условиях и др. факторы, а также специфические требования потребителей приводят к увеличению температуры смазочного масла, а, следовательно, температуры подшипника и соответственно снижению минимальной толщины смазочной пленки в подшипнике. При этом увеличиваются периоды работы подшипников в условиях нарушения режимов гидродинамического трения.
В этих условиях, роль подшипниковых материалов в вопросе обеспечения заданных показателей надежности и долговечности подшипниковых узлов и двигателей в целом, резко возрастает.
Требования, предъявляемые к подшипниковым материалам хорошо известны, и основными из них являются:
- Прочность и способность выдерживать знакопеременные механические нагрузки
- Хорошие антифрикционные свойства
- Высокая износостойкость
- Способность удерживать посторонние частицы, находящиеся в смазочном масле, без повреждения шейки коленчатого вала
- Высокая коррозионная стойкость
- Способность хорошо прирабатываться и компенсировать неточности изготовления, сборки и результаты износа поверхностей подшипника в эксплуатации
- Возможность работать в условиях кратковременных нарушений режимов жидкостного трения
- и т.п.
Очевидно, что в перечисленных требованиях имеются взаимоисключающие. Так, например, увеличение прочности и износостойкости материала напрямую связано с повышением его твердости, а это ведет к ухудшению антифрикционных свойств, способности прирабатываться и удерживать посторонние частицы без повреждения шейки вала.
Для обеспечения всех этих (часто взаимоисключающих) требований был создан триметаллический подшипник, состоящий из стального корпуса,
слоя антифрикционного сплава (бронзы или алюминия) и тонкого (0,02…0,04 мм) приработочного покрытия свинец-олово-медь с барьерным слоем никеля. Этот тип вкладыша наиболее распространен в современных форсированных дизельных двигателях и выпускается всеми ведущими изготовителями подшипников.
Именно тонкое приработочное покрытие в современных подшипниках
способствует обеспечению всех взаимоисключающих требований к ним. Однако его возможности в настоящее время практически исчерпаны в применении к разрабатываемым перспективным форсированным конструкциям двигателей. Причинами этого являются:
1. Недостаточная усталостная прочность свинцовистого сплава в условиях постоянно повышающихся нагрузок.
2. Резкое снижение твердости (прочности) сплава с повышением температуры.
3. Запрет на использование свинцовистых сплавов, в первую очередь в странах Европы.
4. Необходимость использования сложных дорогостоящих очистных сооружений при гальванических процессах.

Поэтому многие ведущие специализированные фирмы производители подшипников разрабатывают конструкции с новыми типами покрытий для дизелей высокой степени форсирования.
Основой таких покрытий является сплав алюминия с 20% олова, наносимый так называемым методом PVD (Physical Vapor Deposition), что соответствует процессу вакуумного ионно-плазменного напыления. Схема такого подшипника приведена на рис. 1.

1а
1б
1в

Рис. 1.

Впервые нанесение на сталебронзовые вкладыши покрытия алюминия с оловом применила фирма Glyco (в настоящее время Federal Mogul, Wiesbaden) Германия. Микроструктура слоя покрытия, названного фирмой “Sputter”, и, характеризуемая равномерным распределением частиц олова в алюминии, представлена на рис. 1а. Для улучшения адгезии такого покрытия с бронзой, оно наносится через подслой сплава никеля с хромом.
Для получения покрытия аналогичного состава и свойств, Австрийская фирма Miba разработала свою технологию его получения на основе того же физического метода PVD. Типичный образец микроструктуры такого покрытия, с равномерным распределением оловянных частиц в виде более крупных дендридов в алюминии представлен на рис.1в.

Покрытие выдерживает удельные нагрузки превышающие 100 МПа и значительно увеличивает ресурс подшипника. Однако высокая твердость сплава (HV 90-110) ухудшает антифрикционные свойства подшипника и делает его более чувствительным к различным нарушениям при изготовлении, ремонте и эксплуатации.

Фирма «Технокомплекс» разработала технологию вакуумного ионно-плазменного напыления (PVD-ТК) для нанесения на бронзовый слой комплексного покрытия алюминий-олово с переменным содержанием олова. В таком покрытии основной слой соответствует сплаву алюминия с 20% олова, а к поверхности содержание олова увеличивается для улучшения антифрикционных свойств, прирабатываемости, способности к запрессовке посторонних частиц и т.д. Это позволяет устранить вышеупомянутые противоречия между прочностью и антифрикционными качествами покрытий вкладышей и создать подшипник нового типа, способный работать в двигателях практически всех типов. Кроме того, комбинации и сочетания материалов в слое могут быть различными для обеспечения наилучших показателей надежности и ресурса работы конкретных двигателей. Микроструктура такого покрытия приведена на рис. 1с.
Важным положительным качеством процесса вакуумного ионно-плазменного напыления также является его экологическая безопасность в сравнении с гальваническим процессом.

ЦЕЛЬНОКАТАНЫЕ КОЛЬЦА
Диаметр	140 - 6000 мм
Высота	30 - 1200 мм
Масса	5 - 12000 кг

 

Марки сталей и сплавы российские

ШХ15СГ 20Х2Н4А ШХ4 20ХН

 

Марки сталей и сплавы зарубежные

100Cr6 100CrMo7 18NiCrMo5

Для обеспечения требований наиболее важны следующие основные свойства подшипниковых материалов:

а) теплопроводность, обеспечивающая интенсивный теплоотвод от поверхностей трения, и малый коэффициент линейного расширения во избежание больших изменений зазоров в подшипниках;

б) прирабатываемоcть, обеспечивающая умень-шение кромочных и местных давлений, связанных с упругими деформациями и погрешностями изготовления;

в) хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхностях стойкие и быстро восстанавливаемые масляные пленки;

г) коррозионная стойкость.

Кроме того, существенное значение имеют технологические свойства: литейные, хорошая обрабатываемость резанием и т. д. Хорошим антифрикционным свойствам материала благоприятствует структура, характеризуемая пластической основой и более твердыми вкрапленными в неё составляющими.

Подшипниковые антифрикционные материалы по своему химическому составу делятся на следующие группы: баббиты, бронзы, сплавы на цинковой основе, сплавы на алюминиевой основе, антифрикционные сплавы на железной основе.

Баббиты

        Наиболее давними подшипниковыми материалами являются мягкие сплавы на оловянной и свинцовой основах. Первый подшипниковый сплав был разработан в 1839 г. англичанином
И. Баббитом. Он содержал 82–84 % Sn, 5–6 % Сu и 11–12 % Sb. Этот сплав положил начало использо-ванию мягких белых антифрикционных сплавов в технике, и поэтому все последующие сплавы на оловянной и свинцовой основах стали называть баббитами. Баббиты обладают низкой твердостью (НВ 13–32), имеют невысокую температуру плавления (240–320 °С), повышенную размягчаемость (НВ 9–24 при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низкой усталостной прочностью, что сказывается на работоспособности подшипников.

         К выбору подшипниковых сплавов необходимо подходить с учетом толщины баббитового слоя подшипника. Гетерогенное микростроение сплавов типа Б83 с крупными твердыми кубическими кристаллами химического соединения SnSb (β-фазы) не способствует удовлетворительной сопротивляемости усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок в тонкослойных подшипниках (толщина слоя менее 1 мм). В отдельных локальных объемах кристаллов β-фазы накапливается пластическая деформация, и в слое баббита возникают остаточные напряжения. В тонком слое внедрение в пластичную основу кристаллов твердой составляющей, принимающей на себя нагрузку, затруднительно. Размеры таких кристаллов нередко соизмеримы с толщиной слоя (достигают нескольких десятых мм). Слой мягкой пластичной основы под кристаллами твердой составляющей приобретает способность больше сопротивляться пластической деформации за счет влияния подложки (корпуса цапфы). На отдельных участках скопления хрупких кристаллов β-фазы возникает вероятность непосредственной передачи давления через эти кристаллы от шейки вала на корпус подшипника. В таких условиях β-фаза оказывается слабым участком, по кристаллам SnSb развиваются трещины. Эти микроскопические повреждения при дальнейших циклических нагружениях являются очагами развития усталостных трещин.

Гетерогенная структура, состоящая из мягкой легкоприрабатывающейся основы и твердых включений, способствует удержанию пленки смазки, что снижает коэффициент трения.

Баббиты применяются в подшипниках в виде слоя, залитого по корпусу вкладыша из бронзы, латуни, стали или чугуна. Наиболее прочное соединение заливаемого слоя баббита с корпусом вкладыша достигается специальным процессом заливки, включающим очистку поверхности корпуса и его облуживание. Тонкостенные вкладыши двигателя легкового автомобиля изготовляются штамповкой из биметаллической ленты, получаемой непрерывной заливкой баббита по движущейся стальной калиброванной ленте.

При правильной подготовке поверхности вкладыша и его заливке прочное соединение баббита и металла корпуса (бронза, сталь, чугун) происходит по всей поверхности вкладыша, что позволяет значительно уменьшить толщину слоя баббита. Способ механического крепления баббита к вкладышу (путем устройства во вкладыше пазов и отверстий, заполняемых баббитом при заливке) пригоден лишь для малонапряженных баббитов.

Для тонкослойных вкладышей баббит должен удовлетворять следующим требованиям:

· не иметь резко выраженной неоднородной структуры. Для них возможно использование однофазных сплавов при достаточном сопротивлении металла смятию;

· обладать повышенной сопротивляемостью усталостному разрушению, поскольку работа тонкослойных прецезионных вкладышей должна протекать, в основном, в условиях жидкостного трения;

· баббитовый антифрикционный слой желательно применять с пониженной твердостью — до НВ 15–20. При этом улучшается прирабатываемость. Это важно в связи с тем, что сопротивляемость смятию в тонком слое повышается за счет влияния подложки;

· для обеспечения надлежащей долговечности подшипников существенное значение имеет прочность соединения баббита с корпусом, определяемая способностью слоя полуды сопротивляться усталостному разрушению.

В России разработаны и применяют для тонкослойных подшипников сплавы Б88, БК2 с добавкой переплава и другие.

Подшипники с толщиной баббитового слоя > 3 мм используют при сравнительно легких условиях работы. Баббитовый слой таких подшипников (Б83, Б16, БН, БКА) обладает хорошей способностью прирабатываться и является своеобразным компенсатором всякого рода неточностей, образованных при обработке и монтаже трущихся деталей и возникающих в процессе эксплуатации. К такому типу относятся подшипники скольжения вагонов, вкладыши тихоходных мощных судовых двигателей, компрессоров и др.

                             Сплавы на медной основе

   Из сравнительно большого количества сплавов на медной основе в качестве антиффикционных используются обычно бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготовляют из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении. Монометаллические подшипники (вкладыши, втулки и др.) изготовляют из бронз, обладающих достаточной прочностью и твердостью. Бронзы, употребляемые в таких подшипниках, подразделяются на сплавы с высоким (до 10 %) и низким (до 3 %) содержанием олова. В состав легирующих добавок входят Zn, Pb, Ni, P и др. Стандартом (ГОСТ 613–79) определены составы малооловянистых бронз. Бронзы же с высоким содержанием олова используют в ответственных случаях по ведомственным техническим условиям.

    Для изготовления свертных втулок, торцовых дисков и других антифрикционных деталей применяют деформируемые оловянные бронзы.

     Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца, без олова или с небольшим количеством олова. Распространенным сплавом первого вида является бронза БрСЗО, содержащая 30 % Pb. Сплав второго вида содержит 22 % Pb и 1 % Sn. Для монометаллических подшипников иногда используется свинцовистая бронза БрОС5-25 (5 % Sn и 25 % Pb).

      Помимо оловянных бронз сравнительно широко используют сплавы, не содержащие олово (безоловянные). Некоторые из сплавов по свойствам не уступают, а иногда и превосходят оловянные бронзы.

      В тяжелонагруженных трущихся деталях (дорожные машины, тяжелое станочное оборудование, скользящие соединения теплопередаточного оборудования и др.) с успехом применяют высокопрочные алюминиевые бронзы.

      В меньшей степени, чем бронзы, употребляются в качестве антифрикционных материалов латуни (сплавы меди с цинком и другими металлами). В качестве антифрикционных используются так называемые кремнистые и марганцовистые латуни и находят применение алюминиевожелезные латуни (ГОСТ 17711–93).

     Сплавы на медной основе широко распространены во всем мире. Составы их мало отличаются один от другого.

                          Сплавы на алюминиевой основе

     За последнее время в нашей стране и за рубежом резко возросло использование алюминиевых подшипниковых сплавов. Они обладают достаточной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью в маслах, имеют сравнительно высокую задиростойкость и хорошие антифрикционные свойства. Эти качества во многом определили тенденцию замены ими антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы.

     Алюминиевые сплавы употребляют для изготовления монометаллических деталей (втулок, подшипников, шарниров и др.) и биметаллических подшипников. Последние изготовляют штамповкой из биметаллической полосы или ленты со слоем алюминиевого сплава, соединенного со сталью в процессе совместного пластического деформирования при прокатке. Для монометаллических подшипников употребляются сравнительно твердые прочные сплавы, а слой биметаллических вкладышей изготовляют из менее твердого пластичного металла.

     Алюминиевые сплавы классифицируют преимущественно по микроструктурному признаку. Эта классификация отражает в большей степени антифрикционные свойства сплавов, так как общепризнанной является роль мягких структурных составляющих в уменьшении износа и увеличении сопротивляемости задиру трущейся пары. К I группе относят сплавы, имеющие включения твердых структурных составляющих (FеАl₃, Аl₃Ni, CuAl₂, Mg₂Si, AlSb, кремний и др.) в пластичной основе металла. В сплавах II группы, наряду с твердыми составляющими, имеются мягкие включения.

     В РФ сплавы на алюминиевой основе стандартизованы ГОСТ 14113–78.

     В зарубежной практике получили большее распространение сплавы II группы, но в последние годы сравнительно широко используют и сплавы I группы.

     За последние годы в связи с появлением тяжелонагруженных двигателей в автомобилестроении, тракторостроении, транспортном машиностроении и других появилась острая необходимость в материалах подшипников, обладающих повышенной задиростойкостью. В связи с этим в РФ, Японии, Англии и Америке разрабатываются алюминиевооловянные сплавы, содержащие до 30 и даже 40 % Sn и отрабатывается технология изготовления сплавов, содержащих свинец. Такие сплавы обладают способностью хорошо сопротивляться задиру при ультратонких смазочных слоях, однако эта особенность достигается наиболее полно при содержании 14 % Pb. В России разработан метод получения алюминиевосвинцовых (до 30 % Pb) сплавов из гранул. Отливка гранул производится во вращающемся стакане с круглыми отверстиями при частоте вращения 1500 об/мин. Струя разбивается на капли, которые через отверстия попадают в воду и кристаллизуются.

     Последующее прессование гранул производят различными способами. Хорошие результаты были получены при прессовании на шнековых прессах. Прессованные заготовки достаточно хорошо обрабатываются давлением и соединяются с помощью прокатки со стальными полосами для последующего изготовления биметаллических подшипников.

                              Сплавы на цинковой основе

     Цинковые сплавы в качестве антифрикционных, хотя и известны с давних времен, не получили достаточно широкого распространения. В то же время цинковые сплавы обладают рядом ценных свойств, которые дают возможность использовать их во многих случаях взамен бронз и баббитов.

     Сплавы на цинковой основе, обладая низкой температурой плавления ( 4 °С), в большей степени, чем бронзы и алюминиевые сплавы, размягчаются с нагревом, благодаря чему легче прирабатываются. По этой причине подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные поверхности цапфы при попадании абразивов. Частицы абразивов легче внедряются в трущуюся поверхность и меньше повреждают за счет микрорезания цапфу.

     Цинковые сплавы являются весьма технологичными при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей. Легко достигается соединение цинкового сплава со сталью литейным способом и совместной прокаткой со стальной заготовкой. Соединение жидкого цинкового сплава со сталью достигается за счет слоя жидкого цинка, наносимого способом горячего цинкования.

     Подшипники и другие детали из цинковых сплавов употребляются в литом и обработанном давлением (прокатка, прессование) состояниях.

     Особенностью цинковых сплавов в отличие от алюминевых и бронз является повышение прочности и пластичности сплавов после горячей обработки давлением при 250–300 °С. Это сказывается и на показателях усталостной прочности. Так, например, для литого сплава ЦАМ9-1,5 предел выносливости при переменном изгибе вращающихся круглых образцов 5,0 кгс/мм², а для прессованного металла — 10–11 кгс/мм².

     Цинковые сплавы в качестве антифрикционных материалов больше всего используют в нашей стране, причем опыт их массового применения накоплен на железнодорожном транспорте. В других странах цинковые сплавы используют в сравнительно небольших количествах.

                             Сплавы на железной основе

     Как антифрикционные материалы стали используют сравнительно редко и при очень легких условиях работы (при небольших удельных 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.

     Чугуны применяют для подшипников и других трущихся деталей в большем количестве и ассортименте, чем стали.

     Чугун с глобулярной формой графита и с тол-стыми 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.

      Сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии

Изготовляемые методом порошковой металлургии подшипниковые материалы выполняются путем спекания заготовок, спрессованных предварительно (в пресформах) из надлежащим образом обработанных металлических порошков, часто с добавкой небольшого количества графита. Степень пористости обычно около 25 %. В качестве обязательной добавки к железным и медным пористым изделиям, помимо графита, используют самосвязывающие порошки дисульфита молибдена, нитрита бора и др.

Готовые втулки калибруются обжатием (резанием со стороны рабочей поверхности не обрабатываются) и пропитываются в вакууме маслом. Главное их назначение — подшипники малого размера, работающие при малых нагрузках, без подвода смазки. Срок службы ограничен запасом смазки в слоях, прилегающих к поверхности трения.