Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы (от анти... и лат. frictio - трение), материалы, применяемые для деталей машин (подшипники, втулки и др.), работающих при трении скольжения и обладающих в определённых условиях низким коэффициентом трения. Отличаются низкой способностью к адгезии, хорошей прирабатываемостью, теплопроводностью и стабильностью свойств. В условиях гидродинамической смазки, когда детали (не деформирующиеся под влиянием давления в смазочном слое) полностью разделены сравнительно толстым слоем смазочного материала, свойства материала этих деталей не оказывают влияния на трение. Антифрикционность материалов проявляется в условиях несовершенной смазки (или при трении без смазки) и зависит от физических и химических свойств материала, к которым относятся: высокие теплопроводность и теплоёмкость; способность образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение; способность материала легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться, что способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относятся также микрогеометрическое строение поверхности, а именно определённая степень шероховатости или пористости, при которых масло удерживается в углублениях, и способность материала "поглощать" твёрдые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым от износа сопряжённую деталь. Проявлению антифрикционности в условиях сухого трения способствует наличие в материале таких компонентов, которые, сами обладая смазочным действием и присутствуя на поверхности трения, обеспечивают низкое трение (например, графит, дисульфид молибдена и др.). Одним из важных свойств А. м., обусловливающих антифрикционность при всех условиях трения, является его неспособность или малая способность к "схватыванию" (адгезии) с материалом сопряжённой детали. Наиболее склонны к "схватыванию" при трении одноимённые пластичные металлы в паре, имеющие гранецентрированную и объёмноцентрированную кубической решётки. При трении по стали наименее склонны к "схватыванию" серебро, олово, свинец, медь, кадмий, сурьма, висмут и сплавы на их основе.

Наиболее распространены как А. м. подшипниковые материалы (ПМ), применяемые для подшипников скольжения. Кроме антифрикционных свойств, они должны обладать необходимой прочностью, сопротивлением коррозии в среде смазки, технологичностью и экономичностью. Вследствие различия в требованиях к материалу подшипника, образующему поверхность трения (антифрикционность), и к остальной части подшипника (достаточная прочность) получили распространение ПМ и подшипники, у которых основа состоит из прочного конструкционного материала (например, стали), а поверхность трения - из слоя А. м. (например, баббита). А. м. наносится литейным способом на заготовку подшипника или на непрерывно движущуюся стальную ленту; из полученной биметаллической калиброванной ленты (см. Биметалл) подшипники (вкладыши и втулки) изготовляются штамповкой.

ПМ делятся на металлические и неметаллические. К металлическим ПМ относятся: сплавы на основе олова, свинца, меди, цинка, алюминия, а также некоторые чугуны; к неметаллическим ПМ - некоторые виды пластмасс, материалы на основе древесины, графито-угольные материалы, резина. Некоторые ПМ представляют собой сочетание металлов и пластмасс (например, пористый слой, образованный спечёнными бронзовыми шариками, пропитанный фторопластом-4 или фторопластом-4 с наполнителями).

ПМ на основе олова или свинца (баббиты) применяются в подшипниках в виде слоя, залитого по стали (иногда по бронзе). Прочное сцепление достигается специальной очисткой стали; возможна также наплавка баббита (для больших подшипников) и заливка им поверхности подшипника, имеющего углубления или пазы для лучшего сцепления. Подшипники автомобилей изготовляются штамповкой из биметаллической ленты стальбаббит.
ПМ на медной основе - бронзы оловянистые, оловянно-свинцовистые, свинцовистые, некоторые безоловянные, а также некоторые латуни. Для наиболее напряжённых подшипников двигателей внутреннего сгорания применяются свинцовистые пластичные бронзы (25% свинца и более) в виде тонкого слоя, залитого по стали.
ПМ на цинковой основе (см. Цинковые сплавы) служат заменителями бронзы, например сплав ЦАМ 9-1,5 применяется в подшипниках паровозов как для изготовления вкладышей целиком, так и для заливки по стали; известен также метод плакирования стали этим сплавом при производстве биметаллической ленты прокаткой.
ПМ на основе алюминия (см. Алюминиевые сплавы), широко применяемые для подшипников двигателей внутреннего сгорания, можно подразделить на 2 группы по степени пластичности (оцениваемой по твёрдости). По сравнению с баббитами пластичные алюминиевые сплавы обладают более высокой теплопроводностью и лучшими механическими свойствами при повышенных температурах; они гораздо дешевле, но хуже прирабатываются, менее способны "поглощать" твёрдые частицы и несколько сильнее изнашивают сопряжённый стальной вал. Их свойства улучшают нанесением на рабочую поверхность тонкого (25 мкм) слоя оловянно-свинцовистого сплава. Наиболее высокими антифрикционными свойствами обладает алюминиевый сплав с 20% олова, с микроструктурой, полученной в результате пластического деформирования и отжига. Сплавы с твёрдостью HB < 350 Мн/м² (35 кгс/мм²) применяют для производства путём совместной прокатки со сталью биметаллических лент или полос, из которых в последующем штампуют вкладыши подшипников. Сплавы с более высокой твёрдостью (HB = 450 Мн/м²,или 45 кгс/мм²) применяют для изготовления подшипников дизелей.
Серый перлитный чугун при определённой микроструктуре (перлит средне- или крупнопластинчатый, графит средней крупности, фосфидная эвтектика в виде изолированных включений) обладает антифрикционными свойствами и используется для подшипников, работающих при невысоких нагрузках и малых скоростях.
ПМ на основе пластмасс с наполнителями из ткани (текстолит) древесного шпона, древесной крошки с успехом применяют в подшипниках, обильно смачиваемых водой, при невысоких частотах вращения вала. Всё большее распространение как ПМ получают пластмассы (полиамиды, политетрафторэтилен и др.), работающие со смазкой маслом или водой. Полиамиды используют также в виде тонкого покрытия (например, 0,3 мм) по металлической основе подшипника, что повышает допустимую нагрузку. Режим работы подшипников из пластмасс ограничивается температурой на поверхности трения (например, для полиамидов не более 80-100?C). Особенность некоторых подшипников из полиамидов - почти полное отсутствие изнашивания сопряжённого стального вала. Наилучшей антифрикционностью по сравнению с другими пластмассами при малой скорости скольжения без смазки обладает Фторопласт-4, причём низкое трение сохраняется у него в широком интервале рабочих температур от -200?С до 260?C.
ПМ на основе древесины. В качестве ПМ в основном используют натуральную древесину и прессованную древесину, древеснослоистые пластики. Пример натурального ПМ - гваяковое или бакаутовое дерево, применяемое при смазке водой. ПМ на основе древесины используют при обильной смазке водой в подшипниках прокатных станов, водяных турбин, валов корабельных винтов.
Графито-угольные ПМ представляют собой продукты прессования и термической обработки смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы с небольшим количеством натурального графита. Применяются как ПМ для работы без смазки при невысоких удельных нагрузках, температуре до 480?С, в воздушной среде. Изготовляются также графито-угольные ПМ, пропитанные жидкими металлами или смолой.
Резину как ПМ используют при хорошей смазке водой, малых удельных нагрузках и небольших скоростях скольжения. Режим работы ограничивается температурой на поверхности трения 50-70 ?С.
Металло-керамические самосмазывающиеся ПМ применяют в виде пористых втулок (главным образом малого размера, работающих при низких скоростях без подвода смазки извне). Изготовляются спеканием предварительно спрессованных заготовок из порошков оловянистой бронзы (10% Sn) с примесью графита или железа с графитом. Степень пористости - около 25%. Втулки пропитываются маслом.
Лит.: Хрущов М. М., Современные теории антифрикционности подшипниковых сплавов, в кн.: Трение и износ в машинах, сб. 6, М.-Л., 1950; Петриченко В. К., Антифрикционные материалы и подшипники скольжения. Справочник, М., 1954; Шпагин А. И., Антифрикционные сплавы, М., 1956; Буше Н. А., Подшипниковые сплавы для подвижного состава, М., 1967.
М. М. Хрущов.