Самосмазывающимися материалами называются композиционные материалы, состоящие из пористой матрицы и размещенной в порах дисперсной смазочной составляющей, выделяющейся на их поверхности в зоне фрикционного контакта. Обычно их получают методами порошковой металлургии. Они применяются для изготовления деталей узлов трения. В частности, из них эффективно изготавливать подшипники скольжения, работающие без смазки. 20–30 % объема таких подшипников занимают поры, которые пропитываются стойким к старению маслом.
В подшипнике из самосмазывающегося материала даже в состоянии покоя существуют равные условия смазки по всему периметру зазора между валом и подшипником, обусловленные действующими внутри пор капиллярными силами. Как следствие, уже в начале движения между валом и подшипником находится масляная пленка, создающая благоприятные условия работы машины при разгоне. При повышении скорости скольжения вследствие гидродинамического напора масло вдавливается в пористый материал, поэтому здесь не наблюдается резко выраженного масляного клина, который имеет место в литых подшипниках скольжения.
Условия смазки в таком подшипнике определяются действием капиллярных сил, скоростью скольжения, величиной нагрузки, зазором между валом и подшипником, температурой подшипника и т.д. На рис. 3 представлена циркуляция масла в подшипнике.
Рис. 3. Циркуляция масла в подшипнике из самосмазывающегося материала: 1 – пористый спеченный материал; 2 – вал; 3 – поры, заполненные маслом; а – вал не вращается; б – циркуляция масла при вращении вала; в – возвращение масла после рабочего процесса
К недостаткам таких подшипников относятся: ограниченность применения по скорости скольжения и нагрузке, так как при их возрастании недопустимо уменьшается толщина масляной пленки; низкая прочность, обусловленную значительной пористостью материала, что вызывает повышенную чувствительность к ударам и давлению на кромку.
Для 60 % выпускаемых промышленностью подшипников скольжения применяется бронза, содержащая 10 % олова. Второе по объему выпуска место занимают подшипники из сплавов железа. Также производятся подшипники на основе алюминия.
Работоспособность и долговечность подшипников зависит, прежде всего, от состава и пористости спеченного материала, а также от условий эксплуатации. Если поры подшипника заполнены маслом, то при нормальных условиях эксплуатации подшипники могут работать 3–4 тыс. часов, а при самых благоприятных условиях – до 10 тыс. часов. Дополнительное увеличение запасов масла в пористом спеченном материале продлевает срок службы подшипника в 4–5 раз.
Предельная нагрузка железных подшипников ниже, чем бронзовых, однако с учетом стоимости материалов наиболее широко применяют спеченные железные подшипники.
Рис. 4. Предельные нагрузки р пористых спеченных подшипников, пропитанных маслом, в зависимости от скорости скольжения V (без дополнительной смазки): 1 – спеченная бронза; 2 – спеченное железо с большой добавкой меди; 3 – спеченное железо; 4 – литой подшипник с капельной смазкой
Несущая способность спеченных подшипников во многом зависит от эффективной проницаемости, которая влияет на свойства подшипников и во многом предопределяет сферу их применения. Указанный параметр является функцией величины, формы, объемного содержания проходного сечения пор. Низкая проницаемость объясняется наличием сквозных пор со средним проходным диаметром больше эффективного и, соответственно, незначительными капиллярными силами. При запуске машины смазывание подшипника происходит за счет запасов масла в порах материала. При увеличении скорости скольжения из-за незначительных капиллярных сил масло может вновь возвращаться в поры, что ухудшает условия смазки подшипникового узла.
Долговечность спеченных подшипников во многом зависит от качества применяемого смазочного масла. Если поры забиваются смолистыми продуктами, образующимися при старении масла, то долговечность подшипников резко снижается. Поэтому масла, применяемые для пропитки подшипников, должны быть устойчивы к процессу старения.
Дополнительная смазка, вдвое превышающая запас масла в порах материала, позволяет повысить скорость скольжения, величину нагрузки и увеличить пробег подшипника почти в 5 раз. Резерв масла может содержаться в войлочных кольцах, смазочных фитилях или других маслонакопителях, которые при повышении температуры подшипника размягчаются и выделяют капли дополнительной смазки. Благодаря дополнительной смазке можно уменьшить пористость материала подшипника и увеличить допустимую нагрузку.
Коэффициент трения контактирующей пары зависит от свойств материалов подшипника и вала, нагрузки, шероховатости трущихся поверхностей, качества смазочного материала. На рис. 5 представлена зависимость коэффициента трения от скорости скольжения и нагрузки для спеченных бронзовых подшипников.
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения μ спеченной бронзы, пропитанной маслом, от скорости скольжения V и нагрузки: 1 – 232 Н/см2; 2 – 442 Н/см2; 3 – 860 Н/см2
Существует жесткая взаимосвязь между температурой подшипника, нагревающегося в процессе эксплуатации, и коэффициентом трения.
Использование спеченных подшипников делает необходимым повышение требований к твердости и качеству поверхности вала. При незначительных нагрузках и скоростях скольжения применяются незакаленные стали типа М56 с шероховатостью 1 мкм. При средних и высоких нагрузках требуются закаленные валы с шероховатостью 0,3–0,5 мкм, что необходимо для более продолжительного срока службы подшипников.
Самосмазывающиеся материалы относятся к категории антифрикционных материалов, характеризующихся низким и стабильным коэффициентом трения. В качестве смазочной составляющей, заключаемой в порах этих материалов, могут использоваться как жидкие смазки (масла), так и твердые (графит, селениды, сульфиды).