Антифрикционные сплавы на основе железа, металлокерамические и неметаллические материалы

1. Антифрикционные чугуны

Антифрикционный чугун — это любой серый, ковкий или модифицированный чугун, имеющий перлитную и даже перлитно-ферритную структуру, если количество перлита как правило не менее 85 %. Кроме того, имеются специальные антифрикционные чугуны.

Основные марки антифрикционных чугунов (табл. 1) установлены ГОСТ 1585–85, твердость и некоторые характеристики их структуры приведены в табл. 2. Чугуны марок АЧС-1-АЧС-6 — серые чугуны с пластинчатым графитом, чугуны АЧВ-1 и АЧВ-2 — высокопрочные чугуны с шаровидным графитом, ЧШГ, АЧК-1 и АЧК-2 — ковкие чугуны.

При использовании антифрикционных чугунов нужно учитывать условия работы узла трения (скорость скольжения v, давление р), а также вид, состояние и твердость сопряженной трущейся детали (состояние проката после нормализации, закалки и т. д.). Антифрикционные свойства чугунов в значительной степени зависят также от типа смазочного материала и температуры узла трения.

Из семи марок, приведенных в ГОСТе на отливки из антифрикционного чугуна (табл. 1), марка (АСЧ-1) применяется без термической обработки, две марки (АКЧ-1 и АКЧ-2) — только после термической обработки и две марки (АВЧ-1 и АВЧ-2) могут получаться как в литье, так и путем термической обработки.

Таблица 1. Химический состав и применение антифрикционного серого чугуна, %

Антифрикционные чугуны (АЧ) предназначены для применения в узлах трения со смазкой; они должны обеспечивать нормальную работу трущихся деталей без заедания и образования задиров при достаточно высокой износостойкости, например в подшипниках для валов, направляющих для ползунов, в червячных и других шестернях (ГОСТ 1585–85). Основным критерием для оценки антифрикционного чугуна являются микроструктура и твердость, а для некоторых марок чугуна также и содержание легирующих элементов.

Микроструктура АЧ обычно содержит твердую перлитную, перлитно-ферритную или аустенитную металлическую основу и различной формы графитные включения. Решающее влияние на триботехнические свойства чугуна оказывают включения графита. Мягкие графитные включения способствуют эффективному самосмазыванию при трении и хорошему удержанию смазочных масел, а также обеспечивают высокую теплопроводность, что создает нормальные тепловые условия работы узла трения.

Дополнительное повышение износостойкости антифрикционных чугунов достигается наличием в их структуре небольших количеств цементита и фосфидной эвтектики, количество и морфология которых зависит от состава сплава, условий охлаждения литья и режима термической обработки. Хорошая структура АЧ содержит, как правило, более 85 % мелкопластинчатого перлита с включениями мелкопластинчатого или шаровидного графита (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура антифрикционного серого чугуна, х1000

Сопоставление чугуна с другими антифрикционными материалами указывает на значительно более низкую стоимость его в сравнении с антифрикционными сплавами цветных металлов (рис. 2). В связи с этим следует отметить, что важнейшими особенностями антифрикционного чугуна являются высокая износостойкость и хорошие литейные свойства. Особенностью ГОСТа является также дифференциация марок чугуна в зависимости от материала вала (закаленого или незакаленого).

Рис. 2. Диаграмма относительной стоимости антифрикционных материалов

Основные функциональные преимущества антифрикционных чугунов по сравнению с цветными антифрикционными сплавами (бронзами, цинковыми и алюминиевыми сплавами, баббитами) — значительно более высокая износостойкость, хорошая работоспособность при высоких давлениях, повышенных температурах и граничной смазке.

Указанные преимущества чугуна перед цветными металлами в эксплуатации состоит в том, что повышение температуры вызывает у чугуна сравнительно меньшее изменение таких характеристик, как сила трения и коэффициент трения, чем у бронзы или баббита. Изменение скорости вращения вызывает у чугуна иные качественные изменения, чем у бронзы и баббита. В то время как коэффициент трения бронзы и баббита монотонно снижается с увеличением скорости вращения, этот показатель для чугуна обнаруживает после некоторого снижения с повышением скорости вращения резкий скачок при превышении значения скорости вращения величины в 8 м/с.

Сочетание этих особенностей с учетом прочностных характеристик отдельных типов чугуна служит исходным моментом при решении вопроса о выборе типа и марки чугуна для каждого конкретного случая. Выявился также и органический недостаток, присущий чугуну: ухудшенная в сравнении с бронзой прирабатываемость. Эта присущая чугуну всех марок особенность приводит к ограничению допустимых скоростей скольжения, а также и удельных давлений. Существенный недостаток антифрикционных серых чугунов — их хрупкость.

Антифрикционный чугун может работать как заменитель цветных сплавов в подшипниковых узлах. Однако для удовлетворительной работы требуется:

• чистая механическая обработка и точное сопряжение трущихся поверхностей деталей;
• непрерывная и хорошая смазка;
• повышенные против обычных на 15–30 % зазоры;
• приработка на холостом ходу и постепенное повышение рабочих нагрузок. При ударной нагрузке антифрикционный чугун работает хуже.

Для определения возможности замены бронзы и использования антифрикционного чугуна в какой-либо конструкции узла трения станка или машины подсчитывают величины удельного давления p, окружной скорости v и удельной мощности pv и сравнивают их с допустимыми для данной марки антифрикционного чугуна. Так, для указанных в табл. 1 марок допустимые величины приведены в табл. 1, а твердость и характеристики структуры — в табл. 2.

Из антифрикционных чугунов изготавливают различные детали узлов трения (втулки, вкладыши, подшипники скольжения, уплотнения, ролики, червячные зубчатые колеса, направляющие для ползунов и подобных деталей машин, работающих в условиях трения), изнашивающиеся детали горнорудного и угольного оборудования, строительных и дорожных машин, тракторов и экскаваторов, сельскохозяйственных машин, некоторые трущиеся детали турбин, компрессоров, двигателей и насосов. За последние годы разработан антифрикционный чугун новых марок, предназначенный для работы при особо высоких нагрузках (до 150–300 кгс/см2), высоких окружных скоростях (до 5 м/с) или повышенных (до 300 °C) температурах (табл. 3).

Таблица 2. Твердость и характеристики структуры антифрикционных чугунов по ГОСТ 1585–85

*Указано количество аустенита А и карбидов К в литой структуре чугуна; после закалки должно быть не менее 80 % А и не более 8 % К.

Таблица 3. Применение антифрикционных чугунов

Поскольку износостойкость сплавов не связана однозначно с уровнем механических свойств, определяемых при растяжении, а с точки зрения структурно-энергетической теории обусловлена способностью структуры адаптироваться к условиям внешнего нагружения и поглощению энергии внешнего воздействия без разрушения, необходимо в целях рационального выбора чугунов для конкретных узлов трения рассмотреть структурные факторы повышения износостойкости чугунов.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации износостойкие серые чугуны разделяют на следующие основные группы:

• антифрикционные для подшипников скольжения;
• фрикционные для тормозных узлов механизмов;
• для гильз цилиндров дизельных двигателей;
• для поршневых колец;
• для седел клапанов и направляющих втулок клапанов;
• для направляющих металлорежущих станков.

Сопротивление изнашиванию высокопрочного чугуна определяется главным образом его металлической основой и твердостью. Износостойкость увеличивается при переходе от ферритной к перлитной и бейнитной структурам металлической основы. ЧШГ с бейнитной металлической основой, несмотря на присутствие графита по абразивной износостойкости, не уступает износостойкой стали 110Г13Л. Соотношение значений относительной износостойкости в абразивной среде низколегированного чугуна с пластинчатым графитом, перлитного и бейнитного ЧШГ, а также белого чугуна и марганцовистой стали следующее: 1,0 : 1,4 : 2,2 : 4,0 : 2,2.

При трении «металл–металл» со смазкой высокопрочные чугуны по антифрикционным свойствам превосходят ряд других антифрикционных материалов. Соотношение значений относительного износа бронзы ОЦС 5-2-5, ЧПГ, ЧШГ с зернистым перлитом, бейнитного ЧШГ, азотированного ЧШГ, мартенситного ЧШГ следующие: 23 : 14 : 8 : 8: 6 : 5.

Легирование до 4–5 % кремния за счет образования силикоферрита повышает износостойкость ферритного ЧШГ при сухом трении. Легирующие элементы способствуют увеличению доли перлита в матрице высокопрочного чугуна и повышают его износостойкость.

Комплексное легирование кремнием (2,5–4,5 %), марганцем (0,5– 2,5 %) и медью (до 2,0 %) обеспечивает высокую износостойкость ЧШГ, а абсолютный износ этого чугуна с перлитной структурой в абразивной среде (кварцевый песок) может быть определен по формуле

где ΔМ — потеря массы испытуемого образца, г; Si, Сu, Мn — массовая доля элементов в чугуне,%.

При увеличении содержания фосфора с 0,1 до 0,7–0,8 % износостойкость нелегированного ЧШГ повышается в несколько раз, что связано с образованием в структуре равномерно распределенных включений фосфидной эвтектики. Более высокое содержание фосфора снижает износостойкость ЧШГ из-за выкрашивания крупных включений фосфидной эвтектики.

Феррит является наименее износостойкой структурной составляющей, поэтому наличие его в структуре чугуна снижает твердость и износостойкость последнего. В наибольшей степени это проявляется при содержании феррита более 5–15 %.

Антифрикционные свойства чугунов в значительной степени определяются строением и количеством графитной составляющей. Чугун с глобулярной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре чугуна должен отсутствовать свободный цементит.

Фрикционный чугун используется в тормозных узлах и фрикционных передаточных механизмах, работающих при трении без смазки. Основные требования, предъявляемые к фрикционному чугуну, — высокое и стабильное значение коэффициента трения (f = 0,25…0,50), высокие износостойкость, теплопроводность, теплостойкость и термостойкость. Для предотвращения схватывания между элементами пары трения фрикционный чугун должен иметь минимальную склонность к пластическому деформированию, т. е. высокий предел текучести.

Оптимальное сочетание износостойкости и коэффициента трения обеспечивается наличием в структуре чугуна перлитной матрицы с дисперсностью Пд1,0–Пд1,4, содержание феррита не должно превышать 10 %. Фосфидная эвтектика должна быть в виде отдельных включений площадью ФЭп6000. Графит должен быть пластинчатой или завихренной формы (ПГф1, ПГф2, ПГф3), равномерно распределенный ПГр1, с длиной пластин l = 60…200 мкм и расстоянием между ними около 1/3l. При формировании точечного междендритного графита износостойкость чугуна резко снижается. Доля включений графита 2–6 % (ПГ2, ПГ4, ПГ6).

Твердость НВ фрикционного серого чугуна должна составлять 1900– 2600 МПа. При повышении твердости более 2600 МПа износостойкость чугуна увеличивается, но вместе с тем уменьшается коэффициент трения, что приводит к увеличению тормозного пути. Установлена корреляционная зависимость между износом И, %, на 1000 км эксплуатации тормозных колодок из серого чугуна и его твердостью НВ:

Для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала служит кривошипно-шатунный механизм. Он включает блок цилиндров и головку блока цилиндров, поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал с подшипниками, маховик и поддон. Надежность и долговечность многих двигателей внутреннего сгорания определяется эксплуатационной стойкостью чугунных деталей цилиндропоршневой группы, работающих при знакопеременных нагрузках, трении и коррозии в газообразных продуктах сгорания топлива.

Чугунные гильзы мощных дизельных двигателей со встречно движущимися поршнями представляют наиболее напряженные литые детали с изменяющимся по периметру температурным полем. Наибольшие переменные напряжения от силовых воздействий в цилиндрах возникают у адаптерных отверстий камеры сгорания, находящихся в средней части гильз, работа которых усложняется агрессивным действием продуктов сгорания топлива. Определение усталостной прочности чугуна в районе камеры сгорания гильз, имевшего удовлетворительную макрои микроструктуру, показывает, что после длительной эксплуатации дизелей она значительно снижается за счет накопления необратимых изменений в тонкой структуре металлической основы и появления микротрещин.

В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания из-за большой разности температур между внутренней поверхностью, где происходит сгорание, и наружной, которая в ряде случаев охлаждается водой, возникают значительные напряжения, внутренняя поверхность цилиндров компрессоров также работает в условиях трения при высоких нагрузках от давления сжимаемого воздуха и других газов. Цилиндры подвержены воздействиям местного нагрева и агрессивных сред.

Блок цилиндров — базовая деталь двигателя. В блоке цилиндров выполнены постели для коренных подшипников коленчатого вала, подшипников распределительного вала, а также рубашка охлаждения, окружающая цилиндры, главная масляная магистраль и места для крепления других узлов и приборов. В блоке V-образного двигателя два ряда цилиндров, расположенных под углом, и соответственно две головки блока — для правого и левого рядов цилиндров (рис. 3). Блок цилиндров многоцилиндровых двигателей отливают из серого перлитного чугуна типа СЧ25, СЧ30 вместе с цилиндрами, внутренние поверхности которых обработаны шлифованием.

Структура блока должна состоять из высокодисперсного (сорбитообразного) перлита Пд0,3; Пд0,5, фосфидной или фосфиднокарбидной эвтектики, содержание графита не должно превышать 5 %. Графит должен быть среднепластинчатый, неориентированный ПГд90–ПГд180. В чугуне для гильз высокофорсированных дизелей допускается структурно-свободный цементит не выше балла Ц2, Цп4. Износ гильз цилиндров двигателя ЗИЛ-130, изготовленных из низколегированного чугуна СЧ25 твердостью 187–207 НВ, составляет 1,5–2,5 мкм на 1000 км пробега автомобиля. Гильзы из среднелегированного фосфористого чугуна с Сr = 0,5…0,6 %, Ni = 0,4…0,6 %, Мо = 0,5…0,6 %, Сu = 0,7…0.8 %, Р = 0,4 % и твердостью 197–255 НВ имеют износ 1,0–1,5 мкм на 1000 км пробега.

Рис. 3. Блок цилиндров двигателя автомобиля ВАЗ-2108: 1 — опоры коренных шеек коленчатого вала; 2 — блок цилиндров; 3 — головка цилиндров; 4 — крышка головки цилиндров; 5 — прокладка крышки; 6 — прокладка головки цилиндров; 7 — рубашка охлаждения; 8 — картер блока цилиндров; 9 — прокладка поддона картера; 10 — поддон

При легировании серого чугуна комплексом Сr–Ni–Мо–Сu минимальную интенсивность изнашивания 0,6–0,8 мг/ч имеет чугун с Σ(С + Si) = 4,6…5,1 %. При легировании комплексом Ni–Мо–Сu–V минимальную интенсивность изнашивания 3,0–5,0 мг/км имеет чугун с Σ(С + Si) = 4,4…4,8 %. При содержании в чугуне карбидообразующих элементов — хрома, ванадия и фосфора в соотношении (Сr + 2V): Р = 1,2…1,4 — в структуре фосфидной эвтектики появляется цементит, что повышает ее твердость.

Сочетание двойной фосфидной эвтектики с высокодисперсным перлитом и среднепластинчатым графитом обеспечивает максимальную износостойкость гильз цилиндров автотракторных двигателей. Для повышения дисперсности и стабильности перлита чугун для гильз цилиндров обрабатывают микролегирующими добавками: 0,01–0,04 % В, 0,06–0,3 % Sb, 0,08–0,12 % Sn. Блоки цилиндров многих марок автомобилей, в т. ч. мощных дизелей, изготовлены из алюминиевого сплава типа легированный силумин, например АК9ч, упрочняемый термообработкой в виде целой детали. Как одно целое с блоком цилиндров отливают и верхнюю часть картера двигателя.

Цилиндр может быть выполнен непосредственно в корпусе чугунного блока или в виде сменной гильзы, изготовленной из кислотостойкого чугуна и установленной в направляющих поясках цилиндров.

Для уменьшения износа верхней части гильзы в ней делают износостойкие вставки.

В головке цилиндров 1 двигателя ВАЗ-2108 (рис. 4) расположены камеры сгорания клиновидной формы с впускными и выпускными каналами, которые через прокладки соединяются с соответствующими трубопроводами. Свободное пространство внутри головки цилиндров образует охлаждающую рубашку, которая с задней стороны имеет выход к отводящему патрубку.

Рис. 4. Головка цилиндров двигателя ВАЗ-2108: 1 — головка цилиндров; 2 — распределительный вал; 3, 6 — задний и передний корпуса подшипников распределительного вала; 4 — прокладка; 5 — крышка головки цилиндров; 7 — сальник

В верхней части головки цилиндров расположены пять разъемных опор под шейки распределительного вала. Верхняя половина опоры находится в переднем 6 и заднем 3 корпусах подшипников, а нижняя — в головке цилиндров.

Механизм привода клапанов, установленный на головке цилиндров, закрывается силуминовой литой крышкой 5. По всему периметру нижней поверхности крышки имеется паз, в который вставляется уплотнительная резиновая прокладка 4.

Головки цилиндров автомобильных двигателей, имеющие сложную форму и нагревающиеся до 250 °C, изготавливаются из легкого сплава АК4. Данный сплав отличается жаростойкостью, его применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (поршней двигателей внутреннего сгорания, головок цилиндров и т. д.). Отливка нагревается под закалку в термических печах с автоматическим контролем режимов термообработки. При последующем искусственном старении повышается твердость металла головки цилиндров.

В поршневую группу входят поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец и шатун (рис. 5). Поршень 9 воспринимает усилия от расширяющихся газов и через шатун 5 передает их коленчатому валу. Поршни двигателей внутреннего сгорания, работающих при повышенных температурах до 250–270 °C, отливают из высоколегированного алюминиевого сплава — заэвтектического силумина АК12М2МгН. Верхняя часть поршня — головка — имеет днище. На головке поршня проточены три кольцевые канавки для двух компрессионных колец 10 и одного маслосъемного.

Для создания уплотнения между стенками цилиндра и движущимся поршнем предусмотрены поршневые кольца. Компрессионные кольца изготавливают из специального чугуна. Верхнее компрессионное кольцо покрывается по наружному диаметру слоем хрома, что повышает его износостойкость и предотвращает появление задиров на гильзах цилиндров. Нижнее кольцо фосфатируют или покрывают слоем олова для улучшения приработки.

Чугун для поршневых колец двигателей внутреннего сгорания должен отвечать требованиям ГОСТ 621–87. Наиболее предпочтительной является структура мелкопластинчатого или сорбитообразного перлита с равномерно распределенным графитом завихренной и прямолинейной формы размером не более ПГд180.

Феррит допускается в виде отдельных мелких включений общей площадью не более 5 %. Наличие структурно-свободного цементита не допускается, т. к. это приводит к повышенным твердости, хрупкости и плохой обрабатываемости колец. Твердость поршневых колец должна быть 98–106 НRВ. Высокотемпературный отпуск заготовок поршневых колец при температуре 550–600 °C в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе устраняет неравномерность распределения структурных составляющих и твердости, характерных для литого состояния.

Рис. 5. Шатунно-поршневая группа: а — поршень с шатуном; б — установка поршневых колец; 1 — крышка шатуна; 2 — шатунные вкладыши; 3 — гайка; 4 — болт; 5 — шатун; 6 — втулка верхней головки шатуна; 7 — стопорное кольцо; 8 — поршневой палец; 9 — поршень; 10 — компрессионные кольца; 11 — кольцевые диски маслосъемного кольца; 12 — осевой расширитель; 13 — радиальный расширитель; А — выступы

Маслосъемные кольца делают стальными в виде четырех элементов — двух дисков 11, радиального 13 и осевого 12 расширителей — или чугунными с прорезями для снимаемого со стенок цилиндра масла.

Чугун для сёдел клапанов и направляющих втулок клапанов должен иметь высокую износостойкость, быть устойчивым к ударным нагрузкам и воздействию температур до 600 °C. Эксплуатационная долговечность сёдел клапанов обеспечивается применением сложнолегированных серых чугунов. В зависимости от комбинации легирующих элементов (Сr, Ni, Мо, Сu, Р) и режимов термообработки структура чугуна для сёдел клапанов может состоять из перлита, графита, включений карбидно-фосфидной эвтектики или сорбита и включений карбидофосфидов.

После высокого отпуска при температуре 570 °C в течение 1–1,5 ч металлическая основа представляет собой бейнит, в котором равномерно распределена сетка карбидно-фосфидной эвтектики площадью не более 5 % площади шлифа. Твердость должна быть 32,0–35,0 НRСЭ. Сёдла из хромоникелевого чугуна в литом исходном состоянии имеют аустенитную основу с включениями карбидов. После высокого отпуска аустенит трансформируется в сорбит или троостит, твердость чугуна достигает 48,0–50,0 НRСЭ.

Чугун для направляющих втулок клапанов бывает трех типов:

• микролегированный сурьмой;
• легированный фосфором и медью;
• сложнолегированный, в котором используются следующие легирующие комплексы: Ni-Cu-P-B, Cr-Ni-Mo-Cu, Cr-NiMo-P.

Твердость чугунов первого и второго типов составляет 197–217 НВ, а сложнолегированных чугунов — 240–270 НВ. Микроструктура чугуна для направляющих втулок должна состоять из перлитной основы различной степени дисперсности, фосфидной или фосфидно-сурьмянистой эвтектики и включений пластинчатого или гнездообразного графита мелких и средних размеров — не более 200 мкм.

В современной практике производства сложнонапряженных деталей цилиндро-поршневой группы все большее внимание уделяется легированным чугунам, обработанным комплексно различными лигатурами и модификаторами. В связи с этим задача повышения качества сводится к тому, чтобы получить легированные чугуны без литейных дефектов, с мелкозернистой и однородной металлической основой и равномерно распределенным графитом, т. е. структурой, которая бы затрудняла пластическую деформацию при трении и усталостно-коррозионное разрушение литых изделий.

В некоторых случаях, например для распределительных валов двигателей, высокая износостойкость может быть достигнута с использованием отливок из серого чугуна с отбеленным поверхностным слоем. Многолетний опыт двигателестроения показывает, что чугун является наиболее приемлемым материалом для изготовления цилиндровых втулок мощных судовых дизелей, гильз цилиндров автотракторных двигателей, поршневых колец. Для повышения механических свойств и износостойкости толстостенных отливок цилиндров (гильз) при работе в тяжелых условиях эксплуатации наиболее рационально использовать комплексное легирование чугуна фосфором, титаном, ванадием и медью.

2. Графитизированные стали

По химическому составу, структуре и механическим свойствам графитизированные стали (ГС) представляют собой промежуточный материал между инструментальными сталями и чугунами с компактными формами графита. В условиях изнашивания при трении включения графита, несмотря на снижение твердости и прочности стали, повышают износостойкость, выполняя функцию смазочного материала.

ГС рассматриваются как конструкционный и инструментальный материал с антифрикционными свойствами благодаря некоторому количеству графита. Они достаточно дешевы, т. к. не имеют в составе дорогих легирующих элементов, технологичны при изготовлении изделий и их обработке, надежны и долговечны в эксплуатации. Поэтому в тех случаях, когда высокие давления при трении не связаны с ударными нагрузками, износостойкость может быть обеспечена графитизированными сталями. К ним относятся заэвтектоидные углеродистые или низколегированные стали, в которых часть углерода посредством графитизирующей термической обработки выделена в виде графита (рис. 6).

Рис. 6. Выделение графита в стали 160СЛ после графитизирующего отжига при 960 °C, х200

Кроме высоких антифрикционных характеристик и износостойкости при трении скольжения, эти стали имеют хорошую демпфирующую способность и циклическую прочность.

Химический состав и назначение графитизированных сталей

Опыт производства и использования ГС позволяет регламентировать существующие комбинации их состава по трем основным группам (табл. 4). Они содержат повышенное содержание кремния в количестве 0,7–2,5 %, который выполняет функцию основного графитизатора при отжиге. Медь, никель и алюминий также способствуют графитизации, поэтому для ускорения процесса графитизации ГС иногда дополнительно легируют этими элементами.

Хром препятствует графитизации, поэтому его содержание в сталях ограничено. Полное представление о влиянии химического состава, технологии выплавки и отливки, термической обработки на формирование структуры отливок из ГС и их литейные, механические и эксплуатационные свойства можно получить из монографии Р. П. Тодорова и М. В. Николова «Структура и свойства отливок из графитизированных сталей» (М. : Металлургия, 1976. 168 с.).

Химический состав применяемых в промышленности ГС представлен в табл. 4. Марганец, никель и молибден увеличивают прокаливаемость, и следовательно, прочность, а титан и молибден как карбидообразующие элементы уменьшают величину зерна.

Таблица 4. Химический состав основных групп ГС

Часто используют обозначение ГС по содержанию основных элементов, например указанные в табл. 5 стали обозначают как 160СЛ и 140СТЛ соответственно.

В условиях усталостного и адгезионного изнашивания включения графита, несмотря на снижение твердости и прочности стали, повышают износостойкость, выполняя функцию смазочного материала.

Таблица 5. Химический состав графитизированных сталей с повышенными пластическими свойствами

ГС рассматриваются как конструкционный и инструментальный материал с антифрикционными свойствами благодаря некоторому количеству графита. Они достаточно дешевы, т. к. не имеют в составе дорогих легирующих элементов, технологичны при изготовлении изделий и их обработке, надежны и долговечны в эксплуатации.

В зависимости от назначения различают два основных вида термической обработки графитизированных сталей — отжиг и закалка с отпуском. В закаленном состоянии их применяют для изготовления формообразующих штампов для холодной штамповки, волочильного инструмента, ножей, бил, шаров и бронефутеровочных плит угольных мельниц, кожухов и лопастей дробеструйных аппаратов, сопел пескоструйных аппаратов, валков для холодной прокатки.

После отжига эти стали используют в качестве антифрикционного и конструкционного материала для производства вкладышей подшипников скольжения, поршневых колец, тормозных колодок и барабанов, корпусов редукторов и насосов, магнитопроводящих изделий и др.

3. Металлокерамические и неметаллические материалы

Особую группу антифрикционных материалов представляют металлокерамические порошковые сплавы, состоящие из металла и графита. Для изготовления подшипников скольжения, втулок, уплотнений, подпятников наряду с литыми сплавами (бронзы, баббиты, алюминиевые сплавы и чугуны) часто используют антифрикционные металлокерамические сплавы.

Их получают методами порошковой металлургии — прессованием и спеканием порошков бронзы или железа с графитом (1–4 %), бисульфидом молибдена и другими веществами в качестве твердой смазки, что обеспечивает им заданные эксплуатационные свойства. Различают пористые и компактные металлокерамические материалы. В пористых материалах для подшипников скольжения поры занимают 15–30% объема. После спекания сплавы пропитывают минеральными маслами, смазками или маслографитовой эмульсией.

Основные преимущества этих сплавов в сравнении с обычными антифрикционными материалами — хорошая прирабатываемость к валу, а наличие смазки в порах (эффект самосмазывания) способствует снижению коэффициента трения и износа подшипника. Их износостойкость значительно выше, чем у бронз и баббитов. Они работают при более высоких скоростях и давлениях. Наличие в структуре пористости, регулируемой в широких пределах, позволяет предварительно пропитывать их смазочными маслами.

Во время работы по мере нагревания масло, удерживаемое в порах и мельчайших каналах материала капиллярными силами, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника масло частично всасывается обратно в поры. Поэтому пористые подшипники могут работать длительное время без дополнительной смазки.

Эффект самосмазываемости в пропитанных маслом пористых подшипниках без подвода смазки извне может сохраняться в течение 3000–5000 ч, что позволяет изготавливать из них подшипники скольжения во многих случаях без применения принудительной смазки. Наиболее известны железографит и бронзографит. Железографит содержит 95–98 % железа, 2–5 % графита и имеет пористость 15–30 %.

Антифрикционные материалы на основе железа с добавкой графита в зависимости от технологии изготовления могут содержать как свободный, так и связанный углерод, поэтому они имеют ферритную, ферритно-перлитную или перлитно-цементитную структуры (рис. 7). Антифрикционные изделия со структурой феррита и графита обладают меньшей твердостью и лучшей прирабатываемостью, однако непригодны для работы при высоких нагрузках (табл. 6). Антифрикционные изделия на железной основе могут эксплуатироваться при нагреве до 200 °С без изменения свойств.

Рис. 7. Микроструктуры железографита (х400): а — ферритная; б — ферритно-перлитная; в — перлитно-цементитная

Таблица 6. Свойства антифрикционных металлокерамических материалов на основе Fe

Бронзографит — это композиция из бронзы (медь — основа, олово или свинец 8,5–10,0 %) и частиц графита (1,5–4,0 %), равномерно распределенных между кристаллами металла. Втулки из бронзографита применяют при средних давлениях и скоростях вращения вала и для узлов с затрудненным доступом смазки, поскольку такие узлы становятся самосмазывающимися. Низкая динамическая прочность не позволяет использовать их при ударных нагрузках.

Композиции на основе алюминия применяют для работы в агрессивных средах, где требуется повышенная коррозионная стойкость. Сплавы этой группы, кроме алюминиевой основы, содержат до 7 % олова или 15–40 % свинца, или же 5–10 % соединений Al3Fe, Al5Mn, CuMg2.

Технологии изготовления композиционных антифрикционных порошковых материалов обеспечивают равномерное распределение включений из веществ, играющих роль твердой смазки. Сочетание повышенных антифрикционных свойств твердых смазок и пластмасс со свойствами металлов позволяет получать материалы, способные работать в воде, агрессивных жидкостях, бензине, различных газовых средах, в вакууме, а также в условиях высоких и низких температур.

Порошковые антифрикционные материалы могут представлять собой каркасные конструкции, в которых каркас выполнен из прочного материала, а промежутки заполнены более мягким материалом. Можно, наоборот, получить мягкую матрицу с равномерно распределенными твердыми включениями разной степени дисперсности, повышающими работоспособность подшипников. Такие особенности позволяют осуществлять направленное регулирование свойств порошковых антифрикционных материалов применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Внедрение порошковых подшипников скольжения повышает надежность и долговечность работающего оборудования, снижает трудоемкость процесса их изготовления, позволяет уменьшить отходы металла в стружку, обеспечивает экономию дефицитных цветных металлов и сплавов.

Подшипники из неметаллических материалов применяют в тех случаях, когда не может быть химического сродства с материалом вала, но должна быть хорошая прирабатываемость, когда образуются мягкие продукты износа, имеется возможность эффективной смазки водой или рабочей жидкостью (перекачиваемой погружным насосом).

Неметаллические материалы, используемые для подшипников, — это пластмассы, твердые породы дерева (дуб, самшит, бокаут и др.), прессованная древесина (лигностон), резина и графит. Особенностью большинства неметаллическихподшипниковых материалов является их низкая теплопроводность и поэтому наиболее подходящей смазкой является вода (рабочая жидкость), одновременно служащая охлаждающей средой.

Хорошо себя зарекомендовали подшипники с пористым бронзовым поверхностным слоем на стальной основе, пропитанные фторопластом-4 и свинцом, с добавками графита и бисульфида молибдена. Такие подшипники имеют высокие антифрикционные свойства, самосмазываемость и способны работать в широком диапазоне температур.

Хорошо работают текстолитовые подшипники и подшипники из прессованной древесины (рабочими являются торцовые поверхности). Их применяют в тяжелых машинах — шаровых мельницах, блюмингах и крупных сортовых прокатных станах горячей прокатки. Долговечность таких подшипников больше, чем бронзовых. Капроновые подшипники имеют хорошие антифрикционные свойства, а скорость их изнашивания в 3–4 раза ниже бронзовых. Резиновые подшипники (подшипники Гудрича) успешно работают в качестве опоры гребного вала катеров, находящихся в воде.

Антифрикционные металлокерамические порошковые сплавы используют для изготовления подшипниковых втулок, применяемых в различных отраслях промышленности (автомобильной, станкостроительной, авиационной и т. д.). Например, в конструкции агрегатов автомобильных двигателей используется несколько десятков деталей из металлокерамических материалов (медно-графитовые щетки генератора и стартера, втулки вала якоря стартера, вала привода распределителя зажигания и др.).