Антифрикционные (подшипниковые) и фрикционныые (тормозные) материалы

1. Антифрикционные (подшипниковые) материалы

Используются для изготовления деталей, работающих в условиях трения (скольжения): подшипников, втулок, направляющих, вкладышей. Условно эти материалы делятся на сплавы на основе олова, свинца, меди, железа, цинка и алюминия: спеченные сплавы — бронзографит, железографит; пластмассы — текстолит, фторопласт, древеснослоистые пластики и сложные композиции — металл-пластмасса и др. Такие материалы должны обладать хорошей прирабатываемостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения при работе в паре с материалом изделия, малой склонностью к заеданию (схватыванию), способностью обеспечивать равномерную смазку трущихся поверхностей, прочной, но относительно вязкой и пластичной основой, удерживающей твердые опорные включения.

Наряду с рассмотренными выше алюминиевыми антифрикционными сплавами (ГОСТ 14113-78), предназначенными для изготовления монометаллических и биметаллических подшипников, и цинковыми антифрикционными материалами (ГОСТ 21437-95), применяемыми для производства биметаллических и монометаллических изделий, ниже показаны другие антифрикционные материалы.

Широко распространенным антифрикционным легкоплавким материалом являются баббиты. Особенность баббитов — они не оставляют надиров на поверхностях сопрягаемых деталей. Их основные компоненты — пластичные олово и свинец, в которые добавляют более твердые материалы — медь, сурьму и никель.

Кальциевые баббиты в чушках (ГОСТ 1209-90) применяются для заливки подшипников скольжения. Их основу составляет свинец, в который добавляют кальций — 0,3-1,15%, натрий — 0,2-0,9%, магний — 0,01 — 0,09%, олово -1,5-2,1% и алюминий — до 0,2%. Масса чушек — от 24 до 28 кг. В зависимости от химического состава стандарт определяет следующие марки этих баббитов и области их применения:

• БКА — заливка буксовых подттгиттников вагонов и тендеров на железных дорогах;
• БК2 — заливка вкладышей коренных и шатунных подттгиттников дизелей и газовых двигателей;
• БК2Ш — подшихтовка сплавов при заливке вкладышей коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей.

Для заливки подттгиттников скольжения и других деталей служат оловянные и свинцовые баббиты (ГОСТ 1320-74). В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие марки этих баббитов и примерное их назначение:

• Б88 — заливка подттгиттников, работающих при больших скоростях и высоких динамических нагрузках, а также для нижней половины крейцконфных подттгиттников малооборотных дизелей;
• Б83, Б83С — заливка по дттгиттников, работающих при больших скоростях и высоких динамических нагрузках (подтттип- ники турбин, крейцкопфные, мотылевые, рамовые малооборотных дизелей, опорные подттгтгттники гребных валов);
• БН — заливка подтттипников, работающих при средних скоростях и нагрузках (подшипники дизелей, компрессоров, судовых водопроводов);
• Б16 — заливка упорно-осевых подттгиттников электровозов, путевых машин, деталей паровозов и других тяжелых машин;
• БС6 — заливка подшипников автотракторных двигателей.

Таблица 47 Физико-механические свойства баббитов

Таблица 48. Область применения баббитов

Баббиты марок Б88, Б83 и Б83С имеют оловянную, а Б16, БН и БС6 — свинцовую основу. Основные компоненты: олово — 5,5-17%, свинец — 1-1,5%,сурьма — 5,5-17%, медь — 0,1-6,5%, кадмий — 0,1-1,2%, никель — 0,1-0,5% и мышьяк — 0,5- 0,9%.

Механические и физические свойства баббитов зависят от марки сплава. Удельное давление составляет (200-745) • 10⁴Па (76-200 кгс/см²), окружная скорость — 30-50 м/с, рабочая температура — от 70 до 75°С, плотность — 7,35 — 10,05 г/см³, твердость-15-30 НВ, предел текучести при сжатии — 70-85 МПа (7-8,6 кгс/мм²), предел прочности при сжатии — 110 -145 МПа (11 — 14,7 кгс/мм²), температура плавления — от 280 до 400°С, температура заливки — от 380 до 500°С (табл. 47 и 48).

1.1 Антифрикционные латуни и бронзы

Для изготовления монометаллических подтттиттников применяются антифрикционные латуни (ГОСТы 17711- 93 и 15527-2000) следующих марок: ЛЦ40С, ЛС 40Сд-свинцовые, ЛЦ40Мц1,5 — марганцовая, ЛЦ38Мп2С2 — марганцовосвинцовая, ЛЦ25С2 — оловянносвинцовая, ЛЦ23А6ЖЗМц2 — алюминиевожелезомарганцовая, ЛЦ16К4 — кремнистая.

Оловянные бронзы (ГОСТ 614-97) марок БрОЗЦ8С4Н1, Бр03Ц13С4, БрО4Ц7С5 и БрО5Ц6С5 предназначены для изготовления различных антифрикционных деталей.

Для изготовления антифрикционных монометаллических деталей и вкладышей, в том числе высоконагруженных подшипников скольжения, служат оловянные литейные бронзы (ГОСТ 613-79) БрО4Ц7С5, БрО4ЦС4С17, БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрОбЦбСЗ, БрОЮФ1, БрОЮЦ2 и БрОЮСЮ.

1.2 Антифрикционные чугуны

В качестве антифрикционных используются чугуны (отливки) по ГОСТ 1585-85. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в узлах трения со смазкой. Стандарт определяет марки антифрикционных чугунов, их химический состав, характеристики, назначение, форму, размер и распределение графита, дисперсность перлита, характер распределения фосфидной эвтектики, твердость и предельные режимы эксплуатации деталей из этих чугунов. Основой их является железо, постоянные компоненты: углерод — 2,2-6,0%, кремний — 0,5 — 4,0%, марганец — 0,2-12,5%. Допускаются примеси: фосфор — от 0,1 до 1%, сера — от 0,03 до 2% (табл. 49).

Буквы в обозначениях марок чугунов означают: АЧ — антифрикционный чугун, С — серый чугун с пластинчатым графитом, В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом, К — ковкий чугун с хлопьевидным (компактным) графитом.

Твердость отливок из антифрикционных чугунов (от 100 до 290 НВ) зависит от их состояния и условий термической обработки. Предельные режимы работы деталей из этих чугунов в узлах трения: удельное давление — (50-3000) • 10⁴Па (5- 300 кгс/см²), окружная скорость — 0,3-10 м/с. Условия использования антифрикционных чугунов в узлах трения: тщательный монтаж (точное сопряжение трущихся поверхностей и отсутствие перекоса); непрерывная тщательная смазка, не допускающая искрений или значительного нагрева узла трения; повышение зазоров по сравнению с установленными для бронзы до 15-30%, при значительном нагреве узла трения — до 50%; приработка на холостом ходу и постепенное повышение рабочих нагрузок.

Таблица 49 Марки антифрикционных чугунов, их характеристики и назначение

1.3 Углеродные (углеграфитные) антифрикционные материалы

Углеродные (углеграфитные) антифрикционные материалы предназначены для изготовления деталей (подшипников скольжения, уплотнительных устройств, поршневых колец и др.), работающих в узлах трения без смазки при температурах от -200 до +2000°С и скоростях скольжения до 100 м/с, а также в агрессивных средах. Свойства их зависят от химического состава и способа получения: плотность — 1,4-3,2 г/см³, предел прочности при сжатии — 60-270 МПа (600- 2700 кгс/см²), при изгибе — 22-120МПа (220- 1200 кгс/см²), модуль упругости при сжатии — 600- 1700 МПа (6000-17000 кгс/см²), твердость по Шору — 42-75, допустимая рабочая температура в окислительной среде — от 180 до 450°С, в восстановительной и нейтральной средах — от 200 до 1500°С. При работе в вакууме и в среде осушенных газов свойства этих материалов ухудшаются. К углеродным антифрикционным материалам относятся:

• углеродные обожженные материалы марок АО-1500 и АО-600 (цифра означает усилие прессования, при котором получен материал, в кгс/см²); после пропитки сплавом СО5, содержащим 95% свинца и 5% олова, или баббитом Б83 этим материалам присватаются марки: АО-1500-СО5, АО-600-СО5, АО-1500-Б83 и АО-600-Б83;
• углеродные графитизированные материалы марок АГ-1500, АГ-600 и ЭГО (после пропитки сплавом СО5, баббитом Б83 и бронзой БрСЗО -АГ1500-С05, АГ600-С05, АГ500-Б83, АГ600-Б83, АГ1500-БрСЗО, ЭГО-Б83);
• графитофторопластовые антифрикционные материалы марок 7В-2А, АФГМ и АФГ-80ВС, состоящие из композиций на основе фторопласта^! и углеродистых наполнителей;
• графитопластовые антифрикционные материалы марок: АМС-1, АМС-3 и АМС-5 на эпоксидно- кремнийорганической связующей основе: эти материалы предназначены для изготовления деталей, работающих в узлах трения при 180-200°С, а кратковременно — при температурах до 320°С;
• антифрикционные графитизированные материалы марок НИГРАН и НИГГРАН-В; в них сочетаются свойства обожженных и графитизированных материалов, подвергнутых дополнительной пропитке полимерными связующими; детали из этих материалов могут работать в узлах сухого трения и в агрессивных средах при температурах до 300°С.

1.4 Антифрикционные твердые покрытия (твердые смазки)

К антифрикционным твердым покрытиям относятся материалы, обладающие малым коэффициентом трения, свойства которых не изменяются при высоких и низких температурах, при работе в вакууме, а также при воздействии агрессивных сред. Это — графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, флотацианин меди, фторопласт-А и др. В чистом виде они обладают невысокой износостойкостью и недостаточной прочностью, поэтому могут работать только в малонагруженных узлах трения при небольших скоростях, что обусловило ограниченное их применение.

Антифрикционные твердые покрытия выпускаются в виде порошков, пластичных смазок и высыхающих композиций. Антифрикционные порошки втирают в поверхности трения. Такой способ не обеспечивает длительной работы узла трения, поэтому процесс втирания приходится повторять через определенные промежутки времени. Более эффективным является ротапринтный метод нанесения порошка. В узел трения монтируется вспомогательный валик (или шестерня), который при постоянном контакте с трущейся поверхностью непрерывно наносит порошок на основной вал, зубчатую пару или направляющую.

Разработан также магнитодинамический метод внесения порошков в узлы трения при температурах до 900°С.

Марки твердых антифрикционных покрытий:

• ВНИИ НП-209 — антифрикционное дисульфидмолибденовое покрытие на основе кремнийорганического связующего; применяется для узлов трения (скольжения) при возвратно-поступательном движении; рабочие температуры — от -70 до +850°С, в вакууме — до 900°С;
• ВНИИ НП-212 — антифрикционное дисульфидмолибденовое покрытие на основе мочевиноформальдегидной смолы; предназначено для пар трения, работающих при больших удельных нагрузках и низких скоростях при температурах от -70 до +150°С в атмосферных условиях и в вакууме;
• ВНИИ НП-213 — антифрикционное дисульфидмолибденовое покрытие на основе кремнийорганического связующего; используется в узлах трения (скольжения), резьбовых парах, а также для предохранения от спекания трущихся пар; рабочие температуры — от -70 до +350°С;
• ВНИИ НП-229 — антифрикционное дисульфидмолибденовое покрытие на основе силиката натрия; предназначено для узлов трения (скольжения), работающих при температурах от — 60 до +350°С;
• ВНИИ НП-230 — антифрикционное дисульфидмолибденовое радиационностойкое покрытие на основе эпоксидной смолы; применяется в узлах трения (скольжения) с ограниченным ресурсом в условиях радиационного облучения при температурах от -60 до +250°С.

1.5 Антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы

Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоростями, применяются антифрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материалы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Однако низкая (в сотни раз ниже, чем у металлов) теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твердость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в комбинации с другими материалами, металлами и пластмассами.

Ниже показаны состав и условия применения некоторых полимерных и пластмассовых материалов.

Предельные режимы работы полимерных и пластмассовых материалов приведены в табл. 50.

Текстолит (ГОСТ 5-78) — слоистый пластмассовый материал, состоящий из хлопчатобумажного наполнителя и связующей термореактивной фенолформальдегидной (крезолоальдегидной, ксиленолоальдегидной) или другой (из смеси фенольного сырья) смолы. Текстолит служит хорошим заменителем дорогостоящих цветных металлов. Его используют при изготовлении подшипников скольжения и накладок для направляющих различных профилей. Как конструкционный материал он применяется в самолето- и приборостроении, в автомобильной и электротехнической промышленности. Текстолитовые подшипники могут работать со смазкой и без нее, их можно смачивать водой. Детали из текстолита противостоят многим активным средам: органическим растворителям, маслам, бензину, слабым кислотам. Марки текстолита: ПТК и ПТ — текстолит первого и второго сортов, предназначенный для изготовления подшипников скольжения общего назначения; ПТМ-1, ПТМ-2 — предназначен для изготовления вкладышей подшипников прокатных станов; ПТК-С — антифрикционный текстолит, имеющий плотность 1,4 г/см³ и предел прочности при сжатии 250 МПа (2500 кгс/см’); ПТГ-1- графитизированный текстолит с пределом прочности при сжатии 200 МПа (2000 кгс/см²) и ударной вязкостью 30 кДж/м².

Древеснослоистые пластики (ДСП) — спрессованный слоистый материал из древесного шпона, пропитанный небольшим количеством фенолформальдегидной смолы. Для изготовления дейдвудных по дттгиттников используется древеснослоистый пластик марки ДСП-A, в качестве конструкционных антифрикционных материалов, заменяющих цветные металлы, а также для изготовления деталей, работающих в узлах трения (втулок, подшипников, шестерен и др.), применяются пластики марок ДСП-Б, ДСП-В, ДСП-Г; для изготовления лесопильных рам и других нагруженных деталей — ДСП-Б-м, ДСП-В-м и ДСП-Г-м. В морской воде хорошо работают дейдвудные (судовые) подшипники из древесно-текстолитового пластика Д5ТСП. Этот пластик, состоящий из шпона и хлопчатобумажной ткани, пропитан фенольным связующим и подвергнут горячему прессованию.

Антифрикционные резиновые подшипники, представляющие собой металлические втулки (арматуру) с нанесенным на них слоем резины определенного антифрикционного состава, надежно работают с водяной смазкой. Они используются в качестве опор гребных валов (судовые подтттиттттики диаметром 30-240 мм, ГОСТ 7199-77), погружных насосов, турбобуров (ГОСТ 4671-76), водяных турбин и других узлов машин, эксплуатируемых в водной среде. По сравнению с металлическими и древеснослоистыми такие подтттиттттики более износостойки. Величина их допустимых нагрузок зависит от частоты вращения вала, смазки и других условий эксплуатации узла трения.

Фторопласт-4 обладает хорошими антифрикционными свойствами. Однако он недостаточно прочен и износостоек. Более эффективно его применение в сложной комбинации с другими материалами.

Металлофторопластовые подшипники хорошо работают в узлах сухого трения без смазки при больших нагрузках и скоростях скольжения. Их изготовляют из стальной ленты (сталь 08кп или Юкп), покрытой с обеих сторон слоем меди Ml или латуни Л90. На ленте спекается высокопористый бронзовый слой из сферического бронзового порошка (9-11% сурьмы). Пористый слой пропитывается путем втирания композиции, состоящей из 75% суспензии фторопласта-4ДВ и 25% ди- су льфидмолибдена. Такие подтттипттики работают при температурах от -200 до +280°С (табл. 50).

Таблица 50 Предельные режимы работы полимерных и пластмассовых материалов

Антифрикционные биметаллические материалы и метапластовые композиции применяют для производства стандартных втулок и вкладышей. Тонкостенные вкладыши коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей изготовляют сталеалюминиевыми (сталь 08кп или 10, алюминиевый сплав АО9-1 или А020-1), сталебронзовыми (сталь 10, бронза БрСЗО), сталебаббитовыми (сталь 10 или 15, баббит Б83, Б89), бронзобаббитовыми (бронза БрОЗЦ12С5, баббит БК.-2). Вкладыши коренных и шатунных подшипников тракторов и комбайновых двигателей выполняют из сталеалюминиевых лент (сталь 08кп, алюминиевый сплав ACM, А020-1).

2. Фрикционные (тормозные) материалы

Применяются в тормозах и механизмах плавной передачи вращения трением. Их основная особенность — высокий коэффициент трения.

2.1 Тормозные тканые асбестовые ленты (гост 1198-93)

Используются в качестве накладок в тормозных и фрикционных узлах машин и механизмов с поверхностной температурой трения до 300°С. Ширина лент-13-200 мм, толщина — 4-12 мм, длина — до 50 м. В зависимости от пропитки и назначения асбестовые тормозные ленты делятся на три типа:

• ЛАТ-1 (с масляно-смоляной пропиткой) — для малонагруженных тормозных механизмов различных кранов и других тормозных и фрикционных устройств, работающих при давлении до 113·10⁴ Па (11,5 кгс/см²);
• ЛАТ-2 (с масляной пропиткой) — для тормозных механизмов тракторов, автомашин, комбайнов, работающих при давлении до 490·10⁴ Па (50 кгс/см²);
• ЛАТ-3 (с каучуковой пропиткой)- для тормозных узлов якорно-швартовных судовых механизмов, работающих при давлении до 1180·10⁴ Па (120 кгс/см²).

Коэффициент трения асбестовых лент составляет: по стали — 0,3-0,5, по чугуну — до 0,41; плотность — 1,2 — 1,65 г/см³.

2.2 Асбестовые эластичные материалы (гост 15960-96)

Предназначены для тормозных узлов, работающих при поверхностной температуре трения до 200°С без масла. Они выпускаются в виде вальцованных лент трех марок:

• ЭМ-1 — для тормозных и фрикционных узлов строительно-дорожного и подъемно-транспортного оборудования, прессов и других машин, работающих при давлении до 147·10⁴ Па (15 кгс/см²);
• ЭМ-2 — для тормозных узлов тракторов, сельскохозяйственных и других машин, работающих при давлении до 245·10⁴ Па (25 кгс/см²);
• ЭМ-3 — для тормозных узлов мотороллеров и мотоциклов, работающих при давлен™ до 79·10⁴ Па; (8 кгс/см²).

Эластичность лент проверяется путем их изгиба на 180° вокруг круглой оправки с диаметром, равным 40 толщинам испытуемой ленты. Плотность лент — 2- 2,25 г/см³, коэффициент трения по стали — 0,4-0,44.

Для узлов трения автомобилей, самолетов, тракторов, металлорежущих и текстильных станков, подъемнотранспортного оборудования и тепловозов выпускаются фрикционные асбестовые накладки (ГОСТ 1786-95) — формованные, прессованные, тканые, картонно-бакелитовые и спирально навитые. Они могут эксплуатироваться во всех климатических зонах. Стандарт предусматривает 168 типоразмеров накладок. В нем приведены их наружные и внутренние диаметры, толщина, допустимые температуры при длительной и кратковременной эксплуатации, передаваемый крутящий момент, допустимая частота вращения, удельное давление. Твердость накладок — 170-360 НВ, коэффициент трения по чугуну -0,28- 0,55, линейный износ по чугуну — 0,88- 0,22 мм, теплостойкость — до (167-480) ■ 10⁶ Па (17- 49 кгс/мм²), увеличение массы в жидких средах (вода, масло) — до 1%.

Накладки обозначаются десятизначным номером, например: 25 7111 5602 — для демпфера руля, 25 7112 4317 — для фрикциона лущильного станка, 25 7113 1164 — для предохранительной муфты. Ресурс накладок, работающих в узлах трения, достаточно высок. Например, для автомобилей с дизелями он составляет 6 тыс. моточасов, легковых автомобилей — 125 тыс. км, грузовых автомобилей — 75 тыс. км при эксплуатации на дорогах первой категории (для дорог второй категории ресурс снижается на 20%, третьей категории — на 40%).

2.3 Асботекстолит марок а, б и г (гост 5-78)

Используется в качестве теплоизоляционного материала, а также материала для изготовления тормозных и фрикционных деталей.

Теплостойким фрикционным материалом является ретинакс (ГОСТ 10851-94). Он выпускается двух марок:

• А — асбестосмоляная композиция с включениями латунной проволоки, предназначенная для работы с чугуном ЧНМХ при поверхностной температуре трения до 1100°С, скорости скольжения до 50 м/с и давлении до 2 50·10⁴ Па (25 кгс/см²); плотность ретинакса марки А — 2,4-2,8 г/см³, предел прочности при срезе — до 23 МПа (230 кгс/см²) и при сжатии — 56 МПа (560 кгс/см²), твердость — 35-56 НВ;
• Б — асбестосмоляная композиция, предназначенная для работы с серым чугуном и легированными сталями при температурах до 700°С, скорости скольжения 10 м/с и давлении 150·10⁴ Па (15 кгс/см²); свойства ретинакса марки Б улучшенного качества и первой категории соответственно: плотность — 2,13 и 2,45 г/см³, предел прочности при срезе — 25,5 и 19,5 МПа (255 и 195 кгс/см²), при сжатии 71 и 57,5 МПа (710 и 575 кгс/см²), твердость — 25 и 50 НВ, линейный износ при работе с чугуном марки СЧ 15 за 2 ч — не более 0,16 и 0,19 мм.

Коэффициент трения ретинакса существенно изменяется в зависимости от температуры. Наименьший коэффициент трения — в интервале температур от 400 до 700°С.

2.4 Фрикционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии (металлокерамические)

Обладают высокими фрикционными свойствами. Они имеют высокий коэффициент трения, хорошую износостойкость и теплостойкость. Такие материалы применяются в узлах трения самолетов, автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и оборудования. Металлокерамические фрикционные материалы могут работать в узлах сухого трения и в масле. Наиболее распространенными металлокерамическими фрикционными материалами являются:

• МК-5 _ состоит из 9% олова, 9% свинца, 4% железа, 7% графита, остальное — медь; применяется в гидротрансмиссиях автомобилей, тракторов, тепловозов и других машин;
• ФМК-11 -15% меди, 9% графита, 3% двуокиси кремния, 6% сернокислого бария, 3% асбеста, остальное — железо;
• МКВ-5ОА — 10% меди, 8% графита, 3% асбеста, 5% карбида кремния, 5% карбида бора, остальное — железо;
• СМК-80 — 23% меди, 6,5-10% марганца, 2-5% дисульфида молибдена, 6-12% нитрида бора, остальное — железо;
• ФАБ — 8% свинца, 7% графита, 5% железа, 11% алюминия, остальное — медь.

Основные свойства этих материалов: плотность — 5-7 г/см³, предел прочности при растяжении — 19,5- 98 МПа (2-10 кгс/мм²), при сжатии — 147—490 МПа (15-50 кгс/ мм²) твердость -15-100 НВ, коэффициент линейного расширения при 25 — 500°С-10,9-22.