КЛАСИФІКАЦІЯ ПОРОШКОВИХ АНТИФРИКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Антифрикційні порошкові матеріали, що використовуються для виготовлення деталей вузлів тертя (підшипники ковзання, втулки, поршневі кільця, торцеві ущільнення, шайби, підп'ятники, вкладиші тощо), можна класифікувати за складом і за призначенням.

За складом матеріали поділяються на: 1) матеріали на основі міді, заліза, нікелю, кобальту, алюмінію та інших сплавів; 2) матеріали на основі тугоплавких металів і сполук; 3) металографітові матеріали; 4) металеві двошарові матеріали на сталевій підкладці; 5) матеріали на основі пористих металевих каркасів, насичених фторопластом; 6) металоскляні матеріали.

За призначенням антифрикційні порошкові матеріали підрозділяються на матеріали, що експлуатуються: 1) при наявності рідкого змащування; 2) в умовах обмеженого змащення; 3) в режимі самозмащування; 4) без мастила в повітряному середовищі; 5) у вакуумі та в середовищі інертних газів; 6) при підвищених температурах; 7) при високих швидкостях ковзання; 8) у воді і в корозійних середовищах; 9) в якості торцевих і радіальних ущільнень; 10) у якості контактів ковзання і порошкових кілець.

Одним з найбільш поширених антифрикційних матеріалів є матеріал на основі міді, через високі антифрикційні властивості, корозійну стійкість та високу теплопровідність. Такі матеріали застосовуються у вузлах тертя різних машин і механізмів, а також в електротехніці для контактів ковзання. До них відносяться пориста оловяниста бронза, легована пориста бронза (свинцова, фосфориста тощо), бронзографіт, мідь – графіт, стрічкові безпористі бронзові матеріали на сталевій підкладці з просоченням пористого шару пластмасою, бабітом і ін.

Пориста олов’яниста бронза містить 6-12% олова з добавками Рb, Ni, Р, Сr, Ве, Si, Мn, Fе, Со, має пористість 15-25% і призначена для роботи при наявності мастила. За антифрикційними властивостями пористі бронзи близькі до литої бронзи подібного складу. Проте вони мають значно вищу зносостійкість і при невеликих швидкостях ковзання витримують більш великі навантаження, чим литі. В умовах підвищених швидкостей ковзання при збільшенні граничних навантажень для пористого матеріалу потрібна подача додаткової кількості мастила, оскільки з підвищенням швидкості ковзання пори порушують безперервність поверхні і заважають утворенню суцільної масляної плівки. Пористі підшипники мають нижчі, ніж литі, механічну міцність і теплопровідність. Проте коефіцієнт тертя і тривалість прироблення для литих підшипникових сплавів на основі кольорових металів і порошкових матеріалів практично однакові.

Бронзографітові матеріали застосовуються в тих же випадках, що і пориста бронза. Крім того, з них можна виготовляти шестерні, що працюють в парі з контртілом, що має грубу поверхню, а також в середовищі незмащуючих рідин (у циркуляційних насосах гарячої води).

Введення 10—20 % свинцю в пористу бронзу або бронзографіт підвищує припрацьованість антифрикційного матеріалу. Сплави, що містять свинець, призначені переважно для роботи в середовищі масел.

Іншою групою антифрикційних матеріалів є матеріали на основі заліза. На основі заліза виготовляється велика кількість матеріалів — пористе залізо, просочене мастилом; залізографіт; залізо — мідь — графить; пористі матеріали, просочені свинцем або легкоплавкими сплавами на основі міді, олова, свинцю; неіржавіючі стали; леговані антифрикційні матеріали і ін. За рахунок введення різних присадок, створені антифрикційні матеріали на основі заліза, що експлуатуються в умовах підвищених навантажень, швидкостей ковзання, температур, в середовищі агресивних газів і рідин, в умовах абразивного зношування і т. ін.

Пористе залізо є найбільш простим антифрикційним матеріалом з феритною структурою. Просочене машинним маслом для забезпечення самозмащування, пористе залізо широко застосовується в різних вузлах машин і механізмів.

Найбільш поширеним антифрикційним матеріалом на основі заліза є залізографіт. При вмісті до 1,5 % графіту він може працювати за наявності мастила, що подається ззовні, або в режимі самозмащування. Проте в останньому випадку зменшуються гранично допустимі навантаження, швидкості ковзання і термін служби.

Збільшення вмісту графіту понад 1,5 % приводить до виділення його в структурно-вільному стані, що покращує антифрикційні властивості матеріалу, особливо в умовах додаткової подачі мастила.

Із збільшенням змісту графіту понад 3 % механічні властивості матеріалів значно знижуються, проте одночасно зменшується коефіцієнт тертя матеріалів. Тому для умов роботи підшипників з обмеженою подачею мастила при невеликих навантаженнях (до 5,0—6,0 МПа) і швидкостях ковзання (до 1—2 м/с) застосовують залізографіт, що містить 5 і 7 % С.

На працездатність пари, що треться, великий вплив робить структура матеріалу підшипника. У матеріалах на основі заліза основним елементом, що впливає на їх структуру, є графіт. Його слід розглядати як легуючу присадку що взаємодіє із залізом з утворенням γ-твердого розчину, що розпадається в процесі охолоджування на евтектоїд перліт, що складається з α-твердого розчину — фериту і цементиту. Тому, змінюючи вміст вуглецю, температуру, тривалість спікання і швидкість охолоджування, а також застосовуючи хіміко-термічну обробку, можна в широких межах змінювати структуру і властивості залізографітових матеріалів. На практиці при виготовленні залізографітових матеріалів прагнуть отримати перлітову структуру із змістом перліту ~50%.

Найбільш зносостійкими є структури, що складаються з дрібнодисперсного однорідного перліту з невеликою кількістю фериту (до 5—10 %). Вміст фериту до 50 % вимагає застосування великої кількості мастила, але при цьому допускається використання м'якшого контртіла. Включення цементиту в структурі залізографіту у вигляді грубих скупчень, а також у вигляді цементитної сітки, значно підвищують його зносостійкість, особливо в умовах граничного тертя за відсутності мастила і підвищених швидкостях ковзання. Проте в цьому випадку збільшується знос контртіла. Тому кількість цементиту в структурі визначається, у кожному конкретному випадку, умовами застосування пористих антифрикційних матеріалів. Графіт, що знаходиться у вільному стані, також грає роль протизадирної присадки і дозволяє застосовувати такі матеріали в умовах обмеженої подачі мастила.

Для регулювання властивостей антифрикційних матеріалів на основі заліза разом з графітом застосовують легування міддю, фосфором,, нікелем, хромом, свинцем, марганцем і ін. Мідь, розчиняючись в залізі, утворює твердий розчин, що має більш високі міцнісні властивості, ніж залізо. Проте кількість міді, що додається, не повинна перевищувати межу її розчинності в залізі, яка при температурі 1094 °С складає 8,5 %. Це обумовлено тим, що за наявності структурно-вільної міді, антифрикційні властивості матеріалу знижуються. Тому у залізографітові матеріали зазвичай додають 2—5 % міді.

Позитивний вплив міді на властивості залізографіту також викликаний її графітизуючою дією, унаслідок чого зменшується зневуглецювання і збільшується кількість перліту в структурі. За наявності міді сповільнюється дифузія вуглецю і виключається утворення структурно-вільного цементиту. При легуванні міддю також гальмується розпад аустеніту, що сприяє утворенню тонко пластинчастого перліту. Вплив різних технологічних чинників на структуроутворення в матеріалах на основі заліза, легованого міддю і вуглецем, значно слабкіше, тому їх структура стабільніша, а міцнісні характеристики вищі. Це обумовлює широке застосування матеріалів на основі заліза, легованих міддю.

Матеріали на основі нікелю і кобальту зазвичай використовуються для виготовлення антифрикційних виробів для роботи в особливо важких умовах. Із-за високої пластичності матеріали на основі чистого нікелю і кобальту застосовуються обмежено і лише за наявності рідкого мастила і при швидкості ковзання менше 1 м/с.

Антифрикційні матеріали на основі алюмінію представляють інтерес у зв'язку з їх малою щільністю, високою корозійною стійкістю і низькою вартістю. Пористий алюміній має високу теплопровідність, тому робоча температура на поверхні тертя за інших рівних умов нижче.

Матеріали на основі тугоплавких металів і сполукзастосовуються як антифрикційні матеріали для роботи в умовах сильного абразивного зносу, дії водних розчинів мінеральних кислот і лугів, високих температур, тиску і швидкостей ковзання.

Широке застосування знаходять матеріали на основі бориду титану, цирконію і гафнію, що містять як мастило тугоплавкі метали цієї ж групи. Основою антифрикційних матеріалів можуть служити також і інші тугоплавкі з'єднання: карбіди бору, титану, вольфраму, ніобію, танталу, кремнію. Проте матеріали на основі більшості карбідів, нітриду, бориду володіють низькою жаростійкістю в повітряному середовищі і можуть працювати в цих умовах при температурі не вище 500-540 °С.

Металографітові антифрикційні матеріалина основі залізу, бронзи і інших металів і сплавів містять до 30— 50 % графіту. Такі матеріали забезпечують працездатність підшипників ковзання в інтервалі температур — 200—350 °С, для матеріалів на основі бронзи і латуні – до 600 °С. Області застосування металографітових матеріалів надзвичайно широкі. Високі міцнісні і антифрикційні властивості, широкі можливості варіювання складів і структури дозволяють виготовляти з них підшипники, торцеві ущільнення, що застосовуються в машинобудуванні, електротехнічній, текстильній і харчовій промисловості.

Металлофторопластові антифрикційні матеріалипредставляють собою порошковий пористий каркас із сферичних або несферичних частинок порошків олов'янистої бронзи, просочений чистим фторопластом або сумішшю фторопласту з порошками свинцю, графіту або сульфіду молібдену (IV). Антифрикційні властивості таких матеріалів в значній мірі залежать від структури пористого каркаса, властивостей вихідних порошків, а також від розміру і форми пор.

Двошарові антифрикційні матеріалина сталевій підкладці зазвичай складаються із сталевої стрічки з нанесеним на неї бронзовим пористим шаром, який додатково просочений легкоплавким антифрикційним. сплавом, фторопластом або мастилом. Як легкоплавкий антифрикційний сплав застосовують бабіт на основі свинцю або олова, сплав на основі міді і сплави на основі алюмінію. Вибір того або іншого типу матеріалу визначається умовами його роботи. Бабіт має добру припрацьовуваність, але невисоку втомну міцність, тому для виготовлення вкладишів підшипників потужних двигунів внутрішнього згорання віддають перевагу сплавам на основі міді (Сu — Рb або Сu — Sn) і алюмінію (А1 — Sn), втомна міцність яких в 2—3 рази більша, ніж у бабітів.

Двошарові матеріали успішно застосовуються у вузлах тертя, що працюють без мастила в межах температур 200—300 °С у вакуумі, в різних нейтральних і агресивних рідинних і газових середовищах при невеликих швидкостях ковзання і мають коефіцієнт тертя 0,03—0,05.

Металоскляними матеріаламиє сплави на основі заліза, в порах яких міститься скло, що робить позитивний вплив на антифрикційні властивості матеріалу. Металоскляні матеріали на основі залізографіту володіють низьким коефіцієнтом тертя, високою корозійною стійкістю, менше схильні до зношування, мають більший термін служби, чим такі ж матеріали, що не містять скла.