Материалы с высокой твёрдостью поверхности.

1. Материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию.

Наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых состоит из твёрдой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицей.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжёлых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержания углерода (до 4%) и карбидообразующими элементами (Cr, W, Ti).

Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенито-мартенситной, аустенитной.

Для деталей работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой. 25Х38, 30Х23Г2С2Т.

Детали, работающие при значительных ударных нагрузках – зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др., изготовляют из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитно-мартенситной или аустенитной матрицей. 37Х7Г7С, 110Г13, 30Г34.

Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашивания, применяют спеченные твёрдые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WC, TiC, TaC), связанных кобальтом. А также высокоуглеродистые стали (структура мартенсит + карбиды) – Х12, Х12М, Р18, Р6М5 и другие инструментальные стали.

Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения и чугуны применяют для более лёгких условий изнашивания. Для деталей, работающих в условиях граничной смазки – гильзы цилиндров, коленчатые валы, поршневые кольца и пр., где абразивное изнашивание сопутствует другим видам изнашивания, например, окислительному.

Поверхностное упрочнении – ХТО (цементация, азотирование) и более износостойкое - закалка с нагревом ТВЧ.

2. Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания.

Это материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колёса. Высокая контактная выносливость может быть обеспечена лишь при высокой твёрдости поверхности.

Подшипниковая сталь. Подшипники качения работают при низких динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей. ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20ГС. Прокаливаемость стали увеличивается по мере увеличения хрома в стали.

Сталь поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой мелкозернистого перлита 179 – 217НВ и повышенными требованиями: строго регламентированы карбидная неоднородность и загрязнённость неметаллическими включениями.
Т.О. – неполная закалка от 820 – 850^оС, низкому отпуску и обработке холодом для стабилизации структуры - 70…- 80^оС. Структура – мартенсит с включениями мелкими карбидами, 60 – 64НRC.
Применяют - Сталь ШХ15- Ш с электрошлаковым переплавом для высокоточных приборных подшипников, детали которых требуют тщательного полирования с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения.

Сталь ШХ4 для роликовых подшипников железнодорожного транспорта, после закалки с индукционным нагревом с глубиной прокаливаемости до 2 – 3 мм и вязкой сердцевиной.

Сталь 12ХН3А, 12Х2Н4А для крупно габаритных роликовых подшипников (диаметром до 2м), подвергают цементации на большую глубину (3 – 6мм).

Сталь 95Х18 для подшипников, работающих в агрессивных средах.

Стали для зубчатых колёс. Основное требование – контактная выносливость, кроме этого сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Выбор стали и метода упрочнения зависит от условий работы зубчатой передачи, требований технологии и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колёс, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. При постоянной твёрдости поверхности контактная выносливость растёт с увеличением толщины упрочнённого слоя и твёрдости сердцевины. Толщина цементованного слоя принимается равной (0,20 – 0,26) m (m – модуль колеса), но не более 2мм. Твёрдость поверхности составляет 58 – 63НRС, сердцевины 30 – 42НRС.

Для сильно нагруженных зубчатых колёс (в редукторах вертолётов, судов, самолётов) диаметром 150 – 600мм и более применяют 20ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.

Для мелких и средних колёс приборов, сельскохозяйственных машин применяют 15Х, 15ХФ, 20ХР и др. Цементация и ТО.

Для авто- и тракторостроения ( массовое производство) применяют экономно – легированные стали 18ХГТ, 30ХГТ, 20ХНМ, 20ХГР и др. после нитроцементации. А также сложнолегированные стали 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 20Х3МФА после ионной нитроцементации, которая обеспечивает в 2 – 3 раза более высокую контактную выносливость, чем газовая ХТО.

Для средненагруженных зубчатых колёс сложной конфигурации, шлифование которых затруднено применяют 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др. после азотирования. Надо помнить, что азотирование обеспечивает высокую твёрдость, но из-за небольшой толщины упрочнённого слоя возможны подслойные разрушения.

Для деталей малых и средних размеров после поверхностной или объёмной индукционной закалке с последующим низким отпуском используют стали 40, 45, 50Г, 40Х, 40ХН или дешёвую 58(55ПП) пониженной прокаливаемости. По нагрузочной способности они уступают цементуемым сталям.

Допускают для зубчатых колёс, работающие при невысоких нагрузках, изготовлять из стали 40, 45, 40Х, 40ХН и др. после нормализации и улучшения.
Для волновых передач и небольших зубчатых колёс, работающие при малых нагрузках и скоростях, применяют неметаллические материалы: текстолит, древеснослоистые пластики, полиамиды-капрон, нейлон. Используют – привод спидометров и распредвалов автомобилей, текстильных и пищевых машин. Достоинство – отсутствие вибрации и шума, высокая химическая стойкость.

3. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузках.

Трение с высокими давлениями и ударным нагружением характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их изготовляют из высокомарганцовистых аустенитной стали 110Г13Л. Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьём (буква Л в марке стали) или ковкой. Высокая износостойкость этой стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному упрочнению (наклёпу).

ТО – закалка в воде от Т = 1100^оС. Получение однородной аустенитной структуры. В условиях ударного воздействия твёрдость на поверхности возрастает до 600НВ и сталь становится износостойкой. Но к абразивному изнашиванию сталь не износостойкая.

Изнашивание, связанное с ударным нагружением поверхности, наблюдается также при кавитации, которое возникает при работе гребных винтов, лопастей гидротурбин, цилиндров гидронасосов. Кавитационное изнашивание создают струи жидкости в момент захлопывания пузырьков газа или воздуха (микроудары).

В качестве кавитационно-стойких сталей применяют 08Х18Н10Т, 30Х10Г10 и др. При ударном воздействии аустенит этих сталей испытывает наклёп и частичное мартенситное превращение, на развитие которых расходуется энергия удара. Упрочнение поверхности стали в условиях эксплуатации затрудняет образования трещин усталости.

2. Антифрикционные материалы.
Основное служебное свойство подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность материала обеспечивать: а) низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и б) малую скорость изнашивания сопряжённой детали – стального или чугунного вала.

Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала:

1. Высокая теплопроводность.

2. Хорошая смачиваемость смазочным материалом.

3. Способность образовывать на поверхности защитные плёнки мягкого металла.

4. Хорошая прирабатываемость (способность материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника).

Критериями для оценки подшипникового материала служат - коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики (давление p, действующее на опору; скорость скольжения v; параметр pv, определяющий удельную мощность трения).

Для подшипников скольжения используют:

1. Металлические материалы.
2. Неметаллические материалы.
3. Комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные камни).

1. Металлические материалы.

Металлические материалы по своей структуре подразделяют на два типа:

1. Сплавы с мягкой матрицей и твёрдыми включениями.

2. Сплавы с твёрдой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди (латуни и бронзы).

Баббит ы – мягкие (30НВ) антифрикционные сплавы на оловянной и свинцовой основе. Б83, Б88 – на оловянной основе; Б16, БС6, БН – на свинцовой основе. Особую группу образуют более дешёвые свинцово-кальциевые баббиты: БКА, БК2.

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. Лучшими свойствами обладают оловянистые баббиты, но из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Структура этих сплавов состоит из твёрдого раствора сурьмы (Sn) в олове (Sb), мягкая фаза и твёрдых включений SnSb и Cu₃Sn.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовые бронзы. БрО10Ф1, БрО10Ц2, и БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3 и др. Например, свинцовистая бронза – БрС30. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни: ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, Лц40Мц3А и др. применяют при малых скоростях скольжения (2м/с) и невысоких нагрузках – для опор трения приборов.

Серые чугуны для работы при значительных давлениях и малых скоростях скольжения: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2, а также СЧ15, СЧ20. С целью уменьшения износа сопряжений детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твёрдость была ниже твёрдости стальной цапфы. Достоинство чугунов – невысокая стоимость. Недостатки – плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Многослойные подшипники в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определённое назначение.

Пример – четырёхслойный подшипник в автомобильном двигателе. Основание – стальное, на которое наносят слой (250мкм) свинцовистой бронзы (БрС30). Этот слой покрыт тонким слоем (10мкм) никеля или латуни. На него наносят слой сплава Pb-Sn толщиной 25мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жёсткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

2. Неметаллические материалы. (Для информации)

Пластмассы – термореактивные (текстолит) и термопластичные (полимеры).
Текстолит – тяжёлый режим работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой. Применяют: подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов.

Полимеры – наиболее широко применяют полиамиды: ПС10, анид, капрон, фторопласт (Ф4, Ф40). Низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость. Работают при небольших нагрузках и плохо отводит тепло.

3 Комбинированные материалы. (Для информации)

Двух типов:

Первый – самосмазывающиеся подшипники. Получают методом порошковой металлургии: железо – графит, железо – медь – графит или бронза – графит. Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения (до 3м/с), отсутствие ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки мест.

Второй – металлофторопластовые подшипники. Изготовляют из металлофторопластовой ленты (МФПл) в виде свёртных втулок методом точной штамповки. Лента состоит из четырёх слоёв. (1 – приработочный, фторпласт, 2 – бронзофторопластовый, 3 – медный, 0,1 мм, 4 – стальная основа). Работают при тяжёлых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327^оС. Их используют в узлах трения, работающих без смазочного материала, в вакууме, жидких средах, а также при наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющееся материала. Применяют в авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности.
2.4 Минералы (Для информации)

Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор. Их используют в прецизионных приборах – часах, гироскопах, тахометрах и т.д. Главное достоинство таких опор – низкий и стабильный момент трения.

4. Фрикционные материалы.

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающий крутящий момент. Они работают в тяжёлых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6МПа), скоростях скольжения (до 40м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000^оС.

Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь:

1. Высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения.

2. Минимальный износ.

3. Высокие теплопроводность и теплостойкость.

4. Хорошую прирабатываемость.

5. Достаточную прочность.

Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения.

Неметаллические материалы – применяют при лёгких (Т = 200^оС, p = 0,8МПа) и средних (Т= 400^оС, p = 1,5МПа) режимах трения. Состав – асбест, связующие смола, каучук и специальные добавки, а также металлы в виде стружки медь, алюминий, свинец и т.д. ФК-24А, ФК-16Л. Недостатки – невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение.

Металлические спечённые материалы – применяют при тяжёлых режимах трения (Т = 1200^оС, p = 6МПа). Их производят на основе железа ФМК-8, ФМК-11 и меди МК-5.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а на основе меди – при смазывании маслом.

В многодисковой тормозной системе самолётов используют бериллий из-за его высокой теплоёмкости, теплопроводности и малой плотности.

Контрольные вопросы:

1. Какие сплавы и стали устойчивы к абразивному изнашиванию, где применяются?

2. Какие стали устойчивы к усталостному виду изнашивания, где применяются?

3. Какие стали устойчивы к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок, где применяются?

4. Что такое антифрикционность?

5. Какими свойствами обладают антифрикционные материалы и где применяются?

6. Какими свойствами обладают металлические материалы и где применяются?

7. Какие неметаллические материалы применяются в машиностроении?

8. Какие комбинированные материалы вы знаете и где применяются?

9. Какие разновидности минералов вы знаете и где применяются?

10. Какими свойствами должны обладать фрикционные материалы, где применяются?