Антифрикционными называются материалы, обладающие в определенных условиях малыми и достаточно стабильными значениями коэффициентов трения, высокой износостойкостью и хорошей прирабатываемостью. Свойства материала сопряженных поверхностей не оказывают влияния на трение, если эти поверхности полностью разделены слоем смазки. Антифрикционные свойства проявляются при отсутствии жидкостного трения или даже без смазки. К антифрикционным свойствам относятся несклонность (или слабо выраженная склонность) к схватыванию с материалом сопряженной поверхности, способность к образованию защитных граничных пленок, уменьшающих трение, высокие теплоемкость и теплопроводность. Важным показателем антифрикционных свойств является способность к перераспределению давлений в зоне контакта, что компенсирует влияние погрешностей и деформаций. Этому способствует прирабатываемость поверхностей (без патологических форм изнашивания) и сравнительно малые значения предела текучести и модуля упругости. Разнородные материалы менее склонны к схватыванию. Так, сочетания сталь- бронза, сталь- баббит обладают высокими антифрикционными свойствами.
Трение широко используется для передачи рабочих усилий между сопряженными поверхностями и для поглощения энергии. Характерными примерами являются фрикционные муфты (сцепные и предохранительные), тормоза и т. д. В таких случаях материалы трущихся поверхностей должны обладать хорошими фрикционными свойствами, под которыми понимают достаточно высокий коэффициент трения, износостойкость и теплостойкость с сохранением стабильности этих показателей (в широком диапазоне значений давления, скорости скольжения, температуры), а также хорошее сопротивление тепловой усталости.
Бронзы. Различают бронзы (сплавы на основе меди) оловянистые (ГОСТ 613- 79), свинцовистые, алюминиевые, в которых основными легирующими элементами являются соответственно олово, свинец, алюминий.
Бронзы, особенно оловянистые, обладают высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами и поэтому широко используются для изготовления деталей ответственных узлов трения (подшипников скольжения, червячных передач и др.) и запорной арматуры. Однако бронзы дорогостоящие материалы, поэтому необходимо стремиться к снижению их расхода за счет улучшения конструкции узлов машин, замены материалов и др.
Примеры обозначений марок бронз: оловянистая – БрОФЮ-1, содержит 10% олова, 1 % фосфора, остальное - медь; алюминиево-железистая бронза БрАЖ 9-4 содержит 9% алюминия, 4% железа.
Латуни. Сплавы меди и цинка с добавками железа, алюминия, марганца, свинца и других металлов называют латунями (ГОСТ 17711-93 и др.). Они обладают хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, но значительно более дорогостоящи, чем качественные стали.
Используют латуни в производстве арматуры, для изготовления деталей узлов трения. Пример обозначения марки: Л59 (59% меди, остальное - цинк с добавками).
Легкиесплавы. Сплавы на основе алюминия, титана, магния и других металлов благодаря их легкости и прочности находят широкое применение в машиностроении.
Используются сплавы алюминия и кремния - силумины (ГОСТ 4784-97) - с хорошими литейными свойствами. Их плотность почти в три раза меньше плотности стали, а по прочности они не уступают сталям (силумины АЛ2, АЛ5 и др.).
Сплавы алюминия с медью и магнием - дуралюмины (Д1, Д16) - хорошо обрабатываются давлением и резанием. Однако стоимость алюминиевых сплавов превышает стоимость сталей. Используются такие сплавы для изготовления корпусов электродвигателей, трубопроводов, емкостей, сепараторов подшипников, заклепок и т. д.
Титановые сплавы (с алюминием, медью и другими присадками) после термообработки обладают высокой прочностью (σВ = 900... 1300 МПа), коррозионной стойкостью, имеют невысокую плотность (ρ = 4500 кг/м 3). Они используются для изготовления изделий в авиационно-космической технике, судостроении и др.
Баббиты. Это антифрикционные высококачественные сплавы на основе олова и свинца. Используются для заливки вкладышей и подшипников скольжения.
Наиболее широко используются баббиты марок Б89, Б83. Однако высокая стоимость баббитов, примерно в двадцать раз превышающая стоимость качественной стали, ограничивает область их применения.
Неметаллические материалы - дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы - также находят широкое применение.
Пластмассы - сравнительно новые материалы, применение которых в машиностроении все более расширяется. Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получить материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью и т. д.
Пластмассы технологичны. Они обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях. Это позволяет получать из пластмасс изделия почти любой сложной формы. Другим преимуществом пластмасс является сочетание легкости и высокой прочности. По этому показателю некоторые виды пластмасс могут конкурировать с лучшими сортами стали и дюралюминия. Высокая удельная прочность позволяет использовать пластмассы в конструкциях, уменьшение массы которых имеет особо важное значение.
В технике широко используют текстолит, гетинакс, стеклопластик, плексиглаз, капрон, нейлон и др. Из пластмасс изготавливают ремни, шкивы, зубчатые колеса, трубы, емкости, рукоятки и др.
При замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5... 6 раз, а себестоимость - в 2... 6 раз. При замене пластмассами цветных металлов себестоимость снижается в 4... 10 раз.
Порошковые материалы получают методом порошковой металлургии, сущность которой состоит в изготовлении деталей из порошков металлов путем прессования и последующего спекания в пресс-формах. Применяют порошки однородные или из смеси различных металлов, а также из смеси металлов с неметаллическими материалами, например с графитом. При этом получают материалы с различными механическими и физическими свойствами (например, высокопрочные, износостойкие, антифрикционные и др.).
В машиностроении наибольшее распространение получили детали на основе железного порошка. Детали, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием.
Порошковые материалы находят все большее применение при изготовлении фрикционных дисков и тормозных колодок, вкладышей подшипников, малонагруженных зубчатых колес, различных втулок, шайб и др.
Термическая обработка деталей. Для повышения механических свойств металлов (прочности, износостойкости, исправления структуры) их подвергают термической (совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения) или химико-термической обработке (процесс диффузии в поверхностный слой материала углерода, азота, кремния и др. элементов за счет воздействия среды на нагретую заготовку). Возможно также механическое упрочнение поверхностных слоев деталей. К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и улучшение.
Отжиг дает возможность уменьшить в заготовках внутренние напряжения и тем самым улучшить их структуру перед последующей механической обработкой. Отжиг достигается их нагревом (для углеродистых и легированных сталей до температуры 800... 900 °С) и медленным охлаждением вместе с печью или на воздухе.
Нормализация отличается от отжига технологией охлаждения заготовок и обеспечивает несколько большую твердость и прочность материала.
Закалка стали способствует повышению ее твердости (для легированных сталей 45...63 HRC), прочности и износостойкости. В отличие от отжига и нормализации в этом случае после нагрева выполняют резкое охлаждение детали в специальной жидкости (в воде, масле, соляных растворах).
Закалка может быть объемной или поверхностной. В последнем случае нагрев поверхности детали производят с большой скоростью токами высокой частоты (ТВЧ), электронным лучом, газовой горелкой. При этом сердцевина детали не прогревается до температуры закаливания стали. Повышается твердость и прочность только поверхностных слоев, а сердцевина стали остается вязкой, что предохраняет деталь от поломок, уменьшает коробление. Так закаливают валы, кулачки, зубья крупномодульных колес из сталей 40, 45, 50, 40Х, 40ХН и др.
Малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 % закалке не подлежат. Для повышения их механических свойств проводят химико-термическую обработку поверхностных слоев деталей на глубину 0,2...2 мм, что обеспечивает после закалки их высокую контактную прочность при сохранении вязкой сердцевины.
К химико-термической обработке относят цементацию - насыщение поверхностных слоев деталей углеродом, азотирование - насыщение их азотом, цианирование - одновременное насыщение углеродом и азотом и др. Цементируют детали из низкоуглеродистых сталей марок 15, 20, 20Х, 12ХНЗА и других, а азотируют - из сталей марок 38Х2МЮА, 38Х20 и др.
Для устранения хрупкости, снятия остаточных напряжений и повышения вязкости сердцевины деталей после закалки осуществляют отпуск - нагрев их ниже температуры закалки стали и последующее охлаждение.
Улучшение состоит из закалки и высокотемпературного (нагрев до 500... 670°С) отпуска. Его используют для повышения прочности деталей машин при сохранении или повышении вязкости материала. Улучшение обеспечивает большую твердость стали, чем нормализация. Например, нормализованная сталь 45 имеет твердость 170... 217 НВ, улучшенная - 269... 302 НВ.
Механическое упрочнение поверхностных слоев деталей методами пластического деформирования (наклепом) производят накаткой роликами или шариками, чеканкой, дробеструйным способом и др. При этом повышается предел выносливости сталей. Так упрочняют детали, работающие в ответственных узлах (гребные винты, канаты, валы, рессоры и др.).