Гаевик Д.Т.
Подшипники скольжения (втулки, вкладыши и др.) из порошковых материалов изготовляют из металлических порошков. Процесс изготовления деталей самосмазывающихся подшипников включает: приготовление (просев) порошков, прессование и спекание деталей, пропитку смазочным материалом, калибровку. Иногда процесс включает вторичную пропитку порошкового материала и дополнительное прессование. Для изготовления используют железографиты (ЖГр1; ЖГр2; ЖГрЗ и др.), железо-графиты с медью (ЖГр1ДО,5; ЖГр1; 5Д2,5 и др.), железографиты сульфидированные (ЖГр1К1; ЖХр1ДСЗ,5 и др.), бронзографиты (БрО10Гр2; БрО10Гр4; БГр4; БРО10 и др.), а также пористое железо Ж.
По сравнению с подшипниками из бронзы подшипники из порошковых материалов более эффективны в эксплуатации, особенно при работе в условиях граничной смазки и трении без смазочного материала. Они малодефицитны, технологичны, имеют высокие прочность и износостойкость. Для придания смазывающих свойств в основу из порошкового материала добавляют графит, серу, цинк и другие элементы, а также пропитывают смазочными маслами, пластмассами, металлами. Высокоэффективны для пропитки высоковязкие смазочные масла, а также петролатум, которые по сравнению с обычными (средневязкими) смазочными маслами позволяют резко снизить стоимость пропитки и в 1,5— 2 раза увеличить срок службы самосмазывающихся подшипников.
Процесс самосмазывания подшипникового узла состоит в следующем. При повышении температуры в подшипнике, что может быть вызвано высокими скоростью скольжения и давлением на поверхностях трения, смазочное масло выходит из пор и смазывает рабочие поверхности деталей, защищая их от быстрого изнашивания или задира. При охлаждении подшипника (при снятии нагрузки, уменьшении скорости скольжения) лишнее смазочное масло начинает всасываться в капилляры вкладыша или втулки подшипника. Работоспособность подшипника в большой степени зависит от размера пор в подшипнике, а также от толщины вкладыша (втулки). Такие подшипники смазывают под давлением (подпитка из резервуара) или применяют метод фитильного смазывания.
|
|
Хорошие результаты дало испытание подшипников из порошковых материалов, пропитанных ПТФЭ (это бронзографиты БрОЮГрЗ—20, БрО10—20 и др., коррозионно-стойкие стали, в том числе сульфидированные, порошковые материалы на основе титана и др.). Для пропитки используют концентрированные водные суспензии ПТФЭ (концентрация полимера 56—65 %). Пропитку втулок выполняют в специальной вакуумной установке с чередованием пропитки и сушки в термостате при температуре 363—373 К. Износостойкость порошкового материала на основе титана, например пропитанного ПТФЭ, при трении по стали 12Х18Н10Т в 6—8 раз превосходит износостойкость чистого ПТФЭ. При этом коэффициент трения может быть уменьшен до 0,04—0,06.
Порошковые антифрикционные материалы на основе кобальта, никеля и железа показали высокую работоспособность в условиях трения без смазочного материала, при высоких давлении на поверхностях трения и температуре.
Известно, что коррозионно-стойкие стали плохо работают в нагруженных узлах трения, так как склонны к схватыванию и задиру; поэтому в условиях трения без смазочного материала и граничной смазки наилучшим материалом в качестве основы для порошкового материала является бронза. В последние годы как в отечественной, так и в зарубежной практике широко применяют подшипники из многослойного комбинированного материала, покрытого медью электролитическим способом. На ленту из такого материала наносят слой сферических частиц оловянистой бронзы толщиной 0,2—0,3 мм с объемом пор 30—40 %. В поры порошкового материала завальцовывают пастообразую смесь из ПТФЭ и дисульфида молибдена, в результате чего на каркасе из порошкового материала образуется слой толщиной 10—30 мкм. Часто вместо смеси ПТФЭ и дисульфида молибдена матрицу из пористой бронзы на стальной ленте пропитывают ПТФЭ или смесью ПТФЭ и свинца, а стальную основу дополнительно покрывают слоем олова, который служит защитой от коррозии. Заполненный ПТФЭ и свинцом антифрикционный слой содержит 67—73 % бронзы, 22—28 % ПТФЭ и около 5 % свинца. На наружной поверхности матрицы из порошкового материала образуется слой из ПТФЭ и свинца толщиной 0,02 мм, способствующий приработке в начальный период работы подшипника.
|
|
В отечественной практике применяют подшипники из порошковых материалов. Их изготовляют следующим образом. На стальную основу (ленту) напекают пористый слой оловянистой бронзы и пропитывают его пастой, состоящей из суспензии ПТФЭ (около 75 %) и дисульфида молибдена (около 25 %). Такие материалы используют в основном при трении без смазочного материала в текстильном машиностроении и других отраслях.
а) 3)
а — с втулкой, запрессованной в стальную обойму [d1=(1,4…1,6)d; l=(0,5…1,5)d; d2≥2d]; б — с масляными карманами.
|
|
Порошковый материал, получаемый методом спекания сферических частиц оловянистой бронзы на стальной основе вкладыша с последующей пропиткой ПТФЭ, обладает высокой несущей способностью при смазывании, например, водой при скорости скольжения более 15 м/с. По несущей способности этот материал в указанных условиях значительно превосходит баббит Б83.
Подшипники из твердых порошковых сплавов. Из этих материалов изготовляют подшипниковые опоры валов реакторов, втулки цилиндров и штоки поршневых компрессоров, трущиеся пары торцовых уплотнений, распыливающие форсунки и другие детали. Эти материалы отличаются высокой стойкостью к износу в кислотах, щелочах и других химических средах, а также хорошо работают в условиях абразивного изнашивания. Наиболее коррозионно-стойки твердые сплавы ВК2, ВКЗ и ВК6, содержание кобальта в которых не превышает 6 %. Лучшим материалом по комплексу свойств, проявляемых при трении в химическом оборудовании, является твердый сплав ВК6, коррозионная стойкость которого с уменьшением шероховатости контактирующих поверхностей заметно возрастает. Для получения необходимой шероховатости поверхностей трения высокоэффективно применение алмазного инструмента. При этом не только обеспечивается необходимая шероховатость поверхностей трения, но и заметно повышается коррозионная стойкость твердых порошковых материалов.
Кольца из сплава ВК6 могут длительно работать в среде едкого натра. При работе в серной кислоте (например, в 5 %-ном растворе) сплав ВК6 подвержен коррозии, что обусловлено растворением кобальта; поэтому основным фактором, влияющим на долговечность детали сплава ВК6 в данном случае, является не только механическое изнашивание, но и коррозия твердого порошкового материала.
При работе на смазочном масле или глицерине лучшими парами трения являются пары ВК6 — бронза или ВК6 — чугун с шаровидным графитом, причем при трении в глицерине обнаружен перенос частиц меди на поверхность твердого сплава.
Подшипники из твердых спеченных сплавов изготовляют прессованием. Обработанные изделия спекают в электрических печах. Горячим прессованием можно получить практически беспористый материал. Полученные втулки устанавливают в металлические обоймы запрессовкой и вклеиванием, чтобы исключить их разрушение от ударов и вибраций. Для склеивания используют клей, состоящий (по массе) из 70 % эпоксидной смолы и 30 % бакелитового лака (в пересчете на сухой остаток).
Минералокерамические подшипники. К минералокерамическим твердым сплавам относится минералокерамика стеатитовая (материалы или сплавы марок ТК-21, СК-1, СПК-2 и др.) и оксидная (материал или сплав ЦМ-32). Исходным материалом для изготовления последнего (ЦМ-332) является А1203 (99,0—99,5 %) и хлористый магний (0,5—1 %). В процессе спекания исходное соединение магния переходит в его оксид, который с А1203 образует аморфную стекловидную фазу, прочно цементирующую основную массу кристаллов А1203. Материал имеет белый цвет, поэтому его иногда называют белой керамикой.
Материал ТК-21 изготовляют из А1203 (97,0—99,5 %), окисей магния МgО и кремния ЗЮ2. Можно также включать окиси О203, Ре203 и другие соединения.
Втулки подшипников из этих материалов изготовляют прессованием или литьем под давлением формовочной массы с последующей сушкой и обжигом. Механическую обработку выполняют шлифованием (кругом из карбида кремния). Для окончательной обработки используют алмазные круги.
При трении материала ЦМ-332 по стали выявлены следы царапин и рисок на поверхности стали и перенос ее частиц на материал ЦМ-332. При трении этого материала по стали со смазочным материалом условия работы улучшаются; при этом твердость поверхности стального вала должна быть не меньше 50 НRСЭ. При трении без смазочного материала лучше проявили себя пары трения стеллит ВЗК — ЦМ-332 и ЦМ-332—ЦМ-332. Последняя работоспособна в условиях гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания и в азотной кислоте.
При конструировании и эксплуатации машин следует помнить, что минералокерамика не выдерживает резких колебаний температуры, вибраций и ударных нагрузок. Детали и втулки из материала ЦМ-332 крепят в металлических обоймах при помощи резьбовых соединений или вклеивают с применением лака или эпоксидной смолы.
Из материала ЦМ-332 изготовляют детали приборов авиационных систем автоматического управления. Так, в гиромоторе с цилиндрическими опорами скольжения при гидродинамической смазке из ЦМ-332 изготовлены крышки и ось прибора, а в гиромоторе с полусферическими опорами скольжения (также при гидродинамической смазке) — втулка, крышка и полусферы.
Вкладыши подшипников насосов [2] изготовляют из твердого материала ТК-21 в паре трения с хастеллоем, ферросилидом и сталью 95X18. Долговечность подшипника при использовании ВЗК, ТК-21, СК-1, СПК-2 в насосах типа ЦНГ и ХГВ составляет 2000—3000 ч [2].
Для работы в агрессивных средах можно применять подшипники из ситаллов, представляющих собой стеклокристаллический материал на основе специального стекла. Ситаллы обладают высокой твердостью, термической и коррозионной стойкостью. Промышленностью освоены и выпускаются ситаллы литые (СТЛ), технические магниевые (СТМ), борнобариевые (СТБ) и др. Втулки из ситалла изготовляют методом пресслитья. Поверхности трения обрабатывают алмазным шлифованием (Rа = 0,160... 0,020 мкм). Для полирования поверхностей трения используют окись хрома или церия, крокус.
Ситаллы, как и все минералокерамические материалы, имеют низкую ударную вязкость, поэтому их нельзя применять в подшипниках и узлах трения, подверженных усталостному изнашиванию или изнашиванию при фретинге. В отличие от другой ми-нералокерамики ситаллы не подвержены влиянию резких смен температуры и хорошо работают при небольших давлении и скорости скольжения.
Синтетические поликристаллические материалы. К качеству обработки прецизионных деталей предъявляют повышенные требования. Окончательная обработка таких деталей требует применения высокоскоростных прецизионных шлифовальных станков и специальной оснастки для точного базирования обрабатываемой детали. В связи с этим в люнетах (оснастка) применяют алмазные опоры с полированными рабочими поверхностями. Стойкость к изнашиванию сферических опор (из синтетических алмазов карбонадо) в люнетах специальных шлифовальных станков в 3—4 раза превышает износостойкость аналогичных опор из природных алмазов. Срок службы таких опор из карбонадо почти в 4—5 раз пре-вышет срок службы опор из природных алмазов. Таким образом, синтетические поликристаллические материалы (карбонадо, бал-лас и гексанит) могут успешно заменять природный алмаз в опорах прецизионных шлифовальных станков. Коэффициент трения таких материалов 0,026—0,028.
Некоторые тенденции развития производства подшипников из минералокерамических материалов за рубежом. В последние годы внимание изготовителей подшипников привлекают минералокерамические материалы благодаря своей легкости, прочности, термо- и износостойкости, а также антикоррозионным свойствам. Малая плотность этих материалов определяет их перспективность для изготовления вращающихся деталей высокоскоростных подшипников, а высокая термическая стойкость обусловливает их применение в подшипниках, работающих в химически активных средах и при высоких температурах. Некоторые подшипники из минералокерамических материалов успешно работают в газовых турбинах, авиационных приборах, насосах.
Для изготовления деталей таких подшипников наиболее пригодны нитрид кремния и окись алюминия. Последнюю применяют для изготовления деталей подшипников насосов для химически активных жидкостей [2].
Нитрид кремния обладает высокой прочностью при изгибе в широком интервале температур, а также высокой прочностью при сжатии (до 3500 МПа при температуре 293 К) и растяжении (до 60—65 % прочности при изгибе). Из-за низкой плотности нитрида кремния по сравнению с плотностью стали центробежные силы, развиваемые шариками из минералокерамических материалов, в 2 раза меньше, чем в подшипнике со стальными шариками, а высокая твердость минералокерамики, сохраняющаяся при повышенных температурах, обеспечивает износо- и термостойкость. Температурный коэффициент линейного расширения для нитрида кремния в 4 раза меньше, чем для стали. Это необходимо учитывать при монтаже таких подшипников на стальном валу; кроме того, следует предусматривать компенсаторы. Если из минералокерамики изготовлены только тела качения, то различие коэффициентов линейного расширения компенсируют радиальными зазорами. Нитрид кремния коррозионно стоек в таких активных средах, как морская вода, серная кислота, щелочи; его разрушают только жидкие щелочные металлы и фтористоводородная кислота. Благодаря низкому коэффициенту трения нитрид кремния хорошо сопротивляется изнашиванию и заеданию, особенно при высоких температурах, и может работать при трении без смазочного материала.
При использовании смазочных материалов на основе эфира или углеводородов на телах качения из нитрида кремния (как и на стальных) образуется смазочная пленка, которая препятствует заеданию тел качения в зоне трения. По данным испытаний (при частоте вращения 71 500 мин-1) для подшипников со стальными кольцами и шариками из нитрида кремния, по сравнению с обычными подшипниками, на 10—20 % меньше тепловыделение, больше срок службы без смазочного материала, на 30—35 % меньше осевой предварительный натяг (так как меньше силы трения в контакте шариков с кольцами).
Для изготовления деталей из минералокерамических материалов применяют метод горячего прессования или метод прессования в два этапа; предварительная операция — холодное прессование, холодное прессование и инжекционное формование; окончательная операция — спекание и горячее прессование. При горячем прессовании порошок кремния сначала изолируют для образования порошкообразного нитрида кремния. Затем порошок смешивают со связующим, которым служат окиси магния (наиболее распространена), алюминия, иттрия и церия, помещают в форму, нагревают до температуры 1923—2643 К и прессуют под давлением 13,8 МПа. Вследствие распада нитрида кремния при температуре спекания на поверхности шариков образуется пористый слой, который удаляют механической обработкой.
Недостатки нитрида кремния, как и других минералокерамических материалов, — низкая ударная прочность и высокий модуль Юнга; поэтому при использовании керамических подшипников необходимо увеличивать поверхность контакта, принимать посадки с натягом и малые допуски на размеры, обрабатывать поверхность до Rа = 0,160... 0,020 мкм.
Список литературы
1. Либенсон Г.А. Производство спеченных изделий. М.: Металлургия, 1982. 255с.
2. Конструкция и эксплуатация центробежных герметичных насосов/ Авт.: В.В.Буренин, Д.Т. Гаевик, В.П. Дронов. М.: Машиностроение, 1977. 152 с.