Металлы с наименьшим трением

Обновлено: 07.01.2025

К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения (рис. 1). В судовом машиностроении из этих деталей конструируются кинематические узлы с вращательным или качательным движением. Антифрикционный материал должен обладать низким коэффициентом трения в кинематическом узле, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, малой склонностью к заеданию (схватыванию), способностью обеспечить равномерную смазку. Перечисленные свойства антифрикционного материала должны им обеспечиваться при определенных удельных контактных нагрузках и различных конструктивных решениях узлов трения (рис. 2).

канал подачи смазочного материала;
вкладыш;
корпус;
зазор, заполненный смазочным материалом;
цапфа вала

Рис. 1. Типовая конструкция подшипника скольжения

Большое разнообразие конструктивных типов узлов трения, а также условий эксплуатации привело к необходимости создания самых разнообразных антифрикционных материалов. Различают следующие антифрикционные материалы:

сплавы на основе олова, свинца (баббиты),
меди (бронзы), железа (серый чугун),
металлокерамические (бронзографит, железографит),
пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древесноложные пластики и др.),
а также сложные композиции типа “металл–пластмасса”.

Рис. 2. Различные конструктивные узлы трения

По структурному признаку металлические антифрикционные материалы делят на две группы:

первая – материалы с мягкой основой и твердыми включениями и
вторая – материалы с твердой основой и мягкими включениями.

В современном судовом машиностроении используются подшипниковые сплавы на основе олова и свинца, сплавы на медной основе: латуни и бронзы. Для обеспечения, указанного выше комплекса, часто противоречивых свойств, могут использоваться сплавы, состоящие из относительно мягкой основы, в которой распределена достаточно твердая вторая фаза.

Назначение твердых кристаллов – осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы – обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу (рис. 3). Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют баббиты.

Рис. 3. Схема «вал – вкладыш»

1. Баббиты

Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 – 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ90 – 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.

В России баббиты, используемые в судостроении, стандартизованы (табл.1).

Табл.1. Химический состав баббитов (ГОСТ 1320–74).

Литейные сплавы на основе свинца, и олова для многослойных подшипников регламентированы международным стандартом. К ним относятся сплавы на основе свинца: PbSb15SnAs; PbSb15Sn10; PbSb14Sn9CuAs; PbSb10Sn6 и олова SnSbl2Cu6Pb; SnSb8Cu4; SnSb8Cu4Cd. Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83% Sn, 11% Sb и 6% Си. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграмме состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов β – фазы (твердые включения) и темных α – кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в α – фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Промежуточную фазу можно рассматривать как твердый раствор на основе соединения SnSb. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллиды Cu₃Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких β – кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз – α, β (SnSb) и g (Cu₃Sn.) (рис. 4).

Рис. 4. Микроструктура баббита Б83 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)

Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.

Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром (рис. 5), – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности. В сплаве Б16 первично выделяются кристаллы соединения Cu₆Sn₅, затем двойная эвтектика β +Cu₆Sn₅ и тройная эвтектика α +β +Cu₆Sn₅.

Рис. 5. Микроструктура баббита Б16 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)

Фаза β – это твердый раствор на соединения SnSb содержащий значительное количество свинца, β – фаза – твердый раствор олова и сурьмы в свинце. Твердыми включениями в этом баббите являются β – фаза (белые граненые кристаллы) и интерметаллиды g (Cu₆Sn₅) – (звездчатые кристаллы). Пластичная основа – эвтектическая смесь (β + g), в которой β – фаза светлая, g – фаза темная. Пестрая структурная составляющая с ярко выраженным эвтектическим строением резко отличает микроструктуру сплава Б16 от микроструктуры баббита Б83.

Баббит Б16 применяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, электродвигателей, паровых турбин, не испытывающих ударных нагрузок. По сравнению с оловянными баббитами свинцовые обладают большим коэффициентом трения. Они более хрупки, так как в них мягкой составляющей является достаточно хрупкая эвтектика.

2. Антифрикционные сплавы на основе меди

В качестве антифрикционных сплавов употребляют бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготавливают из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении (рис. 6). Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы.

Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без олова (БрС30) или с 1% Sn.

В отличие от баббитов, бронза БрС30 относится к антифрикционным материалам с твердой матрицей (Си) и мягкими включениями (Pb). При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка свинца, защищающая шейку стального вала от повреждения. Эта бронза отличается высокой теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у остальных бронз) и хорошим сопротивлением усталости. На рис. 52 изображена микроструктура БрС30.

Рис. 6. Схемы исполнения биметаллических и триметаллических подшипников

Биметаллические подшипники имеют стальное основание обеспечивающее жесткость и натяг в тяжелых условиях повышенной температуры и циклических нагрузок.

Второй слой материала состоит из антифрикционного сплава. Его толщина относительно велика – она составляет около 0.3 мм. Толщина антифрикционного слоя является важной характеристикой биметаллических подшипников, которые способны прирабатываться и приспосабливаться к относительно большим геометрическим дефектам. Биметаллический подшипник также обладает хорошей абсорбционной способностью, поглощая как мелкие, так и крупные включения в масле.

Обычно рабочий слой сделан из алюминия, содержащего 6 – 20% олова в качестве твердого смазочного материала, обеспечивающего антифрикционные свойства. Кроме этого, сплав часто содержит 2 – 4% кремния в виде мелких включений, распределенных в алюминии. Твердый кремний упрочняет сплав и также обладает способностью полировать поверхность вала. Присутствие кремния особенно важно при работе с валами из ковкого чугуна. Алюминиевый сплав может быть дополнительно упрочнен небольшими добавками меди, никеля, марганца, ванадия и других элементов.

Рис. 7. Микроструктура бронзы БрС30 (Справа — схематическое изображение микроструктуры)

3. Антифрикционные сплавы на основе железа

Стали. В качестве антифрикционных материалов стали используют в очень легких условиях работы при небольших давлениях и невысоких скоростях скольжения. Будучи твердыми и имея высокую температуру плавления, стали плохо прирабатываются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют так называемые медистые стали, содержащие малое количество углерода, либо графитизированные стали, имеющие включения свободного графита. В таблице 2 приложения приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.

Табл.2. Состав (в %) антифрикционных сталей Антифрикционный чугун.

Ряд чугунов имеет высокие антифрикционные свойства, которые определяются в значительной степени строением графитовой составляющей. Чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь минимальное количество свободного феррита (не более 15%) и должен отсутствовать свободный цементит.

Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Рис. 8. Структуры антифрикционных чугунов с глобоидальной и шаровидной формой графита на перлитной основе

4. Назначение антифрикционного чугуна

5. Антифрикционные сплавы на основе алюминия

Алюминиевые сплавы в последнее время все шире используются для замены антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы. Их классифицируют по микроструктурному признаку. Первая группа – сплавы, имеющие твердые структурные составляющие (FeAl₃; Al₃Ni; CuAl₂; Mg₂Si и др.) в пластичной основе металла. Они применяются при высоких скоростях вращения и невысоких нагрузках с применением смазки. Однако, если подача смазки прекращается, то наступает схватывание. Свободны от этого недостатка сплавы второй группы, они легированы оловом. В случае прекращения поступления смазки олово расплавляется, покрывая вал тонким слоем и тем самым препятствуя контакту железа с алюминием и, следовательно, схватыванию. В таблице 5 приведены современные антифрикционные сплавы. Медь вводят для упрочнения матрицы, кремний, железо, никель и др. для уменьшения износа (образуют твердые частицы).

Трение покоя, скольжения и качения. Коэффициент трения стали по стали

Каждый человек, который так или иначе связан с техникой, знает, что собой представляет сила трения. В нашей жизни она может играть как положительную, так и отрицательную роль. Данную статью посвятим вопросу определения коэффициента трения стали по стали.

Виды трения

До того как рассмотреть вопрос определения коэффициента трения стали по стали, следует ближе познакомиться с трением между твердыми телами. Рассмотрим подробнее:

Если привести в соприкосновение два твердых тела, то для осуществления смещения их друг относительно друга потребуется приложить некоторую силу. Она должна быть больше трения покоя, которое движению препятствует.
Как только тела начинают взаимное перемещение, их поверхности трутся друг о друга. Соответствующая сила, сопротивляющаяся движению, связана с трением скольжения.
Третий вид - это трение качения. Исходя из названия видно, оно возникает, когда тела катятся друг по другу, например, колесо велосипеда по асфальту.

Все три вида трения действуют в области контакта твердых поверхностей. Соответствующие силы всегда стремятся замедлить любое движение.

Польза сил трения связана с тем, что они обеспечивают возможность самого движения и изменения его характеристик. Вред же, как правило, связан с энергетическими потерями во время перемещения и с износом трущихся материалов.

Трение покоя и скольжения: коэффициент трения стали по стали

Пришло время рассмотреть формулы. Для расчета сил трения скольжения и покоя используют следующее выражение в физике:

Здесь µ и N - коэффициент силы трения и реакция опоры, соответственно. Поясним это. Величина µ для рассматриваемых видов трения главным образом зависит от шероховатости контактирующих поверхностей. Чем больше микроскопических неровностей содержат поверхности, тем больше ее значение.

Оно также определяется трущимися материалами. В случае стальных поверхностей большой вклад в характеристику этого коэффициента вносят металлические связи между атомами железа. Это связано с плотным соприкосновением стальных листов. Этот факт объясняет, почему полировка металлической поверхности может не только не уменьшить, но даже увеличить величину µ.

Для большинства видов стали значение µ для трения скольжения лежит в пределах 0,12-0,15, а для трения покоя эти пределы составляют 0,15-0,16. Смазка поверхностей приводит к снижению показателя (до 0,1 и меньше).

Трение качения и его коэффициент

Формула для определения силы трения качения имеет такую же форму, как для рассмотренных ранее видов. Запишем ее еще раз:

Коэффициент качения C_R зависит от твердости и упругих характеристик катящегося тела, а также от радиуса колеса (шарика, ролика).

Коэффициент трения стали по стали C_R важно учитывать при движении поезда. Его металлические колеса катятся по рельсам из такого же материала. Табличные данные говорят, что C_R для колес поезда лежит в пределах 0,0002-0,001.

Отметим, что сталь - это достаточно твердый материал, поэтому величина упругой деформации во время качения для него невелика. Последнее обуславливает малые значения C_R. Приведенные табличные данные говорят о том, что сила трения качения стали по стали в 100 и более раз меньше, чем аналогичная сила при скольжении металлических пластин друг по другу.

Задача на определение коэффициента трения

Стальной брус массой 1 кг прикрепили к динамометру и начали равномерно тянуть по стальному горизонтальному листу. Необходимо определить коэффициент трения при таком скольжении, если динамометр при равномерном движении бруса показывал значение силы 1,2 ньютона.

Для определения величины µ воспользуемся выражением для силы F_t, имеем:

Поскольку эксперимент проводится на горизонтальной поверхности, то реакция опоры N будет равна весу бруска. В итоге получаем конечную формулу для µ:

Осталось подставить данные и вычислить значение коэффициента скольжения стали по стали: µ = 0,12.

Антифрикционные материалы: обзор, свойства, применение

Процесс эксплуатации технических агрегатов, машин и отдельных элементных групп оборудования неизбежно сопровождается износом. Взаимное механическое воздействие деталей друг на друга с разной степенью интенсивности приводит к истиранию их поверхностей и разрушению внутренней структуры. К тому же подобное влияние нередко оказывает и окружающая среда в виде эрозии и кавитации. Как результат, наблюдается потеря работоспособности техники или как минимум снижение эксплуатационных свойств. Представленные ниже обзоры порошковых фрикционных и антифрикционных материалов помогут разобраться со способами, позволяющими минимизировать нежелательное трение. Такие материалы рекомендуются к использованию и для промышленного оборудования, и бытовой техники, а также для строительного инструмента.

Отличия фрикционных и антифрикционных материалов

Рассмотрение данных материалов в одном контексте обусловлено тем, что их функция связана с общей характеристикой работы механизмов – коэффициентом трения. Но если антифрикционные элементы и добавки отвечают за понижение данного значения, то фрикционные – напротив, повышают его. При этом, например, порошковые сплавы с повышенным коэффициентом трения обеспечивают сопротивление износу и механическую прочность целевой рабочей группы. Для достижения таких качеств в состав фрикционного сырья вносятся тугоплавкие оксиды, карбиды бора, кремния и др. В отличие от антифрикционных элементов, фрикционные нередко представляют собой и полноценные функциональные органы в механизмах. Это, в частности, могут быть тормоза и муфты.

Обеспечивая задачи повышения трения, они параллельно выполняют и конкретные технические задачи. В то же время и фрикционные, и антифрикционные материалы перед эксплуатацией проходят тщательные лабораторные испытания. Те же сплавы для тормозов проходят натурные и стендовые тесты, в ходе которых определяется целесообразность их применения на практике. Наиболее технологичные фрикционные материалы из полимеров сегодня изготавливаются разными методами. Так, для механизмов тормозной группы применяется техника прессования – на формах изготавливаются колодки, пластины и секторы. Ленточные материалы производят по тканой технике, а накладки – путем вальцевания.

Свойства антифрикционных материалов

Детали с антифрикционной функцией должны соответствовать широкому комплексу требований, определяющих их основные рабочие качества. В первую очередь материал должен быть совместимым и с сопряженной деталью, и с рабочей средой. В условиях совместимости до и после приработки материал обеспечивает необходимую степень понижения трения. Здесь же надо отметить прирабатываемость как таковую. Это свойство определяет способность элемента естественно корректировать геометрию поверхности под оптимальную форму, которая подходит для конкретного места эксплуатации. Иными словами, с детали стирается лишняя структура с микронеровностями, после чего приработка обеспечит условия работы с минимальными нагрузками.

Износостойкость – тоже немаловажное свойство, которым обладают данные материалы. Антифрикционные элементы должны иметь структуру, которая обеспечивает сопротивление разным видам изнашивания. В то же время деталь не должна быть чрезмерно жесткой и твердой, поскольку в этом случае увеличится риск заедания, что нежелательно для антифрикционного материала. Более того, технологи выделяют такое свойство, как поглощение твердотельных частиц. Дело в том, что трение в разной степени может способствовать выделению мелких элементов – нередко металлических. В свою очередь, антифрикционная поверхность обладает способностью «вдавливать» в себя такие частицы, устраняя их из рабочей области.

Металлические антифрикционные материалы

Изделия на металлической основе составляют наиболее обширный спектр элементов антифрикционной группы. Основная их часть ориентируется на эксплуатацию в режиме жидкостного трения, то есть в условиях, когда подшипники разделяются с валами тонкой масляной прослойкой. И все же при остановке и пуске агрегата неизбежно возникает так называемый граничный режим трения, при котором масляная пленка может разрушаться под действием высоких температур. Металлические детали, используемые в подшипниковых группах, можно подразделить на два типа: элементы с мягкой структурой и твердотельными вставками и сплавы с жесткой основой и мягкими вставками. Если говорить о первой группе, то в качестве антифрикционных материалов можно использовать баббиты, латунные и бронзовые сплавы. Благодаря мягкой структуре они быстро прирабатываются и длительное время сохраняют характеристики масляной пленки. С другой стороны, твердотельные включения обуславливают повышенную износостойкость при механических контактах со смежными элементами – например, с тем же валом.

Под баббитами подразумевают сплав, основу которого формирует свинец или олово. Также ради улучшения отдельных качеств в структуру могут добавляться легирующие сплавы. В числе повышаемых свойств можно отметить коррозийную стойкость, твердость, вязкость и прочность. Изменение той или иной характеристики определяется тем, какие использовались легирующие материалы. Антифрикционные баббиты могут модифицироваться кадмием, никелем, медью, сурьмой и т. д. Например, стандартный баббит содержит порядка 80% олова или свинца, 10% сурьмы, а остальное приходится на медь и кадмий.

Свинцовые сплавы как средство минимизации трения

Начальный уровень антифрикционных сплавов представляют свинцовые баббиты. Ценовая доступность определяет специфику эксплуатации данного материала – в наименее ответственных рабочих функциях. Свинцовая основа в сравнении с оловом обеспечивает баббитам менее высокую механическую стойкость и низкую коррозийную защиту. Правда, и в таких сплавах не обходится без олова – его содержание может достигать 18%. Кроме того, вносится в состав и медный компонент, который предотвращает процессы ликвации – неравномерное распределение разных по массе металлов в объеме изделия.

Простейшие свинцовые материалы с антифрикционным свойством характеризуются высокой степенью хрупкости, поэтому их используют в условиях с пониженными динамическими нагрузками. В частности, подшипники для путевых машин, тепловозов и элементы тяжелого машиностроения составляют целевую нишу, где применяются такие материалы. Антифрикционные сплавы с применением кальция можно назвать модификацией свинцовых сплавов. В данном случае отмечаются такие качества, как высокая плотность и низкая теплопроводность. Основу также представляет свинец, но в существенных долях его также дополняют включения натрия, кальция и сурьмы. Что касается слабых мест этого материала, то к ним относится окисляемость, поэтому в химически активных средах его использовать не рекомендуют.

Говоря в целом о баббитах, можно констатировать, что это далеко не самое эффективное решение для минимизации трения, но по совокупности качеств оно оказывается выгодным с точки зрения эксплуатации. Это материалы, антифрикционные свойства которых могут нивелироваться пониженным сопротивлением усталости, ухудшающим работоспособность элемента. Тем не менее, в ряде случаев недостаток прочности восполняется включением в конструкцию стальных или чугунных корпусов.

Особенности бронзовых антифрикционных сплавов

Физико-химические свойства бронзы органично сочетаются с требованиями для антифрикционных сплавов. Данный металл, в частности, обеспечивает достаточные показатели удельного давления, возможность эксплуатации в условиях ударных нагрузок, высокую скорость вращения подшипника и т. д. Но также выбор бронзы для тех или иных функций будет зависеть от ее марки. Тот же формат эксплуатации вкладышей при ударных нагрузках приемлем для марки БрОС30, но не рекомендуется для БрАЖ. Есть и различия в классе бронзовых материалов по механическим свойствам. Данная группа качеств будет зависеть от характера сопряжения с закаленными валами и от использования цапфы, которая может иметь дополнительное упрочнение. И вновь нельзя говорить о монолитности структуры сплава.

Бронзовые изделия могут также включать олово, латунь, свинец. При этом, если все перечисленные металлы могут использоваться в качестве основы баббита, антифрикционные материалы на основе меди применяются крайне редко. В данном случае медный компонент чаще выступает как та же добавка с коэффициентом содержания 2-3%. Оптимальными считаются оловяно-свинцовые комбинации включений. Они обеспечивают достаточные показатели сплава как антифрикционного компонента, хотя и проигрывают другим составам в отношении механической прочности. Комбинированные бронзовые материалы используют в изготовлении монолитных подшипников для электродвигателей, турбин, компрессорных установок и других агрегатов, которые работают при высоком давлении и малой скорости скольжения.

Порошковые фрикционные материалы

Такие материалы используются в составах, предназначенных для передаточных и тормозных узлов гусеничной техники, автомобилей, станков, строительных механизмов и т. д. Готовые изделия на основе порошковых компонентов выпускаются в форме секторных накладок, дисков и колодок. В то же время исходные материалы для антифрикционного типа порошковых сплавов формируются той же номенклатурой, что и в случае с фрикционными компонентами, – чаще всего используют железо и медь, но существуют и другие комбинации.

Например, материалы из алюминиевых и оловянистых бронз, в состав которых входят графит и свинец, эффективно себя проявляют в условиях трения при скорости скольжения деталей порядка 50 м/с. К слову, при работе подшипников на скорости 5 м/с металлические порошковые изделия могут заменяться металлопластмассовым сырьем. Это уже антифрикционный композиционный материал с гибкой рабочей структурой и пониженной прочностью. Наиболее же выгодными в плане использования в условиях повышенных нагрузок считаются материалы из железа и меди. В качестве добавок используется графит, кремниевый оксид или барий. Работа данных элементов возможна при давлении 300 МПа и скорости скольжения до 60 м/с.

Порошковые антифрикционные материалы

Из порошкового сырья производятся и антифрикционные изделия. Они характеризуются высокой износостойкостью, пониженным коэффициентом трения и способностью быстрой приработки к валу. Также антифрикционные порошковые материалы имеют целый ряд преимуществ по сравнению со сплавами, минимизирующими трение. Достаточно отметить, что показатели их износостойкости в среднем выше, чем у тех же баббитов. Пористая структура, сформированная порошковыми металлами, дает возможность эффективной пропитки смазочными средствами.

Изготовители имеют возможность формировать конечные изделия в разных видах. Это могут быть каркасные или матричные детали с промежуточными полостями, заполненными другим смягченным сырьем. И, напротив, в некоторых сферах больше востребованы антифрикционные порошковые материалы, имеющие мягкотельную каркасную основу. В специальных сотах предусматриваются твердые включения разного уровня дисперсности. Данное качество имеет большое значение именно с точки зрения возможности регуляции параметров, определяющих интенсивность трения деталей.

Антифрикционные полимерные материалы

Современное полимерное сырье дает возможность получать новые технико-эксплуатационные качества для деталей, понижающих трение. В качестве основы могут использоваться и композитные сплавы, и металлопластиковые порошки. Одним из главных отличительных свойств таких материалов является способность равномерно распределять добавки по всей структуре, которые в дальнейшем будут выполнять функцию твердой смазки. В списке таких веществ отмечают графиты, сульфиды, пластики и другие соединения. Рабочие свойства полимерных и антифрикционных материалов во многом сходятся и на базовом уровне без использования модификаторов: это и малый коэффициент трения, и стойкость к химически активным средам, и возможность эксплуатации в водной среде. Если говорить об уникальных качествах, то полимеры могут выполнять свои задачи даже без подкрепления специальной смазкой.

Применение материалов для защиты от трения

Большая часть антифрикционных элементов изначально рассчитывается на использование в подшипниковых группах. Среди них и детали, рассчитанные на повышение износостойкости, и компоненты, улучшающие скольжение. В машино- и станкостроении такие изделия применяют в изготовлении двигателей, поршней, узлов сцепки, турбин и т. д. Здесь же основу расходников составляют антифрикционные материалы подшипников скольжения, которые внедряются в структуру ходовой и стационарной техники.

Строительная отрасль тоже не обходится без антифрикционной функции. С помощью таких деталей укрепляются инженерные сооружения, монтажные конструкции и кладочные материалы. В строительстве железных дорог их используют при монтаже конструктивных элементов подвижного состава. Распространено и применение антифрикционных материалов на полимерной основе, которые находят свое место, например, в качестве связующей структуры шкивов, зубчатых колес, ременных передач и т. д.

Заключение

Задача снижения трения лишь на первый взгляд может казаться вторичной и зачастую необязательной. Совершенствование смазочных жидкостей действительно позволяет избавлять некоторые механизмы от вспомогательных технических элементов, сокращающих износы основной рабочей группы. Переходным звеном от классических баббит к модифицированной высокоэффективной смазке можно назвать антифрикционные полимерные материалы, отличающиеся более мягкой структурой и универсальностью с точки зрения условий работы. Тем не менее, работа металлических деталей при высоком давлении и физическом воздействии по-прежнему требует включения твердотельных антифрикционных вкладышей. Причем этот класс материалов не просто не уходит в прошлое, но и развивается за счет улучшения характеристик прочности, твердости и механической устойчивости.

Антифрикционные свойства материалов и их состав

В деятельности человека нередко используются механические устройства. Надежность работы подвижных деталей в любом механизме обеспечивается уменьшением трения и деформации. Для этого применяют особые материалы, называемые антифрикционными. Основное их назначение – уменьшать коэффициент трения, облегчая скольжение подвижных поверхностей механизмов. В этой статье будут рассмотрены антифрикционные свойства различных материалов, используемых для этих целей.

Трение возникает при движении тел, которые соприкасаются друг с другом. Различают два основных вида:

Сухое – поверхности твердых тел напрямую соприкасаются. Оно наблюдается в ременных и фрикционных передачах.
Жидкостное – когда между деталями механизмов находится масляный слой жидкости и тела не соприкасаются. Встречается в подпятниках, подшипниках.

А также различают промежуточные виды трения: полусухое и полужидкостное.

Относительно движения тел отмечаются следующие типы трения:

покоя – возникает при относительном покое тел;
скольжения – проявляется при относительном движении механизмов;
качения – внешнее трение при качении тел.

В зависимости от вида трения для поверхностей тел подбирается материал с определенными антифрикционными свойствами.

Виды материалов, которые используют для уменьшения трения

Все антифрикционные материалы, обеспечивающие низкий коэффициент трения, подразделяют на:

Металлические – используются сплавы из трех металлов, в составе которых присутствует медь (баббиты). Предназначаются для работы в режиме жидкого трения.
Порошковые – создаются на основе железа и меди с добавлением графита и сульфидов. Используются в подшипниках скольжения.
Самосмазывающиеся спеченные – для изготовления применяют материалы разных комбинаций из железа с графитом, медью и бронзой. Служат для производства подшипников скольжения при небольших скоростях и при отсутствии ударных нагрузок. Хорошие антифрикционные свойства позволяют их устанавливать в местах, где сложно проводить смазку.
С твердыми смазочными составляющими – в качестве тонкого слоя на поверхность деталей наносятся частицы твердого смазочного вещества, состоящего из хлоридов, оксидов металлов, фторидов, пластмассы. Изделия работают при повышенных скоростях скольжения.
Неметаллические – изготовляют из пластмасс: термопластичных и термореактивных. Используют для подшипников гребных винтов, прокатных станов.
Металлополимерные – состоят из неоднородных компонентов. Их подразделяют на матричные, дисперсные и слоистые. Применяются для производства подшипников скольжения, зубчатых колес и звездочек.
Минералы – используют естественные (агат) и искусственные (корунд). Изготовляют маленькие износостойкие подшипники для тахометров, часов, гироскопов.

Каждый материал находит свое применение для производства деталей согласно его антифрикционным свойствам.

Сплавы с малым коэффициентом трения

Из таких сплавов изготовляют вкладыши подшипников трения, поэтому они обязаны иметь:

Малый коэффициент трения по сравнению с материалом вала, который чаще всего делают из закаленной стали.
Хорошую теплопроводность.
Стойкость к коррозии.
Небольшую твердость.
Свойство, позволяющее удерживать смазку.

Для удовлетворения перечисленных свойств в структуру сплава должны входить металлы с антифрикционными свойствами, обладающие повышенной мягкостью и пластичностью основы. А в нее уже вкрапляются твердые частицы, состоящие из химических соединений. В таком случае вал быстро прирабатывается к подшипнику, на нем от твердых частиц появляются маленькие канавки, которые заполняются смазкой и по которым удаляются продукты износа. За основу берутся олово, свинец, медь, кадмий, висмут, а вкрапления делают из сплавов сурьмы и меди.

Использование бронзовых сплавов в узлах трения

Бронзой называют сплав меди с различными металлами, в состав которых может входить олово, алюминий, кремний, свинец, бериллий и множество других добавок. В зависимости от процентного содержания того или иного входящего в ее состав элемента бронзу называют оловянной, алюминиевой, свинцовой. Бронзы имеют достаточно широкое применение при изготовлении изделий, которые используются при повышенном трении. Самыми лучшими считаются бронзы с антифрикционными свойствами, изготовленные на основе олова.

Особенно хорошо себя заявили олово-фосфористые, из которых изготовляют вкладыши опор, работающие под значительной нагрузкой и на высокой скорости. Единственный недостаток – это их дороговизна, поэтому на смену им приходят алюминиевые и свинцовые бронзы. При работе в агрессивной среде нередко используют для втулок подшипников бронзы из алюминия. Они, кроме устойчивости к трению, обладают хорошей коррозийной стойкостью. Малый коэффициент трения обеспечивает свинец. Из таких материалов изготовляют вкладыши подшипников для работы при повышенном давлении и большой скорости.

Антифрикционные сплавы: состав и свойства

В промышленности для изготовления трущихся деталей механизмов используются различные сплавы, обладающие небольшим коэффициентом трения:

Латунь – это сплав, основными компонентами которого является медь и цинк. В ее состав могут входить составляющие в виде алюминия, олова, свинца, марганца и других элементов. По прочности и маленькому коэффициенту трения она уступает бронзе и находит применение в изготовлении подшипников скольжения, работающих на малых скоростях.
Баббит – сложные сплавы, имеющие разный состав и физические свойства, но состоящие из одной мягкой основы: олова или свинца с твердыми добавками из сплавов щелочных металлов, меди или сурьмы. Благодаря мягкой основе, подшипники хорошо прирабатываются к валу, а твердые добавки увеличивают износостойкость. Высокие антифрикционные качества баббита, но более низкая прочность, чем у бронзы и чугуна дает возможность их использовать только для нанесения тонким слоем на поверхность изделий.

Свойства масел

Для того чтобы гарантировать надежность и эффективность работы трущихся деталей, снижение трения скольжения используют смазочные масла. Все они классифицируются по:

происхождению;
способу получения;
назначению.

Смазочные масла выполняют следующие функции:

снижают трение между соприкасающимися поверхностями деталей;
уменьшают износ и предупреждают задиры;
обеспечивают отвод тепла от трущихся деталей;
защищают от коррозии.

Антифрикционные свойства масел заключаются в их способности уменьшать количество энергии на трение. Вязкость является основным показателем этих свойств и определяется углеродным и фракционным составом. Для улучшения качества масел выпускаются различные антифрикционные присадки, позволяющие повысить мощность, продлить работу агрегата, снизить нагрузки. Они усиливают свойства масел, увеличивая сроки замены смазочного состава. Антифрикционные присадки способствуют созданию защитного слоя при взаимодействии деталей, выравнивают их поверхности и сглаживают трение. Создавая маслянистую прочную пленку, они снижают износ деталей.

Антифрикционные свойства эпоксиполимеров

Эпоксидные полимеры представляют собой вязкие жидкости, которые затвердевают при добавлении в них различных органических веществ. Они имеют высокую механическую прочность, используются для сцепления бетона, металла, стекла и дерева. Благодаря таким свойствам их применяют для производства металлополимерных деталей, производя втулки, ролики, шестерни, подшипники и муфты.

Наполнители придают изделиям из эпоксидных полимеров высокие антифрикционные характеристики. Детали могут работать без смазки, если использовать смачивание водой. Покрытия устойчивы к атмосферным условиям и к химическим средам.

Неметаллические антифрикционные материалы

Для подшипников скольжения нередко используют пластмассы двух видов:

Термореактивные – к ним относится текстолит, который идет на изготовление подшипников прокатных станов, гребных винтов и гидравлических машин. Детали способны выдерживать тяжелые условия, смазываются и охлаждаются водой.
Термопластичные – широкое использование получили полиамиды: фторопласт, капрон, анид. Достоинства – это высокие антифрикционные свойства материалов, стойкость к коррозии и хорошее сопротивление к износу при высоких нагрузках и скоростях скольжения.

Для уменьшения трения между деталями вводят различные наполнители в виде твердых смазочных материалов, которые при эксплуатации на поверхности создают структуру из жидких кристаллов. Стоит заметить, что у фторопласта очень маленький коэффициент трения, но недостатком считается плохой отвод тепла и текучесть под нагрузкой, поэтому его применяют совместно с другими материалами.

Антифрикционные материалы годятся для изготовления вкладышей и подшипников, которые легко заменяются при их износе. Сырье для изделия должно иметь больший коэффициент трения, т. е. при соприкосновении деталей трудно заменимая часть механизма остается без повреждений. Это происходит только в том случае, когда материал ценной детали наделен отличными антифрикционными свойствами перед аналогом.

Антифрикционные сплавы: описание, виды и свойства

Антифрикционные сплавы представляют собой группу материалов, которые обладают небольшим коэффициентом трения или способны понизить его у других композитов. Твердые смазочные источники устойчивы к изнашиванию при длительном использовании. Ими покрывают различные трущиеся поверхности. Для этого используют фторопласт, латунь, бронзу, железографит и баббит. Материалы должны быть пластичными и износостойкими, полностью отвечать нагрузкам при эксплуатации деталей и конструкций.

Некоторые особенности сплавов

Основная роль антифрикционных сплавов состоит в повышении срока службы соприкасающихся поверхностей различных механизмов и машин. Их применяют в основном для изготовления втулок и подшипников или для нанесения их на поверхности трущихся деталей. С одной стороны, сплавы должны обладать пластичностью и хорошо прирабатываться, а с другой – быть твердыми и прочными, для уменьшения износа деталей.

Для выполнения этих условий делают композиты разнородной структуры: основа мягкая и пластичная, а вкрапления в нее более твердые. Благодаря этому, в процессе работы детали мягкая основа стирается, образуя на поверхности рельеф. А это способствует неплохой циркуляции смазочных масел по соприкасающимся поверхностям, что уменьшает коэффициент трения и повышает производительность работы механизма. При использовании антифрикционных сплавов необходимо учитывать и их теплопроводность, чтобы трущиеся части деталей не перегревались.

Основные свойства сплавов

Сплавами с антифрикционным эффектом заливают вкладыши подшипников скольжения. Требования к ним устанавливаются в зависимости от условий, в которых работают детали. Материал, из которого они вырабатываются, обязан располагать следующими свойствами антифрикционных сплавов:

достаточной пластичностью, чтобы иметь способность прирабатываться к вращающейся поверхности и твердостью, необходимой для вкладыша, но не истирающей вал;
рабочая поверхность должна способствовать удержанию смазочного материала;
небольшим коэффициентом трения с материалом, из которого изготовлен вал вращения;
невысокой температурой плавления.

Какие сплавы используют в качестве антифрикционных материалов

Все сплавы такого рода делятся на три группы:

Белые – баббиты. Основой их является олово и свинец, а примеси состоят из меди и сурьмы. Самыми высококачественными считаются оловянные баббиты. Они способны выдерживать значительную частоту вращения вала. Их применяют для изготовления турбинных подшипников крупных двигателей для водных судов, турбокомпрессоров, турбонасосов. Они отличаются хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам и минимальным коэффициентом трения. Баббиты из свинца используют для машин с меньшими нагрузками. Кальциевые, основой которых является свинец с небольшой добавкой кальция, натрия, магния и других элементов, быстро изнашиваются и применяются только при небольшой нагрузке, но и стоимость их значительно меньше, чем оловянных и свинцовых.

Желтые – бронза и латунь. Распространено применение оловянных бронз. Кроме высоких антифрикционных свойств, они обладают отличной твердостью и имеют хорошую антикоррозийную устойчивость. А также используют оловянно-фосфорные и оловянно-свинцовые бронзы для деталей разного вида машин. Подшипники для дизелей, авиамоторов и двигателей трактора делают из бинарных свинцовых бронз, где доля последнего доходит до 30 %. Такие антифрикционные сплавы используют в качестве готовых отливок (втулок) и вкладышей подшипников. Для их изготовления используют стальную ленту, поверхность которой залита свинцовой бронзой. Для совсем мелких подшипников применяют оловянно-свинцово-цинковый металл. Бронзы (марганцовистая, кремнистая, алюминиевая) без содержания олова также находят свое применение. Латуни по смазочным свойствам уступают последним. Их чаще всего используют как антифрикционные сплавы подшипников при работе деталей на малых скоростях и небольших нагрузках.

Черные – антифрикционные чугуны. Они применяются как дешевые материалы в основном двух типов:
- перлито-графитовый: основа его состоит из перлита и имеет твердую структуру, графит – мягкое вещество, способствующее улучшению условий смазки и неплохо впитывающее смазочные масла;
- феррито-графито-фосфидный: структура его состоит из мягкой и пластичной основы с вкраплением твердых фосфидов.
Сплавы для подшипников

Антифрикционные материалы находят широкое применение. При изготовлении подшипников, используемых в нынешних автомобилях и приборах, они востребованы, благодаря их бесшумной работе, стойкости к вибрациям и малым размерам. К группе антифрикционных подшипниковых сплавов принадлежат бронзы, баббиты, латуни, серые чугуны и отдельные сплавы алюминия.

Для выбора материала важно знать режим смазки и условия, при которых работает подшипник. Металлические смазочные материалы определены для режима жидкостного трения – вал и подшипник разделяются тонкой масляной пленкой. Но при пуске и остановке машины отмечается режим граничной смазки. Она может разрушиться и в результате перегрева узла подшипника. Как поведет себя материал в данном случае, будет зависеть от его тяготения к схватыванию.

Припои для пайки

Для совмещения деталей из металла применяют пайку. Для качественной работы необходим соответствующий припой. Он состоит из сплава олова, чаще всего со свинцом, взятым в различных пропорциях в зависимости от назначения. Так, сплав, содержащий 62% свинца и 38% олова, применяют для пайки деталей в электротехнике и электронике. Иногда используют припои и не содержащие свинец. Но большая часть антифрикционных сплавов и припоев обязательно включает в свой состав олово и свинец. Эти сплавы сохраняют механизмы машины, уменьшая трение, а припои позволяют соединять металлические детали.

Алюминиевые сплавы

Антифрикционные сплавы из алюминия содержат никель, олово, медь, сурьму, кремний и обладают:
- неплохими смазочными свойствами;
- значительной теплопроводностью;
- коррозийной стойкостью в масляной среде;
- хорошими механическими и технологическими свойствами.
Их используют в виде тонкого покрытия, которое наносится на стальное основание. Алюминиевые сплавы по химическому составу делятся на две группы, включающие:
1. Сурьму и медь. Эти металлы образуют твердые вкрапления в мягкую алюминиевую основу. Сплавы выдерживают большую нагрузку и высокие скорости при жидкостном трении. Используются в автомобилях и тракторах в качестве вкладышей для подшипников коленчатого вала.
2. Медь и олово. С такими добавками сплавы работают при наличии полужидкого и сухого трения. По антифрикционным свойствам схожи с баббитами. Из них изготовливают подшипники в автомобильной и машиностроительной промышленности.
Разные области применения антифрикционных сплавов

Баббиты – это сплавы, основой которых является олово и свинец. Кроме того, в их состав вводят легирующие добавки для улучшения свойств. Баббиты превосходят все сплавы по антифрикционным свойствам, но имеют низкую сопротивляемость усталости. Поэтому их используют для тонкого слоя покрытия поверхностей опор скольжения. Оловянные баббиты считаются лучшими по своим свойствам, но имеют высокую цену, поэтому их используют в ответственных ситуациях (для подшипников дизельных двигателей, турбокомпрессоров, паровых турбин).

Хорошая теплопроводность сплавов позволяет применять их на высоких скоростях и больших нагрузках, сохраняя надежность подшипниковых узлов. Недостатком является резкая потеря износостойкости при повышении температуры выше 70 градусов Цельсия. Свинцовые баббиты несколько уступают оловянным, но и стоят дешевле. Они находят применение для подшипников тепловозов, оборудования тяжелого машиностроения, путевых машин, автомобильных и тракторных двигателей. Самыми дешевыми из баббитов являются кальциевые. Они легко окисляются, имеют небольшую теплопроводность. Используют их в конструкциях железнодорожного подвижного состава. Имея малую прочность, баббиты хорошо эксплуатируются в подшипниках с прочным стальным или чугунным корпусом.

Цинковые сплавы

В их состав входит алюминий и медь, и добавлен магний, который увеличивает коррозийную стойкость. Цинковые сплавы используют в литом, прокатном и прессованном состоянии. Они отличаются высокими антифрикционными свойствами, хорошей прочностью.

Прекрасно заменяют бронзы в узлах трения при температуре не выше 100 градусов по Цельсию. При более высоких температурных режимах они размягчаются и происходит намазывание на вал. Из антифрикционных цинковых сплавов производят литые биметаллические и монометаллические детали (вкладыши, втулки, ползуны).

В основу состава антифрикционных сплавов входит олово, свинец, медь или алюминий. Они гарантируют минимальное трение в подшипниках скольжения, обеспечивают отличную прирабатываемость соприкасающихся деталей, высокую теплопроводность, небольшой коэффициент трения, возможность сохранять смазку. В практической деятельности чаще всего используются серые чугуны, алюминиевые сплавы, латуни и бронзы, баббиты.

Читайте также: