8. Подшипниковые стали

1. Баббиты

Подшипниковыми сплавами называются сплавы, из которых изготавливают вкладыши подшипников.

Для этой цели применяют чугун, бронзу и легкоплавкие сплавы на основе свинца, олова, цинка или алюминия, так называемые баббиты.

Несмотря на все большее применение в машинах подшипников качения (шариковых или роликовых подшипников), подшипники скольжения также применяют достаточно широко.

Металл вкладыша должен обладать следующими свойствами:

1) коэффициент трения со стальной поверхностью - должен быть небольшим;

2) обе трущиеся поверхности должны мало изнашиваться;

3) этот материал должен выдерживать достаточные удельные давления.

Первое и второе требования удовлетворяются тогда, когда поверхность вала и вкладыша разделена пленкой смазки. Если структура вкладыша неоднородна и состоит из твердых включений и мягкой основы, то после непродолжительной работы («приработки») на поверхности вкладыша образуется микрорельеф — выступают твердые включения и между валом и вкладышем образуется пространство, в котором удерживается смазка (так называемый «принцип Шарпи»).

Подобной структурой обладают сплавы олова и сплавы синица. Однако эти сплавы из-за своей низкой прочности не могут выдерживать больших давлений, а вследствие низкой температуры плавления — сравнительно небольшого нагрева.

В современном машиностроении для вкладышей подшипников применяют чугуны, бронзы и баббиты.

Чугунные вкладыши изготавливают из серого перлитного чугуна (марки АЧЦ-1 и АЧЦ-2); это самый дешевый материал для вкладышей; он может выдерживать значительные удельные давления, но из-за более высокого коэффициента трения (у пары сталь — чугун по сравнению с парой бронза — сталь или баббит—сталь) чугунные вкладыши не следует применять в быстроходных двигателях.

Бронзовые вкладыши изготавливают из оловянистой и свинцовистой бронз. Благодаря неоднородной структуре бронзы смазка хорошо удерживается на поверхности вкладыша. Бронзы обладают высокой прочностью. Сказанное позволяет применять бронзовые вкладыши для ответственных подшипников, работающих в тяжелых условиях (большие удельные давления, большие числа обороте).

При применении очень мягких легкоплавких подшипниковых сплавов обеспечивается меньший износ шейки вала. Баббиты, кроме того, имеют и минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку. Поэтому наряду с чугунными и бронзовыми вкладышами в машиностроении для вкладышей подшипников широко применяют легкоплавкие сплавы на основе олова, свинца, а также цинка и алюминия.

Составы баббитов, приведенные в Приложении 1 можно разделить на три группы. К первой относятся оловянно-сурьмяные (Б83 и Б89), ко второй — свинцово-оловянно-сурьмяные (Б6, БТ, БН, Б16), к третьей — свинцовые баббиты, не содержащие олова. Баббиты второй группы Б6, БН, БТ, кроме олова, сурьмы и меди, содержат еще добавки других компонентов. Назначение этих присадок различное — мышьяк увеличивает жидкотекучесть (облегчается заливка вкладыша), никель повышает твердость, что уменьшает износ, аналогично влияет и кадмий. Роль теллура и мышьяка — образовывать мелкие твердые включения, повышающие износоустойчивость баббита.

Оловянно-сурьмяные баббиты (Б83 и Б89) являются наилучшими. Оловянная основа вязкая и пластичная и менее склонна к усталостному разрушению. На втором месте стоит оловянно-свинцово-сурьмяный баббит (Б16), в котором мягкая основа — свинец. Оловянно-свинцово-сурьмяные баббиты значительно дешевле оловянно-свинцовых, а по качеству уступают им ненамного. Хуже свинцово-сурьмяный баббит (БС), основой которого является недостаточно пластичная эвтектика.

Баббит БК, применяемый в железнодорожном транспорте, как и баббит БС, является относительно дешевым сплавом, его структура: основа — свинец, твердые включения — химические соединения свинца с кальцием и натрием.

Дефицитность олова, а также свинца заставляет изыскивать и применять сплавы на другой, менее дефицитной основе (цинка, алюминия).

В качестве цинковых подшипниковых применяют сплавы марки ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10. Их состав приведен в табл. 2.6 (там же указаны структура и некоторые свойства).

Таблица 2.6.

Состав и некоторые свойства цинковых баббитов

Марка баббита	Содержание элемента, %		Свойства
	Al	Cu	Плотность, г/см3	tпл,°С	δ, %	Коэффициент трения	α·106
ЦАМ-10-5	10	5	6,3	395	0,5	0,009	27
ЦАМ-5-10	5	10	7,1	500	1	—	28

Цинковые сплавы ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициенту трения и коэффициенту линейного расширения и примерно равноценны свинцовистым баббитам.

Имеется также серия алюминиевых сплавов, применяемых как подшипниковые. Это двухфазные высоколегированные сплавы, в которых твердый раствор на базе алюминия является мягкой основой, а химические соединения — твердыми включениями. Состав и некоторые свойства алюминиевых подшипниковых сплавов приведены Приложении 2.

Алюминиевые подшипниковые сплавы обладают высокими свойствами (низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью). Но по технологичности они уступают обычным баббитам. Их более высокая твердость является скорее недостатком, чем преимуществом сплава, так как требует обработки цапф и вкладыша повышенной чистоты, а шейка вала должна быть твердой. Несоблюдение этих условий вызовет ускоренный износ. Высокий коэффициент линейного расширения алюминиевых баббитов требует более тщательной сборки с большими зазорами.

Алюминиевые баббиты применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов, а также свинцовистой бронзы.

Кроме алюминиевых сплавов, указанных в Приложении 2, начинают применять такого же назначения алюминиево-оловянные сплавы, содержащие 6—7% Sn и разные добавки в количестве 1—2% (никеля, меди, кремния).