Композиционные афм

Композиционный материал – композит-материал, получаемый объединением разнородных веществ в монолитную структуру.

Композиты получают методом прогрессивной малоотходной технологии – порошковой металлургией (способ разработан профессором Петербургского горного института А.Г.Соболевским в 1827 г.). Порошковые АФМ часто называют металлокерамическими из-за внешнего сходства технологий порошковой металлургии и керамического производства. Эти материалы создаются (прессуются под высоким давлением до 7000 кг/см², затем спекаются при температуре 850…1100⁰С) на основе порошков железа, меди, алюминия, бронзы, чугунов, коррозионно-стойких сталей, серебра, молибдена с добавками графита, сульфидов серы, свинца, стекловолокна, пластмасс, выполняющими роль твёрдой смазки. Композиционный состав порошковых подшипников подбирается в зависимости от условий их эксплуатации. Пористость в их структуре регулируется в широких пределах (до 35%). Спрессованный порошок является твёрдой составляющей, а поры – выполняют роль мягкой составляющей структуры. Поры готовых подшипников пропитывают маслом, фторопластом, тефлоном или другим смазочным материалом - получаются самосмазывающиеся подшипники.

Во время работы по мере нагревания смазочное вещество, удерживаемое в порах материала капиллярными силами, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности. При остановке и последующем охлаждении подшипника смазочное вещество частично всасывается обратно в поры. Например, эффект самосмазываемости в пропитанных маслом пористых подшипниках без подвода смазки извне может сохраняться в течение 3000 – 5000 часов. Это снижает опасность выхода из строя узлов трения из-за недостаточной смазки. Кроме самосмазываемости порошковые АФМ имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость, легко прирабатываются, выдерживают значительную нагрузку, повышают срок службы подшипников от 1,5 до 10 раз, позволяют экономить дефицитные цветные металлы.

Железографит марок ЖГр1 (около 1% графита) выдерживает нагрузку до 1500 МПа при рабочей температуре до 200ºС в неагрессивной среде.

Бронзографит БРОГр10-2 (около 88% меди, 10% олова, 2% графита) может работать во влажной и слабоагрессивной среде при нагрузке до 500 МПа и рабочей температуре до 250ºС.

Материал ЖГр3ЦС4 (около 3% графита, 4% сернистого цинка) работает в условиях трения без смазки или с ограниченной смазкой при повышенных скоростях, нагрузках и температурах.

Высоколегированный железографит ЖГр3М15 (примерно 3% графита, 15% молибдена) применяется в режиме самосмазывания на воздухе при температуре до 400ºС. Для работы в условиях вакуума при высокой нагрузке и в коррозионных средах используют железографит с добавками (5 – 10%) стеклопорошка.

Сульфидированные и сульфоборированные АФМ на основе порошков коррозионностойких сталей (14Х17Н2, 10Х23Н18, 08Х18Н19) характеризуется высокой коррозионной стойкостью, прочностью и жаропрочностью, поэтому применяются для подшипников, работающих в воде, агрессивных жидких и газовых средах, в условиях сгорания топлива при повышенных температурах.

Металлопластмассовые АФМ – это высокопористый металлический каркас из железа, бронзы или коррозионностойкой стали, пропитанный фторпластом или др. пластмассой. Сочетая повышенные антифрикционные свойства пластмасс со свойствами металлов, получают материалы, работающие без смазки при температурах от 300ºС до –200ºС, с удельной нагрузкой до 150 МПа в вакууме, в воде, в агрессивных, жидких и газовых средах, бензине, в радиационноопасных зонах. Подшипники скольжения из металлофторопластового материала применяют с большим экономическим эффектом в авиации, машиностроении для легкой, пищевой, фармацевтической промышленности, для животноводства и кормопроизводства, в автомобилестроении, электротехнической промышленности, в погружных двигателях насосов для добычи нефти, в станкостроении, в сельхозмашиностроении (зерноуборочные комбайны). Для подшипников, работающих в условиях высокого вакуума и космоса, используют композиции на основе серебра и меди, например: 70% Ag, 20% тефлона, 10% WS₂ ; 60% Cu, 30% тефлона, 10% WS₂ .

Ограничивают применение порошковых АФМ их недостаточная пластичность и ударная вязкость.

Неметаллические АФМ

К этой группе относятся пластмассы, углеграфиты, композиционные материалы на неметаллической основе, резины, древесина.

Пластмассы – материалы, изготовленные на основе полимеров, продуктов химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Состав их разный: простые пластмассы – это полимеры без добавок, сложные – это смеси полимеров со специальными добавками от 40 до 70% по массе (наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и др.). Пластмассы делятся на две принципиально отличные группы: термопласты и реактопласты.

Свойства термопластов обратимо изменяются при многократном нагреве и охлаждении).

В реактопластах при изменении температуры нарушаются пространственные связи их молекул, и свойства не сохраняются.

В качестве АФМ применяются пластмассы обеих групп благодаря следующим достоинствам:

- достаточная износостойкость;

- невысокий коэффициент трения в определенном диапазоне скоростей и нагрузок;

- хорошая прирабатываемость;

- коррозионная стойкость к наиболее распространенным агрессивным средам;

- способность некоторых пластмасс к самосмазыванию при низких температурах (до – 200ºС), когда масла и пластичные смазочные материалы не применяются;

- малая плотность (в пять – восемь раз меньше плотности стали, меди, свинца);

- бесшумность в работе;

- немагнитность.

Использование пластмасс экономит цветные металлы и сплавы и снижает эксплуатационные расходы. В зависимости от условий эксплуатации пластмассы могут работать при смазывании минеральными маслами, эмульсиями, водой, пластичными смазочными материалами, а некоторые из них – без смазывания.

Ограничивают применение пластмасс отрицательные их качества: низкая теплопроводность; значительное тепловое расширение; невысокая теплостойкость; старение (деструкция); ползучесть даже при нормальной температуре.

Термопласты как АФМ имеют преимущества перед реактопластами, т.к. последние при нагреве до 250ºС и выше разлагаются и обугливаются, повреждая узел трения.

Из термопластов для подшипников скольжения используют винипласт, полиамиды (капрон, нейлон), фторпласт-4 и др.

Винипласт и полиэтилен применяются в малонагруженных неответственных узлах, т.к. неработоспособны при ударных нагрузках и имеют очень низкие теплопроводность и теплостойкость.

Полиамиды в виде монолитных подшипников применяют тоже в малонагруженных узлах (ленточные транспортёры для пищевых продуктов, подвижные конвейеры и др.). Помещая полиамидную втулку внутри тонкостенной стальной, получают подшипник с достаточной прочностью и хорошей охлаждаемостью. Их устанавливают в шпинделях токарных, фрезерных, шлифовальных станков, в с.-х. машинах, в опорах гребных валов на малых судах, в подшипниках, смазываемых бензином, керосином и другими перекачиваемыми жидкостями.

Фторопласт–4 имеет очень высокие антифрикционные свойства, необычайно химически стоек в интервале температур от –200º до +260ºС (даже «царская водка» не растворяет) но ввиду высокой стоимости и трудоемкой технологии получения и переработки в монолитном виде применяется только в химической промышленности и для тяжелой землеройной техники горнодобывающей промышленности Сибири и Крайнего Севера. Чаще его используют для пропитки пористых подшипников и как компонент антифрикционных композиций, например Ф4Г2М7 (21% графита, 7% дисульфида молибдена, Ф–4 - остальное), Ф4К20 (20% кокса), Ф4Г20М5С10 (20% графита, 5% дисульфида молибдена, 10% рубленого стекловолокна) и др.

Из реактопластов используют разные текстолиты, волокнит, гетинакс, древеснослоистые пластики и др. Они хорошо гасят вибрации, стойки к ударным нагрузкам, коррозионностойки, недорогие, а главное - имеют высокую прочность на сжатие. Поэтому применяются при тяжелых условиях работы узлов трения: для прокатных станов, дробилок, подъемных кранов, железнодорожных подвижных составов. Для узлов сухого трения, работающих в условиях радиационного облучения при температуре от –200º до +300ºС, подобраны многокомпонентные системы из специально синтезированных и известных полимеров. Это АМАН, ЭСТЕРАН, ТЕСАН, ВИЛАН. Они при малой частоте вращения выдерживают нагрузку до 200 кгс/мм², а при малой нагрузке могут работать с частотой вращения до 16000 об/мин.

Композиции на основе эпоксидных смол с добавками графита, алюминиевой пудры, стеклоткани, чугунной стружки, свинцового порошка, дисульфида молибдена или вольфрама применяют для подшипников мощных компрессоров, циркуляционных насосов, работающих без смазки. Долговечность этих подшипников в пять-восемь раз выше, чем бронзовых (выдерживают до миллиона рабочих циклов).