25.4. Антифрикционные сплавы, припои, легкоплавкие сплавы

Антифрикционные сплавы

В машиностроении применяют как подшипники качения, так и подшипники скольжения. Подшипники скольжения применя­ют в виде вкладышей. Для их изготовления используют анти­фрикционные сплавы.

Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, - низкие значения коэффициента трения со стальной поверхностью вала и высокая износостойкость подшипников. Для их удовлетворения необходимо, чтобы поверхности вала и вкла­дыша были разделены пленкой смазки. Высокие антифрикцион­ные свойства обеспечиваются гетерогенной структурой сплава, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц. Мягкая основа прирабатывается к валу и вместе с твер­дыми включениями образует оптимальный антифрикционный микрорельеф с пространством для удерживания смазочных мате­риалов (так называемый принцип Шарпи).

Для повышения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления.

Антифрикционные материалы должны иметь высокую тепло­проводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхно­стей. Для изготовления подшипников скольжения заливкой тру­щихся поверхностей заливаемые сплавы должны иметь низкую температуру плавления (но не настолько низкую, чтобы подшип­ники оплавлялись в процессе работы). Для подшипников сколь­жения используют чугунные вкладыши, бронзовые вкладыши и баббиты.

Чугунные вкладыши для подшипников являются наиболее дешевым антифрикционным материалом. Для этой цели исполь­зуют высококачественные чугуны, имеющие перлитную основу и повышенное количество графита. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, тем самым дополни­тельно снижая коэффициент трения. Присутствие феррита в структуре недопустимо, так как при этом увеличивается износ подшипников. Чугунные вкладыши применяют для неответст­венных подшипников в тихоходных двигателях из-за сравнитель­но высокого коэффициента трения пары сталь - чугун (по сравне­нию с парами бронза - сталь или баббит - сталь).

Бронзовые вкладыши применяют для подшипников более от­ветственного назначения, используемых в быстроходных двига­телях, при высоких удельных давлениях и значительных дина­мических нагрузках.

Для изготовления бронзовых вкладышей применяют оловян­ные и свинцовые бронзы, например марок БрОС8-12 (8 % Sn, 12 % Pb), БрОС5-25 (5 % Sn, 25 % РЪ), БрСЗО (30 % Pb). В оло­вянных бронзах твердый раствор применяется в качестве мягкой основы (на шлифе он имеет вид темных овальных дендритов), а (а + Р)-эвтектоид (светлые участки) - твердых включений.

В чисто свинцовой бронзе БрСЗО (70 % Си, 30 % РЬ) получают мягкую медную основу с еще более мягкими включениями свин­ца, так как свинец совершенно не растворим в меди. Такие анти­фрикционные сплавы характеризуются высокими значениями предела выносливости, пластичности и теплопроводности.

Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравни­тельно невысокая механическая прочность. Поэтому их иногда наплавляют на стальную ленту. Наплавку производят в защитной атмосфере. Специальные подшипниковые сплавы - баббиты име­ют минимальный коэффициент трения со сталью, хорошо прира­батываются к валу и легко удерживают смазку: благодаря вязкой основе они легко поглощают посторонние твердые частицы, не образуя задиров вала.

Обычно применяют баббиты на оловянной либо на свинцовой основе(табл.25.4).

Марка		Содержание, %				Условия работы
баббита	Sn	Sb	Си	РЬ	Прочие	и назначение
Б88	Ост.	7,3-7,8	2,5-3,5			Большие скорости и вы­сокие динамические на­грузки. Подшипники для быстроходных и средне­оборотных дизелей
Б83	Ост.	10-12	5,5-6,5			Большие скорости и сред­ние нагрузки. Подшип­ники турбин малооборот­ных дизелей, гребных ва­лов
Б83С	Ост.	9-11	5-6	1,0-1,5		Большие скорости и сред­ние нагрузки. Подшип­ники турбин малооборот­ных двигателей, гребных валов
БН	9-11	13-15	1,5-2,0	Ост.	0,1-0,7 Cd 0,1-0,5 Ni 0,5-0,9 As	Средние скорости и сред­ние нагрузки. Подшип­ники компрессоров
Б16	15-17	15-17	1,5-2,0	Ост.		Моторно-осевые подшип­ники электровозов, путе­вых машин, детали паро­возов.
БС6	5,5-6,5	5,5-6,5	0,1-0,3	Ост.		Подшипники автотрак­торных двигателей

Наилучшими антифрикционными и механическими свойст­вами обладают оловянные баббиты.

Для более легких условий работы применяют баббиты, у кото­рых значительная часть олова заменена свинцом. Например, баббит Б16 имеет меньшую пластичность и как более хрупкий материал не может использоваться для высоконагруженных машин.

На рис. 25.8, а приведена микроструктура баббита Б83. В мяг­кой основе a-твердого раствора Sb и Си в олове темно-серого цвета распределены более твердые светлые крупные квадратные кри­сталлы (3-фазы SnSb и дисперсные включения соединения Cu₃Sn.

Антифрикционные и механические свойства баббитов можно повысить за счет введения добавок никеля, кадмия и мышьяка.

Для подшипников подвижного состава железнодорожного тран­спорта (подшипники вагонов, коленчатых валов дизельных дви­гателей) широко применяют кальциевые баббиты типа БК. Сплав БКА на основе свинца содержит 0,95-1,15 % Са, 0,7-0,9 % Na. Мягкой составляющей такого баббита является а-твердый раствор

Са и Na в свинце, а твердой - кристаллы РЬ₃Са. Дополнительно вводимые в сплав небольшие добавки AI, Mg и Sn способствуют упрочнению твердого раствора.

Микроструктура кальциевых баббитов состоит из темной ос­новы ос-твердого раствора и светлых твердых включений кристал­лов РЬ₃Са (рис. 25.8, б).

Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баб­бит - сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочный стальной, чугунный или бронзо­вый корпус.

Припои

Сплавы, применяемые для пайки металлов, называют при­поями. Припои должны обладать сравнительно невысокой темпе­ратурой плавления и в расплавленном состоянии хорошо смачи­вать паяемый материал.

Припои бывают двух видов: мягкие и твердые. Мягкие оловян­ные припои имеют низкую температуру плавления (200-300 °С) и обеспечивают лишь герметичность спая без высоких механических свойств (а_в = 50-70 МПа). Из-за низкой прочности соединения пая­ная деталь не должна подвергаться высоким механическим нагруз­кам. В качестве мягких припоев чаще всего применяют сплавы свинца и олова, обозначаемые ПОС-бО, ПОС-40, ПОС-ЗО, где цифры указывают на содержание олова в процентах.

ПОС-бО, в производстве обычно называемый третником, из мягких припоев является наиболее легкоплавким. Его температу­ра плавления составляет около 185 °С.

Кроме оловянно-свинцовых мягких припоев, применяют оло­вянно-цинковые, содержащие 40, 60, 90 % Sn (марки ПОЦ-40, ПОЦ-бО, Г10Ц-90). Они имеют более высокую прочность по срав­нению с оловянно-свинцовыми припоями.

Твердые припои имеют высокую температуру плавления, их применение для пайки сложнее, но спай имеет значительно более высокие механические свойства. При пайке медных сплавов свойст­ва припоев близки к свойствам основного металла. В качестве твер­дых припоев используют латуни Cu- Zn или сплавы Cu-Zn-Ag - так называемые серебряные припои с температурой плавления около 800 °С. Серебряные припои маркируют буквами ПСр и цифрой, показывающей среднее содержание серебра в процентах, напри­мер ПСр-25, ПСр-50.

Легкоплавкие сплавы

К легкоплавким относят сплавы с температурой плавления ниже температуры плавления их основной составляющей - олова (232 “С). В их состав входят металлы с низкой температурой плав­ления: Pb, Cd, Bi, Zn, образующие с оловом многокомпонентные эвтектики.

Маркируются легкоплавкие сплавы буквой Л и цифрой, пока­зывающей температуру плавления сплава в градусах Цельсия: Л199 (Sn - 8,9 % Zn), Л130 (52 % Sn, 30 % Pb, 13 % Cd, 5 % Bi). Широко известен сплав Вуда на основе висмута Л68 (12,5 % Sn, 25,0 % Pb, 12,5 % Cd, 50,0 % Bi), названный по имени его изо­бретателя американского химика и археолога Б. Вуда.

Легкоплавкие сплавы используют в качестве предохраните­лей, особо легкоплавких припоев, моделей для пластмассовых отливок сложной формы. Сплав Вуда используют в качестве мате­риала для изготовления слепков.