2.3 Антифрикційні матеріали

Антифрикційні матеріали призначені для виготовлення вальниць (опор) ковзання, що широко використовують в сучасних машинах та приладах через їх стійкість до вібрацій, безшумність роботи, невеликі габарити.

Основними службовими властивостями вальницевого матеріалу є антифрикційність та опір втомі. Антифрикційність – це здатність матеріалу забезпечувати низький коефіцієнт тертя ковзання і тим самим низькі втрати на тертя та малу швидкість зношування спряженої деталі – стального (або чавунного) валу.

Антифрикційність забезпечують такі властивості вальницевого матеріалу: 1) висока теплопровідність; 2) добре змочування змащувальним матеріалом; 3) здатність утворювати на поверхні захисні плівки м’якого металу; 4) добре припрацювання, засноване на здатності матеріалу при терті легко пластично деформуватися та збільшувати площу фактичного контакту, що призводе до зниження місцевого тиску та температури на поверхні вальниці.

Крім цього, вальницеві сплави повинні бути некоштовними, мати високу корозійну стійкість в середовищі мастил та добрі технологічні властивості: невисоку температуру плавлення для зручності заливання, добру адгезію (зчеплення) зі сталевою основою. Вальницеві матеріали повинні володіти високою границею витривалості для запобігання викришування через появу тріщин втоми. Для того щоб вальниця надійно працювала в умовах ударних навантажень, матеріал повинен володіти достатньо високою ударною в’язкістю. Разом із опором втомі, антифрикційність є основною службовою характеристикою вальницевих матеріалів.

Критеріями для оцінки вальницевого матеріалу є коефіцієнт тертя та гранично допустимі навантажувально-швидкісні характеристики: тиск р, який діє на опору; швидкість ковзання v; параметр р·v, який визначає питому потужність тертя. Допустиме значення параметру р·v тим більше, чим вище здатність матеріалу знижувати температуру нагрівання, контактну навантаженість та зберігати граничне мастило. Ці властивості залежать від опору схопленню (адгезії), який найбільш високий у сплавів, до структури яких надходить м’яка складова. Серед металевих матеріалів для вальниць використовують сплави з м’якою матрицею та твердими включеннями, а також сплави з твердою матрицею та м’якими включеннями.

До сплавів першого типу відносяться бабіти та сплави на основі міді – бронзи та латуні. М’яка матриця в них забезпечує не тільки захисну реакцію вальницевого матеріалу на збільшення тертя та добре припрацювання, але й особливий мікрорельєф поверхні, що покращує постачання змащувального матеріалу до ділянок тертя та тепловідведення з них. Тверді включення, на які опирається вал, забезпечують високу зносостійкість.

Бабіти – м’які (НВ 30) антифрикційні сплави на основі олова та свинцю. До сплавів на основі олова відносять бабіти Б83 і Б88, на основі свинцю Б16, БС6, БН. Особливу групу утворюють кальцієві бабіти – БКА та БК2. За антифрикційними властивостями бабіти переважають решту сплавів, але значно поступаються їм за опором втомі. В зв’язку із цим бабіти використовують тільки для тонкого (менш 1мм) покриття робочої поверхні опори ковзання. Найкращими властивостями володіють олов’яні бабіти. Через високий вміст коштовного олова їх використовують для вальниць відповідального призначення (дизелів, парових турбін тощо), що працюють при високих швидкостях та навантаженнях (табл. 2.1). Структура цих сплавів (рис. 2.9) складається з α-твердого розчину сурми в олові (м’яка фаза, темний фон) та твердих включень  (SnSb) та Cu₃Sn.

Рисунок 2.9 – Мікроструктура бабіта Б83, ×100 [3,5]

До кращих антифрикційних матеріалів відносять бронзи. Особливе місце серед них займають сплави, леговані Sn, Zn, Pb: БрО10Ц2, БрО10Ф1, БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3. Їх використовують для монолітних вальниць ковзання турбін, електродвигунів, компресорів, які працюють при значному тиску та середніх швидкостях ковзання (табл. 2.1). В останній час бронзи широко використовують як компоненти порошкових антифрикційних матеріалів або тонкостінних пористих покриттів, які просочені твердими змащувальними матеріалами.

Латуні використовують як замінники бронз при виготовленні опор тертя. Але за антифрикційними властивостями вони поступаються бронзам. Двофазні латуні ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц3А, ЛЦ40Мц3А та ін. (табл. 2.1) використовують при малих швидкостях ковзання (менш 2 м/с) та малих навантаженнях. Їх також використовують для опор тертя приладів.

До сплавів другого типу відносять свинцеву бронзу БрС30 з 30 % Pb та алюмінієві сплави з оловом, наприклад, сплав АО9-2 (9 % Sn і 2 % Сu). Функцію м’якої складової у цих сплавах виконують включення свинцю або олова. При граничному терті на поверхню валу переноситься тонка плівка цих м’яких легкотопких металів, яка захищає стальний вал від пошкодження.

Таблиця 2.1 – Характеристики антифрикційних матеріалів [5]

Матеріал	НВ, МПа	Коефіцієнт тертя по сталі		Припустимий режим роботи
		без змащення	із змащенням	р10-5, Па	v, м/с	рv10-5, Па м/с
Бабіти: Б83 Б16 БК2	300 300 320	0,07–0,12	0,004–0,006	150 100 150	50 30 15	7500 3000 2250
Бронзи: БрО10Ф1 БрО5Ц5С5 БрС30	1000 600 250	0,1–0,2	0,004–0,009	150 80 250	10 3 12	1500 240 3000
Латуні: ЛЦ16К4 ЛЦ38Мц2С2	1000 800	0,15–0,24	0,009–0,016	120 106	2 1	240 106
Алюмінієвий сплав А09-2	310	0,1–0,15	0,008	250	20	5000
Антифрикційні сірі чавуни: АЧС-1 АЧС-3	2200 1600	0,12–0,23	0,008 0,016	25 60	5 0,75	1025 45
Пластмаси: капрон текстоліт	100 350	0,15–0,21 0,15–0,25	 	120 150	5 8	600 1200
Комбіновані матеріали: залізо-графіт бронза-графіт	800 560	0,08–0,12 0,04–0,1	 	80 60	1 1	80 60

Через високу теплопровідність граничний шар змащувального матеріалу на цих сплавах зберігається при високих швидкостях ковзання та високому тиску (табл. 2.1). Алюмінієвий сплав АО9-2 використовують для виливання монометалевих вальниць, а бронзу БрС30 – для наплавлення на сталеву стрічку.

До сплавів другого типу відносять також чавуни, роль м’якої складової в яких виконують включення графіту. Для роботи при значних тисках та низьких швидкостях ковзання використовують сірі чавуни СЧ15, СЧ20 та леговані антифрикційні чавуни: сірі АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3; високоміцні АЧВ-1, АЧВ-2; ковкі АЧК-1, АЧК-2. З метою зменшення зносу спряженої деталі марку чавуну обирають так, щоб його твердість була нижче твердості стальної цапфи. Перевага чавунів – низька вартість, недоліки – чутливість до недостатньої кількості мастильного матеріалу та знижена стійкість проти ударного навантаження.

В останній час найбільше розповсюдження отримали багатошарові вальниці, до складу яких входить велика кількість розглянутих вище сплавів. Сплави або чисті метали в них укладені шарами, кожний з яких має певне значення. Як приклад розглянемо будову чотиришарової вальниці (рис. 2.10), яка використовується в сучасному автомобільному двигуні.

1 – сплав свинцю та олова; 2 – нікель; 3 – свинцева бронза; 4 – сталь

Рисунок 2.10 – Схема будови чотирьохшарової металевої вальниці ковзання [5]

Вона складається зі сталевої основи, на якій знаходиться шар (250 мкм) свинцевистої бронзи (БрС30). Цей шар покритий тонким шаром (~10 мкм) нікелю та латуні. На нього нанесений шар сплаву Pb-Sn товщиною 25 мкм. Стальна основа забезпечує міцність та жорсткість вальниці; верхній м’який шар покращує припрацювання. Після його зношування робочим шаром стає свинцевиста бронза. Шар бронзи, що має невисоку твердість, також забезпечує добре прилягання шийки валу, високу теплопровідність та опір втомі. Шар нікелю слугує бар’єром, що не припускає дифузію олова з верхнього шару до свинцевої бронзи.

Неметалеві матеріали. Для виготовлення вальниць ковзання прокатних станів, гідравлічних машин тощо використовують пластмаси – термореактивні (текстоліт) та термопластичні (полімери: поліаміди ПС10, анід, капрон та фторопласт Ф4, Ф40), табл. 2.1.

Комбіновані матеріали. Такі матеріали складаються з декількох металів та неметалів, що мають сприятливі для роботи вальниці властивості (табл. 2.1). Можуть використовуватися в вузлах тертя без змащування. Є вальниці двох типів:

- самозмащувальні вальниці (працюють при швидкостях ковзання до 3 м/с), отримані методом порошкової металургії з матеріалів різних комбінацій: залізо – графіт, залізо – мідь (2…3 %) – графіт або бронза – графіт. Графіт додають у кількості 1…4 %;

- металофторопластові вальниці виготовляють з металофторопластової стрічки (МФПл), що складається з чотирьох шарів.

Мінерали. Природні (агат), штучні (рубін, корунд) мінерали та склокристалічні матеріали (ситали) використовують для мініатюрних вальниць ковзання – кам’яних опор в прецизійних приладах (годинниках, тахометрах тощо). Такі опори мають низький та сталий коефіцієнт тертя [5, 7].