АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СУДОВОМ МАШИНОСТРОЕНИИЦЕЛЬ РАБОТЫ Получить навык металлографического анализа антифрикционных сплавов. Изучить микроструктуру и знать применение антифрикционных сплавов.ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов антифрикционных сплавов, фотографии микроструктур.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения. 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. 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 (сталь, чугун), металлокерамические (бронзографит, железографит), пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древеснослоистые пластики и др.), а также сложные композиции типа “металл–пластмасса”. В табл. 1 приведена номенклатура антифрикционных материалов, применяемых в судостроении. 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. 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.Баббиты Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320 МПа), 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 ГОСТом1320-74(табл. 2). Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83 %Sn, 11 %Sb и 6 %Сu. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграммы состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов -фазы (твердые включения) и темных -кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в -фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu3Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких -кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз: , (SnSb) и (Cu3Sn.) (рис. 1). 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.Рис. 1. Микроструктура баббита Б83(Справа – схематическое изображение микроструктуры) Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности. 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.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. Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы. Их микроструктура подробно рассмотрена в руководстве к выполнению лабораторной работы "Микроструктура медных сплавов". 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 (Сu) 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. 2 изображена микроструктура БрС30.Рис. 2. Микроструктура бронзы БрС30(Справа – схематическое изображение микроструктуры)Антифрикционные сплавы на основе железаСтали 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 3 приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы. Антифрикционные чугуны 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. В таблице 4 приведена структура и назначение антифрикционного чугуна. 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.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).СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Схемы микроструктур заданных образцов с указанием структурных составляющих и фазового состава. 4. Химический состав заданных сплавов и их применение. 5. Выводы.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое антифрикционный материал? 2. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам? 3. Какие материалы используются для вкладышей тонкостенных подшипников? 4. Что такое баббит? 5. Каким образом структурные составляющие обеспечивают антифрикционные свойства баббита? 6. Каким образом устраняется ликвация по плотности в баббите? 7. Каково назначение баббита Б88? 8. По каким важным антифрикционным свойствам свинцовые баббиты уступают оловянным? 9. По каким важным антифрикционным свойствам антифрикционные чугуны уступают баббитам? 10. Какими достоинствами и недостатками обладают бронзовые вкладыши?Таблица 1Номенклатура антифрикционных материалов, применяемых в судостроении Индекс группы Наименование Марка А Баббит: Оловянный СвинцовыйСвинцово - никелевый Б88, Б83, Б83СБ16БН Б Бронза:Оловянно-фосфористаяОловянно-цинковаяОловянно-цинково-свинцово-никелеваяОловянно-никелевая-цинковаяАлюминиево-марганцовистаяАлюминиево-железистаяСвинцовая БрОФ10-1, БрОФ6,5-0,15, БрОФ7-0,2БрОЦ10-2, БрОЦ8-4БрОЦСН3-7-5-1БрОНЦ8,5-4-2БрАМц9-2, БрАМц10-2БрАЖ9-4БрС30 В Латунь:МарганцовистаяМарганцовисто-железистаяКремнистаяСвинцовая ЛМц58-2ЛМцЖ55-3-1ЛК80-3ЛС59-1 Г Неметаллические материалы:РезинаДревесно-слоистый пластикДревесно-текстолитовый пластикТекстолитБакаутФторопластПолиамид литьевойПолиамид, наполненный графитомПолиамид стеклонаполненныйСмола капроноваяКапролонУглеграфитовый материал, пропитанный баббитом 8130, 8075, 1626ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-ВД5ТСППТК-СФ4, Ф40610П68Г-5, П68Г-10КПС-30, П-6ВСУБВЭГ-О-Б83 Д Композитный материал:МеталлополимерныйСамосмазывающийся САММ-3, САММ-4 Таблица 2Химический состав баббитов ГОСТ 1320-74 Марка Олово Сурьма Медь Кадмий Никель Свинец Б88Б83Б16БН ОстальноеОстальное15,0 – 17,09,0 – 11,0 7,3 – 7,810,0 – 12,015,0 – 17,05,5 – 6,5 2,5 – 3,55,5 – 6,51,5 – 2,01,5 – 2,0 0,8 – 1,2––0,1 – 0,7 0,15 – 0,25––0,1 – 0,7 ––ОстальноеОстальное Таблица 3Состав (в %) антифрикционных сталей Сталь Cu Al C Si Mn S P МедистаяГрафитизированная 32– 2,5– 0,11,6 –1,0 –0,3 –0,03 –0,03 Таблица 4Структура и назначение антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85 Марка чугуна НВ,МПа Микроструктура Терм. обрабо-тка, назначение Графит Металл. основа АЧС-1АЧС-2АЧС-3АЧС-4АЧС-5АЧС-6АЧВ-1АЧВ-2АЧК-1АЧК-2 180 – 241180 – 229160 – 190180 – 229180 – 290100 – 120200 – 260167 – 197187 – 229167 – 197 Пластинчатыйто жето жето жеПластинчатыйто жеШаровидныйШаровидныйХлопьевидныйХлопьевидный ПерлитнаяПерлитнаяП + ФПАустенитнаяПерлитная, пористаяПерлитнаяП + ФПФ + П Закалка, нормализация.Без обработки.Закалка, нормализация.Закалка, норма-лизация, особо нагруженные узлы трения.Без обработки, при темпера-туре до 300 ˚С.Закалка, норма-лизация, повы-шенные окруж-ные скорости.Без обработки, повышенные окружные ско-рости.Закалка, норма-лизация.Без обработки Таблица 5Состав (в %) алюминиевых антифрикционных сплавов Группа Сплав Ni Mg Sb Cu Si Sn Ti III АН-2,5АСМАО9-1АО3-1АО9-2АО20-1 2,7 – 3,3––0,41,0– –0,3 – 0,7–––– 3,53,5 – 6,5–––– ––1,01,02,251,0 –––1,850,5– ––9,03,09,020,0 0,02 – 0,1 Таблица 6Состав (в %) свинцовых баббитов, используемыхдля тонкослойных подшипников Баббит Pb Sn Sb As Ca БС2БК2 с добавкой переплава –– 22 9,50,2 0,70,7Mg –0,2