Антифрикційні матеріали: огляд, властивості, застосування

Процес експлуатації технічних агрегатів, машин і окремих елементних груп обладнання неминуче супроводжується зносом. Взаємне механічний вплив деталей один на одного з різним ступенем інтенсивності призводить до стирання їх поверхонь і руйнування внутрішньої структури. До того ж подібний вплив нерідко надає і навколишнє середовище у вигляді ерозії і кавітації. Як результат, спостерігається втрата працездатності техніки або як мінімум зниження експлуатаційних властивостей. Представлені нижче огляди порошкових фрикційних і антифрикційних матеріалів допоможуть розібратися зі способами, що дозволяють мінімізувати небажане тертя. Такі матеріали рекомендуються до використання і для промислового обладнання та побутової техніки, а також для будівельного інструменту.

Відмінності фрикційних і антифрикційних матеріалів

Розгляд даних матеріалів в одному контексті обумовлено тим, що їх функція пов'язана із загальною характеристикою роботи механізмів – коефіцієнтом тертя. Але якщо антифрикційні елементи і добавки відповідають за зниження цього значення, то фрикційні – навпаки, підвищують його. При цьому, наприклад, порошкові сплави з підвищеним коефіцієнтом тертя забезпечують опір зносу і механічну міцність цільової робочої групи. Для досягнення таких якостей до складу фрикційного сировини вносяться тугоплавкі оксиди, карбіди бору, кремнію та ін На відміну від антифрикційних елементів, фрикційні нерідко являють собою повноцінні функціональні органи в механізмах. Це, зокрема, можуть бути гальма і муфти.


Забезпечуючи завдання підвищення тертя, вони паралельно виконують і конкретні технічні завдання. В той же час і фрикційні, і антифрикційні матеріали перед експлуатацією проходять ретельні лабораторні випробування. Ті ж сплави для гальм проходять натурні та стендові випробування, в ході яких визначається доцільність їх застосування на практиці. Найбільш технологічні фрикційні матеріали з полімерів сьогодні виготовляються різними методами. Так, для механізмів гальмівної групи застосовується техніка пресування – форми виготовляються колодки, пластини та сектори. Стрічкові матеріали виробляють з тканої техніці, а накладки – шляхом вальцювання.

Властивості антифрикційних матеріалів

Деталі з антифрикційної функцією повинні відповідати широкого комплексу вимог, які визначають їх основні робочі якості. В першу чергу матеріал повинен бути сумісним і сполученої з деталлю, і з робочим середовищем. В умовах сумісності до і після припрацювання матеріал забезпечує необхідну ступінь зниження тертя. Тут же треба відзначити прирабативаемость як таку. Це властивість визначає здатність елемента природно коректувати геометрію поверхні під оптимальну форму, яка підходить для конкретного місця експлуатації. Іншими словами, деталі стирається зайва структура з микронеровностями, після чого приробітку забезпечить умови роботи з мінімальними навантаженнями. Зносостійкість – теж важлива властивість, яким володіють дані матеріали. Антифрикційні елементи повинні мати структуру, яка забезпечує опір різним видам зношування. У той же час деталь не повинна бути надмірно твердою, оскільки в цьому випадку збільшиться ризик заїдання, що небажано для антифрикційного матеріалу. Більш того, технологи виділяють таку властивість, як поглинання твердотільних частинок. Справа в тому, що тертя в різній мірі може сприяти виділенню дрібних елементів – нерідко металевих. У свою чергу, антифрикционная поверхня володіє здатністю «вдавлювати» в себе такі частинки, усуваючи їх з робочої області.

Металеві антифрикційні матеріали

Вироби на металевій основі складають найбільш широкий спектр елементів антифрикційної групи. Основна їх частина орієнтується на експлуатацію у режимі рідинного тертя, тобто в умовах, коли підшипники розділяються з валами тонкою масляною прошарком. І все ж при зупинці та пуску агрегату неминуче виникає так званий граничний режим тертя, при якому масляна плівка може руйнуватися під дією високих температур. Металеві деталі, використовувані в підшипникових групах, можна підрозділити на два типу: елементи з м'якою структурою і твердотільними вставками і сплави з жорсткою основою і м'якими вставками. Якщо говорити про першу групу, то в якості антифрикційних матеріалів можна використовувати бабіти, латунні та бронзові сплави. Завдяки м'якій структурі вони швидко підлаштовуються і тривалий час зберігають характеристики масляної плівки. З іншого боку, твердотільні включення обумовлюють підвищену зносостійкість при механічних контактах із суміжними елементами – наприклад, з тим же валом. Під баббитами увазі сплав, основу якої формує свинець та олово. Також заради поліпшення окремих якостей в структуру можуть додаватися легуючі сплави. У числі зрослих властивостей можна відзначити корозійну стійкість, твердість, в'язкість і міцність. Зміна тієї чи іншої характеристики визначається тим, які використовувалися легуючі матеріали. Антифрикційні бабіти можуть модифікуватися кадмієм, нікелем, міддю, сурмою і т. д. Наприклад, стандартний бабіт містить близько 80% олова або свинцю, 10% сурми, а решта припадає на мідь і кобальт.

Свинцеві сплави, як засіб мінімізації тертя

Початковий рівень антифрикційних сплавів представляють свинцеві бабіти. Цінова доступність визначає специфіку експлуатації даного матеріалу – в найменш відповідальних робітників функціях. Свинцева основа в порівнянні з оловом забезпечує баббитам менш високу механічну стійкість і низьку корозійну захист. Правда, і в таких сплавах не обходиться без олова – його вміст може досягати 18%. Крім того, вноситься до складу і мідний компонент, який запобігає процеси ліквації – нерівномірний розподіл різних за масою металів в обсязі вироби. Найпростіші свинцеві матеріали з антифрикційними властивостями характеризуються високим ступенем крихкості, тому їх використовують у умовах з низькими динамічними навантаженнями. Зокрема, підшипники для колійних машин, тепловозів і елементи важкого машинобудування складають цільову нішу, де застосовуються такі матеріали. Антифрикційні сплави з застосуванням кальцію можна назвати модифікацією свинцевих сплавів. У даному випадку зазначаються такі якості, як висока щільність і низька теплопровідність. Основу також представляє свинець, але суттєвих частках його також доповнюють включення натрію, кальцію і сурми. Що стосується слабких місць цього матеріалу, то до них відноситься окислюваність, тому в хімічно активних середовищах його використовувати не рекомендують. Говорячи в цілому про баббитах, можна констатувати, що це далеко не найбільш ефективне рішення для мінімізації тертя, але по сукупності якостей воно виявляється вигідним з точки зору експлуатації. Це матеріали, антифрикційні властивості яких можуть нівелюватися зниженим опором втоми, ухудшающим працездатність елемента. Тим не менш, у ряді випадків недолік міцності заповнюється включенням у конструкцію сталевих або чавунних корпусів.

Особливості бронзових антифрикційних сплавів

Фізико-хімічні властивості бронзи органічно поєднуються з вимогами для антифрикційних сплавів. Даний метал, зокрема, забезпечує достатні показники питомого тиску, можливість експлуатації в умовах ударних навантажень, високу швидкість обертання підшипника і т. д. Але також вибір бронзи для тих чи інших функцій буде залежати від її марки. Той же формат експлуатації вкладишів при ударних навантаженнях прийнятний для марки БрОС30 але не рекомендується для БрАЖ. Є і відмінності в класі бронзових матеріалів за механічними властивостями. Дана група якостей залежатиме від характеру сполучення з загартованими валами і від використання цапфи, яка може мати додаткове зміцнення. І знову не можна говорити про монолітність структури сплаву. Бронзові вироби можуть також включати олово, латунь, свинець. При цьому, якщо всі перераховані метали можуть використовуватися в якості основи бабіта, антифрикційні матеріали на основі міді застосовуються вкрай рідко. В даному випадку мідний компонент частіше виступає як та ж добавка з коефіцієнтом змісту 2-3%. Оптимальними вважаються оловяно-свинцеві комбінації включень. Вони забезпечують достатні показники антифрикційного сплаву як компонента, хоча і програють іншим складам щодо механічної міцності. Об'єднані бронзові матеріали використовують у виготовленні монолітних підшипників для електродвигунів, турбін, компресорних установок та інших агрегатів, що працюють при високому тиску і малої швидкості ковзання.

Порошкові фрикційні матеріали

Такі матеріали використовуються в складах, призначених для передавальних і гальмівних вузлів гусеничної техніки, автомобілів, верстатів, будівельних механізмів і т. д. Готові вироби на основі порошкових компонентів випускаються у формі секторних накладок, дисків і колодок. У той же час вихідні матеріали для антифрикційного типу порошкових сплавів формуються тією ж номенклатурою, що і у випадку з фрикційними компонентами, – найчастіше використовують залізо і мідь, але існують і інші комбінації. Наприклад, матеріали з алюмінієвих і олов'янистих бронз, до складу яких входять графіт і свинець, ефективно себе проявляють в умовах тертя при швидкості ковзання деталей близько 50 м/с. До речі, при роботі підшипників на швидкості 5 м/с металеві порошкові вироби можуть замінюватися металлопластмассовим сировиною. Це вже антифрикційний композиційний матеріал з гнучкої робочої структурою і зниженою міцністю. Найбільш вигідними в плані використання в умовах підвищених навантажень вважаються матеріали з заліза і міді. В якості добавок використовується графіт, кремнієвий оксид або барій. Робота даних елементів можлива при тиску 300 МПа і швидкості ковзання до 60 м/с.

Порошкові антифрикційні матеріали

З порошкового сировини виробляються і антифрикційні вироби. Вони характеризуються високою зносостійкістю, низьким коефіцієнтом тертя і здатністю швидкої припрацювання до валу. Також порошкові антифрикційні матеріали мають цілий ряд переваг у порівнянні зі сплавами, що мінімізують тертя. Досить зазначити, що показники їх зносостійкості в середньому вище, ніж у тих же баббитов. Пориста структура, сформована порошковими металами, дає можливість ефективної просочення мастильними засобами. Виробники мають можливість формувати кінцеві вироби в різних видах. Це можуть бути каркасні або матричні деталі з проміжними порожнинами, заповненими іншим пом'якшеним сировиною. І, навпаки, у деяких сферах більше затребувані порошкові антифрикційні матеріали, що мають мягкотельную каркасну основу. У спеціальних сотах передбачаються тверді включення різного рівня дисперсності. Дана якість має велике значення саме з точки зору можливості регулювання параметрів, що визначають інтенсивність тертя деталей.

Антифрикційні полімерні матеріали

Сучасне полімерна сировина дає можливість отримувати нові техніко-експлуатаційні якості для деталей, що знижують тертя. В якості основи можуть використовуватися і композитні сплави, і металопластикові порошки. Одним з головних відмітних властивостей таких матеріалів є здатність рівномірно розподіляти добавки по всій структурі, які надалі будуть виконувати функцію твердого мастила. У списку таких речовин відзначають графіти, сульфіди, пластики та інші сполуки. Робочі властивості полімерних і антифрикційних матеріалів багато в чому сходяться і на базовому рівні без використання модифікаторів: це і малий коефіцієнт тертя, і стійкість до хімічно активних середовищ, та можливість експлуатації у водному середовищі. Якщо говорити про унікальні якості, то полімери можуть виконувати свої завдання навіть без підкріплення спеціальним мастилом.

Застосування матеріалів для захисту від тертя

Велика частина антифрикційних елементів спочатку розраховується на використання в підшипникових групах. Серед них і деталі, розраховані на підвищення зносостійкості, і компоненти, що поліпшують ковзання. В машино - і верстатобудуванні такі вироби застосовують у виготовленні двигунів, поршнів, вузлів зчеплення, турбін і т. д. Тут же основу матеріалів складають антифрикційні матеріали підшипників ковзання, які впроваджуються в структуру ходової та стаціонарної техніки. Будівельна галузь теж не обходиться без антифрикційної функції. З допомогою таких деталей зміцнюють інженерні споруди, монтажні конструкції та кладочні матеріали. У будівництві залізниць їх використовують при монтажі конструктивних елементів рухомого складу. Поширене і застосування антифрикційних матеріалів на полімерній основі, які знаходять своє місце, наприклад, в якості єднальної структури шківів, зубчастих коліс, пасових передач і т. д.

Висновок

Завдання зниження тертя лише на перший погляд може здаватися вторинної і часто необов'язковою. Вдосконалення мастильних рідин дійсно дозволяє позбавляти деякі механізми від допоміжних технічних елементів, скорочують зноси основної робочої групи. Перехідною ланкою від класичних бабіт до модифікованої високоефективної мастилі можна назвати антифрикційні полімерні матеріали, що відрізняються більш м'якою структурою і універсальністю з точки зору умов роботи. Тим не менш, робота металевих деталей при високому тиску і фізичному впливі, як і раніше, вимагає включення твердотільних антифрикційних вкладишів. Причому цей клас матеріалів не просто не йде в минуле, але і розвивається за рахунок поліпшення характеристик міцності, твердості і механічної стійкості.