Антифрикционные материалы: обзор, свойства, применение

Процесс эксплуатации технических агрегатов, машин и отдельных элементных групп оборудования неизбежно сопровождается износом. Взаимное механическое воздействие деталей друг на друга с разной степенью интенсивности приводит к истиранию их поверхностей и разрушению внутренней структуры. К тому же подобное влияние нередко оказывает и окружающая среда в виде эрозии и кавитации. Как результат, наблюдается потеря работоспособности техники или как минимум снижение эксплуатационных свойств. Представленные ниже обзоры порошковых фрикционных и антифрикционных материалов помогут разобраться со способами, позволяющими минимизировать нежелательное трение. Такие материалы рекомендуются к использованию и для промышленного оборудования, и бытовой техники, а также для строительного инструмента.

Отличия фрикционных и антифрикционных материалов

Рассмотрение данных материалов в одном контексте обусловлено тем, что их функция связана с общей характеристикой работы механизмов – коэффициентом трения. Но если антифрикционные элементы и добавки отвечают за понижение данного значения, то фрикционные – напротив, повышают его. При этом, например, порошковые сплавы с повышенным коэффициентом трения обеспечивают сопротивление износу и механическую прочность целевой рабочей группы. Для достижения таких качеств в состав фрикционного сырья вносятся тугоплавкие оксиды, карбиды бора, кремния и др. В отличие от антифрикционных элементов, фрикционные нередко представляют собой и полноценные функциональные органы в механизмах. Это, в частности, могут быть тормоза и муфты.

Обеспечивая задачи повышения трения, они параллельно выполняют и конкретные технические задачи. В то же время и фрикционные, и антифрикционные материалы перед эксплуатацией проходят тщательные лабораторные испытания. Те же сплавы для тормозов проходят натурные и стендовые тесты, в ходе которых определяется целесообразность их применения на практике. Наиболее технологичные фрикционные материалы из полимеров сегодня изготавливаются разными методами. Так, для механизмов тормозной группы применяется техника прессования – на формах изготавливаются колодки, пластины и секторы. Ленточные материалы производят по тканой технике, а накладки – путем вальцевания.

Свойства антифрикционных материалов

Детали с антифрикционной функцией должны соответствовать широкому комплексу требований, определяющих их основные рабочие качества. В первую очередь материал должен быть совместимым и с сопряженной деталью, и с рабочей средой. В условиях совместимости до и после приработки материал обеспечивает необходимую степень понижения трения. Здесь же надо отметить прирабатываемость как таковую. Это свойство определяет способность элемента естественно корректировать геометрию поверхности под оптимальную форму, которая подходит для конкретного места эксплуатации. Иными словами, с детали стирается лишняя структура с микронеровностями, после чего приработка обеспечит условия работы с минимальными нагрузками.

Износостойкость – тоже немаловажное свойство, которым обладают данные материалы. Антифрикционные элементы должны иметь структуру, которая обеспечивает сопротивление разным видам изнашивания. В то же время деталь не должна быть чрезмерно жесткой и твердой, поскольку в этом случае увеличится риск заедания, что нежелательно для антифрикционного материала. Более того, технологи выделяют такое свойство, как поглощение твердотельных частиц. Дело в том, что трение в разной степени может способствовать выделению мелких элементов – нередко металлических. В свою очередь, антифрикционная поверхность обладает способностью «вдавливать» в себя такие частицы, устраняя их из рабочей области.

Металлические антифрикционные материалы

Изделия на металлической основе составляют наиболее обширный спектр элементов антифрикционной группы. Основная их часть ориентируется на эксплуатацию в режиме жидкостного трения, то есть в условиях, когда подшипники разделяются с валами тонкой масляной прослойкой. И все же при остановке и пуске агрегата неизбежно возникает так называемый граничный режим трения, при котором масляная пленка может разрушаться под действием высоких температур. Металлические детали, используемые в подшипниковых группах, можно подразделить на два типа: элементы с мягкой структурой и твердотельными вставками и сплавы с жесткой основой и мягкими вставками. Если говорить о первой группе, то в качестве антифрикционных материалов можно использовать баббиты, латунные и бронзовые сплавы. Благодаря мягкой структуре они быстро прирабатываются и длительное время сохраняют характеристики масляной пленки. С другой стороны, твердотельные включения обуславливают повышенную износостойкость при механических контактах со смежными элементами – например, с тем же валом.

Под баббитами подразумевают сплав, основу которого формирует свинец или олово. Также ради улучшения отдельных качеств в структуру могут добавляться легирующие сплавы. В числе повышаемых свойств можно отметить коррозийную стойкость, твердость, вязкость и прочность. Изменение той или иной характеристики определяется тем, какие использовались легирующие материалы. Антифрикционные баббиты могут модифицироваться кадмием, никелем, медью, сурьмой и т. д. Например, стандартный баббит содержит порядка 80% олова или свинца, 10% сурьмы, а остальное приходится на медь и кадмий.

Свинцовые сплавы как средство минимизации трения

Начальный уровень антифрикционных сплавов представляют свинцовые баббиты. Ценовая доступность определяет специфику эксплуатации данного материала – в наименее ответственных рабочих функциях. Свинцовая основа в сравнении с оловом обеспечивает баббитам менее высокую механическую стойкость и низкую коррозийную защиту. Правда, и в таких сплавах не обходится без олова – его содержание может достигать 18%. Кроме того, вносится в состав и медный компонент, который предотвращает процессы ликвации – неравномерное распределение разных по массе металлов в объеме изделия.

Простейшие свинцовые материалы с антифрикционным свойством характеризуются высокой степенью хрупкости, поэтому их используют в условиях с пониженными динамическими нагрузками. В частности, подшипники для путевых машин, тепловозов и элементы тяжелого машиностроения составляют целевую нишу, где применяются такие материалы. Антифрикционные сплавы с применением кальция можно назвать модификацией свинцовых сплавов. В данном случае отмечаются такие качества, как высокая плотность и низкая теплопроводность. Основу также представляет свинец, но в существенных долях его также дополняют включения натрия, кальция и сурьмы. Что касается слабых мест этого материала, то к ним относится окисляемость, поэтому в химически активных средах его использовать не рекомендуют.

Говоря в целом о баббитах, можно констатировать, что это далеко не самое эффективное решение для минимизации трения, но по совокупности качеств оно оказывается выгодным с точки зрения эксплуатации. Это материалы, антифрикционные свойства которых могут нивелироваться пониженным сопротивлением усталости, ухудшающим работоспособность элемента. Тем не менее, в ряде случаев недостаток прочности восполняется включением в конструкцию стальных или чугунных корпусов.

Особенности бронзовых антифрикционных сплавов

Физико-химические свойства бронзы органично сочетаются с требованиями для антифрикционных сплавов. Данный металл, в частности, обеспечивает достаточные показатели удельного давления, возможность эксплуатации в условиях ударных нагрузок, высокую скорость вращения подшипника и т. д. Но также выбор бронзы для тех или иных функций будет зависеть от ее марки. Тот же формат эксплуатации вкладышей при ударных нагрузках приемлем для марки БрОС30, но не рекомендуется для БрАЖ. Есть и различия в классе бронзовых материалов по механическим свойствам. Данная группа качеств будет зависеть от характера сопряжения с закаленными валами и от использования цапфы, которая может иметь дополнительное упрочнение. И вновь нельзя говорить о монолитности структуры сплава.

Бронзовые изделия могут также включать олово, латунь, свинец. При этом, если все перечисленные металлы могут использоваться в качестве основы баббита, антифрикционные материалы на основе меди применяются крайне редко. В данном случае медный компонент чаще выступает как та же добавка с коэффициентом содержания 2-3%. Оптимальными считаются оловяно-свинцовые комбинации включений. Они обеспечивают достаточные показатели сплава как антифрикционного компонента, хотя и проигрывают другим составам в отношении механической прочности. Комбинированные бронзовые материалы используют в изготовлении монолитных подшипников для электродвигателей, турбин, компрессорных установок и других агрегатов, которые работают при высоком давлении и малой скорости скольжения.

Порошковые фрикционные материалы

Такие материалы используются в составах, предназначенных для передаточных и тормозных узлов гусеничной техники, автомобилей, станков, строительных механизмов и т. д. Готовые изделия на основе порошковых компонентов выпускаются в форме секторных накладок, дисков и колодок. В то же время исходные материалы для антифрикционного типа порошковых сплавов формируются той же номенклатурой, что и в случае с фрикционными компонентами, – чаще всего используют железо и медь, но существуют и другие комбинации.

Например, материалы из алюминиевых и оловянистых бронз, в состав которых входят графит и свинец, эффективно себя проявляют в условиях трения при скорости скольжения деталей порядка 50 м/с. К слову, при работе подшипников на скорости 5 м/с металлические порошковые изделия могут заменяться металлопластмассовым сырьем. Это уже антифрикционный композиционный материал с гибкой рабочей структурой и пониженной прочностью. Наиболее же выгодными в плане использования в условиях повышенных нагрузок считаются материалы из железа и меди. В качестве добавок используется графит, кремниевый оксид или барий. Работа данных элементов возможна при давлении 300 МПа и скорости скольжения до 60 м/с.

Порошковые антифрикционные материалы

Из порошкового сырья производятся и антифрикционные изделия. Они характеризуются высокой износостойкостью, пониженным коэффициентом трения и способностью быстрой приработки к валу. Также антифрикционные порошковые материалы имеют целый ряд преимуществ по сравнению со сплавами, минимизирующими трение. Достаточно отметить, что показатели их износостойкости в среднем выше, чем у тех же баббитов. Пористая структура, сформированная порошковыми металлами, дает возможность эффективной пропитки смазочными средствами.

Изготовители имеют возможность формировать конечные изделия в разных видах. Это могут быть каркасные или матричные детали с промежуточными полостями, заполненными другим смягченным сырьем. И, напротив, в некоторых сферах больше востребованы антифрикционные порошковые материалы, имеющие мягкотельную каркасную основу. В специальных сотах предусматриваются твердые включения разного уровня дисперсности. Данное качество имеет большое значение именно с точки зрения возможности регуляции параметров, определяющих интенсивность трения деталей.

Антифрикционные полимерные материалы

Современное полимерное сырье дает возможность получать новые технико-эксплуатационные качества для деталей, понижающих трение. В качестве основы могут использоваться и композитные сплавы, и металлопластиковые порошки. Одним из главных отличительных свойств таких материалов является способность равномерно распределять добавки по всей структуре, которые в дальнейшем будут выполнять функцию твердой смазки. В списке таких веществ отмечают графиты, сульфиды, пластики и другие соединения. Рабочие свойства полимерных и антифрикционных материалов во многом сходятся и на базовом уровне без использования модификаторов: это и малый коэффициент трения, и стойкость к химически активным средам, и возможность эксплуатации в водной среде. Если говорить об уникальных качествах, то полимеры могут выполнять свои задачи даже без подкрепления специальной смазкой.

Применение материалов для защиты от трения

Большая часть антифрикционных элементов изначально рассчитывается на использование в подшипниковых группах. Среди них и детали, рассчитанные на повышение износостойкости, и компоненты, улучшающие скольжение. В машино- и станкостроении такие изделия применяют в изготовлении двигателей, поршней, узлов сцепки, турбин и т. д. Здесь же основу расходников составляют антифрикционные материалы подшипников скольжения, которые внедряются в структуру ходовой и стационарной техники.

Строительная отрасль тоже не обходится без антифрикционной функции. С помощью таких деталей укрепляются инженерные сооружения, монтажные конструкции и кладочные материалы. В строительстве железных дорог их используют при монтаже конструктивных элементов подвижного состава. Распространено и применение антифрикционных материалов на полимерной основе, которые находят свое место, например, в качестве связующей структуры шкивов, зубчатых колес, ременных передач и т. д.

Заключение

Задача снижения трения лишь на первый взгляд может казаться вторичной и зачастую необязательной. Совершенствование смазочных жидкостей действительно позволяет избавлять некоторые механизмы от вспомогательных технических элементов, сокращающих износы основной рабочей группы. Переходным звеном от классических баббит к модифицированной высокоэффективной смазке можно назвать антифрикционные полимерные материалы, отличающиеся более мягкой структурой и универсальностью с точки зрения условий работы. Тем не менее, работа металлических деталей при высоком давлении и физическом воздействии по-прежнему требует включения твердотельных антифрикционных вкладышей. Причем этот класс материалов не просто не уходит в прошлое, но и развивается за счет улучшения характеристик прочности, твердости и механической устойчивости.