Требования к подшипниковым сплавам.

Антифрикционные сплавы и композиции предназначены для использования в подшипниковых и других узлах трения машин и механизмов, работающих преимущественно со смазкой. К ним предъявляются разнообразные требования, зависящие от удельных нагрузок, типа смазки, скорости скольжения, условий теплоотвода, взаимодействия материалов пары между собой, со средой и продуктами износа и других факторов.

Износ при трении со смазкой является наиболее распространенным и сложным. Так работают детали гидроаппаратуры, цилиндропоршневой группы двигателей, подшипников и многих других станков, машин и ме­ханизмов. Одна из деталей трущейся пары чаще всего является подвиж­ной, а другая находится в покое. При загрязнении смазки трущейся пары абразивом и другими твердыми частицами процесс изнашивания услож­няется, а износ поверхности деталей, работающих на трение, увеличива­ется. Заедание относится к аварийным видам разрушения поверхностей трения, поскольку, в отличие от других, возникнув, оно в течение корот­кого времени приводит к полной непригодности узлов трения к дальней­шей эксплуатации. В других случаях постоянно происходит износ по­верхностей, перенос частиц материала, изменение коэффициента трения и других свойств антифрикционного сплава.

Износ от абразивных загрязнений деталей автомобильных двигате­лей составляет 60 % общего эксплуатационного износа автомобилей в средней климатической зоне страны и 80 % — в южных зонах с повышен­ной запыленностью воздуха. Еще более высокий износ от загрязнений имеют детали дизельных двигателей, работающие в особо тяжелых усло­виях, например, на карьерных автомобилях — самосвалах высокой грузо­подъемности. Изменение каждого из внешних термодинамических пара­метров влияет на работоспособность пары трения и на внутренние пара­метры, определяющие состояние и свойства антифрикционного материа­ла и износостойкость деталей.

Антифрикционные сплавы и композиции, используемые в совре­менных узлах трения, должны обладать:

· малым износом как самой детали, так и контртела;

· низким коэффициентом трения;

· хорошей и быстрой прирабатываемостью;

· способностью противостоять задирам и схватыванию;

· высокими физико-механическими свойствами при рабочих тем­пературах;

· способностью образовывать легко удаляемые продукты износа и другими свойствами, которые часто взаимоисключают друг друга.

Постоянный рост температур, при которых часто используются ан­тифрикционные сплавы, требует соответствующего повышения их тер­мической стойкости и теплопроводности.

Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяют гетероген­ные структуры, в которых одна или несколько фаз характеризуются вы­сокой твердостью, а матрица является более мягкой и изнашиваемой, создающей резервуары для стока продуктов износа и условия для удер­жания масляной пленки. Они хорошо работают как при больших поверх­ностях контакта и малых удельных давлениях (цилиндры, втулки, на­правляющие планки и поршневые кольца), так и в условиях больших давлений и малых поверхностей контакта (шестерни, шкивы, кулачковые валы и подшипники).

Этим разнообразным требованиям, предъявляемым к антифрикци­онным сплавам, наиболее полно удовлетворяют многие литейные сплавы с мелкодисперсными структурами, что позволило занять им доминирую­щее положение в общем объеме производства антифрикционных мате­риалов.

Требуемые свойства в антифрикционных отливках обеспечиваются при благоприятном сочетании вязкой и упрочняющей фаз — твердого рас­твора и дисперсной упрочняющей фазы. Высокая дисперсность упроч­няющей фазы, ее равномерное и ориентированное выделение обеспечи­вают квазиравномерным структурам возможность обратимых превраще­ний и благоприятное сочетание свойств.

К числу нежелательных процессов, происходящих в литых изделиях и нарушающих стабильность их оптимальной структуры, относятся опалесценция карбидов, рекристаллизация и другие необратимые превраще­ния, приводящие к огрублению фаз и структур. Для большинства износо­стойких отливок оптимальной может быть такая гетерогенная структура, которая при изменении внешних термодинамических параметров (темпе­ратуры, давления или концентрации компонентов) под влиянием механи­ческих или тепловых импульсов, а также под воздействием диффузией и иных процессов между телом, контр телом, смазкой, атмосферой или дру­гой средой, быстро может перестроиться в другую, выгодную для данно­го этапа работы на трение. Такая квазиравномерная структура обеспечи­вает отливкам длительную работоспособность.

Длительность работы пары трения без повреждений оптимальной структуры определяется временем релаксации, после которого в отливках возникают необратимые структурные или бесструктурные превращения, связанные с накоплением дефектов кристаллических решеток. На рабо­чих поверхностях литых изделий при трении повреждения образуются тогда, когда квазиравновесие в структуре нарушается и возникают необ­ратимые процессы. Примером отрицательного воздействия на рабочие поверхности может быть значительное повышение температуры в участ­ках микроконтакта, приводящее к расплавлению или испарению мате­риала, задиру или схватыванию.

Длительное время антифрикционные чугун считались только за­менителями бронз и других цветных сплавов, но многочисленные разра­ботки новых антифрикционных чугунков, обладающих в литых изделиях высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью и высокой термической стойкостью, расширили их возможности, обеспечили высокую надежность и долговечность пар тре­ния, работающих в экстремальных условиях. В этом случае важными особенностями антифрикционных чугунков являются высокая износо­стойкость, хорошие литейные свойства и относительно низкая стоимость. Именно эти особенности чугуна привлекают к себе внимание создателей новой техники и являются стимулом для проведения работ по рацио­нальному использованию антифрикционных чугунков в сложнонапряжен­ных литых деталях, работающих в условиях трения и знакопеременных нагрузок.

Основная тенденция в производстве антифрикционных отливок — повышение качества и надежности литых деталей за счет использования композиционных материалов и совершенствования технологических процессов производства антифрикционных сплавов, включая прогрес­сивные технологии плавки, вне печной обработки, литья, термической и химико-термической обработки отливок. В этом плане представляют значительный интерес исследования по производству износостойких от­ливок с дифференцированными свойствами. Управление процессом внутреннего строения отливок с использованием способов литья, при которых в течение всего периода кристаллизации металл находится под физико-механическим или физико-химическим воздействием в нужном направлении — прогрессивный путь в развитии литейного производства, обеспечивающий резкое уменьшение дефектов в отливках.

Рассматривая основные факторы, обеспечивающие получение изно­состойких отливок без литейных дефектов и с заданными механическими и эксплуатационными свойствами, можно сделать вывод, что формиро­вание структуры сплавов в отливках и возникновение большинства ли­тейных дефектов происходит в момент непосредственного контакта рас­плава с формой. При первичной кристаллизации износостойких сплавов возникают такие дефекты, как усадочные раковины, не плотности и микро- поры, прежде всего зависящие от условий теплообмена между расплавом и литейной формой. Повышенная склонность отливок из антифрикционных сплавов к образованию горячих трещин сдерживает расширение внедрения в производство таких эффективных методов производства отливок, как, например, кокильного, центробежного, литья под давлением и др.