Выбор материала для изготовления вкладышей подшипников с толщиной 15-20 мм

Температура заливки  серого чугуна <1400° С.

Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют в песчаных формах. Отливки  повышенной точности получают литьем в оболочковые формы, в кокиль. Отливки типа тел вращения изготовляют центробежным литьем.

Так как серый  чугун имеет высокие литейные свойства, это позволяет получать отливки в песчаных формах, как  правило, без применения прибылей. Только в отдельных случаях применяют прибыли.

Температура заливки  серого чугуна при изготовлении отливок <1400° C.

При изготовлении отливок из серого чугуна в кокилях  в связи с повышенной скоростью  охлаждения отливок при затвердевании  начинает выделяться цементит - появляется отбел. Для предупреждения отбела на рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопроводные защитные покрытия, кокили перед работой нагревают, а чугун подвергают модифицированию. Кроме того, для устранения отбела отливки подвергают отжигу.

2.6 Применение серого чугуна

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия.

Серый чугун  наиболее широко применяется в машиностроении для отливок различных деталей  машин. Он достаточно хорошо сваривается, особенно с применением предварительного подогрева.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава III. Другие материалы, применяемые для изготовления вкладышей подшипников

3.1 Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы -   материалы, применяемые  для деталей машин (подшипники, втулки и др.), работающих при трении скольжения и обладающих в определённых условиях низким коэффициентом трения. Отличаются низкой способностью к адгезии, хорошей прирабатываемостью, теплопроводностью и стабильностью свойств. В условиях гидродинамической смазки, когда детали (не деформирующиеся под влиянием давления в смазочном слое) полностью разделены сравнительно толстым слоем смазочного материала, свойства материала этих деталей не оказывают влияния на трение. Антифрикционность материалов проявляется в условиях несовершенной смазки (или при трении без смазки) и зависит от физических и химических свойств материала, к которым относятся: высокие теплопроводность и теплоёмкость; способность образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение; способность материала легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться, что способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относятся также микрогеометрическое строение поверхности, а именно определённая степень шероховатости или пористости, при которых масло удерживается в углублениях, и способность материала «поглощать» твёрдые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым от износа сопряжённую деталь. Проявлению антифрикционности в условиях сухого трения способствует наличие в материале таких компонентов, которые, сами обладая смазочным действием и присутствуя на поверхности трения, обеспечивают низкое трение (например, графит, дисульфид молибдена и др.). Одним из важных свойств А. м., обусловливающих антифрикционность при всех условиях трения, является его неспособность или малая способность к «схватыванию» (адгезии) с материалом сопряжённой детали. Наиболее склонны к «схватыванию» при трении одноимённые пластичные металлы в паре, имеющие гранецентрированную и объёмноцентрированную кубической решётки. При трении по стали наименее склонны к «схватыванию» серебро, олово, свинец, медь, кадмий, сурьма, висмут и сплавы на их основе.

3.2 Алюминиевые сплавы

Алюминиевые подшипниковые сплавы обладают высокими свойствами (низким коэффициентом трения и высокой .износостойкостью). Но по технологичности они уступают обычным баббитам. Их более высокая твердость является скорее недостатком, чем преимуществом сплава, так как требует обработки цапф и вкладыша повышенной чистоты, а шейка вала должна быть твердой. Наблюдение этих условий вызовет ускоренный износ. Высокий коэффициент линейного расширения алюминиевых баббитов требует более тщательной сборки с большими зазорами.

Алюминиевые баббиты применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов, а также свинцовистой бронзы.

Кроме алюминиевых  сплавов применяют такого же назначения алюминевооловянные сплавы, содержащие 6—7 % Sn с разными добавками в  количестве 1—2 % никеля, меди, кремния.

3.3 Бронзовые сплавы

Бронзовые вкладыши изготавливают  из оловянистой и свинцовистой бронз. Благодаря неоднородной структуре  бронзы (у оловянистой бронзы Сс – твердый раствор является мягкой основой, эвтектовит α    4 –  Р – с твердым включением) смазка хорошо удерживается на поверхности вкладыша. Бронзы обладают высокой прочностью. Это позволяет применять бронзовые вкладыши для ответственных подшипников, работающих в тяжелых условиях (большие удельные давления, большие числа оборотов).

БрОФ 6,5 – 0,15 ГОСТ1761 Sn 6 – 7%; P 0,4 – 0,1%

Рассмотрим  кремниево – свинцовую латунь ЛКС80-33

Химический  состав: Cu 79-87%; Si 2,5-4,5%; P 2-4%

Плотность: 8,5 г/см³

Механические  свойства:

σ  = 30 ÷ 25 г/мм²; δ = 15 ÷ 7%; σ  = 4 кг/мм² ГОСТ 17711-93

Температура ликвидуса: 900ºС

Коэффициент линейного расширения: 17*10^-6     1/ºС

Твердость: 95 НВ

Литейная усадка: 1,7 %

Литье в кокиль  и в землю. Применяют для подшипников  экскаваторов, дробилок и других машин, работающих в тяжелых условиях с  ударной нагрузкой Р до 12 н/мм²; υ = 2 м/с; ρυ= 10 н*м/мм²

В системе Sn—Sb олово имеет низкую твердость (5 НВ). Оптимальной композицией будет  сплав, состоящий из 13 % Sb и 87% Sn, имеющий  двухфазную структуру а + Р’, где  а-твердый раствор на базе олова (мягкая основа), fi’-твердый раствор  на базе интерметаллидного соединения SnSb (твердые включения).

3.4 Оловянносвинцовосурьмянистый сплав

Оловянносвинцовосурьмянистый  подшипниковый сплав в качестве мягкой основы имеет твердый раствор  на базе свинца, а твердыми включениями  служат соединения SnSb. Перечисленные сплавы содержат, как правило, добавку меди, которая, с одной стороны, уменьшает ликвацию по плотности, а с другой — образует соединение CusSn, выполняющее роль твердых включений.

На темном фоне твердого раствора а видны кубические включения соединения SnSb и более мелкие включения соединения Cu3Sn. В случае перегрева образуются более крупные включения, и качество баббита ухудшается.

Дефицитность  олова, а также свинца заставляет изыскивать и применять сплавы на другой, менее дефицитной основе (цинка, алюминия).

3.5 Цинковые сплавы

Цинковые сплавы НАМ 10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициенту трения и коэффициенту линейного расширения и примерно равноценны свинцовистым баббитам.

Имеется также  серия алюминиевых сплавов, применяемых как подшипниковые. Это двухфазные высоколегированные сплавы, в которых твердый раствор на базе алюминия является мягкой основой, а химические соединения — твердыми включениями.

3.6 Подшипники из порошковых материалов.

Подшипники  скольжения (втулки, вкладыши и др.) из порошковых материалов изготовляют из металлических порошков. Процесс изготовления деталей самосмазывающихся подшипников включает: приготовление (просев) порошков, прессование и спекание деталей, пропитку смазочным материалом, калибровку. Иногда процесс включает вторичную пропитку порошкового материала и дополнительное прессование. По сравнению с подшипниками из бронзы подшипники из порошковых материалов более эффективны в эксплуатации, особенно при работе в условиях граничной смазки и трении без смазочного материала. Они малодефицитны, технологичны, имеют высокие прочность и износостойкость. Для придания смазывающих свойств в основу из порошкового материала добавляют графит, серу, цинк и другие элементы, а также пропитывают смазочными маслами, пластмассами, металлами. Высокоэффективны для пропитки высоковязкие смазочные масла, а также петролатум, которые по сравнению с обычными (средневязкими) смазочными маслами позволяют резко снизить стоимость пропитки и в 1,5— 2 раза увеличить срок службы самосмазывающихся подшипников.

Порошковые  антифрикционные материалы на основе кобальта, никеля и железа показали высокую работоспособность в  условиях трения без смазочного материала, при высоких давлении на поверхностях трения и температуре.

3.7 Баббиты

Баббит представляет собой антифрикционный сплав, изготавливаемый  на основе олова или свинца. В  России стандартизованы две группы баббитовых сплавов и регламентируются ГОСТом 1320-74 и ГОСТом 1209-90. Первый подшипниковый  сплав, содержащий 82 – 84 % Sn, 5 – 6 % Сu и 11–12 % Sb был разработан в 1839 г. И. Баббитом, в честь которого получили название мягкие белые сплавы.

Баббит, в строении которого всегда сочетаются мягкая основа и твердые включения, характеризуется  следующими показателями:

- низкая твердость НВ 13–32,

- невысокая температура плавления в диапазоне 240 – 320°С,

- повышенная размягчаемость при 100°С НВ 9 – 24.

В качестве положительных  характеристик легкоплавких подшипниковых  сплавов выделяются отличная прирабатываемость  и высокие антифрикционные свойства, к отрицательным характеристикам баббита следует отнести низкую прочность, которая отражается непосредственно на работоспособности подшипников.

Баббит оловянный  применяется в том случае, когда  необходима повышенная вязкость и минимальный  коэффициент трения, в отличие от свинцового обладает более высокой коррозионной стойкостью, износоустойчивостью и теплопроводностью. Область применения: подшипники турбин, дизелей, работающие при больших скоростях и средних нагрузках, опорные подшипники гребных валов.

Оловянные баббиты (в частности марки 83), у них хорошая прирабатываемость к валу износостойкость.

Структура их –  мягкая основа (£-твердый раствор сурьмы в олове) и равномерно распределенные в ней твердые частицы химического соединения SnSb.

Несколько ниже износостойкость у баббитов на свинцовой основе; их металлическая основа – мягкая эвтектика; в ней распределены частицы более твердой сурьмы, эти сплавы используются для вкладышей подшипников меньшей нагруженности, для предупреждения ликвации при литье из-за различия в плотности основных компонентов: олова, свинца и значительно более легкой сурьмы в баббиты вводят медь.

Баббиты на свинцовой  основе без олова, т.е. более дешевые (с добавлением кальция, алюминия, натрия).

Химический  состав баббитов марок Б83, Б16 следующий:

Б83 (ГОСТ 1320 – 74) - ≤ 0,1% Fe; ≤ 0,005% Al; 5,5 – 6,5% Cu; ≤ 0,05%A; ≤ 0,35% Pb; 10-12% Sb; ≤0?05% Bi; 80,941-84,5% Sn:

Б16 (ГОСТ 1320-74) - ≤ 0,1% Fe; ≤ 0,01% Al; 1,5-2% Cu; ≤ 0,3% As

63,34-68,5% Pb; ≤ 0,15% Zn; 15-17% Sb; ≤ 0,1% Bi; 15-17% Sn

Преимуществом оловянистого баббита Б83 перед свинцовой  является более низкий температурный  коэффициент  линейного расширения и более высокая теплопроводность и коррозийная стойкость, их применяют  на ударных нагрузках на подшипник.

Баббит Б16 можно  использовать при спокойных нагрузках, не превышающих 60-10^5 Па – м/c. Рекомендуется применять его в подшипниках, если температура в процессе эксплуатации не превышает 110° С ; при более высоких температурах его твердость оказывается не достаточной.

Баббит марки Б83, согласно ГОСТу, имеет следующие свойства: σ  = 110 ÷ 120 МПа;

σ   = 80 ÷ 85 МПа.

Баббит марки  Б16, согласно ГОСТу, имеет следующие  свойства:

σ  = 147 МПа;

         σ   = 86 МПа.

Баббит свинцовый  в отличие от оловянного обладает более высокой рабочей температурой. Область применения: подшипники дизельных двигателей, прокатных станов, быстроходных дизелей, компрессоров, автотракторных двигателей, оборудования тяжелого машиностроения, работающие при больших и средних скоростях, высоких и средних динамических нагрузках.

Баббит кальциевый применяется в подшипниках подвижного состава железнодорожного транспорта.

 

Глава IV. Задача № 343

Условие: Для изготовления вкладышей подшипников некоторых механизмов вместо цветных металлов (латуни, бронзы) успешно применяют более дешевый антифрикционный серый чугун. Указать какая структура металлической основы серого чугуна и форма выделения графита являются наиболее пригодными для того, чтобы обеспечить повышенную износостойкость вкладыша. Привести примерные механические свойства чугуна, если наименьшая толщина вкладыша составляет 15-20 мм.

Решение:

Подшипниковые сплавы служат для изготовления подшипников  скольжения. Основные требования, предъявляемы к этим сплавам, следующие:

1. низкое значение коэффициента трения со сталью;
2. низкий износ деталей трущейся пары;
3. материал должен выдерживать достаточные удельные давления;
4. обеспечивать хорошее удержание смазки между трущимися поверхностями.

Для выполнения указанных требований подшипниковые  материалы должны обладать неоднородной структурой, состоящей из относительно мягкой металлической основы, в которую вкраплены твердые включения. Основными подшипниковыми сплавами являются

Чугуны марки  АСЧ-1 и АСЧ-2 (материалы дешевые, достаточно износостойкие, но имеющие повышенный коэффициент трения). Чугуны используются для тихоходных узлов трения.

Серый литейный чугун пригоден для вкладышей  опор, несущих умеренную нагрузку без ударов. В зависимости от скорости скольжения υ допускаю следующую  среднею удельную нагрузку: при 0 до 2 м/с 

 Наиболее часто употребляемы марки серого чугуна для изготовления вкладышей: СЧ 15, СЧ 18, СЧ 21 и СЧ 24 (ГОСТ 1412–85). Антифрикционный чугун применяется для подшипников скольжения, работающих в значительно широком диапазоне скоростей и удельных давлений. Для обеспечения долговечности опор должны быть выполнены некоторые специальные требования: тщательный монтаж, исключающий перекосы; повышенные зазоры по сравнению с зазорами, принятыми для опор с бронзовыми вкладышами; вкладыши должны прирабатываться на холостом ходу с постепенным повышением нагрузки до расчетной величины; в процессе эксплуатации должна непрерывно подаваться качественная смазка; в особенности недопустимо искрение, которое может возникнуть при перерывах подачи смазки и резком повышении нагрузки. Марку антифрикционного чугуна следует выбирать так, чтобы твердость вкладыша была ниже твердости остальной цапфы на НВ 20-40.