Подшипниковые сплавы

Подшипниковыми сплавами называются сплавы, из которых изготавливают вкладыши подшипников.

Антифрикционные подшипниковые сплавы на оловянной и свинцовой основах называются баббитами. К подшипниковым сплавам предъявляются следующие требования:

а) коэффициент трения между поверхностью вала и поверхностью подшипника должен быть небольшим;

б) обе трущиеся поверхности должны мало изнашиваться;

в) этот материал должен выдерживать достаточные удельные давления.

Первое и второе требования удовлетворяются тогда, когда поверхность вала и вкладыша разделена пленкой смазки. Если структура вкладыша неоднородна и состоит из твердых включений и мягкой основы, то после непродолжительной работы («приработки») на поверхности вкладыша образуется микрорельеф – выступают твердые включения и между валом и вкладышем образуется пространство, в котором удерживается смазка (так называемый «принцип Шарпи»). Подобной структурой обладают сплавы олова и сплавы свинца.

Наилучшим баббитом на оловянной основе является сплав Б83, состоящий из 83 % Sn, 11 % Sb и 6 % Cu.

При содержании сурьмы более 10,5 % образуюется неоднородная структура: мягкая основа сплава с отдельными твердыми включениями. Таким образом, при содержании в сплаве 11 % Sb образуется двухфазная структура, состоящая из мягкой пластичной основы твердого раствора и небольшого количества кристаллов, вкрапленных в эту массу. Такая структура является антифрикционной.

Сурьма и олово отличаются по плотности, поэтому сплавы этих металлов способны к значительной ликвации. Для предупреждения этого дефекта в баббиты вводят медь. Она образует с сурьмой химическое соединение Сu₃Sn. Это соединение имеет более высокую температуру плавления и кристаллизуется первым, образуя разветвленные кристаллы (как бы скелет), которые препятствуют ликвации (всплыванию) основных кристаллов сплава. Кроме того, кристаллы Сu₃Sn образуют в баббите твердые включения, дополнительно повышающие износостойкость вкладышей.

Температура начала и конца плавления баббита лежит в пределах 240 – 380 ⁰С. Твердость НВ 28-34.

Недостатком такого баббита является большое содержание дефицитного олова.

Баббиты на свинцовой основе обладают значительно худшими качествами, чем на оловянной. Они являются сплавами с содержанием 16 –18 % Sb. Примером свинцовых баббитов является сплав БС (82 % Pb, 17 % Sb, 1 % Cu).

Двойные свинцовые сплавы еще сильнее ликвируют, чем оловянные, поэтому в сплав добавляют медь, которая образует с сурьмой соединение Cu₂Sn. Это соединение препятствует всплыванию на поверхность основных кристаллов сплава.

Свинцовые баббиты являются менее качественными, чем оловянные, но дешевле последних. Они обладают большим коэффициентом трения. Температура начала и конца плавления баббита БС лежит в интервале 245 – 410 ⁰С. Твердость НВ 22 – 26.

Лекция 12 композиционные материалы

ВВЕДЕНИЕ

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, скелеты насекомых, зубы людей) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиционный материал, состоящий из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость. Зубы людей и животных состоят из твердого поверхностного слоя (эмали) и более мягкой сердцевины (дентина). И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, распространенные в мягкой органической матрице. Различие в свойствах эмали и дентина связано, в основном, с различным соотношением органической и неорганической составляющих: в эмали кристаллы занимают 99% объема, а в дентине 70%. Подобную структуру имеет и слоновая кость.

Примерами КМ могут быть и такие природные образования как минералы. Нефрит, например, состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и, поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров. Сооружая жилища, люди в глину для кирпичей добавляли солому и получали типичный армированный материал повышенной прочности. Они знали, что лук из нескольких слоев дерева прочнее лука, не имеющего в своей конструкции границ раздела. Таких примеров можно привести много, однако все это были случайные находки.

Наука о КМ зародилась совсем недавно. Первым примером научного подхода к созданию искусственных композиционных материалов можно считать появление железобетона и стеклопластиков. Как известно, бетон отлично сопротивляется сжатию и очень плохо выдерживает растягивающие нагрузки. Композиция из бетона и стальной арматуры, обладающая высокой прочностью на растяжение, объединяет в одном материале положительные свойства обоих компонентов, железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на композиционный полимерный материал был выдан в 1909 году. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые полимерные КМ рубленым природным волокном, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными или льняными тканями. Стеклопластикизапатентованы в 1935 году. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовали неорганические волокна.

Промышленный выпуск стеклопластиков налажен после второй мировой войны, с тех пор их интенсивно используют в технике. В 50-х годах 20 века обнаружили, что многие материалы в виде тонких кристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью (10000 МПа и более). Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, борные с прочностью 3000 – 3500 МПа и модулем упругости 300 - 500 МПа. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, и в первую очередь металлов.

История металлических армированных материалов насчитывает не более 40 лет, но успехи в этом направлении достигнуты значительные. Разработаны теоретические основы упрочнения металлов волокнами; созданы композиции на алюминиевой, титановой, никелевой и других основах, обладающие значительно большей прочностью, чем стандартные промышленные материалы на той же основе. Проводятся работы по созданию керамических композиционных материалов. Железобетон - пример “макроармированной” керамики: в нем используют толстую арматуру, диаметр которой измеряется миллиметрами и десятками миллиметров.

Сейчас разработаны “микроармированные” керамические материалы на основе различных оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др., диаметр тугоплавких армирующих волокон в которых составляет доли миллиметра или даже микрометры. За счет такого армирования удалось получить высокотемпературные керамические материалы с высоким сопротивлением термическим и динамическим нагрузкам, т.е. ликвидировать наиболее уязвимые места керамики.

В настоящий момент наиболее широко используются стеклопластики. Их применяют не только в сложных и ответственных конструкциях, но и в изделиях широкого потребления. Такие материалы как боро- и углепластики, металлические композиции типа алюминий - бор и алюминий - графит, используются главным образом в условиях действия высоких нагрузок, когда первостепенную роль играет надежность конструкции, ее масса, а вопросы стоимости отступают на второй план - в сверхзвуковых самолетах, ракетах, космической аппаратуре, батискафах. Пока эти материалы дороже обычных промышленных, поскольку объем их производства невелик, а некоторые из них исследовались только в лабораториях. Наряду с несомненными преимуществами по сравнению с традиционными материалами у армированных КМ есть недостатки, в частности, многим из них присуща низкая прочность при сдвиговых нагрузках, некоторые КМ плохо сопротивляются сжатию.