Реферат: Антифрикционные сплавы, применяемые в судовом машиностроении цель работы

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СУДОВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получить навык металлографического анализа антифрикционных сплавов.

Изучить микроструктуру и знать применение антифрикционных сплавов.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов антифрикционных сплавов, фотографии микроструктур.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

К антифрикционным относят материалы, которые идут на изготовление различных деталей, работающих в условиях трения скольжения. В судовом машиностроении из этих деталей конструируются кинематические узлы с вращательным или качательным движением. Антифрикционный материал должен обладать низким коэффициентом трения в кинематическом узле, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, малой склонностью к заеданию (схватыванию), способностью обеспечить равномерную смазку. Перечисленные свойства антифрикционного материала должны им обеспечиваться при определенных удельных контактных нагрузках и различных конструктивных решениях узлов трения.

Большое разнообразие конструктивных типов узлов трения, а также условий эксплуатации привело к необходимости создания самых разнообразных антифрикционных материалов. Различают следующие антифрикционные материалы: сплавы на основе олова, свинца (баббиты), меди (бронзы), железа (сталь, чугун), металлокерамические (бронзографит, железографит), пластмассы (текстолит, фторопласт-4, древеснослоистые пластики и др.), а также сложные композиции типа “металл–пластмасса”.

В табл. 1 приведена номенклатура антифрикционных материалов, применяемых в судостроении.

По структурному признаку металлические антифрикционные материалы делят на две группы: первая – материалы с мягкой основой и твердыми включениями и вторая – материалы с твердой основой и мягкими включениями.

В современном судовом машиностроении используются подшипниковые сплавы на основе олова и свинца, сплавы на медной основе: латуни и бронзы. Для обеспечения, указанного выше комплекса, часто противоречивых свойств, могут использоваться сплавы, состоящие из относительно мягкой основы, в которой распределена достаточно твердая вторая фаза.

Назначение твердых кристаллов – осуществлять непосредственный контакт с вращающимся валом, назначение пластичной основы – обеспечивать прирабатываемость вкладыша к валу. Количество твердой составляющей должно быть небольшим, чтобы твердые и хрупкие кристаллы не соприкасались между собой. Кроме того, они должны быть равномерно распределены в пластичной основе. Подобную структуру имеют баббиты.

Баббиты

Баббитами называют антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Баббиты обладают низкой твердостью (HB130 – 320 МПа), имеют невысокую температуру плавления (240 – 320 °С), повышенную размягчаемость (НВ90 – 240 МПа при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низким сопротивлением усталости, что влияет на работоспособность подшипников.

В России баббиты, используемые в судостроении, стандартизованы ГОСТом1320-74(табл. 2).

Баббит Б83 – сплав на основе олова, содержащий 83 %Sn, 11 %Sb и 6 %Сu. Если бы сплав не содержал меди, то согласно диаграммы состояния Sn – Sb его структура должна бы состоять из двух составляющих: светлых граненых первичных кристаллов  -фазы (твердые включения) и темных  -кристаллов раствора на базе олова (мягкая составляющая). Границы зерен в  -фазе обычно не вытравливаются, поэтому под микроскопом она выглядит как сплошной черный фон. Медь, введенная в сплав Б83 для предотвращения ликвации по плотности, образует с оловом интерметаллид Cu3Sn (твердая составляющая), звездчатые кристаллы которого, выделяясь в первую очередь из расплава, образуют как бы каркас, препятствующий всплытию более легких  -кристаллов. Таким образом, структура баббита Б83 состоит из трех фаз:  ,  (SnSb) и  (Cu3Sn.) (рис. 1).

Оловянные баббиты являются лучшими подшипниковыми сплавами и применяются для заливки наиболее ответственных подшипников паровых турбин, компрессоров, дизелей и других высоконагруженных установок, работающих со смазкой при высоких скоростях скольжения.



Рис. 1. Микроструктура баббита Б83

(Справа – схематическое изображение микроструктуры)

Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности.

Баббит Б16 применяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, электродвигателей, паровых турбин, не испытывающих ударных нагрузок. По сравнению с оловянными баббитами свинцовые обладают большим коэффициентом трения. Они более хрупки, так как в них мягкой составляющей является достаточно хрупкая эвтектика.

Антифрикционные сплавы на основе меди

В качестве антифрикционных сплавов употребляют бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготавливают из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении. Для монометаллических подшипников используют оловянистые бронзы. Их микроструктура подробно рассмотрена в руководстве к выполнению лабораторной работы "Микроструктура медных сплавов".

Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без олова (БрС30) или с 1 %Sn.

В отличие от баббитов, бронза БрС30 относится к антифрикционным материалам с твердой матрицей (Сu) и мягкими включениями (Pb). При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка свинца, защищающая шейку стального вала от повреждения. Эта бронза отличается высокой теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у остальных бронз) и хорошим сопротивлением усталости. На рис. 2 изображена микроструктура БрС30.



Рис. 2. Микроструктура бронзы БрС30
(Справа – схематическое изображение микроструктуры)

Антифрикционные сплавы на основе железа

Стали

В качестве антифрикционных материалов стали используют в очень легких условиях работы при небольших давлениях и невысоких скоростях скольжения. Будучи твердыми и имея высокую температуру плавления, стали плохо прирабатываются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют так называемые медистые стали, содержащие малое количество углерода, либо графитизированные стали, имеющие включения свободного графита. В таблице 3 приведен состав сталей, рекомендуемых к использованию взамен бронз в легких условиях работы.

Антифрикционные чугуны

Ряд чугунов имеет высокие антифрикционные свойства, которые определяются в значительной степени строением графитовой составляющей. Чугун с глобоидальной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь минимальное количество свободного феррита (не более 15%) и должен отсутствовать свободный цементит. В таблице 4 приведена структура и назначение антифрикционного чугуна.

Включения графита в чугунах выполняют роль мягкой составляющей. К их недостаткам следует отнести плохую прирабатываемость, чувствительность к недостатку смазки, пониженную стойкость к воздействию ударной нагрузки.

Антифрикционные сплавы на основе алюминия

Алюминиевые сплавы в последнее время все шире используются для замены антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы. Их классифицируют по микроструктурному признаку. Первая группа – сплавы, имеющие твердые структурные составляющие (FeAl3; Al3Ni; CuAl2; Mg2Si и др.) в пластичной основе металла. Они применяются при высоких скоростях вращения и невысоких нагрузках с применением смазки. Однако, если подача смазки прекращается, то наступает схватывание. Свободны от этого недостатка сплавы второй группы, они легированы оловом. В случае прекращения поступления смазки олово расплавляется, покрывая вал тонким слоем и тем самым препятствуя контакту железа с алюминием и, следовательно, схватыванию. В таблице 5 приведены современные антифрикционные сплавы. Медь вводят для упрочнения матрицы, кремний, железо, никель и др. для уменьшения износа (образуют твердые частицы).

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Схемы микроструктур заданных образцов с указанием структурных составляющих и фазового состава.

4. Химический состав заданных сплавов и их применение.

5. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое антифрикционный материал?

2. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам?

3. Какие материалы используются для вкладышей тонкостенных подшипников?

4. Что такое баббит?

5. Каким образом структурные составляющие обеспечивают антифрикционные свойства баббита?

6. Каким образом устраняется ликвация по плотности в баббите?

7. Каково назначение баббита Б88?

8. По каким важным антифрикционным свойствам свинцовые баббиты уступают оловянным?

9. По каким важным антифрикционным свойствам антифрикционные чугуны уступают баббитам?

10. Какими достоинствами и недостатками обладают бронзовые вкладыши?


Таблица 1

Номенклатура антифрикционных материалов,

применяемых в судостроении

Индекс группы

Наименование

Марка

А

Баббит:

Оловянный

Свинцовый

Свинцово - никелевый


Б88, Б83, Б83С

Б16

БН

Б

Бронза:

Оловянно-фосфористая

Оловянно-цинковая

Оловянно-цинково-свинцово-никелевая

Оловянно-никелевая-цинковая

Алюминиево-марганцовистая

Алюминиево-железистая

Свинцовая


БрОФ10-1, БрОФ6,5-0,15, БрОФ7-0,2

БрОЦ10-2, БрОЦ8-4


БрОЦСН3-7-5-1

БрОНЦ8,5-4-2

БрАМц9-2, БрАМц10-2

БрАЖ9-4

БрС30

В

Латунь:

Марганцовистая

Марганцовисто-железистая

Кремнистая

Свинцовая


ЛМц58-2

ЛМцЖ55-3-1

ЛК80-3

ЛС59-1

Г

Неметаллические материалы:

Резина

Древесно-слоистый пластик

Древесно-текстолитовый пластик

Текстолит

Бакаут

Фторопласт

Полиамид литьевой

Полиамид, наполненный графитом

Полиамид стеклонаполненный

Смола капроновая

Капролон

Углеграфитовый материал, пропитанный баббитом


8130, 8075, 1626

ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В

Д5ТСП

ПТК-С


Ф4, Ф40

610

П68Г-5, П68Г-10

КПС-30, П-6ВСУ

Б

В


ЭГ-О-Б83

Д

Композитный материал:

Металлополимерный

Самосмазывающийся



САММ-3, САММ-4



Таблица 2

Химический состав баббитов ГОСТ 1320-74

Марка

Олово

Сурьма

Медь

Кадмий

Никель

Свинец

Б88

Б83

Б16

БН

Остальное

Остальное

15,0 – 17,0

9,0 – 11,0

7,3 – 7,8

10,0 – 12,0

15,0 – 17,0

5,5 – 6,5

2,5 – 3,5

5,5 – 6,5

1,5 – 2,0

1,5 – 2,0

0,8 – 1,2

–

–

0,1 – 0,7

0,15 – 0,25

–

–

0,1 – 0,7

–

–

Остальное

Остальное

Таблица 3

Состав (в %) антифрикционных сталей

Сталь

Cu

Al

C

Si

Mn

S

P

Медистая

Графитизированная

32

–

2,5

–

0,1

1,6

–

1,0

–

0,3

–

0,03

–

0,03

Таблица 4

Структура и назначение антифрикционного чугуна ГОСТ 1585-85

Марка чугуна

НВ,

МПа

Микроструктура

Терм. обрабо-тка, назначение

Графит

Металл. основа

АЧС-1


АЧС-2

АЧС-3

АЧС-4


АЧС-5


АЧС-6


АЧВ-1


АЧВ-2


АЧК-1


АЧК-2

180 – 241


180 – 229

160 – 190

180 – 229


180 – 290


100 – 120


200 – 260


167 – 197


187 – 229


167 – 197

Пластинчатый


то же

то же

то же


Пластинчатый


то же


Шаровидный


Шаровидный


Хлопьевидный


Хлопьевидный

Перлитная


Перлитная

П + Ф

П


Аустенитная


Перлитная, пористая


Перлитная


П + Ф


П


Ф + П

Закалка, нормализация.


Без обработки.

Закалка, нормализация.

Закалка, норма-лизация, особо нагруженные узлы трения.

Без обработки, при темпера-туре до 300 ˚С.

Закалка, норма-лизация, повы-шенные окруж-ные скорости.

Без обработки, повышенные окружные ско-рости.

Закалка, норма-лизация.

Без обработки



Таблица 5

Состав (в %) алюминиевых антифрикционных сплавов

Группа

Сплав

Ni

Mg

Sb

Cu

Si

Sn

Ti

I


II

АН-2,5

АСМ


АО9-1

АО3-1

АО9-2

АО20-1

2,7 – 3,3

–


–

0,4

1,0

–

–

0,3 – 0,7


–

–

–

–

3,5

3,5 – 6,5


–

–

–

–

–

–


1,0

1,0

2,25

1,0

–

–


–

1,85

0,5

–

–

–


9,0

3,0

9,0

20,0



0,02 – 0,1



Таблица 6

Состав (в %) свинцовых баббитов, используемых

для тонкослойных подшипников

Баббит

Pb

Sn

Sb

As

Ca

БС2

БК2 с добавкой переплава

–

–

2

2

9,5

0,2

0,7

0,7Mg

–

0,2