Антифрикционные сплавы на основе меди

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. На примере подшипников трение скольжения происходит между валом и вкладышем подшипника. Поэтому для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения. Исходя из этих требований, антифрикционный материал представляет собой сочетания достаточно прочной и пластичной основы, в которой имеются оперные (твердые) включения. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. В этом случае трение происходит не по всей поверхности подшипника, а смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы.

Антифрикционными сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами. Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. Это, в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопроводность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе -- олову, свинцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.

1. СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АНТИФРИКЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Антифрикционные материалы в зависимости от условий работы должны обладать:

-хорошей начальной прирабатываемостью в работе, т.е. время, необходимое для снижения коэффициента трения между подшипником и валом до заданной величины, должно быть минимальным;

-высокими триботехническими свойствами;

-способностью выдерживать нагрузку, скорость и температуру без разрушения и изменения формы и качества;

-способностью образовывать самосмазывающиеся или легко притирающиеся продукты истирания коллоидного характера (пленку), которые могут сберечь шейку вала от износа даже при затрудненной смазке;

-меньшей твердостью, чем у шейки вала, причем твердость должна снижаться как можно меньше при нагреве;

-высокой теплопроводностью для хорошего отвода теплоты трения;

-достаточной выносливостью или сопротивлением усталости;

-достаточной вязкостью в случае ударной нагрузки;

-хорошими технологическими свойствами;

-микропористостью или микрокапиллярностью, способствующими удержанию смазки;

-хорошими антикоррозионными свойствами.

В качестве антифрикционных сплавов употребляют бронзы (оловянные и свинцовистые) и латуни, а так же и другие сплавы на основе меди, свойства, структуру и состав которых мы рассмотрим ниже.

Медь имеет граицентрированную кубическую решетку. Температура плавления 1083°С. Прочность меди невелика, но она имеет высокую пластичность: у_в = 200-250 МПа; д = 30--35 % (после прокатки и отжига).

Вследствие высокой пластичности медь плохо обрабатывается резанием, но легко деформируется в горячем и холодном состояниях. Прочность меди в результате холодной деформации возрастает до 700 МПа, при этом пластичность ее снижается до 1--3 %.

Медь отличается высокими электропроводностью и теплопроводностью. Поэтому медь широко применяют в электропромышленности. В зависимости от химического состава устанавливаются следующие марки меди: М00 (99,99 %Cu), МО (99,95 % Сu), Ml (99,90 % Сu), М2 (99,70 % Сu), М3 (99,50% Сu) и М4 (99,0% Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства. По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на следующие группы:

1) примеси, образующие с медью твердые растворы, -- никель, цинк, сурьма, олово, алюминий, фосфор и др. Эти примеси улучшают механические свойства меди, но резко снижают (особенно сурьма и фосфор) ее электро- и теплопроводность;

2) примеси свинца, висмута и другие практически нерастворимые в меди при очень малом количестве их образуют с ней легкоплавкие эвтектики. Эвтектики располагаются по границам зерен меди и затрудняют горячую обработку ее давлением.

На электропроводность меди они оказывают небольшое влияние;

3) примеси кислорода и серы образуют с медью хрупкие химические соединения Сu₂O и Cu₂S, располагающиеся по границам зерен меди. На электропроводность эти примеси не влияют. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием. Кислород, если он присутствует в меди, образует с ней оксид меди и вызывает так называемую «водородную болезнь». При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, он реагирует с Си₂0 по реакции Cu₂O + Н₂ 2Сu + H₂O, протекающей с увеличением объема. Это создает в металле большое давление и вызывает появление микротрещин.

Сплавы меди

Различают две основные группы медных сплавов: латуни -- сплавы меди с цинком и бронзы -- сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк.

Латуни. Латуни маркируют буквой Л, после буквы следует цифра, указывающая содержание в ней меди (Л96, Л62 и др.). Латуни, содержащие не более 39 % Zn, имеют однофазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора цинка в меди (а-фаза).

В сплавах, содержащих от 39 до 50 % цинка, образуется (в-фаза). Она представляет собой электронное соединение CuZn.

При высоких температурах в-фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности. В этом состоянии в-фаза пластична. При понижении температуры до 453--470 °С расположение атомов меди и цинка в этой фазе становится упорядоченным и она обозначается в '. В отличие от в -фазы в '-фаза является твердой и хрупкой.

С увеличением содержания цинка в области а-фазы возрастают прочность, твердость и пластичность латуни. При появлении в'-фазы пластичность резко падает, а временное сопротивление возрастает, достигая максимального значения при 45 % Zn. В области в'-фазы очень сильно уменьшается и прочность латуней. Поэтому латуни, содержащие более 42 % Zn, как правило, не применяют.

Рисунок 1. Микроструктура а и а + в латуни, Х300

На рисунке 1 приведены микроструктуры однофазной и двухфазной латуней, применяемых в технике. Двухфазные латуни имеют более высокую прочность и износостойкость, чем однофазные.

Механические свойства наиболее распространенных латуней в отожженном состоянии следующие:

-а-латуни Л96 (томпак), Л80 (полутомпак) и Л70: у_в= 240-320 МПа; д = 50-52 %;

-а + в'-латуни Л62 и Л59: у_в= 360-390 МПа; д = 49-44 %. Эти латуни поставляют в виде листов, ленты, полос, труб, прутков и проволоки.

Однофазные а-латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Латунь упрочняется в процессе холодного деформирования. Временное сопротивление при растяжении латуни Л80 возрастает с 320 до 640 МПа, при этом относительное удлинение уменьшается с 50 до 3%. Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг при 500--700 °С .

Двухфазные а + в - латуни малопластичны в холодном состоянии; их подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих однофазной в -области.

Латуни плохо обрабатываются резанием. Для улучшения обрабатываемости в латунь добавляют небольшое количество свинца. Сплавы меди с цинком, содержащие свинец, называются свинцовистыми или автоматными латунями. К ним относится латунь ЛС59--1.

Специальные латуни. К этой группе относятся латуни, в которые для улучшения механических и химических свойств дополнительно вводят олово, кремний, марганец, алюминий и железо. При содержании 0,5--1,5 % Sn улучшается коррозионная стойкость латуней. Кремний, марганец, никель и алюминий значительно повышают не только коррозионную стойкость, но и механические и антифрикционные свойства латуней.

Таблица 1. Механические свойства некоторых специальных латуней после отжига.

Железо задерживает процесс рекристаллизации латуней, измельчает зерно и повышает твердость. В таблице 1 приведены марки сложных латуней. Их маркируют буквой Л (латунь), после которой следуют буквы, обозначающие легирующий элемент. А -- алюминий, Ж -- железо, К -- кремний, М -- марганец, Н -- никель, С -- свинец и т. д. Первые две цифры, следующие за буквами, указывают среднее содержание меди, а остальные цифры -- содержание легирующих элементов. Содержание цинка определяется по разности до 100 %.

Специальные латуни, обрабатываемые давлением, имеют сравнительно небольшое количество легирующих присадок и представляют собой однородные твердые растворы на основе меди. Поэтому они обладают высокой пластичностью.

а) б)

Рисунок 2. Диаграмма состояния Cu - Sn (a) и влияние олова на механические свойства меди (б)

К латуням, предназначенным для фасонного литья, добавляют большое количество специальных присадок, что улучшает их литейные свойства.

Оловянистые бронзы. На рисунке 2 приведена часть диаграммы состояния Си--Sn; а-фаза представляет собой твердый раствор олова в меди. В сплавах этой системы образуются электронные соединения типа Си₅Sn (в-фаза), Си₃Sn (e-фаза), Си₃₁SN₈ (д-фаза). Как видно из диаграммы (рисунок 2), система Cu - Zn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. При 588 °С кристаллы в фазы претерпевают эвтектоидный распад с образованием смеси a и г - фаз, а при 520 °С кристаллы г-твердого раствора распадаются на смесь а- и д-фаз (Сu₃₁Sn₈).

При температуре около 350 °С химическое соединение Сu₃₁Sn₈ (д-фаза) распадается на а-твердый раствор и соединение Сu₃Sn (е-фаза). Однако это превращение протекает лишь при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из а-фазы и Сu₃₁Sn₈ (д-фаза).

Оловянистые бронзы склонны к ликвации; при ускоренном охлаждении они получают резко выраженное дендритное строение (рисунок 3, а).

а) б)

Рисунок 3. Микроструктура литой (а) и деформированной и отожженной (б) оловянистой бронзы, X 200

Бронзы, содержащие до 4--5 % Sn, однофазные, они представляют собой а-твердый раствор; после деформации и отжига они имеют полиэдрическое строение (рисунок 3, б).

При большем содержании олова в структуре наряду с а-раствором присутствует эвтектоид а + Сu₃₁Sn₈. В практике применяют лишь сплавы с содержанием до 10--12 % Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки (рисунок 2, б). сплав медь подшипник

Временное сопротивление разрыву возрастает с увеличением содержания олова в бронзе до 18--20 % (рисунок 2, б). При большей концентрации олова из-за присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Сu₃₁Sn_н, временное сопротивление разрыву резко уменьшается. Обработке давлением можно подвергать только однофазные бронзы, содержащие не более 5--6 % Sn. Эти бронзы проходят рекристаллизационный отжиг (при 600--650 °С) -- как промежуточная операция при холодной обработке давлением или заключительная операция для придания готовым полуфабрикатам (листам, лентам) требуемых свойств.

Оловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства, их применяют для фасонного литья.

Бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами. Поэтому их используют для изготовления антифрикционных изделий;

Бронзы с большим содержанием дорогостоящего олова заменяют более дешевыми бронзами, в которые добавляют цинк или свинец. Кроме того, свинец улучшает обрабатываемость резанием.

В оловянистые бронзы добавляют также фосфор (до 1 %), который является раскислителем и улучшает их литейные свойства. Фосфор повышает механические 53 антифрикционные свойства.

В таблице 2 приведены механические свойства и указано назначение оловянных бронз.

Таблица 2. Механические свойства и назначение некоторых оловянистых бронз

Алюминиевые бронзы (таблица 3). Алюминиевые бронзы, содержащие до 9,0 % А1, представляют собой а-твердый раствор А1 в Сu и являются однофазными. Бронзы с большим содержанием алюминия состоят из смеси фаз а + у' (у' -- электронное соединение Сu₃₂А1₁₉).

Алюминий при содержании его до 10 % повышает временное сопротивление при растяжении меди; относительное удлинение при содержании до 4--5 % Аl возрастает, а при большем его содержании резко падает. Это связано с образованием хрупкой y-фазы.

Бронзы, содержащие до 6--8 % А1, обрабатывают давлением в холодном или горячем состоянии. Холодная деформация значительно повышает прочность (таблица 3).

Таблица 3. Механические свойства (не менее) и назначение алюминиевых, кремнистых и бериллиевых бронз.

Бронзы, содержащие 8--10 % А1, можно обрабатывать давлением только при высоких температурах. Вместе с тем эти бронзы обладают повышенными литейными свойствами и их применяют для фасонного литья. Алюминиевые бронзы устойчивы против коррозии.

Кремнистые бронзы. Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и в то же время являются более дешевыми. Кремнистая бронза обладает высокой устойчивостью против коррозии в ряде агрессивных сред, особенно в щелочах. В промышленности применяют однофазные кремнистые бронзы, как обладающие высокой пластичностью.

Бериллиевые бронзы (таблица 3). Бериллиевые бронзы содержат 2,0--2,5 % Ве, обладают наилучшим комплексом свойств из всех известных бронз. Бериллиевая бронза значительно повышает механические свойства в результате термической обработки. Наиболее высокие механические свойства бериллиевая бронза приобретает после закалки с 760--780 °С в воде и старении при 300--350 °С, 2 ч.

После закалки фиксируется пересыщенный а- раствор. При старении выделяются частицы у-фазы, упрочняющие сплав.

В закаленном состоянии бериллиевая бронза имеет у_в = 500 МПа; 6 = 45 % и твердость НВ 120.

При старении временное сопротивление разрыву возрастает до 1300--1350 МПа, твердость до НВ 400, относительное удлинение снижается до 1,5 %. Из бериллиевых бронз изготавливают пружины в электроаппаратуре, материал которых должен обладать хорошей электропроводностью, мембраны, а также детали электронной техники

Свинцовистые бронзы. Свинцовистые бронзы содержат до 30 % РЬ. Свинец и медь в твердом состоянии нерастворимы один в другом, поэтому микроструктура свинцовистых бронз состоит из кристаллов более твердой меди и мягкого свинца. Это обеспечивает хорошие антифрикционные свойства сплава.

Свинцовистые бронзы применяют для изготовления вкладышей подшипников механизмов, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. Большой недостаток свинцовистых бронз -- склонность их к ликвации.

2. ПРИМЕНЕНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Материалы на основе меди получили широкое распространение в связи с их высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью и высокой электропроводностью. Они применяются в узлах трения различных машин и механизмов и в электротехнике в качестве скользящих токосъемных контактов. Такие сплавы, предназначенные для заливки подшипников скольжения, которые обладают бесшумностью работы и устойчивостью к вибрациям, должны иметь низкий коэффициент трения, быть достаточно пластичными и обеспечивать малую скорость изнашивания сопряженной детали -- стального или чугунного вала.

Для обеспечения антифрикционных свойств материал должен обладать высокой теплопроводностью, хорошей смачиваемостью смазочным материалом, способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла и хорошей прирабатываемостью.

Медные антифрикционные сплавы часто применяют для тонкого (до 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Из-за содержания дорогостоящего олова оловянистые бронзы используют для подшипников ответственного назначения -- в дизелях, паровых турбинах и в подшипниках других особо нагруженных машин. Некоторые сплавы используют для подшипников средней нагруженности, а более дешевые используют для менее ответственных подшипников.

Особое место среди антифрикционных медных сплавов занимают оловянные (БрОЮФ1, БрОЮЦ2) и оловянно-цинково-свинцовые (Бр05Ц5С5, БрОбЦбСЗ) бронзы. Эти материалы применяют для монолитных подшипников скольжения в турбинах, электродвигателях. компрессорах, работающих при высоких давлениях и средних скоростях скольжения.

Латуни же используются в качестве заменителей дорогостоящих бронз, однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам.

Медные сплавы имеют высокую теплопроводность, что позволяет применять их при больших скоростях скольжения. В авиационной и автомобильной промышленности получили распространение композиционные подшипниковые вкладыши: многослойные, самосмазывающиеся, металлофторопластовые и др.

Многослойные подшипниковые вкладыши состоят из стального основания (250 мкм); слоя свинцовой бронзы БРСЗО; тонкого (до 10 мкм) слоя никеля или латуни; тонкого (до 25 мкм) слоя свинцово-оловянного сплава. Стальная подкладка обеспечивает прочность и жесткость вкладыша, а верхний мягкий слой -- его прирабатываемость. После изнашивания верхнего слоя рабочим слоем становится свинцовая бронза. Такие подшипниковые вкладыши используют в двигателестроении в качестве вкладышей коренных и шатунных шеек коленчатого вала.

Самосмазывающиеся подшипниковые вкладыши получают методами порошковой металлургии из следующих комбинаций материалов: железо--графит; железо--медь--графит; броша -- графит. Графит вводят в количестве 1 ...4%. После спекания в материале сохраняется 15...35 % пор, которые заполняются маслом. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочное масло, т.е. коэффициент трения дополнительно снижается, когда масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения поры раскрываются и смазки поступает больше (автоматическое регулирование подачи смазки). Подшипники работают при скоростях в системе до 3 м/с, используются в труднодоступных для смазки агрегатах.

ВЫВОДЫ

Антифрикционными называются сплавы, служащие для изготовления легко сменяемых трущихся машинных частей и способствующие уменьшению трения и износа деталей.

Из антифрикционного сплава изготовляют легко сменяемые по мере износа части (вкладыши, подшипники); материал для этих деталей должен обладать такими качествами, чтобы при износе их соприкасающаяся с ними трудно заменяемая часть машины не истиралась. Это возможно только в том случае, когда трущиеся части сделаны из разного материала, причем материал наиболее ценной детали должен быть тверже материала, из которого сделана легко сменяемая деталь: следовательно, твердость антифрикционного сплава должна быть ниже твердости шейки вала.

С другой стороны, антифрикционный сплав должен также быть и достаточно прочным, чтобы выдерживать действующую на него нагрузку. Кроме того, необходимо, чтобы антифрикционный сплав обладал достаточной пластичностью, позволяющей ему прирабатываться к шейке вала, обеспечивая таким образом равномерное распределение нагрузки в различных точках трущихся поверхностей. Наконец, антифрикционный материал должен хорошо «держать» смазку, т. е. удерживать тонкий слой смазки на всей плоскости соприкосновения трущихся деталей. Для удовлетворения таким разнообразным и отчасти противоположным требованиям антифрикционный сплав должен быть неоднородным по структуре и состоять из пластичной массы с включенными в нее более твердыми зернами материала.

Антифрикционные качества бронзы обусловливаются неодинаковой твердостью отдельных составляющих ее структуры. Применяемая для подшипников бронза содержит олова обычно меньше 13,9%; меньшую твердость в таком материале будут иметь более богатые медью оси -- дендриты и большую -- более оловянистые междуосные участки дендритов с включенными в них кристаллами химического соединения.

Размещено на Allbest.ru