Структура и свойства материала исследуемого подшипника скольжения

Подшипники перезаливают в тех случаях, когда износ антифрикционного сплава вызывает недопустимый прогиб коленчатого вала; трещины и выкрошившиеся участки антифрикционного сплава занимают площадь более 45% рабочей поверхности; антифрикционный сплав отстает от поверхности подшипника более чем на 10% площади.

Технологически перезаливка подшипника состоит из трех операций: удаления старого антифрикционного сплава, подготовки подшипника под заливку и заливки. Перед удалением старого слоя баббита подшипник тщательно очищают от загрязнений, масла и других механических наслоений. Затем обезжиривают кипячением в 10%-ном растворе каустической соды в течение 10 мин и промывают водой, подогретой до 80--90°С. Старый баббит удаляют механическим путем, если толщина его не превышает 10 мм, или нагреванием вкладыша с тыльной стороны паяльной лампой (в печи, на горне) до температуры размягчения сплава (240--260°С). В последнем случае баббит легко отделяется от стенок вкладыша. Затем вкладыши зачищают от остатков баббита металлической щеткой и травят (погружают в зависимости от загрязнения на 1--2 мин в 5%-ный раствор соляной кислоты или на 5--10 мин в 10--15%-ный раствор серной кислоты), промывают горячей водой, протирают насухо или просушивают в сушильном шкафу. Цель травления -- удалить с поверхности твердую пленку окислов, препятствующих соединению баббита с материалом вкладыша. Для лужения (защиты от коррозии) поверхности вкладышей используют чистое олово или специально приготовленные оловянисто-свинцовые припои. Лужение выполняют двумя способами. Один из них, применяемый при групповой или массовой заливке подшипников, заключается в погружении подготовленного вкладыша или подшипника в сборе в ванну с припоем. Перед погружением в ванну поверхности вкладышей, не подлежащие лужению, обмазывают пастой, состоящей из 30% мела, 2% столярного клея и 68% воды. При индивидуальной заливке лужение производят вручную натиранием нагретого вкладыша прутком припоя или олова. Чтобы предотвратить окисление, поверхность, подлежащую лужению, покрывают флюсом. В качестве его обычно используют хлористый аммоний (нашатырь) в соединении с хлористым цинком.

Для заливки подшипника вручную предварительно облуженные вкладыши 1 (рис. 3.2., а) собирают на асбестовых прокладках, стягивают бугелями 3 и устанавливают на плиту 5. Толщина прокладок в стыках вкладышей с учетом припуска на механическую обработку должна быть 2--5 мм. В собранном подшипнике по центру устанавливают сердечник 2 в. виде пустотелого стального цилиндра. Фланец сердечника и торец подшипника уплотняют асбестовой прокладкой и огнеупорной глиной. Подшипник собирают на плите с помощью струбцин 4, хомутов, стальных угольников и планок 6 (рис. 3.2., б). Вкладыши 9 больших подшипников заливают раздельно и устанавливают на плите 8, имеющей форму угольника. Полость заливки вкладыша баббитом образует шаблон 7 в виде полуцилиндра с боковыми фланцами. Для свободного удаления сердечника после заливки наружную поверхность его покрывают графитовой мастикой или натирают древесным углем. Чтобы предотвратить утечку расплавленного металла, неплотности замазывают смесью асбеста и огнеупорной глины.

Рис. 3.2 - Приспособления для заливки подшипников вручную

По окончании формовки подшипники подогревают и заливают расплавленным в специальном тигле баббитом. Перед заливкой баббит тщательно перемешивают и очищают верхний слой от шлака и окислов. Заливку следует производить быстро, короткой и непрерывной струей. После заливки для быстрого выхода газов рекомендуется слой баббита проколоть в нескольких местах тонкой луженой иглой. По окончании заливки подшипник, начиная с его нижней части, интенсивно охлаждают, струей воздуха или водой.

На судоремонтных предприятиях широко применяют также центробежный способ заливки подшипников. Вкладыши при этом зажимают между двумя дисками, помещенными в сварном кожухе. В быстро вращающиеся на токарном станке или в специальном приспособлении вкладыши через воронку заливают расплавленный баббит. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении вкладышей, расплавленный баббит хорошо уплотняется и распределяется равномерным слоем по всей их внутренней поверхности. При ручной заливке наблюдается большой расход баббита, неравномерность его структуры и неодинаковое качество прилегания к поверхности вкладыша. Этих недостатков не имеет центробежная заливка металла, применяемая при групповой и массовой перезаливке подшипников.

Баббит является высококачественным антифрикционным сплавом. К недостаткам баббита относят высокую стоимость, способность размягчаться при нагревании свыше 100°С и низкую усталостную прочность, в результате которой он растрескивается и выкрашивается, особенно при слое значительной толщины. Поэтому толщина баббитовой заплавки допускается не более 2--3 мм.

Свинцовистая бронза выдерживает более высокие нагрузки, чем баббит, и не теряет механические свойства при нагревании до 200°С.

Для ремонта тонкостенных вкладышей, заливаемых баббитом или свинцовистой бронзой, необходимо специальное оборудование. Поэтому при наличии дефектов у тонкостенных

вкладышей их заменяют новыми. Изготовление новых вкладышей и заливку их баббитом или свинцовистой бронзой производят только на специализированных ремонтных предприятиях. Такие вкладыши выпускают с несколькими ремонтными размерами по внешнему и внутреннему диаметрам.

Центробежная заливка

Для осуществления центробежной заливки вкладышей использую приспособление, устанавливаемое в патроне токарного станка, переносный станок. При заливке в приспособлении нагревают вкладыш 1 до 200 -- 260°С и зажимают между дисками 2, после чего включают станок и при вращении шпинделя заливают в воронку 3 необходимое количество расплавленного баббита.

Оптимальное число оборотов n шпинделя станка, при котором создается необходимое центробежное усилие, определяют по формуле:

,

где: К -- коэффициент, принимаемый для баббита на свинцовистой основе 1400, а на оловянистой основе 1700; -- внутренний радиус вкладыша перед заливкой баббитом, см. Это приспособление неудобно тем, что необходимо занимать токарный станок, который может быть использован по своему прямому назначению. Кроме того, плавить баббит и заливать его во вкладыш приходится в токарном цехе, что не всегда возможно и весьма небезопасно для работающих на соседних станках.

Рисунок 3.3 - Центробежная заливка вкладышей баббитом

Все эти неудобства устраняются при применении специального переносного станка для центробежной заливки вкладышей баббитом. На сварной станине 4 станка, выполненной из швеллеров, установлены две стойки 16 для корпусов шарикоподшипников.

Шпиндель 7 станка изготовлен из толстостенной трубы диаметром 76 мм. На шпиндель насажены два шарикоподшипника № 1315, заключенные в буксы 8, шкив 6 с двумя ручьями для клиновидных ремней и упорное кольцо 9, приваренное к шпинделю.

В конец шпинделя вварена гайка с резьбой МЗО, в которую ввернут выпрессовочный винт МЗО с головкой 5, обработанной под квадрат.

На втором конце шпинделя (со стороны упорного кольца) нарезана резьба, на которую навернута чугунная букса 12 с внутренней поверхностью, проточенной на конус. В буксу закладывают выпрессовочный диск и вкладыши, подлежащие заливке, предварительно вложенные в переходную чугунную втулку.

Втулка имеет продольный разрез по всей длине. Конусность наружной поверхности втулки соответствует конусности внутренней поверхности буксы. Внутренняя поверхность втулки цилиндрическая и соответствует наружному диаметру вкладышей.

Букса с заложенным в нее выпрессовочным диском и вкладышами в переходной втулке закрывается крышкой 11, закрепляемой болтами. В центре крышки имеется отверстие для прохода трубы от воронки 10, через которую вкладыши наполняют расплавленным баббитом. Воронка с вваренной в нее трубой укреплена на поворотной стойке 13, положение которой после установки вкладышей, закрепления крышки и ввода трубы от воронки в отверстие крышки фиксируется пружинным устройством.

Под шпинделем станка, на станине, размещена плита 15, на которой установлен двигатель 14 мощностью 1,7 кВт со скоростью вращения 1420 об/мин. На станине имеется болт для присоединения станка к сети заземления.

На валу двигателя насажен шкив 17. Передача (1:2) от шкива двигателя к шкиву на шпинделе осуществляется клиновидными ремнями. Все вращающиеся части, кроме буксы 12, закрываются съемным кожухом.

Чтобы можно было заливать вкладыши подшипников разных габаритных размеров, станок имеет несколько переходных втулок, внутренние диаметры которых соответствуют наружным диаметрам вкладышей. Расточка внутренней поверхности буксы рассчитана на установку переходной втулки для вкладышей наибольшего диаметра. Вкладыши заливает один рабочий.

3.3 Технология изготовления триметаллического вкладыша

Вкладыш подшипника скольжения является критической деталью двигателя внутреннего сгорания, т.е. функционирование двигателя напрямую связано с качеством вкладыша, а отказ в его работе неминуемо приводит к аварийной остановке и дорогостоящему ремонту.

Чаще всего преждевременный выход из строя подшипников скольжения связан с особенностями материалов, из которых он изготовлен. Вкладыши, произведенные разными компаниями-изготовителями, могут внешне выглядеть одинаковыми и иметь размеры, соответствующие чертежу. Однако уровень надежности их работы в двигателе в значительной мере зависит от типа и параметров микроструктуры материалов, из которых они изготовлены.

Триметаллический вкладыш

Наилучшим сочетанием всех требуемых характеристик подшипникового материала обладает триметаллический вкладыш на основе свинцовистой бронзы.

Конструкция триметаллического вкладыша представлена на рис. 3.4

Рисунок 3.4 - Триметаллический вкладыш

· Стальное основание обеспечивает жесткость, натяг и плотное прилегание вкладыша к поверхности постели, сохраняющиеся при повышенных температурах и под воздействием радиальных и тангенциальных сил.

· Промежуточный слой служит подложкой для антифрикционного покрытия. Промежуточный слой, как правило, изготавливается из свинцовистой бронзы и должен обладать антифрикционными свойствами, необходимыми для предотвращения задира в местах локального износа антифрикционного покрытия. В то же время промежуточный слой должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать циклические нагрузки без риска образования усталостных трещин. Свинец, благодаря своим высоким антифрикционным свойствам, является неотъемлемым компонентом бронз, используемых для формирования промежуточного слоя. Содержание свинца в бронзе может доходить до 25%.

· Никелевый подслой толщиной 1-2 микрона наносится на поверхность промежуточного слоя непосредственно перед нанесением антифрикционного покрытия. Подслой никеля служит барьером, предотвращающим диффузию олова из материала покрытия в бронзу промежуточного слоя. В отсутствии никелевого диффузионного барьера содержание олова в свинцовистом сплаве покрытия постепенно уменьшится, что может привести к снижению его коррозионной стойкости. Кроме того, никелевый подслой предотвращает образование хрупкого интерметаллического слоя соединения олова и меди на поверхности бронзы.

· Антифрикционное покрытие обеспечивает антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, задиростойкость, прирабатываемость и способность поглощать твердые включения в масле. Как правило антифрикционные покрытия производятся из свинцовистого сплава, легированного оловом и медью. Олово защищает свинцовистый сплав от коррозии в окисленном масле. Медь повышает прочность и износостойкость покрытия.

Только сбалансированность свойств, состава и толщин слоев триметаллического вкладыша гарантирует высокий уровень его эксплуатационных свойств.

3.3.1 Технология производства литой сталебронзовой ленты

Характеристики и особенности сталебронзовой ленты в решающей мере определяют прочность и антифрикционные свойства вкладышей, из нее изготовленных.

В ДЗВ сталебронзовая лента производится по технологии непрерывного литья, схематично изображенной на рис.3.5

Рисунок 3.5 - Схема процесса производства литой сталебронзовой ленты (ДЗВ)

В этом процессе стальная полоса вначале обезжиривается и зачищается абразивной лентой. После зачистки полоса подогревается в восстановительной атмосфере и входит в зону литья, где бронзовый расплав через специальный питатель поступает на зачищенную поверхность стали. В зоне охлаждения тепло расплава отводится вертикально вниз через стальную полосу.

Направление теплоотвода и его интенсивность исключительно важны для формирования требуемой столбчатой структуры бронзы с кристаллитами перпендикулярными поверхности раздела сталь-бронза.

Фотография типичной микроструктуры литой сталебронзовой ленты ДЗВ представлена на рис.3.6.

Рисунок 3.6 - Микроструктура литой сталебронзовой ленты (сканирующий электронный микроскоп)

На фото отчетливо видна вертикальная направленность (столбчатость) структуры бронзы, представляющей собой дендритные кристаллиты, между ветвями которых находятся включения свинца.

Поверхность раздела сталь-бронза не имеет дефектов и не содержит свинцовых включений, что гарантирует прочную адгезию слоев стали и бронзы.

Функциональные характеристики литой структуры:

1) Столбчатые кристаллиты меди обеспечивают усталостную прочность - сопротивляемость бронзового слоя циклическим нагрузкам, направленным перпендикулярно поверхности вкладыша.

2) Свинец, заполняющий пространство между ветвями дендритов, придает бронзе антифрикционные свойства, “смазывая” её поверхность при прямом трении с поверхностью вала.

3) Прочная адгезия со сталью, сформировавшаяся при температуре литья (выше 1000 °С) предотвращает отслоение бронзового слоя при высоких нагрузках на вкладыш во время его эксплуатации.

Таким образом, структура сталебронзового материала, произведенного по литейной технологии, гарантирует максимально высокую прочность в сочетании с хорошими антифрикционными свойствами.

3.3.2 Альтернативные процессы производства сталебронзовой ленты и их недостатки

Производство сталебронзовой ленты методом спекания.

Наиболее распространенной альтернативой литейной технологии является процесс производства сталебронзовой ленты методом порошковой металлургии (спекания).

Этот процесс популярен среди компаний, производящих вкладыши для средненагруженных двигателей.

В процессе производства спеченной бронзы на предварительно обезжиренную и зачищенную поверхность стали насыпается порошок бронзы, после чего лента входит в длинную муфельную печь спекания. В печи создается восстановительная атмосфера, способствующая разложению окисной пленки, покрывающей поверхность частиц порошка.

По выходе из печи лента со спеченной пористой бронзой подвергается компактизации на прокатном стане, после чего процесс спекания и прокатки повторяется.

Как видно на фото (рис.3.7.) микроструктура спеченной бронзы состоит из округлых кристаллитов меди, окруженных свинцом.

Рисунок 3.7 - Микроструктура спеченной сталебронзовой ленты (сканирующий электронный микроскоп)

В отличии от литой столбчатой структуры спеченная бронза в меньшей степени способна сопротивляться нагрузкам. Кроме того, спеченная бронза часто содержит незакрытые поры, дополнительно снижающие ее усталостную прочность.

По данным английской фирмы Glacier усталостная прочность спеченной бронзы на 20% ниже, чем у литой. Именно поэтому вкладыши, предназначенные для эксплуатации при экстремально высоких нагрузках (например в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива), всеми ведущими компаниями в мире изготавливаются только из литой сталебронзовой ленты.

Производство сталебронзовой ленты методом плакирования.

Еще одной альтернативной технологией является процесс получения сталебронзовой ленты методом холодной прокатки (плакирования).

Этот процесс заключается в совместной прокатке двух обезжиренных и зачищенных лент стали и бронзы с обжатием около 60%. Бронзовая лента предварительно плакируется с обеих сторон медной фольгой для обеспечения адгезии со сталью.

После совместной прокатки сталебронзовая лента отжигается в печи в восстановительной атмосфере для снятия внутренних напряжений.

После отжига лента прокатывается на окончательный размер.

На приведенной ниже фотографии представлена микроструктура ленты, полученной методом холодной прокатки.

Рисунке 3.8 - Микроструктура плакированной сталебронзовой ленты (сканирующий электронный микроскоп)

Совершенно очевидны два недостатка представленной микроструктуры: дефекты в виде пор в слое медной фольги и очень низкое содержание свинца в бронзе.

Поры несомненно снижают надежность и усталостную прочность вкладышей, изготовленных из такой ленты.

Что касается содержания свинца в бронзе, то оно составляет всего 2.5%, что примерно в 10 раз ниже концентрации, необходимой для надежного функционирования триметаллических вкладышей. Антифрикционные свойства такой бронзы очень низки, и при возникновении металлического контакта с материалом вала создаются условия для задира и схватывания.

Покрытия триметаллического вкладыша ДЗВ

Основная функция покрытия триметаллического вкладыша заключается в обеспечении антифрикционных свойств в условиях прямого металлического контакта с поверхностью вала.

Покрытие играет роль твердой смазки, снижающей коэффициент трения, обеспечивающей прирабатываемость вкладыша, предотвращающей задир и абсорбирующей чужеродные частицы, циркулирующие с маслом. В этом смысле, чем мягче покрытие, тем в лучшей мере оно выполняет эти функции.

Гальваническое покрытие из свинцовистого сплава.

С точки зрения антифрикционных свойств из всех металлов свинец как нельзя лучше подходит в качестве материала покрытия. Однако нельзя забывать, что покрытие должно противостоять ударным нагрузкам и износу, т.е. быть достаточно прочным.

Для повышения твердости и усталостной прочности свинец легируется медью в небольших концентрациях. Покрытие вкладышей ДЗВ содержит 2-3% меди. Другая легирующая добавка - олово (8-12%), подавляющее коррозию свинцовистого сплава в окисленном масле.

Помимо химического состава, очень важным параметром покрытия является его толщина. С одной стороны, толстое покрытие в большей степени обеспечивает антифрикционные свойства. Однако повышение толщины покрытия отрицательно сказывается на величине его усталостной прочности. Оптимальное значение толщины зависит от минимально допустимой величины ударной прочности и уровня антифрикционных свойств, требуемых для конкретного вкладыша.

На приведенной ниже диаграмме показано, каким образом определяется оптимальная толщина покрытия для вкладышей ДЗВ, предназначенных для эксплуатации в тяжелонагруженных двигателях КАМАЗ.

Рисунок 3.9 - Оптимизация толщины гальванического покрытия

Как видно из графика, с ростом толщины покрытия его усталостная прочность падает, а антифрикционные свойства улучшаются. Наилучшее сочетание эксплуатационных свойств вкладыша для данного типа двигателей достигается при толщине покрытия 22 мкм. Несоответствие толщины покрытия оптимальной величине снижает надежность и долговечность вкладыша и двигателя в целом. Слишком тонкое покрытие приводит к преждевременному износу и возможному задиру. Покрытия с толщиной, превышающей оптимальное значение, склонно к разрушению в результате усталости.

Как антифрикционное покрытие, так и никелевый подслой наносятся на поверхность вкладышей ДЗВ гальваническим методом на высокопроизводительных автоматических линиях электролитических покрытий.

Таким образом, химический состав и толщина гальванического свинцовистого покрытия вкладышей ДЗВ тщательно сбалансированы, что обеспечивает оптимальное сочетание прочности, износостойкости и антифрикционных свойств.

Покрытие ПВД из сплава алюминий-олово.

Последние инженерные разработки в области конструирования двигателей внутреннего сгорания выдвигают новые требования к подшипниковым материалам.

В первую очередь это касается повышения уровня необходимой усталостной прочности.

В современных дизельных двигателях с турбонаддувом и системой топливоподачи типа "Common Rail давление в цилиндрах превышает 200 атм. Соответственно велика и нагрузка на вкладыши, как шатунные, так и коренные. Давление на верхние шатунные и иногда на нижние коренные вкладыши в таких двигателях превышает предел усталостной прочности относительно мягкого покрытия из свинцовистого сплава, составляющий около 60 МПа.

Для двигателей такого типа необходимы вкладыши, имеющие значительно более прочное покрытие с пределом усталостной прочности порядка 120 МПа.

Для создания покрытий такого уровня прочности используется метод напыления из газовой фазы (ПВД). Покрытие ПВД (на западе используется термин sputter/спаттер) наносится отдельными атомами или небольшими кластерами атомов, выбиваемыми положительными ионами аргонной плазмы из материала катода (мишени) в пространстве вакуумной камеры.

Вкладыши с покрытием ПВД изготавливаются только из литой сталебронзовой ленты, поскольку только ее структура обеспечивает необходимый уровень усталостной прочности.

Вначале наносится подслой (диффузионный барьер) из сплава никель-хром, после чего наносится само покрытие, представляющее собой сплав алюминий-олово.

Метод нанесения покрытия позволяет сформировать сплав твердостью порядка 100 НV, что почти на порядок выше твердости гальванического свинцовистого покрытия. Покрытие ПВД содержит 20% олова для придания сплаву антифрикционных свойств.

Фрагмент микроструктуры триметаллического вкладыша ДЗВ с покрытием ПВД представлен на рис.3.10.

Рисунок 3.10 - Покрытие ПВД на вкладыше ДЗВ (сканирующий электронный микроскоп)

Микроструктуру покрытия отличает мелкодисперсность, химическая однородность, бездефектность и плотное прилегание к поверхности литой бронзы вкладыша ДЗВ.

Вкладыши ДЗВ на основе литой сталебронзовой ленты с особо прочным покрытием ПВД из сплава алюминий-олово имеют уровень усталостной прочности, необходимый для надежной работы в экстремально нагруженных дизельных двигателях с турбонаддувом и системой топливоподачи типа "Common Rail.

IV. Структура и свойства исследуемого подшипника скольжения

4.1 Введение

Материалом исследования служит деталь: коренной вкладыш коленчатого вала двигателя ЯМЗ - 238, изготовленный на Ярославском моторном заводе(рис. 4.1., а, б, с.)

а

Рисунок 4.1 - Коренной вкладыш коленчатого вала Маркировка коленчатого вала: 238ДК-1005015-30

Диаметр коренных шеек, мм: 110-0,022

Маркировка коренного вкладыша: 236 - 1005171 - В

Толщина коренного вкладыша, мм: 2,965 - 0,012

На представленном образце исследовалось:

1) Технология изготовления

2) химический состав материала;

3) твердость материала;

4) микроструктура сплава

Из исследования выяснили, что коренной вкладыш был изготовлен по технологии: Триметаллический вкладыш на основе свинцовистой бронзы.

Толщину баббитовой заливки принимают обычно 3 - 6 мм для чугунных, 2 - 4 мм для стальных и 0, 5 - 3 мм для бронзовых вкладышей.

Конструкция триметаллического вкладыша представлена на рис.4.2.

Рисунке 4.2 - Триметаллический вкладыш

· Стальное основание обеспечивает жесткость, натяг и плотное прилегание вкладыша к поверхности постели, сохраняющиеся при повышенных температурах и под воздействием радиальных и тангенциальных сил.

· Промежуточный слой служит подложкой для антифрикционного покрытия. Промежуточный слой, как правило, изготавливается из свинцовистой бронзы и должен обладать антифрикционными свойствами, необходимыми для предотвращения задира в местах локального износа антифрикционного покрытия. В то же время промежуточный слой должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать циклические нагрузки без риска образования усталостных трещин. Свинец, благодаря своим высоким антифрикционным свойствам, является неотъемлемым компонентом бронз, используемых для формирования промежуточного слоя. Содержание свинца в бронзе может доходить до 25%.

· Никелевый подслой толщиной 1-2 микрона наносится на поверхность промежуточного слоя непосредственно перед нанесением антифрикционного покрытия. Подслой никеля служит барьером, предотвращающим диффузию олова из материала покрытия в бронзу промежуточного слоя. В отсутствии никелевого диффузионного барьера содержание олова в свинцовистом сплаве покрытия постепенно уменьшится, что может привести к снижению его коррозионной стойкости. Кроме того, никелевый подслой предотвращает образование хрупкого интерметаллического слоя соединения олова и меди на поверхности бронзы.

· Антифрикционное покрытие обеспечивает антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, задиростойкость, прирабатываемость и способность поглощать твердые включения в масле. Как правило, антифрикционные покрытия производятся из свинцовистого сплава, легированного оловом и медью. Олово защищает свинцовистый сплав от коррозии в окисленном масле. Медь повышает прочность и износостойкость покрытия.

Только сбалансированность свойств, состава и толщин слоев триметаллического вкладыша гарантирует высокий уровень его эксплуатационных свойств.

4.2 Определение химического состава сплава

Таблица 4.1 - Химический состав стали 45 в % материала 45ГОСТ 1050 - 88

Таблица 4.6 - Химический состав оловянных и свинцовых баббитов ГОСТ 1320-74

В результате проведенных исследований было установлено соответствие материала сплава требованиям ГОСТ 1320-74 на сплав Баббит Б-16.

4.3 Определение механических свойств

Твердость образца определяли на твердомере ТК-2М по ГОСТу 13407-67, который предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла в соответствии с ГОСТом 9013-59.

В качестве индентора используются стальной шарик диаметром (5±0,004) мм по ГОСТ 3722-81 с твердостью не менее HV 850, степень точности 20.

Пределы измерения твердости: шкала В - 25...100 HRВ при нагрузке 100 кгс.

Метод Роквелла

Мемтод Роквемлла является методом проверки твёрдости материалов. Из-за своей простоты этот метод является наиболее распространённым способом проверки твёрдости материалов. Способ основан на проникновении твёрдого наконечника в материал и измерении глубины проникновения.

После подготовки поверхности образца и выбора шкалы устанавливается соответствующая нагрузка и индентор (шарик или алмазный конус). Образец помещают на столик прибора и при помощи маховика приводят в соприкосновение с наконечником, создавая предварительную нагрузку в 100 Н, что отмечается на циферблате установкой маленькой стрелки против красной точки. При этом большая стрелка должна занять вертикальное положение, указывая вверх с отклонением ±5 делений шкалы от вертикали. Если отклонение стрелки превышает 5 делений, предварительная нагрузка должна быть снята, а измерение твердости произведено в другой точке образца.

Затем совмещает большую стрелку с нулем черной шкалы (независимо от выбранной шкалы измерения) и нажатием на рычаг дают основную нагрузку.

После полной остановки движения стрелки (через 2-3 с) производится отсчет твердости по шкале индикатора. Необходимо помнить, что при измерении алмазным конусом отсчет твердости производится по черной шкале, а при измерении стальным шариком - по красной шкале. Несмотря на ряд недостатков метода Роквелла: условность величины определяемой твердости, малая точность измерения этот метод широко применяется для массового контроля.

Существует несколько шкал для проверки твёрдости, основанных на комбинации «индентор (наконечник) - нагрузка». Используются три типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм), такой же шарик из твёрдой стали (не рекомендуется) и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки - 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки. Значения твёрдости по методу Роквелла предваряются буквой A, B или C.

Таблица 4.7 - Основные шкалы твёрдости по Роквеллу

4.3.1 Результаты измерения твердости

На образце измерение твердости по Роквеллу проводилось по 5 отпечаткам по ГОСТ 9012-59. В качестве индентора использовался стальной шарик диаметром 5 мм.

Таблица 4.8 - Результаты измерений твердости

4.4 Металлографические исследования

Из металла, вырезанного из корпуса подшипника были изготовлены образцы, которые подвергались термической обработке: Отжиг при 780 с последующей выдержкой 1-2 мин. и охлаждение с печью. Образцы залили в обойму эпоксидной смолой, для изготовления шлифов. Впоследствии образцы подвергались шлифованию, полированию и травлению для изучения микроструктуры.

Микроанализ структуры проводился с использованием металлографического микроскопа МЕТАМ ЛВ-41. Травление микрошлифов осуществлялось 5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

Фотографии микроструктуры делали до отжига с увеличением 100 (рис. 4.5.)

а

б

Рисунок 4.5 - Микроструктура подшипника скольжения. (Сталь - Бронза -Баббит)

На фотографии микроструктура стали: Феррит +перлит

Микроструктура бронзы:

Микроструктура баббита:

Фотографии микроструктуры делали после отжига с увеличением 100 (рис.4.6.)

1) Структура стали 45: Феррит + Перлит

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50°С выше температуры, соответствующей точке А_С3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

Критическая точка А_с3 стали 45 равна 780єС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением полного отжига составляет 810-830єС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до А_r3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до А_r1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре А_r1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже А_r1 из аустенита будет образовываться перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. Отжиг облегчает обработку, резание стали.

Сталь 45 после отжига имеет структуру перлита и феррита. Твердость HB стали 45 после полного отжига 43 HRB.

2) Для триметаллических подшипников в качестве промежуточного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца без олова (БрС30) или с 1%Sn. Бронза БрС30 относится к антифрикционным материалам с твердой матрицей (практически чистая медь, Си) и мягкими включениями (поры заполненные свинцом 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.4.7. изображена микроструктура БрС30.

Рисунок 4.7 - Микроструктура бронзы БрС30 - темные кристаллы богатые, Cu; светлые кристаллы богатые, Sn

Таблица 4.9 - Химический состав в % материала БрС30

3) 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. В сплаве Б16 первично выделяются кристаллы соединения Cu6Sn5, затем двойная эвтектика b+Cu6Sn5 и тройная эвтектика d+b+Cu6Sn5. Фаза b - это твердый раствор на соединения SnSh содержащий значительное количество свинца, b -фаза - твердый раствор олова и сурьмы в свинце. Твердыми включениями в этом баббите являются b -фаза (белые граненые кристаллы) и интерметаллид g(Cu6Sn5)- (звездчатые кристаллы). Пластичная основа - эвтектическая смесь (b+g), в которой b - фаза светлая, d -фаза темная (рис. 4.8.). Пестрая структурная составляющая с ярко выраженным эвтектическим строением резко отличает микроструктуру сплава Б16 от микроструктуры баббита Б83.

Рисунок 4.8 - Микроструктура Баббита Б16

Заключение

Изучив литературные данные о структуре и свойствах углеродистых сталей, бронзы и баббита в отожженом состоянии мы сравнили структуру стали, бронзы и баббита в исходном состоянии. В результате чего можно сказать, что микроструктура подшипника скольжения соответствует микроструктуре из справочной литературы. Так же мы выяснили, что отжиг приводит к увеличению зерна и уменьшению твердости.

Измерив твердость сталей в исходном состоянии и после отжига мы можем сделать вывод, что твердость подшипника скольжения после отжига соответствует твердости приведенной в справочниках.

Из сделанных нами выводов, неудивительно, что для уменьшения износа подшипников скольжения в особенности при высоких удельных давлениях следует применять стальные, чугунные или бронзовые корпуса вкладышей, покрытые тонким слоем антифрикционного сплава.

В результате проведенных исследований было установлено соответствие материала для заливки подшипников скольжения требованиям ГОСТ 1320-74 на сплав баббит Б83.

Причиной выхода из строя коренного вкладыша является износ материала.

Список литературы

1. Масленков С.Б., Ляпунов А.И., Зинченко В.М., Ушаков Б.К. Энциклопедический справочник термиста-технолога: в 3-х т, Т2. М.: Наука и технологии, 2004. 608 с.

2. Зубченко А.С. и др.Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

3. Лахтин Ю.М. Металловедение. М.: Металлургия, 1983 . 359 с.

4. Бернштейн М.Л. Металловедение и термическая обработка стали. М.: Металлургия, 1983. 452 с.

5. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986 . 544 с.

6. ГОСТ 1320-74 Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия

7. Потехин Б.А., Глущенко А.Н., Илюшин В.В. Свойства баббита Б83. Технология металлов. 2006. №3. С. 17-23.

8. Потехин Б.А., Илюшин В.В., Христолюбов А.С. Влияние способов литья на структуру и свойства оловянного баббита. «Металловедение и термическая обработка металлов». 2009. №8. С. 16-21.

9. Глущенко А.Н., Потехин Б.А. Устройство и принцип работы машины для заливки подшипников скольжения / Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов: Материалы всероссийской научно-технической конференции г. Екатеринбург Урал. Лесотех. ун-т, 2005. 295 с.

10. Хрущев М.М., Курицина А.Д. Исследование изменений в строении рабочей поверхности баббита в процессе трения и изнашивания // Трение и износ в машинах. М. - Л.: АН СССР. 1950. Т5. С. 76-82.

Размещено на Allbest.ru