Материалы, устойчивые к усталостному виду изнашивания

Циклические контактные напряжения сжатия, а также циклические напряжения при изгибе вызывают усталостное выкрашивание или образование усталостных трещин. Этот вид изнашивания характерен для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса.

Подшипниковая сталь.

Подшипники качения работают в основном при низких динамических нагрузках и больших контактных напряжениях. Основным эксплуатационным свойством подшипников качения является контактная выносливость, определяемая усталостным выкрашиванием.

Для изготовления шариков, роликов и колец подшипников применяют хромистые стали ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20ГС (ГОСТ 801-78) и др.

Типичной термической обработкой этих сталей является неполная закалка (820-850°С) и низкий отпуск при 150-170°С с последующей стабилизирующей обработкой холодом (-70, -80°С). Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют хромистую коррозионно-стойкую сталь 95X18.

Материалы для зубчатых колес.

Ресурс работы зубчатых колес, так же как и подшипников качения, регламентируется контактной выносливостью. Кроме того, зубчатые колеса должны обладать высоким сопротивлением усталости и стойкостью к абразивному и окислительному износам.

Всем этим требованиям в большей степени будут удовлетворять стали, имеющие твердый поверхностный слой в сочетании с вязкой, но достаточно прочной сердцевиной. Такого сочетания свойств можно достичь термической или химико-термической обработкой низко- и среднеуглеродистых сталей. Для зубчатых колес, работающих при небольших нагрузках и скоростях, в условиях массового производства применяют стали марок 40, 45, 50, 40Х, 40ХН с последующей нормализацией и улучшением. Их можно подвергать поверхностной и объемной индукционной закалке с последующим низким отпуском.

Для мелких и средних зубчатых колес сельскохозяйственных машин и приборов используют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20Х, 20ХР и другие с последующей цементацией и термической обработкой. Термическая и химико-термическая обработки приводят к значительной деформации зубчатых колес, что вызывает необходимость зубошлифования.

Средненагруженные зубчатые колеса изготовляют из сталей 40ХФА, 38ХМЮА, 38ХНЗМФА и др. (ГОСТ4543-71). Наибольшую износостойкость этим сталям обеспечивает азотирование. Для сильнонагруженных зубчатых колес диаметром 600мм и более применяют хромоникелевые стали 20ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.

Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления вкладышей подшипников скольжения и создания покрытий монолитных деталей. Основное их назначение - обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения, а тем самым - высокую износостойкость сопрягаемых деталей. Необходимые свойства антифрикционным материалам обеспечивает сочетание высокой теплопроводности, смачиваемости смазочным материалом, прирабатываемости и способности к образованию на поверхности защитных пленок. В зависимости от условий эксплуатации можно выделить следующие группы антифрикционных материалов: металлические, неметаллические, композиционные и минералы.

Металлические материалы.

Металлические материалы по своей структуре можно разделить на сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями и сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относят баббиты и некоторые марки бронз и латуней. Мягкая матрица способствует хорошей прирабатываемости, а твердые включения в ней обеспечивают высокую износостойкость этих материалов. Лучшими антифрикционными свойствами обладают баббиты: на оловянной основе Б83, Б88; на свинцовой БС6, Б16, БН (ГОСТ 1320-74), а также свинцово-кальциевые БКА и БК2 (ГОСТ 1209-78). Вследствие низкого сопротивления усталости и дороговизны олова баббиты используют в основном для тонкого (до 1мм) покрытия рабочей поверхности опор скольжения и подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т. п.), работающих при больших скоростях (30…50м/с) и больших нагрузках (10…15МПа).

При средних скоростях скольжения (10…15м/с) и больших нагрузках (15…20МПа) целесообразно применять бронзы: оловянистые типа БрО10Ф1, БрО10Ц2 или оловянисто-цинково-свинцовистые БрО5Ц5С5, БрО6Ц6СЗ и др. (ГОСТ 613-79).

В последнее время бронзы широко применяют в качестве основного компонента порошковых антифрикционных материалов или пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.

При малых скоростях скольжения (2,0…5,0м/с) и значительных нагрузках (10,0…25,0МПа) применяют двухфазные латуни ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ40Мц3А и др. (ГОСТ 17711-80). По антифрикционным свойствам латуни уступают бронзам.

К сплавам с твердой матрицей и мягкими включениями относят: свинцовистую бронзу БрС30 (ГОСТ 493-79), сплавы алюминия с оловом типа АО9-2 (ГОСТ 14113-78), а также чугуны: серые СЧ15, СЧ20, АСЧ-1, высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2, ковкие АЧК-1, АЧК-2 и др. (ГОСТ 1585-85). Мягкими составляющими в этих сплавах являются соответственно: включения свинца, олова, графита, выполняющие роль смазочного материала.

Неметаллические материалы.

Для подшипников скольжения широко применяют пластмассы - термореактивные и термопластичные (полимеры).

Из термореактивных пластмасс применяют в основном текстолит. Он вполне пригоден для подшипников, работающих в тяжелых условиях (прокатные станы, гребные винты и т. д.), при введении смазочного материала и охлаждении водой. Допустимый режим работы таких подшипников - давление до 15МПа при скоростях скольжения 7...8м/с.

Большое распространение получили полимеры: полиамиды ПС10, анид, капрон (ГОСТ 10589-87) и фторопласт Ф4, Ф40, Ф42. К преимуществам полимеров относят низкий коэффициент трения, высокие износостойкость и коррозионную стойкость. Существенными недостатками полимеров являются: низкая теплопроводность и «ползучесть» под нагрузкой. В связи с этим полимеры применяют при давлениях до 10МПа и ограниченных скоростях скольжения 3…5м/с.

Композиционные материалы.

Композиционные материалы, сочетающие в себе высокие прочностные и антифрикционные свойства, применяют главным образом для изготовления самосмазывающихся подшипников. Эти материалы можно разделить на три основные группы: композиции с наполнителями, комбинированные и порошковые материалы.

Для работы при температурах до 600°С в коррозионных средах широко применяют порошковые материалы на основе: железографита - ЖГр1, ЖГр3Цс4, ЖГр3М15; железоникелевых сплавов - ЖНГрЗМ15, ЖНБМ; коррозионно-стойких сталей - Х18Н15КБ, Х20К6 и др. Подшипники скольжения из порошковых твердых сплавов ВК2, ВКЗ, ВК6 и силицированного графита СГ-Т, СГ-П могут работать в условиях более высоких температур, давлений, в агрессивных средах и в присутствии абразива.

В тех же условиях, но при температурах 1000°С и выше применяют подшипники из минералокерамики - корундовой ЦМ-332 или стеатитовой ТК-21, пропитанной графитом или МоS₂.