Из какого материала делают втулки скольжения

Втулка скольжения — простейший подшипник скольжения цилиндрической формы, устанавливаемый между валом и корпусом для восприятия радиальной (а в исполнениях с буртом — и осевой) нагрузки и снижения трения в сопряжении. От материала подшипникового слоя зависят несущая способность, износостойкость, антизадирные свойства, ремонтопригодность сопряжения и приработка к ответной поверхности вала. Ниже разбирается, из какого материала делают втулки скольжения: оловянные и безоловянные бронзы, баббиты, антифрикционные чугуны, спечённые материалы с пропиткой маслом, полимерные (фторопласт, полиацеталь, полиамид) и металлополимерные композиты, а также критерии выбора по условиям трения и нагружения.

Что требуется от материала втулки

Подшипниковый материал работает в паре со стальным (реже — чугунным) валом и одновременно решает несколько противоречивых задач:

• Низкий коэффициент трения в паре с материалом вала, особенно в режимах граничной и полужидкостной смазки.
• Малая склонность к схватыванию (задиру) при кратковременном пропадании смазки или перегрузке.
• Прирабатываемость — способность поверхности притираться к ответной поверхности вала без задиров и больших начальных износов.
• Высокая износостойкость при выбранных режимах трения.
• Достаточная несущая способность (прочность на сжатие) и сопротивление усталости при пульсирующих нагрузках.
• Способность поглощать продукты износа и абразив, не повреждая вал.
• Совместимость со смазочным материалом и средой эксплуатации — коррозионная стойкость, тепло- и химостойкость.

Терминология и классификация подшипниковых материалов установлены межгосударственным стандартом ГОСТ ИСО 4378-1-2001 «Подшипники скольжения. Термины, определения и классификация. Часть 1. Конструкция, подшипниковые материалы и их свойства».

Режимы трения и группы материалов

Подшипниковые сплавы и неметаллические материалы по твёрдости традиционно делят на три группы. Это разделение определяет, под какой режим трения и какую нагрузку подходит материал.

Универсального материала втулки скольжения не существует. Под каждый сочетания нагрузки, скорости, температуры и режима смазки подбирается своя группа сплавов или полимерный материал; ошибка приводит либо к перегреву и задиру, либо к ускоренному износу вала.

Оловянные бронзы

Литейные оловянные бронзы — классический материал ответственных втулок скольжения. Марки и химический состав регламентирует ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные. Марки». В нём содержатся, в числе прочих, БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО5Ц5С5, БрО10С10, БрО10Ф1, БрО10Ц2 и другие. Литье в кокиль, в песчаную форму, центробежное — основные технологии получения заготовок втулок.

Деформируемые оловянные бронзы (например, БрОФ7-0,2 по ГОСТ 5017-2006) применяют для свертных и точёных втулок, требующих повышенной прочности и точности. Литые втулки изготавливаются непосредственно по ГОСТ 613-79, либо — как монометаллические втулки из медных сплавов — по ГОСТ ИСО 4379-2006 «Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов».

Безоловянные бронзы и латуни

Безоловянные литейные бронзы экономичнее оловянных и часто превосходят их по прочности и коррозионной стойкости в агрессивных средах. Марки и состав установлены межгосударственным стандартом ГОСТ 493-79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки». Наиболее распространены:

• БрА9Ж3Л — алюминиево-железная бронза; высокая прочность и износостойкость, применяется для втулок тяжелонагруженных тихоходных узлов.
• БрА10Ж4Н4Л — алюминиево-железо-никелевая; ещё более высокая прочность и стойкость к коррозии.
• БрАМц9-2Л, БрАЖМц10-3-1,5 — алюминиево-марганцевые и алюминиево-железо-марганцевые; устойчивы в морской воде и слабоагрессивных средах.

Безоловянные бронзы с высоким содержанием алюминия отличаются повышенной твёрдостью и плохо «прирабатываются» — поверхность вала под них должна иметь твёрдость значительно выше HRC рабочей пары, чтобы не получать ускоренного износа. По этой причине алюминиевые бронзы применяют преимущественно в узлах с тщательно подготовленной парой трения.

Латунные втулки (медно-цинковые сплавы) применяют в нетребовательных узлах с малой удельной нагрузкой при наличии стабильной смазки; они дешевле бронзовых, но уступают им по антифрикционным свойствам.

Баббиты

Баббиты — мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе с добавками сурьмы, меди, кадмия, никеля и других элементов. Они предназначены не для изготовления самостоятельных деталей, а для нанесения тонким слоем на основу вкладыша или втулки. Марки и состав установлены ГОСТ 1320-74 «Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия» (с приложением, регламентирующим многослойные материалы для тонкостенных подшипников скольжения по ИСО 4383).

Гетерогенная структура баббита — твёрдые включения сурьмяно-оловянных или сурьмяно-свинцовых интерметаллидов в более мягкой основе — обеспечивает выполнение правила Шарпи: мягкая матрица прирабатывается к валу и удерживает смазку, а твёрдые включения воспринимают основную нагрузку.

Баббит наносится заливкой расплавом на подготовленную основу из стали или бронзы. Для тонкостенных вкладышей применяют также электролитическое осаждение или прокатку слоя баббита толщиной несколько десятков микрометров на пористую подложку.

Свинец и сурьма — токсичные металлы. По ГОСТ 12.1.007 свинец относится к веществам I класса опасности, сурьма — II класса. При плавке, заливке и механической обработке баббитовых изделий обязательны вентиляция, средства индивидуальной защиты и контроль концентрации в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционный чугун для отливок втулок и вкладышей подшипников регламентирует ГОСТ 1585-85 «Чугун антифрикционный для отливок. Марки». Маркируется обозначениями вида АЧС-, АЧВ-, АЧК- с порядковым номером, где:

• АЧС — антифрикционный серый чугун с пластинчатым графитом;
• АЧВ — антифрикционный высокопрочный с шаровидным графитом;
• АЧК — антифрикционный ковкий с компактным графитом.

Антифрикционные свойства чугуна обусловлены графитом, который выходит на поверхность трения и действует как естественная «сухая» смазка. Чугунные втулки и вкладыши применяют для тихоходных тяжелонагруженных узлов с гарантированной смазкой — пары трения с закалёнными стальными валами, ходовые узлы металлургического и горно-обогатительного оборудования.

Чугун чувствителен к ударным нагрузкам и не допускает работу с мягкими валами. Применение требует соблюдения условий, указанных в справочных приложениях к ГОСТ 1585-85: тщательный монтаж без перекоса, непрерывная смазка, исключение перегрева.

Спечённые материалы с пропиткой маслом

Спечённые («металлокерамические») втулки изготавливают из порошков железа, меди, бронзы или их смесей методом холодного прессования и последующего спекания. Получается материал с управляемой пористостью 15-30 % объёма, которая используется в качестве резервуара для масла: перед монтажом втулка пропитывается жидкой смазкой под вакуумом, при работе масло выделяется на рабочую поверхность за счёт нагрева и капиллярных эффектов.

Такие втулки часто называют «самосмазывающимися»: они не требуют подачи масла извне в течение длительного времени. Применяются в малонагруженных бытовых и промышленных узлах, где трудно или невозможно организовать обслуживание: насосы, электродвигатели, бытовая техника, рулевые колонки, шарниры некритических механизмов.

«Самосмазывающаяся» работа спечённой втулки имеет конечный ресурс по запасу масла. После исчерпания пропитки начинается режим сухого трения и ускоренный износ. В ответственных узлах спечённые втулки сочетают со штатной системой смазки или периодически переобогащают маслом.

Полимерные материалы

Полимерные втулки решают задачи, где металлические подшипники неприемлемы: работа без смазки или в загрязнённых средах, контакт с агрессивными жидкостями, малый вес, безшумность хода, электрическая изоляция. Основные конструкционные полимеры для втулок скольжения:

Политетрафторэтилен (PTFE, фторопласт-4)

Политетрафторэтилен обладает одним из самых низких коэффициентов трения среди известных конструкционных материалов и почти полной химической инертностью. Работает без смазки в широком диапазоне температур. Главные ограничения — низкая прочность на сжатие и склонность к холодной текучести (ползучести). В чистом виде применяется редко; обычно используется как тонкий антифрикционный слой на металлической подложке.

Полиацеталь (POM, полиформальдегид)

Жёсткий конструкционный полимер с хорошими антифрикционными свойствами при работе всухую и со смазкой, стойкий к большинству растворителей и нефтепродуктов. Применяется для втулок и направляющих, работающих с умеренными нагрузками и при невысоких температурах.

Полиамиды (PA, в том числе капролон)

Полиамидные материалы — конструкционные термопласты с хорошим сочетанием прочности, вязкости и износостойкости. Литьевые полиамиды (ПА6, ПА66) и блочные полиамиды (капролон, ПА6 блочный) применяются для втулок средней нагруженности. Для повышения трибологических характеристик в полимер вводят дисульфид молибдена, графит, масло, фторопласт — получая маслонаполненный полиамид, графитонаполненный капролон и т. п.

Полиэфирэфиркетон (PEEK) и аналоги

Высокотемпературные технические термопласты, выдерживающие длительную работу при температурах, недопустимых для PA и POM. Применяются в нагруженных узлах ответственного машиностроения; полимер дорог и используется адресно.

Полимеры имеют существенно более высокий коэффициент линейного теплового расширения, чем металлы, и низкую теплопроводность. Зазор в сопряжении и отвод теплоты от рабочей поверхности при проектировании рассчитывают отдельно: «бронзовая» посадка для полимерной втулки заведомо неверна.

Металлополимерные и биметаллические втулки

Современный класс подшипниковых материалов — многослойные композиции, объединяющие прочность стальной основы и антифрикционные свойства тонкого рабочего слоя. Конструкция и материалы свертных втулок установлены серией межгосударственных стандартов:

• ГОСТ ИСО 3547-1-2006 — размеры свертных втулок;
• ГОСТ ИСО 3547-2-2006 — данные для контроля наружного и внутреннего диаметров;
• ГОСТ ИСО 3547-3-2006 — смазочные отверстия, канавки и углубления;
• ГОСТ ИСО 3547-4-2006 — материалы свертных втулок (сплошные и многослойные подшипниковые материалы).

Металлофторопластовые

Конструкция: стальная подложка + слой спечённой пористой бронзы + рабочий слой фторопласта с наполнителями (свинец, дисульфид молибдена, графит и т. п.). Сочетает прочность металла и низкий коэффициент трения PTFE. Требования к свертным втулкам с антифрикционным слоем на основе фторопласта-КV установлены ГОСТ 28773-90.

Металлополиацетальные

Аналогичная многослойная конструкция, но рабочий слой выполнен на основе полиацеталя-КХ. Требования установлены ГОСТ 28774-90. Применяются преимущественно для возвратно-поступательных движений и работы со смазкой.

Биметаллические (сталь + сплав)

Стальная лента с напрессованным или наплавленным антифрикционным слоем — оловянной или свинцовой бронзой, алюминиевым сплавом, баббитом. Общие требования к многослойным материалам для тонкостенных подшипников скольжения установлены ГОСТ ИСО 4383-2006 «Подшипники скольжения. Многослойные материалы для тонкостенных подшипников скольжения» (введён взамен ранее действовавшего ГОСТ 28813-90). Биметаллические втулки выпускаются массово как готовая продукция для машиностроения: их прочность определяет стальная основа, а трибологические свойства — антифрикционный слой.

Выбор материала

Подбор материала втулки скольжения ведут в несколько этапов:

1. Определение режима смазки. Жидкостная (масляный клин выдерживает нагрузку), полужидкостная, граничная (масляная плёнка не сплошная), сухая (без смазки) — это первое и главное разграничение.
2. Оценка нагрузки и скорости. Чем выше произведение давления на скорость (PV-фактор), тем «жёстче» условия и тем точнее должен быть подбор материала. Для тяжелонагруженных тихоходных узлов выбирают твёрдые сплавы, для быстроходных при жидкостной смазке — пластичные.
3. Анализ рабочей среды. Температура, химическая агрессивность, наличие абразива, требования по электрической изоляции, по пищевой совместимости — задают ограничения по материалу.
4. Параметры вала и условия монтажа. Твёрдость поверхности вала и шероховатость должны соответствовать выбранному материалу втулки. Полимерные втулки чувствительнее к шероховатости и температуре, металлические — к смазке.
5. Эксплуатационные ограничения. Возможность регулярного обслуживания (подача смазки) определяет, можно ли применять «обычные» втулки или нужны самосмазывающиеся (спечённые с пропиткой, металлофторопластовые, полимерные).

Требования к валу и смазке

Качество сопряжения определяется не только материалом втулки, но и парой «вал — смазка». Общие правила:

• Твёрдость вала должна быть существенно выше твёрдости материала втулки, чтобы предотвратить износ вала продуктами износа втулки и абразивными частицами.
• Шероховатость поверхности вала под бронзовые и баббитовые втулки задают возможно низкой; под полимерные — несколько выше, чтобы микрорельеф удерживал плёнку перенесённого полимера.
• Смазочный материал, его вязкость и температура должны соответствовать паспортным условиям применения материала втулки и расчётному режиму трения.
• Конструктивный зазор втулка-вал рассчитывается с учётом теплового расширения; для полимерных втулок зазор обычно больше, чем для бронзовых, из-за высокого коэффициента теплового расширения полимера.

FAQ