Антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы и добавки

Каждый человек, использующий в процессе своей деятельности механические устройства, хочет, чтобы эти устройства, надежно и долго работали, обходясь без серьезных поломок. Основная причина поломки подвижных деталей любого механизма, заключается в механическом трении, повышении температуры, деформации материала. 

Антифрикционные материалы и добавки – это особые соединения, уменьшающие коэффициент трения между подвижными частями механизмов.

Они могут различаться по составу и физическим свойствам, как например, металлический баббит, полимерные фторопласты, или неметаллический графитовый порошок. Но, общее назначение их – облегчение скольжения между подвижными поверхностями механизмов.

Все подобные материалы должны иметь высокую теплопроводность, для снижения вероятности перегрева рабочих элементов, на которых они используются.

Виды и типы антифрикционных материалов

Прежде чем разбираться с разновидностями антифрикционной продукции, нужно сначала понять, какие бывают виды трения между механизмами и деталями любого механизма:

• «Мокрое» трение, при котором между деталями автомобиля для их безопасного взаимодействия расположена тонкая масляная пленка. Из-за таких пленок детали в ходе своей работы практически не соприкасаются друг с другом, что делает этот вариант трения практически идеальным.
• Граничное, являющееся самым распространенным типом трения. Специалисты характеризуют такой путь как рваный. Именно в таких ситуациях между узлами и механизмами образовывается тончайшая пленка из масла. Она лишь в небольшой степени защищает детали от трения, со временем они начинают изнашиваться и рано или поздно приходит в непригодность, повышая опасность поломки детали.
• Сухое, или наиболее опасное состояние трения механизмов двигателя, которое за короткий промежуток времени приводит к серьезным неполадкам в моторе. Это произойдет, если недостаточно залить моторного масла в двигатель. В таком случае никакой защитной пленки не образуется, и детали в спокойном режиме начинают «травмировать» друг друга.

В зависимости от типа трения детали подбирается антифрикционный материал, покрывающий ее поверхность. Разделяются эти материалы на три основных класса:

Металлические — состоящие из металлических компонентов имеющих низкий коэффициент трения и высокую теплопроводность. Сюда относятся такие сплавы как баббит, латунь, цинковые сплавы. Применяются в основном в подшипниках и опорах.

Неметаллические — большая группа материалов, включает в себя все виды соединений не содержащих металл. Основные подгруппы на сегодня — графитовые и полимерные. Графитовые применяются в основном как дополнительный элемент в подшипниках и втулках. Полимерные — во втулках и в качестве присадок к смазочным материалам, для образования защитной пленки на деталях.

Комбинированные — соединения металлических и неметаллических компонентов, например, металла и графита. Используются для изготовления трущихся сменных деталей, например, вкладышей.

Виды антифрикционных добавок

Антифрикционные добавки — это соединения, добавляемые в основной смазочный материал для улучшения его качества, или образования на поверхности детали дополнительного покрытия, увеличивающего срок ее службы.

Среди антифрикционных добавок выделяют следующие виды:

1. Добавки, имеющие в своем составе тефлон;

1. Восстановительные порошки минерального характера;

1. Металлоорганические добавки (или эпиламные);

Принцип работы реметализаторов довольно прост для понимания. При попадании в моторное масло они переносятся вместе с ним к смазываемым узлам. Моторная жидкость с реметаллизаторами проникает вглубь царапин и повреждений двигателя, формируя защитный слой, который по-другому называется плакирующим.

Из-за этого металлы, входящие в состав реметаллизаторов, имеют больший показатель мягкости в отличие от тех, из которых сделана деталь агрегата. Со временем защитный слой будет изнашиваться, пока вовсе не исчезнет. В таких случаях придется снова производить добавку этих материалов в масло, иначе никакой пользы двигатель не получит.

Добавки на основе тефлона также должны постоянно присутствовать в составе масляной жидкости для двигателя. Такие автомобильные присадки оседают на неподвижных частях механизмов двигателя. Это объясняется способностью тефлона равномерно оседать на металлической поверхности.

Восстановительные порошки минерального характера имеют в своем химическом составе змеевик, т. е. разветвленную макромолекулу, содержащюю присоединенные атомы металла, например молибдена.

При попадании в масло, связующая часть такой макромолекулы, начинает распадаться на составные элементы. Высвобождающиеся атомы металла притягиваются к горячим стенкам рабочего элемента, например, поршня, и заполняют имеющиеся на нем микротрещины.

Полимеры, как антифрикционная добавка, были изобретены для постоянного заливания в масляную систему двигателей. Они повышают защитные свойства масел, грубо говоря улучшая их качество.

Помимо уменьшения трения и износа, они повышают уровень мощности двигателя, существенно снижая расход бензина при движении.

Однако если постоянно пользоваться присадками из полимеров, то со временем они начинают скапливаться в излишнем количестве в масляном фильтре, что приводит к его «забивке» и, как следствие, возможному выходу из строя масляного насоса.

Сферы применения

Все области механики, любой механизм, имеющий подвижные детали. Даже в часовом производстве используют эти соединения, для уменьшения коэффициента трения между валами и шестеренками. Любые двигатели, подвижные шарниры, передаточные механизмы и редукторы будут иметь в своей конструкции элементы облегчающие скольжение.

Конкретный тип таких элементов определяется предприятием разработчиком и вноситься в конструкторскую документацию. В ней же указывается расчетный срок службы узлов содержащих антифрикционные материалы, условия их эксплуатации, порядок обслуживания и процесс замены.

Применение антифрикционных добавок, не входящих в изначальный состав механизма, может быть рекомендовано заводом изготовителем. Следует обратить внимание на рекомендации не только производителя детали или узла, но и на замечания изготовителя используемых в нем смазочных, или охлаждающих материалов.

Для подбора материалов, изменяющих коэффициент трения, самостоятельно, необходимо всесторонне изучить рекомендации разработчиков оборудования, определить максимальные значения параметров, влияющих на свойства материалов, а именно — температуру, рабочую нагрузки и т. д. Следует помнить, что неправильный выбор антифрикционного материала, скорее всего, приведет в заклиниванию или разрушению узла

Достоинства и недостатки

К несомненным плюсам использования антифрикционных добавок и материалов можно отнести следующие преимущества:

Использование таких составов существенно снижает общий уровень износа деталей и агрегатов, заметно увеличивая срок их эксплуатации.

Эти добавки снижают вероятность отказа механизма во время работы, надежно защищая поверхности деталей.

За счет более хорошего скольжения элементов, снижается шумовой эффект при работе агрегата.

Расход топлива, при правильном применении добавок в двигателях внутреннего сгорания уменьшается, что благоприятно сказывается на финансах владельца техники. Смазки также требуется в меньших объемах.

К недостаткам можно отнести тот факт, что отдельные составляющие антифрикционных добавок и материалов могут негативно влиять на некоторые другие элементы механизма, например, забивать каналы систем фильтрации, или технологические отверстия масло съемных устройств.

Таким образом, антифрикционные материалы и добавки являются важной частью отрасли промышленной химии и машиностроения. Они помогут повысить качество работы агрегатов и узлов техники, но использовать их или нет — личное дело каждого потребителя.

Антифрикционные материалы: обзор, свойства, применение

Процесс эксплуатации технических агрегатов, машин и отдельных элементных групп оборудования неизбежно сопровождается износом. Взаимное механическое воздействие деталей друг на друга с разной степенью интенсивности приводит к истиранию их поверхностей и разрушению внутренней структуры. К тому же подобное влияние нередко оказывает и окружающая среда в виде эрозии и кавитации.

Как результат, наблюдается потеря работоспособности техники или как минимум снижение эксплуатационных свойств. Представленные ниже обзоры порошковых фрикционных и антифрикционных материалов помогут разобраться со способами, позволяющими минимизировать нежелательное трение.

Такие материалы рекомендуются к использованию и для промышленного оборудования, и бытовой техники, а также для строительного инструмента.

Отличия фрикционных и антифрикционных материалов

Рассмотрение данных материалов в одном контексте обусловлено тем, что их функция связана с общей характеристикой работы механизмов – коэффициентом трения. Но если антифрикционные элементы и добавки отвечают за понижение данного значения, то фрикционные – напротив, повышают его.

При этом, например, порошковые сплавы с повышенным коэффициентом трения обеспечивают сопротивление износу и механическую прочность целевой рабочей группы. Для достижения таких качеств в состав фрикционного сырья вносятся тугоплавкие оксиды, карбиды бора, кремния и др.

В отличие от антифрикционных элементов, фрикционные нередко представляют собой и полноценные функциональные органы в механизмах. Это, в частности, могут быть тормоза и муфты.

Обеспечивая задачи повышения трения, они параллельно выполняют и конкретные технические задачи. В то же время и фрикционные, и антифрикционные материалы перед эксплуатацией проходят тщательные лабораторные испытания.

Те же сплавы для тормозов проходят натурные и стендовые тесты, в ходе которых определяется целесообразность их применения на практике. Наиболее технологичные фрикционные материалы из полимеров сегодня изготавливаются разными методами.

Так, для механизмов тормозной группы применяется техника прессования – на формах изготавливаются колодки, пластины и секторы. Ленточные материалы производят по тканой технике, а накладки – путем вальцевания.

Свойства антифрикционных материалов

Детали с антифрикционной функцией должны соответствовать широкому комплексу требований, определяющих их основные рабочие качества. В первую очередь материал должен быть совместимым и с сопряженной деталью, и с рабочей средой. В условиях совместимости до и после приработки материал обеспечивает необходимую степень понижения трения.

Здесь же надо отметить прирабатываемость как таковую. Это свойство определяет способность элемента естественно корректировать геометрию поверхности под оптимальную форму, которая подходит для конкретного места эксплуатации.

Иными словами, с детали стирается лишняя структура с микронеровностями, после чего приработка обеспечит условия работы с минимальными нагрузками.

В то же время деталь не должна быть чрезмерно жесткой и твердой, поскольку в этом случае увеличится риск заедания, что нежелательно для антифрикционного материала. Более того, технологи выделяют такое свойство, как поглощение твердотельных частиц.

Дело в том, что трение в разной степени может способствовать выделению мелких элементов – нередко металлических. В свою очередь, антифрикционная поверхность обладает способностью «вдавливать» в себя такие частицы, устраняя их из рабочей области.

Изделия на металлической основе составляют наиболее обширный спектр элементов антифрикционной группы. Основная их часть ориентируется на эксплуатацию в режиме жидкостного трения, то есть в условиях, когда подшипники разделяются с валами тонкой масляной прослойкой.

И все же при остановке и пуске агрегата неизбежно возникает так называемый граничный режим трения, при котором масляная пленка может разрушаться под действием высоких температур.

Металлические детали, используемые в подшипниковых группах, можно подразделить на два типа: элементы с мягкой структурой и твердотельными вставками и сплавы с жесткой основой и мягкими вставками. Если говорить о первой группе, то в качестве антифрикционных материалов можно использовать баббиты, латунные и бронзовые сплавы.

Благодаря мягкой структуре они быстро прирабатываются и длительное время сохраняют характеристики масляной пленки. С другой стороны, твердотельные включения обуславливают повышенную износостойкость при механических контактах со смежными элементами – например, с тем же валом.

Под баббитами подразумевают сплав, основу которого формирует свинец или олово. Также ради улучшения отдельных качеств в структуру могут добавляться легирующие сплавы. В числе повышаемых свойств можно отметить коррозийную стойкость, твердость, вязкость и прочность.

Например, стандартный баббит содержит порядка 80% олова или свинца, 10% сурьмы, а остальное приходится на медь и кадмий.

Свинцовые сплавы как средство минимизации трения

Начальный уровень антифрикционных сплавов представляют свинцовые баббиты. Ценовая доступность определяет специфику эксплуатации данного материала – в наименее ответственных рабочих функциях.

Свинцовая основа в сравнении с оловом обеспечивает баббитам менее высокую механическую стойкость и низкую коррозийную защиту. Правда, и в таких сплавах не обходится без олова – его содержание может достигать 18%.

Кроме того, вносится в состав и медный компонент, который предотвращает процессы ликвации – неравномерное распределение разных по массе металлов в объеме изделия.

Простейшие свинцовые материалы с антифрикционным свойством характеризуются высокой степенью хрупкости, поэтому их используют в условиях с пониженными динамическими нагрузками. В частности, подшипники для путевых машин, тепловозов и элементы тяжелого машиностроения составляют целевую нишу, где применяются такие материалы.

Антифрикционные сплавы с применением кальция можно назвать модификацией свинцовых сплавов. В данном случае отмечаются такие качества, как высокая плотность и низкая теплопроводность. Основу также представляет свинец, но в существенных долях его также дополняют включения натрия, кальция и сурьмы.

Что касается слабых мест этого материала, то к ним относится окисляемость, поэтому в химически активных средах его использовать не рекомендуют.

Говоря в целом о баббитах, можно констатировать, что это далеко не самое эффективное решение для минимизации трения, но по совокупности качеств оно оказывается выгодным с точки зрения эксплуатации.

Это материалы, антифрикционные свойства которых могут нивелироваться пониженным сопротивлением усталости, ухудшающим работоспособность элемента.

Тем не менее, в ряде случаев недостаток прочности восполняется включением в конструкцию стальных или чугунных корпусов.

Особенности бронзовых антифрикционных сплавов

Физико-химические свойства бронзы органично сочетаются с требованиями для антифрикционных сплавов. Данный металл, в частности, обеспечивает достаточные показатели удельного давления, возможность эксплуатации в условиях ударных нагрузок, высокую скорость вращения подшипника и т. д. Но также выбор бронзы для тех или иных функций будет зависеть от ее марки.

Тот же формат эксплуатации вкладышей при ударных нагрузках приемлем для марки БрОС30, но не рекомендуется для БрАЖ. Есть и различия в классе бронзовых материалов по механическим свойствам. Данная группа качеств будет зависеть от характера сопряжения с закаленными валами и от использования цапфы, которая может иметь дополнительное упрочнение.

И вновь нельзя говорить о монолитности структуры сплава.

Бронзовые изделия могут также включать олово, латунь, свинец. При этом, если все перечисленные металлы могут использоваться в качестве основы баббита, антифрикционные материалы на основе меди применяются крайне редко. В данном случае медный компонент чаще выступает как та же добавка с коэффициентом содержания 2-3%. Оптимальными считаются оловяно-свинцовые комбинации включений.

Порошковые фрикционные материалы

Такие материалы используются в составах, предназначенных для передаточных и тормозных узлов гусеничной техники, автомобилей, станков, строительных механизмов и т. д.

Готовые изделия на основе порошковых компонентов выпускаются в форме секторных накладок, дисков и колодок.

В то же время исходные материалы для антифрикционного типа порошковых сплавов формируются той же номенклатурой, что и в случае с фрикционными компонентами, – чаще всего используют железо и медь, но существуют и другие комбинации.

Например, материалы из алюминиевых и оловянистых бронз, в состав которых входят графит и свинец, эффективно себя проявляют в условиях трения при скорости скольжения деталей порядка 50 м/с. К слову, при работе подшипников на скорости 5 м/с металлические порошковые изделия могут заменяться металлопластмассовым сырьем.

Это уже антифрикционный композиционный материал с гибкой рабочей структурой и пониженной прочностью. Наиболее же выгодными в плане использования в условиях повышенных нагрузок считаются материалы из железа и меди. В качестве добавок используется графит, кремниевый оксид или барий.

Работа данных элементов возможна при давлении 300 МПа и скорости скольжения до 60 м/с.

Порошковые антифрикционные материалы

Из порошкового сырья производятся и антифрикционные изделия. Они характеризуются высокой износостойкостью, пониженным коэффициентом трения и способностью быстрой приработки к валу.

Также антифрикционные порошковые материалы имеют целый ряд преимуществ по сравнению со сплавами, минимизирующими трение. Достаточно отметить, что показатели их износостойкости в среднем выше, чем у тех же баббитов.

Пористая структура, сформированная порошковыми металлами, дает возможность эффективной пропитки смазочными средствами.

Изготовители имеют возможность формировать конечные изделия в разных видах. Это могут быть каркасные или матричные детали с промежуточными полостями, заполненными другим смягченным сырьем.

И, напротив, в некоторых сферах больше востребованы антифрикционные порошковые материалы, имеющие мягкотельную каркасную основу. В специальных сотах предусматриваются твердые включения разного уровня дисперсности.

Данное качество имеет большое значение именно с точки зрения возможности регуляции параметров, определяющих интенсивность трения деталей.

Антифрикционные полимерные материалы

Современное полимерное сырье дает возможность получать новые технико-эксплуатационные качества для деталей, понижающих трение. В качестве основы могут использоваться и композитные сплавы, и металлопластиковые порошки.

Одним из главных отличительных свойств таких материалов является способность равномерно распределять добавки по всей структуре, которые в дальнейшем будут выполнять функцию твердой смазки. В списке таких веществ отмечают графиты, сульфиды, пластики и другие соединения.

Если говорить об уникальных качествах, то полимеры могут выполнять свои задачи даже без подкрепления специальной смазкой.

Применение материалов для защиты от трения

Большая часть антифрикционных элементов изначально рассчитывается на использование в подшипниковых группах. Среди них и детали, рассчитанные на повышение износостойкости, и компоненты, улучшающие скольжение.

В машино- и станкостроении такие изделия применяют в изготовлении двигателей, поршней, узлов сцепки, турбин и т. д.

Здесь же основу расходников составляют антифрикционные материалы подшипников скольжения, которые внедряются в структуру ходовой и стационарной техники.

Строительная отрасль тоже не обходится без антифрикционной функции. С помощью таких деталей укрепляются инженерные сооружения, монтажные конструкции и кладочные материалы.

В строительстве железных дорог их используют при монтаже конструктивных элементов подвижного состава.

Распространено и применение антифрикционных материалов на полимерной основе, которые находят свое место, например, в качестве связующей структуры шкивов, зубчатых колес, ременных передач и т. д.

Заключение

Задача снижения трения лишь на первый взгляд может казаться вторичной и зачастую необязательной.

Совершенствование смазочных жидкостей действительно позволяет избавлять некоторые механизмы от вспомогательных технических элементов, сокращающих износы основной рабочей группы.

Переходным звеном от классических баббит к модифицированной высокоэффективной смазке можно назвать антифрикционные полимерные материалы, отличающиеся более мягкой структурой и универсальностью с точки зрения условий работы.