Ефективність і надійність експлуатації великих і відповідальних агрегатів, широко застосовуються в енергетичному обладнанні, потужних насосах, компресорах, електродвигунах і т.д. безпосередньо пов'язана з використанням підшипників ковзання [1].
Підшипники ковзання є опори або направляючі механізму, в якому тертя відбувається при ковзанні валу про внутрішню поверхню підшипника. Підшипники ковзання складається з трьох елементів: антифрикционного вкладиша, поверхні вала і шару масла між ними (дуже така невдала фраза, вона скоріше б підійшла під опис такого поняття як пара тертя).
Підшипники ковзання з сучасних матеріалів, що виготовляються високопродуктивними технологічними процесами, мають в ряді випадків безсумнівні переваги в порівнянні з широко вживаними підшипниками кочення. По зовнішньому діаметру підшипники ковзання в два рази менше кулькових підшипників середньої серії, а по масі в більш раз. Розроблено матеріали, підшипники з яких працюють без змащення або використовують як мастило воду та інші маловязкие рідини, що не володіють мастильними властивостями. Підшипники ковзання не викликають, на відміну від підшипників кочення, додаткових вібрацій і можуть працювати в складних за рівнем виброактивности вузлах махай. Конструктори ж змушені в більшості випадків застосовувати звичні підшипники кочення, невиправдано збільшуючи вагу і габарити конструкцій, а в ряді випадків ще й погіршуючи робочі характеристики машин.
Робоча поверхня підшипника безпосередньо піддається зносу, що приводить устаткування в неробочий стан. Для її відновлення потрібно робити заміну або ремонт вузла підшипника ковзання. Витрати, з простоєм устаткування, значно перевищують вартість запасних частин [2].
Питання, що виникають в процесі експлуатації проблеми стану багатошарових підшипників ковзання можуть бути об'єднані в три групи: проблеми стану робочих поверхонь підшипника, проблеми величини зазору між шийкою гребного валу і антифрикційним вкладишем і проблеми несучої здатності шару мастила [3]. Всі ці проблеми у великій мірі залежать від зносу деталей підшипникового вузла, на який впливає властивості тонкого поверхневого шару підшипника ковзання [4, 5]. До цих властивостей відносяться: твердість, зносостійкість, коефіцієнт тертя і протівозадірочние властивості. З одного боку, поверхневий шар повинен володіти твердістю для підвищення зносостійкості, а з іншого - має бути м'яким для зниження коефіцієнта тертя. Таким суперечливим вимогам частково задовольняють антифрикційні сплави, найпоширенішими з них є сплави на основі міді, алюмінію і бабіти. Згідно з правилом Шарпи, структура сплаву з високими антифрикційними властивостями повинна складатися з м'якою пластичної основи і великих твердих включень другої фази. При цьому основа забезпечує хорошу прірабативаемость, а друга фаза утворює міцний каркас, який підвищує несучу здатність поверхні сплаву і сприяє зниженню його коефіцієнта тертя. Останнім часом особлива увага приділяється сплавів на основі алюмінію і бабітів, в тому числі композиційних матеріалів на їх основі.
В даний час для отримання антифрикційного шару на опорі підшипника ковзання знайшли застосування технології лиття, напилення і наплавлення.
Антифрикційний сплав баббит.
Для важко навантажених трибосопряжений, зокрема, підшипників ковзання парових турбін, широко використовується високооловяністий баббит Б83. Такий матеріал працює при великих швидкостях і середніх навантаженнях (таблиця 1) [6]. Хімічний склад бабіту Б83 представлений в таблиці 2 [6].
Таблиця 1. Умови роботи підшипника (ГОСТ 1320-74).
Розглянутий антифрикційний матеріал володіє наступними структурними особливостями: в м'якій матриці α-фази розташовані великі кристали (200-300 мкм) твердої β-фази (SnSb) і голчасті частинки γ-фази (Cu3 Sn). α-фаза має тетрагексальную грати з параметрами а + 0,58314нм, С = 0,31815нм. β-фаза має суцільну кубічну решітку. Щільність і твердість структурних складових бабіту Б83 представлені в таблиці 3. Структурні складові істотно впливають на трибологические властивості бабіту.
Таблиця 3. Властивості структурних складових бабіту Б83
Твердість интерметаллидов НВ. кгс / мм 2
α-фаза (твердий розчин сурми в олові)
Наявність легко викришуються великих частинок β-фази зумовлює невисоку зносостійкість бабіту Б83 [10, 11]. Подрібнення зазначених структурних складових позитивно впливає на підвищення зносостійкості бабітові вкладиша [12, 13]. Так в роботі [13] показано, що зменшення розміру β-фази від 150 до 5 мкм призводить до зниження твердості по Брінеллю і інтенсивності зносу на 25% (таблиця 4). Слід зазначити, що на трибологические властивості бабіту впливає не тільки розміри, але і розподіл структурних складових. В роботі [7] показано, що нерівномірний розподіл β-фази і практично повна відсутність γ-фази призводить до підвищення коефіцієнта тертя на 30 ... 70% і зменшення твердості.
Таблиця 4 Вплив розмірів β-фази на властивості бабіту
Розмір частинок β-фази, мкм
Ще одним недоліком бабіту Б-83 є низька межа втоми при знакозмінних навантаженнях, що стримує застосування цього сплаву в підшипниках з підвищеним питомим тиском. Низьку міцність від утоми бабіту Б-83 можна пояснити надмірною гетерогенність сплаву і, особливо, кубічними кристалами β-фази [14]. У зв'язку з відмінністю кристалічних решіток з різною орієнтацією включення β-фази слабо пов'язані з α-твердим розчином і є джерелом виникнення мікро і макротріщин при незначному навантаженні бабіту. Крім того, інтермералліди β-фази і γ-фази мають гострокутну форму (β-фаза - «кубики», «трикутники» γ-фаза - голкоподібний форма), що при впливі напруг призводить до концентрації напружень, тим самим прискорюючи процес втомного руйнування. Таким чином втомна міцність бабіту на пряму залежить від форми, дисперсності і рівномірності розподілу структурних складових.
Технологічні способи впливу на експлуатаційні властивості бабіту.
В даний час існують різні способи, що дозволяють запобігти виникненню описаних вище проблем стану підшипників ковзання. Розглянемо деякі з них.
Розглядаючи комплекс ливарних технологій застосовуваних для отримання антифрикційного шару підшипників ковзання можна виділити наступні напрямки покликані підвищити експлуатаційні властивості бабіту: заливка бабіту з додатком тиску в процесі кристалізації і подальшими пластичними деформацією в твердому стані [13], застосування турбулентного лиття [7].
Застосування деформаційної обробки при заливці дозволяє знизити розмір часток β-фази. При заливці зверху мікроструктура характеризується наявністю щодо великих частинок β-фази розміром близько 200 мкм. При впливі на кристалізується розплав, залитий при тих же умовах, деформационной обробки вдалося отримати дрібнозернисту структуру з рівномірно розподіленими твердими включеннями із середнім розміром 5 мкм [13]. (Можна описати докладно: вказати величину деформації, витримку під тиском, величину тиску і т.д.)
Деформаційно-термічна обробка бабіту Б83 призводить до утворення дрібнозернистої структури з рівномірно розподіленими твердими включеннями β-фази розміром 5 мкм, що забезпечує зниження мікротвердості і інтенсивності зносу на 25% [13].
Іншим технологічним прийомом покликаним підвищити весь комплекс експлуатаційних властивостей є турбулентна заливка бабіту.
Також при виготовленні і ремонті підшипникових вузлів широке застосування знаходять технології плазмового напилення і наплавлення.
Як показали дослідження [15], структура плазменно-напилених покриттів істотно відрізняється від структури литих покриттів. Частинки порошку, розігріті в плазмі, швидко охолоджуються на поверхні напилення, і структура виходить на 10-15% більше дисперсної, ніж у литого бабіту.
Як випливає з результатів [15], плазмові покриття бабітом забезпечують підвищення демпфирующей здатності, і чим більше товщина покриття, тим вище ця здатність. Це істотно з точки зору зниження виброактивности вузлів тертя ковзання. При порівнянні рівнів демпфірування покриттів в області малих амплітуд деформації, при яких в основному працюють вузли тертя, показано, що демпфуюча здатність плазмового покриття бабіту марки Б83 вище, ніж у литого покриття.
(Потрібно придумати (знайти?) Дані про плазмовому наплавленні)
Також відомо сприятливий вплив на експлуатаційні властивості антифрикционного шару багатошарового підшипника ковзання модифікування баббита нанорозмірними частинками [16]. (Якщо стоїть канешно?)
ГОСТ 1320-74 Бабіти олов'яні і свинцеві. Технічні умови
Хрущов М.М. Курицина А.Д. Дослідження змін в будові робочої поверхні бабіту в процесі тертя і зношування // Тертя і знос в машинах. М. - Л. АН СРСР. 1950. Т5. С. 76-82.