Требования к сплавам

Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механиз­мов. Трение происходит в подшипниках сколь­жения между валом и вкладышем подшипника. Поэтому для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения. Исходя из этих требова­ний, антифрикционный материал представляет собой сочетания достаточно прочной и пластичной основы, в которой имеются оперные (твердые) включения. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твер­дые включения. В этом случае трение происходит не по всей поверхности подшипника, а смаз­ка удерживается в изнашивающихся местах пла­стичной основы.

Антифрикционными сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами (см. табл.). Антифрикционные свойст­ва сплавов проявляются при трении в подшипни­ках скольжения. Это в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопро­водность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Антифрикционные сплавы хорошо прирабаты­ваются в парах трения благодаря мягкой основе — олову, свинцу или алюминию. Более твер­дые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.

Антифрикционные сплавы.

Материал	Марка	Условия применения	Назначение
Давление, Мпа	Окружная скорость, м/с
Баббит	Б88 БС6		—	Подшипники быстро­ходных дизелей Подшипники авто­тракторных двигате­лей
Бронза	БрОЦС5-5-5			Подшипники элект­родвигателей центро­бежных насосов
Латунь	ЛМцЖ52-4-1			Подшипники роль­гангов, конвейеров, редукторов
Чугун	АЧС-1 АЧС-5 АЧВ-1 АЧК-1 АЧС-3 АЧК-2		1,2 1,0 2,0 0,75 1,0	Для работы с закаленным или нормализованным С термически необработанным валом (в стадии поставки)
Металлокерамика	Бронзо-графит Железо-графит	12-18 0,8-1,2 0,6-1,0	0,1 4,0 0,1 4,0	Подшипники конвейеров сельскохозяйственных и других машин; подшипники, работающие в мес­тах труднодоступных для подачи смазки

Сплавы.

Баббиты — антифрикционные ма­териалы на основе олова или свинца. Их приме­няют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окруж­ных скоростях и при переменных и ударных нагрузках. По химическому составу баббиты классифицируют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцо­вые (БК2, БКА). Последние не имеют в своем составе олова.

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Микроструктура оловянносурьмяномедного баббита Б83 состоит нз мягкой основы, представляющей со­бой твердый раствор на базе олова. Твердыми частицами являются кубические включения SnSb и игольчатые кристаллы включений Cu₃Sn.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловян­ные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное — свинец.

Для оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.

Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.

Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.

Латуни по антифрикционным свойствам уступают бронзам. Их используют для подшип­ников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.

Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, напри­мер алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тонкого слоя, нанесенного на стальное основание, т. е. в виде биметаллического материала. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов.

Сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наиболь­шее распространение получил сплав АСМ, со­держащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3—0,7%). Этот сплав хорошо работает при высо­ких нагрузках и больших скоростях в условиях жидкостного трения. Сплав АСМ широко применяют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала двигателей тракторов и авто­мобилей.

Сплавы алюминия с оловом и медью, например АО20-1 (20% олова и до 1,2% меди) и А09-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баб­битам. Их используют для производства подшипников в автомобилестроении, транспортном и общем машиностроении.

Для работы в подшипниковых узлах трения применяют специальные антифрикционные чугуны. Изготовляют три типа антифрикционного чугуна: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий (см. табл. 16). Антифрикционный чугун идет на изготовление червячных зубчатых колес, направляющих для ползунов и т. п. деталей машин, работающих в условиях трения.

Металлокерамические сплавы получают прессованием и спеканием порошков бронзы или железа с графитом (1—4%). Пористость сплава 15—30%. После спекания спла­вы пропитывают минеральными маслами, смазками или маслографитовой эмульсией. Сплавы хорошо прирабатываются к валу, а наличие смазки в порах способствует снижению износа подшипника.

35. Композиционные материалы. Классификация, маркировка, назначение.

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных ком­понентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:^[1]

• волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
• слоистые;
• наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
• насыпные (гомогенные),
• скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

36. Неметаллические материалы. Классификация, назначение.

Основным типом неметаллических материалов, широко используемых в машиностроении и других отраслях промышленности, являются пластические массы (пластмассы).
Пластическими массами называют такие искусственные материалы, которые получают на основе органических полимерных связующих веществ с различными наполнителями.
В качестве связующих при получении пластмасс используют синтетические или природные высокомолекулярные соединения, в том числе синтетические смолы, высокомолекулярные соединения или продукты их переработки, например, эфиры целлюлозы, битумы и др.
Смолы, используемые для изготовления пластмасс, могут быть термореактивными или термопластичными, что и определяет их основные технологические и эксплуатационные свойства.
Многие пластмассы (преимущественно, термопластичные) состоят из одного связующего вещества. К таким материалам относится полиэтилен, полистирол, полиамиды, органические стекла, капрон и др. Особенностью термопластичных материалов является их способность размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Причем эти процессы протекают обратимо и происходят одинаково при каждом цикле нагрева и охлаждения. Строение материала при этом не изменяется, в нем не происходит никаких химических реакций.
Термопластичные материалы характеризуются малой плотностью, хорошей формуемостью, устойчивостью к горючесмазочным материалам. Полиэтилен имеет теплостойкость до 50 єС, морозостойкость до - 70, химически стоек, однако подвержен старению. Применяется для изготовления пленок, труб, контейнеров, предметов домашнего обихода. Полипропилен имеет более высокие прочностные свойства, но имеет более низкую морозостойкость (до минус 20 єС). Области применения близкие к полиэтилену. Полистирол - твердый прозрачный компактный материал. Используется для изготовления деталей приборов и машин (ручки, корпуса, трубы и др.). Полиуретаны и полиамиды: капрон, нейлон используются для изготовления высокопрочных нитей и пленок. Органические стекла - прозрачные твердые вещества, используются в самолетостроении, автомобилестроении, приборостроении.
К термопластам также относятся фторопласты - уникальные материалы с очень низким коэффициентом трения. Их используют для вентилей, кранов, насосов, втулок, прокладок и др.).
Термореактивные материалы при нагревании размягчаются лишь в начальный период времени, а затем твердеют при температуре нагревания за счет протекания необратимых химических реакций в их структуре, в результате чего такой материал остается твердым и не размягчается при повторных нагревах до достаточно высоких температур. Представителями термореактивных материалов являются фенолформальдегидная, глифталевая, эпоксидная смолы, непредельные полиэфиры и др. Природа протекания химических реакций, приводящих к необратимому затвердеванию, может иметь различный характер. Оно может стимулироваться добавлением в смолы специальных веществ - отвердителей, либо происходить только за счет термической активации - при нагреве. Однако в обоих случаях особенностью термореактивных пластмасс является необратимый характер изменения основных свойств материала.
Основой реактопластов являются термореактивные полимеры. В качестве наполнителей используют различные неорганические материалы. В зависимости от типа наполнителя такие материалы подразделяются на порошковые, волокнистые и слоистые. Порошковые материалы используют в качестве наполнителей древесную или целлюлозную муку, молотый кварц, тальк, цемент, графит и др. Такие пластмассы имеют однородные свойства по всем направлениям, хорошо прессуются. Недостаток - низкая устойчивость к ударным нагрузкам. Применяются для изготовления корпусных деталей приборов, технологической оснастки в литейном производстве (моделей) или слабонагруженных деталей штампов. Волокнистые пластмассы (волокниты) имеют высокие прочностные свойства, особенно, стекловолокниты, поскольку, по существу, они являются композиционными материалами и используют преимущества в свойствах как основы, так и волокон, применяемых для создания этих материалов. Слоистые пластики, как и волокниты, являются композиционными материалами. Они характеризуются наиболее высокими прочностными и, одновременно, пластическими свойствами. Существуют текстолиты (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель - бумага), древеснослоистые пластики (древесный шпон), стеклотекстолиты (ткань из стекловолокна). Текстолит имеет повышенное сопротивление износу. Может применяться для изготовления зубчатых колес, кулачков, подшипников и других тяжело нагруженных деталей. Гетинакс - электроизоляционный и декоративно-строительный материал. Стеклотекстолит на эпоксидной смоле используется для наиболее ответственных нагруженных деталей, поскольку имеет наиболее высокие прочностные свойства среди остальных пластических масс.
В зависимости от основного назначения пластмассы разделяются на следующие группы:
а) конструкционные, обладающие высокой механической прочностью и применяющиеся для силовых и не силовых конструкций;
б) электроизоляционные, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами; область применения - электротехника, приборостроение;
в) теплостойкие, применительно к трем температурным областям применения: 120 - 150 єС, 150 - 200 єС и выше 200 єС;
г) звуко - и теплоизоляционные, обладающие звукоизоляционными свойствами и малой теплопроводностью - обычно, высокопористые материалы;
д) фрикционные, обладающие при сухом трении высоким коэффициентом трения и малым износом;
е) антифрикционные, также имеющие высокую износостойкость при очень малом коэффициенте трения;
ж) антикоррозионные, обладающие повышенной стойкостью к внешним химически агрессивным факторам (атмосферные осадки, кислоты, щелочи); часто используются для покрытия металлических изделий с целью защиты от коррозии;
з) декоративно-отделочные и облицовочные, обладающими хорошими декоративными свойствами;
и) прокладочные и уплотнительные, обладающие стойкостью против действия воды, жидкого топлива, минеральных масел, кислот и щелочей;
к) тропикоустойчивые, хорошо сопротивляющиеся действию температуры, влажности воздуха, ультрафиолетового облучения, стойкие к грибковой плесени;
л) химически стойкие, обладающие стойкостью к действию сильных кислот и щелочей, ароматических углеводородов, бензину, спиртам и другим растворителям.
Большинство пластмасс обладает комплексом свойств, позволяющих применять их не в одной, а сразу в нескольких областях, в различных сочетаниях, например, винипласт обладает электроизоляционными, конструкционными и антикоррозионными свойствами.
Конструкционные пластмассы подразделяются по прочности:
а) высокопрочные, с пределом прочности на растяжение σ_в выше 196 МПа;
б) средней прочности при σ_в от 78,4 до 196 МПа;
в) низкой прочности при σ_в не выше 78,4 МПа;
г) теплостойкие;
д) декоративно-отделочные и облицовочные.
Электро- и радиотехнические пластмассы бывают:
а) электроизоляционные;
б) электропроводные;
в) радиопрозрачные.
Тепло - и звукоизоляционные пластмассы подразделяются на следующие подгруппы:
Пенопласты полистирольные и на иной основе:
а) эмульсионные с ячеистой структурой (например, пенопласт, полистирольный плиточный ПС-1 и ПС-4);
б) вспенивающиеся полистиролы, являющиеся продуктами полимеризации стирола в присутствии порошкообразователя (например, ПСВ, ПСВ-А, ПСВ-С).
Пенополиуретаны эластичные, получаемые путем взаимодействия полиэфира П-2200 с толуилендиизицианатом в присутствии катализатора, эмульгатора и специальных добавок.
Тепловая изоляция, наносимая на изделия в виде матов, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью и экранов - материалов с высокой отражательной способностью:
а) электронно-вакуумная тепловая изоляция, представляющая собой набор экранов - материалов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью;
б) тепло - звукоизоляционный материал, состоящий из слоев стеклянных волокон, обклеенных с одной или двух сторон фольгой, пленкой или не оклеенных вообще.

37. Коррозия металлов. Виды коррозии.

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н₂О + ЗО₂ = 4Fe(OH)₃. Гидратированный оксид железа Fe(OН)₃ и является тем, что называют ржавчиной.

Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.^[2] Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса — «коррозионное разрушение». Образование гальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. С другой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу, жертвой которого становится целый ряд металлов, — коррозии. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.