16.10.2013. Требования к подшипниковым материалам

К подшипникам двигателя предъявляется целый ряд требований, а материалы, из которых они изготавливаются, должны сочетать в себе свойства твердых и мягких материалов. Износ, вызываемый, трением металла о металл, может происходить при запуске двигателя, во время движения накатом и при высоких рабочих нагрузках. Во время приработки подшипник должен выдерживать циклические нагрузки, создаваемые сгоранием и инерционными силами. Постоянное приложение и снятие нагрузки может вызвать усталость подшипниковых материалов. Следовательно, материалы, применяемые в производстве подшипников двигателя, должны обладать высокой устойчивостью к износу и усталости, т.е. свойствами, лучше всего обеспечиваемыми твердыми материалами. Однако после установки подшипник также должен приработаться к неровностям поверхности шатунной шейки, т.е. материал должен обладать способностью притереться к частицам загрязнения, пропущенным масляным фильтром. Более того, материал не должен быть коррозийным и обладать хорошими характеристиками по экстренной приработке, а всеми этими качествами в большей степени обладают мягкие материалы. Кроме этих особенностей подшипниковый материал должен обладать высокой устойчивостью к коррозийным компонентам, содержащимся в масле, а также обеспечивать экономичность производства.

Структура подшипниковых материалов
Наибольшим шансом обеспечить сочетание таких столь противоположных свойств обладают композитные материалы.
Как правило, в современных композитных материалах в качестве основы используется сталь. Основа придает вкладышу и втулке подшипника необходимую прочность. Во время производства такой полосы стальную основу покрывают слоем относительно тонкого и мягкого подшипникового материала.

Этот слой придает подшипнику необходимую способность выдерживать высокие нагрузки, улучшает характеристики по экстренной приработке и обеспечивает притирку к частицам загрязнения.

Дополнительный слой может повысить адаптационные и приработочные свойства, улучшить характеристики по экстренной приработке. Этот слой наносят после выштамповывания вкладыша подшипника из полосы путем гальванического покрытия или с использованием другого процесса (например, ПВХ-напыления).

На Рисунке 1 показана зависимость усталостной прочности слоя подшипника от толщины слоя — чем тоньше слой, тем выше усталостная прочность. За счет нанесения тонких слоев можно повысить усталостную прочность мягких материалов.

[Рис. 1]
PbSn10Cu4 представляет собой типичный материал, использующийся для изготовления слоя скольжения медно-свинцовых подшипников. На диаграмме видно, что допустимая динамическая нагрузка этого материала зависит от толщины слоя скольжения. Допустимая динамическая нагрузка возрастает, когда масляная пленка становится тоньше. Допустимая динамическая нагрузка представляет собой уровень сопротивляемости усталости. Горение и инерционные силы периодически прижимают шейку коленчатого вала к подшипнику. Нагрузка на подшипник возрастает и понижается циклически. При слишком высокой циклической нагрузке материал «устает» и через некоторое время разрушается. Допустимая динамическая нагрузка — это максимальная циклическая нагрузка, которую материал может выдерживать постоянно.

Типы подшипниковых материалов
В самом начале для производства подшипников скольжения применялись белые сплавы, содержавшие свинец и олово в качестве базовых металлов, а также кадмий или сурьму в качестве наплавочных материалов.

В настоящее время чаще всего используют два различных типа материалов. Исходя из практического опыта, были выбраны композитные материалы, состоящие из двух и трех слоев (Рисунок 2).

[Рис. 2]
Обычные подшипники состоят из двух или трех слоев. В качестве основы всегда используется посадочная поверхность из стали, в которую вставляют слой из сплава олова с алюминием или слой из свинцовистой бронзы. Слой из свинцовистой бронзы покрывают еще одним слоем. В обычных подшипниках верхний слой в основном состоит из свинца и олова.

Двухслойный (биметаллический) подшипник состоит из стальной посадочной поверхности и слоя подшипникового металла. В современных подшипниках этот слой подшипникового металла представляет собой соединение алюминия, олова и ряда таких наплавочных материалов, как медь, сурьма или никель. На рынке также существуют соединения, содержащие алюминий со свинцом и оловом. Чтобы получить необходимые свойства материала, различные материалы соединяют и обрабатывают химически или термически.

Трехслойный (триметаллический) подшипник также включает в себя опорную стальную посадочную поверхность и слой подшипникового металла, который в основном изготавливают из свинцовистой бронзы. Аналогично слою из олова и алюминия, его толщина составляет от 0,2 до 0,3 мм. Подшипники с более высокими рабочими характеристиками изготавливают либо из литой, либо из спеченной медно-свинцовой/свинцовистой бронзы. Высокие и ультравысокие рабочие характеристики обеспечиваются за счет изменения состава соединения элементов, входящих в материалы, и нанесения различных наружных слоев (см. ниже).

Затем такой слой из свинцовистой бронзы покрывают дополнительным слоем скольжения, изготовленным из материала, который еще мягче, чем свинцовистая бронза, и имеет толщину от 10 до 30 микрон.

В некоторых случаях слой скольжения и подшипниковый материал отделены друг от друга промежуточным слоем, чье предназначение заключается в предотвращении диффузии атомов из подшипникового металла в слой скольжения, т.к. процесс диффузии может ухудшить свойства слоя скольжения.

По материалам компании Federal-Mogul