Баббиты

1. Низкий коэффициент трения со стальной поверхностью.
2. Малый износ трущейся пары.
3. Способность выдерживать достаточные удельные давления.
4. Должны обладать небольшой температурой плавления.

Для уменьшения коэффициента трения всегда между трущейся парой стараются ввести смазку. Если структура одного из элементов трущейся пары (вкладыша) неоднородна и состоит из мягкой основы и твердых включений, то после непродолжительной приработки на поверхности вкладыша образуется микрорельеф, на котором способна удерживаться смазка.

По этому признаку все баббиты можно разделить на следующие группы:

1. Оловянные баббиты.
2. Свинцовые баббиты.
3. Кальциевые баббиты.
4. Цинковые баббиты.
5. Алюминиевые баббиты.

Коэффициент трения таких баббитов по стали без использования смазочных материалов составляет примерно 0,07, а при использовании смазки может доходить до 0,004. Температура плавления их составляет примерно 250-280 °С. Оловянные баббиты - это сплавы системы Sn - Sb, и они описываются соответствующей диаграммой состояния.

Рисунок 1

В этой системе возможно образование следующих фаз:

1. α-фаза - твёрдый раствор сурьмы в олове. Максимальная концентрация сурьмы в таком растворе составляет 10 %.
2. β'-фаза - твёрдый раствор на базе интерметаллидного соединения состава SnSb при концентрации олова 42-58 %.
3. γ-фаза - твёрдый раствор олова в сурьме.

Наибольшее распространение из группы оловянных баббитов получили сплавы, содержащие не более 13 % Sb, имеющие двухфазную структуру α + β'. Следует заметить, что твердость олова невелика, составляя 5 НВ. Введение в сплав сурьмы способствует повышению твердости сплава. Однако при концентрации сурьмы свыше 13 % в оловянных баббитах заметно возрастает склонность к ликвации, что является нежелательным явлением. Для устранения явления ликвации в оловянные баббиты вводят медь.

На рисунке представлена микроструктура оловянного баббита марки Б83, состоящего из 10-12 % сурьмы, 5,5-6,5 % меди и остальное - олово. На темном фоне α-фазы видны кубические включения соединения SnSb в виде мелких тёмных включений, заметны соединения состава Cu₂Sn.

Рисунок 2

Оловянные баббиты рекомендуют использовать для изготовления тяжело нагруженных подшипников скольжения паровых турбин, турбокомпрессоров, дизелей, электродвигателей и т.д.

Они являются более экономичными, по сравнению с оловянными. Мягкой основой в таких сплавах является эвтектика, состоящая из 13 % Sb и 87 % Pb. Твёрдость сплаву придают кристаллы сурьмы.

Рисунок 3

Для улучшения прирабатываемости и вязкости сплава в его состав вводят олово, но здесь оно не является основой сплава. В составе свинцовых баббитов может находиться медь в количестве от 0,7 до 3 %. Так же, как и в оловянных баббитах, она устраняет ликвацию сплавов, повышает твердость и ударную вязкость. Для повышения жидкотекучести вводят до 1 % мышьяка, а для повышения прочности и коррозионной стойкости вводят до 2,25 % кадмия. Кроме этого, для повышения износостойкости вводят до 0,20 % теллура. В связи с наличием в составе свинцовых баббитов большого количества компонентов, анализ этих диаграмм довольно затруднителен. Иногда приходится учитывать не двойную диаграмму состояния, а тройную, четверную и более сложные диаграммы, где появляются не только продукты обычной двойной эвтектической реакции, но и продукт тройной эвтектики - ((α + (α + β) + γ)).

На рисунке 4 показана микроструктура свинцового баббита марки Б16, состоящего из 15-17 % олова, такого же количества сурьмы, 1,5-2,0 % меди, остальное - свинец. Здесь крупные светлые включения, приближающиеся по форме к квадратным - кристаллы SbSn. Они располагаются на фоне указанной выше тройной эвтектики.

Рисунок 4

Свинцовые баббиты рекомендуют использовать для изготовления подшипников в следующих случаях:

Марка Б16 - для паровых турбин, лесопильных рам, гидротурбин, элетродвигателей, компрессоров;

Марка Б6 - для металлообрабатывающих станков и вентиляторов;

Марка БТ - для автомобилей и тракторов;

Марка БН - для двигателей внутреннего сгорания, редукторов и т.д.

Основой таких баббитов служит твердый раствор натрия в свинце, а твердые включения представляют собой химические соединения состава Pb₃Ca. Это разновидность свинцовых баббитов. Кроме натрия и кальция в состав таких сплавов может входить незначительное количество алюминия, который способствует повышению пластичности, прочности и антифрикционных свойств баббитов, хотя по этим показателям кальциевые баббиты заметно уступают оловянным.

К недостаткам кальциевых баббитов является то, что в процессе плавки из них выгорает все большее и большее количество натрия и кальция, что, в свою очередь, Отрицательно сказывается на свойствах сплавов такого типа. Для снижения угара этих элементов в баббиты вводят до 2,5 % олова. Кроме того, олово способствует хорошему сцеплению самого баббита со стальным корпусом подшипника.

Одной из особенностей кальциево-натриевых баббитов является склонность их к старению, в результате которого увеличивается твердость.

Микроструктура кальциево-натриевого баббита марки БКА представлена на рисунке 5.

Рисунок 5

Здесь четко просматриваются светлые дендриты химического соединения состава Pb₃Ca, которые расположены на темном фоне твердого раствора натрия в свинце. Из таких сплавов рекомендуют изготавливать подшипники редукторов, металлообрабатывающих станков, буксовые подшипники вагонов и т.п. Эти материалы допускают давление до 1000 МПа (100 кгс/мм²).

Мягкой основой в таких сплавах является эвтектика (α + β), а твердые включения представляют собой или Al, или химическое соединение состава CuZn₃. На рисунке 6 изображена диаграмма состояния сплавов системы Zn - Al, из которой можно заметить, что в рассматриваемой системе при комнатной температуре существуют две фазы:

Рисунок 6

α-фаза - твёрдый раствор цинка в алюминии;

β-фаза - твёрдый раствор алюминия в цинке. При этом при комнатной температуре растворимость алюминия настолько низкая, что указанную фазу можно считать, как чистый цинк.

В интервале температур 275…350 °С и в интервале концентраций алюминия от 22 % до 67 % α-фаза подвергается распаду с образованием α₂-фазы, в которой находится 22 % алюминия и 78 % цинка. Наряду с α₂-фазой будет выделяться α₁-фаза, в которой находится только 67 % цинка. Незначительные добавки в сплав магния приводит к стабилизации размеров изделий.

На рисунке 7 показана микроструктура цинкового баббита марки ЦАМ 10-5. В таком сплаве находится 10-12 % Al, 4-5 % Cu, 0,03-0,06 % Mg. Остальное - цинк.

Рисунок 7

Главный недостаток цинковых баббитов в том, что у них самый высокий коэффициент линейного расширения, что требует назначения больших зазоров в трущихся парах.

Такие сплавы заметно уступают по коэффициенту трения оловянным баббитам, но их достоинство в низкой стоимости. У алюминиевых баббитов, как и у цинковых, большой коэффициент линейного расширения, что требует более тщательной сборки подшипников.