Антифрикционные композиты

Антифрикционные композиты Супротек.

Твердые вещества со слоистым строением кристаллической решетки обладают смазочными свойствами. Наиболее широкое применение получили дисульфид молибдена (MoS2), нитрид бора (BN) и графит. Их используют в качестве добавки к жидким смазкам и самосмазывающего компонента материалов и покрытий антифрикционного назначения. Графит применяют также как самосмазывающийся антифрикционный материал.

Кристаллическая решетка графита состоит из атомов углерода, образующих параллельные слои с гексагональной ячейкой (см. рис. 3.2). Расстояние между слоями в 2,5 раза больше, чем между атомами в слое. Поэтому графит легко расслаивается по плоскостям спайности. В процессе трения кристаллиты графита удерживаются неровностями поверхности, ориентируясь главными осями параллельно трущимся поверхностям (рис. 6.2). Трение рабочих поверхностей деталей заменяется трением между слоями графита 1.

Схема действия твердой смазки
Рис. 6.2. Схема действия твердой смазки

Твердые смазки на основе MoS2, графита и BN сохраняют смазывающее действие при нагреве поверхности трения до 150, 450, 600°С соответственно (рис. 6.3).

Влияние температуры на коэффициент трения твердых смазок на основе дисульфида молибдена (7), графита (2) и нитрида бора (3)
Рис. 6.3. Влияние температуры на коэффициент трения твердых смазок на основе дисульфида молибдена (7), графита (2) и нитрида бора (3)

Антифрикционные композиционные материалы характеризуются низким коэффициентом трения, значение которого в условиях трения по стали без смазки не превышает 0,09. Функциональными наполнителями, обеспечивающими антифрикционные свойства композита, служат порошки твердых смазок. Наиболее распространен в качестве антифрикционного наполнителя графит, содержание которого в композите обычно не превышает 7%. В качестве матрицы используют преимущественно железо и бронзу. Антифрикционные композиционные материалы — железографит и бронзо- графит — могут работать без принудительной смазки при высокой износостойкости трущейся пары. Рабочая температура эксплуатации данных материалов не превышает 180°С. Применением в качестве матрицы никеля и нихрома, а в качестве наполнителя — нитрида бора и селенидов тугоплавких металлов удается повысить температуру эксплуатации до 500°С.

Металлофторопластовая лента относится к композиционным материалам, каждый компонент которого выполняет определенную роль (рис. 6.4). Металлический каркас композита состоит из спеченных друг с другом сферических частиц (7) из оловянистой бронзы. Металлический каркас пропитан смесью (2) фторопласта и дисульфида молибдена, которые придают композиту самосмазы- вающие свойства. Механическую прочность композиту придает спеченная с металлическим каркасом лента (J) из стали 08 КП.

Схема строения металлофторопластового композиционного материала антифрикционного назначения (пояснения в тексте)
Рис. 6.4. Схема строения металлофторопластового композиционного материала антифрикционного назначения (пояснения в тексте)

Металлофторопластовую ленту применяют в качестве вкладышей подшипников скольжения для работы в условиях сухого трения без смазки. Ресурс работы узлов трения с металлофторопластовыми вкладышами при величине произведения удельной нагрузки и скорости скольжения 0,3 МПа • м/с составляет 800 ч.

Отметим, что развитие порошковой металлургии в целом началось с разработки и использования в машиностроении порошковых антифрикционных материалов на металической матрице.

Фрикционные композиционные материалы обладают высоким коэффициентом трения, достигающим при трении всухую 0,4, а в условиях трения со смазкой — 0,12. Функциональным наполнителем во фрикционных композитах служит асбест и порошки карбидов, среди которых наиболее распространены карбиды бора и кремния, а также тугоплавких оксидов, нитридов и др. Кроме того, в состав фрикционных композитов вводят наполнитель, предотвращающий схватывание трущейся пары. К таким добавкам относятся вещества с антифрикционными свойствами — графит, сульфиды и др.

Электроконтактные композиционные материалы в процессе эксплуатации испытывают воздействие электрической дуги, которая возникает в процессе периодического размыкания электрической цепи. Дугостойкость определяется высокими значениями температуры плавления, прочностных характеристик, тепло- и электропроводности компонентов композиционного материала. Электроконтактные композиты представляют собой каркас из тугоплавкого компонента, например вольфрама или графита, в матрице из высокоэлектропроводных металлов, таких как серебро или медь.

Разновидностью электроконтактных композитов являются электрощетки. Они состоят из медной матрицы, которая содержит до 75% графитового наполнителя. Коэффициент трения электрощеток по стали для различных марок находится в пределах 0,02…0,30. В условиях вакуума графит теряет смазывающие свойства. Поэтому в электрощетках для двигателей высотной авиации и космических аппаратов графит заменен сульфидами и селенидами тугоплавких металлов.

Магнитные композиционные материалы по величине коэрцитивной силы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

В качестве матрицы магнитомягких материалов используют порошки железа, никеля и кобальта. В матрицу вводят 4—6% наполнителя в виде порошка кремния с целью повышения электросопротивления композита, что снижает потери электроэнергии на нагрев детали вследствие наведения в ней вихревых токов при ее перемаг- ничивании. К наиболее распространенным магнитомягким композитам относятся сплавы системы «железо — никель (пермаллой)» и «железо — кобальт (пермендюр)».

Из магнитотвердых композиционных материалов наиболее распространены сплавы системы «алюминий — никель (альни)» и «алюминий — никель — кобальт (альнико)». Основным их недостатком является повышенная хрупкость, для устранения которой в матрицу вводят до 15% волокнистого наполнителя в виде вольфрамовой проволоки. При сохранении магнитных характеристик ударная вязкость композита возрастает до 4 раз.