Бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов в машиностроении. К числу таких бронз относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз, а из безоловянных — БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Данные бронзы применяются главным образом для изготовления:
- опор подшипников скольжения;
- колес (венцов) червячных передач;
- гаек в передачах «винт-гайка».
Антифрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются свойствами поверхностного слоя, тогда как механические свойства определяются объемными свойствами материала.
Данное утверждение можно проиллюстрировать при сравнении двух бронз — БрС30 и БрАЖ9-4 — при их использовании в подшипниках скольжения. БрС30 существенно уступает бронзе БрАЖ9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлинение). Однако именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускающих высокие скорости и высокие нагрузки (в т. ч. ударные). Поэтому при выборе бронзы для использования в узлах трения учитывают прежде всего антифрикционные, а затем механические свойства.
Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1.5, БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1. Для направляющих используются катаные полосы из БрАМц9-2 и плиты (литые и отфрезерованные) из БрАЖ9-4 и БрОЦС5-5-5.
Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от вида узла трения и условий его работы. Для наиболее распространенных случаев можно пользоваться следующими общими рекомендациями:
- Подшипники скольжения. При скоростях скольжения более 5–6 м/с предпочтительно применять БрОФ10-1. При скоростях менее 5–6 м/с можно применять БрАЖ9-4 или БрОЦС5-5-5. Если опорная поверхность вала закалена, то можно применять любую из этих бронз, но БрАЖ допускает вдвое большие радиальные нагрузки. Если опорная поверхность вала не закалена, можно применять только БрОЦС.
- Колеса (венцы) червячных передач. При скоростях скольжения более 8–12 м/с применяется БрОФ10-1. При скоростях 4–10 м/с применяется БрОЦС5-5-5. При скоростях менее 4–6 м/с применяется БрАЖ9-4.
Для втулок подшипников, работающих в агрессивных средах, большое распространение получили алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4 и БрАЖМц10-3-1, которые в ряде случаев являются заменителями оловянных бронз. Они имеют высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, морской воде, большинстве органических кислот, растворах сернокислых солей, едких щелочей и других средах, кроме концентрированных кислот.
Алюминиевые бронзы, содержащие железо, отличаются высокой прочностью и износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ шипа, если твердость его не выше твердости вкладыша. Свинцовистые бронзы в особенности ценны тем, что имеют большую ударную вязкость, вкладыши из этих бронз выдерживают значительные знакопеременные и ударные нагрузки.
Проведенные исследования износостойкости бронз в паре со сталью в среде глицерина показывают, что в зависимости от условий испытания износ бронзы может быть большим и ничтожно малым. В том случае, если поверхность трения бронзы при установившемся режиме покрывается тонким слоем меди, дальнейшее анодное растворение прекращается, происходит пассивация, что приводит к резкому уменьшению износа.
Если же бронза содержит много легирующих элементов, легко растворимых в глицерине (например, бронза БрАЖМц), и условия работы тяжелые (высокие удельные нагрузки), то процесс растворения идет интенсивно, выделившаяся медь хотя и схватывается со сталью, но изза атомарного состава твердых растворов образует аморфный рыхлый слой, который не успевает кристаллизоваться.
Износостойкость бронзы при таких условиях мала. С уменьшением удельного давления скорость растворения падает, на бронзе образуется пассивирующая пленка, что снижает интенсивность износа. В таких условиях применение бронзы БрАЖМц повышает долговечность узлов.
Износостойкость хромистой и хромоциркониевой бронзы мало отличаются друг от друга при температурах 300–700 °C. Эта бронза мало изнашивается и обладает способностью образовывать на поверхности трения слой пленки черного цвета, причем высокая способность пленкообразования сказывается при высоких температурах.
Фосфор (до 0 3 %) улучшает литейные свойства, а при увеличении его содержания до 1 % повышаются твердость и износостойкость бронз. При испытаниях с повышенной температурой в среде глицерина увеличение износа бронзы БрОФ с увеличением температуры происходит значительно медленнее, чем бронзы БрАЖМц. Дело в том, что при одних и тех же номинальных площадях трения образцов бронз БрОФ и БрАЖМц и одних и тех же номинальных нагрузках на образце бронзы БрОФ увеличение площади фактического контакта при трении происходит во много раз медленнее, чем на образце БрАЖМц, в результате чего на первом образце фактические удельные нагрузки во много раз превышают номинальные, а фактические удельные давления при трении на втором– значительно меньше. При трении бронзы БрОФ по нержавеющей стали (при полном отсутствии пленки меди) отмечалось лишь небольшое ускорение растворения.
Кроме гостированных применяют нестандартные марки бронз, а также марки, предусматривавшиеся ранее действовавшими ГОСТами. Наиболее распространены для изготовления автомобильных деталей оловянистые бронзы. Они характеризуются достаточной прочностью, высокими антифрикционными качествами, коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью. Деформируемые оловянистые бронзы отличаются, кроме того, хорошими упругими свойствами. Повышение содержания олова в оловянистых бронзах увеличивает их прочность и твердость, но уменьшает пластичность и ударную вязкость.
В качестве легирующих присадок в оловянистую бронзу вводят фосфор, свинец, цинк, никель. Цинк и никель повышают механические свойства бронзы, причем никель способствует измельчению зерна и улучшению структуры сплава, свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства, а также обрабатываемость резанием (свинец) и износостойкость (фосфор).
Вместе с тем наличие фосфора в количестве более 0,2–0,3 % и свинца снижает механические свойства сплава. С увеличением содержания цинка облегчается сварка и пайка бронзы. Из специальных бронз наибольшее применение в автомобилестроении и авторемонтном производстве нашли свинцовистые бронзы, отличающиеся высокой износостойкостью и повышенной по отношению к другим антифрикционным сплавам температурной стойкостью. Свинцовистые бронзы применяют для заливки вкладышей подшипников коленчатых валов автомобильных и тракторных дизельных двигателей.
Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.
Всё о цветных металлах и сплавах (бронза, медь, латунь и др) 