Износостойкие и антифрикционные материалы для

ВИАМ/1982-198547
Износостойкие и антифрикционные
материалы для узлов трения
В.П. Мигунов
Л.А. Чатынян
Е.В. Иванов
Г.С. Антонова
Т.А. Соловьева
Февраль 1982
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Авиационная промышленность», № 8, 1982 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Износостойкие и антифрикционные материалы
для узлов трения
В.П. Мигунов, Л.А. Чатынян, Е.В. Иванов,
Г.С. Антонова, Т.А. Соловьева
Среди износостойких материалов жаропрочные сплавы занимают
ведущее место. Это обусловлено следующими обстоятельствами:
–
ограниченными
возможностями
применения
известных
конструкционных и антифрикционных материалов из-за недостаточной
износостойкости; на износ сопряженных поверхностей из указанных
материалов большое влияние оказывают температуры, изменяющиеся от
криогенных до высоких, а также окружающая среда;
– постоянным увеличением температурно-нагрузочных характеристик
узлов трения изделий авиационно-космической техники.
В
лаборатории
износостойкие
ВИАМ
сплавы
на
разработан
основе
новый
никеля:
класс
В56
–
материалов
для
–
сепараторов
подшипников качения, рабочая температура которых не превышает
400–450°С; ВЖЛ1 – для деталей трения в форсажной камере, направляющем
аппарате, гибких трубопроводов; ВЖЛ2 – для подшипников скольжения,
сферических опор скольжения, регуляторов давления, скользящих контактов,
бандажных лопаток ГТД; ВЖЛ15 – для шаровых опор, кратковременно
работающих при температурах до 950°С; ВЖЛ16 – для деталей трения,
работающих в вакууме и при высоких температурах. В качестве основных
легирующих
компонентов
использовали
элементы
IV
и
VI
групп
периодической системы элементов Менделеева. Сплавы характеризуются
высоким уровнем механических свойств.
Была обобщена теоретическая основа создания определенной структуры,
обеспечивающая высокую износостойкость сплавов при 20–850°С. Типичные
кривые горячей твердости показывают значительный эффект упрочнения,
обусловленный выделением интерметаллидных фаз карбидов.
По химическому составу разработанные сплавы отличаются содержанием
молибдена, ванадия, циркония, рения, кремния, а также алюминия и титана в
сумме.
Высокий уровень твердости, прочности и текучести сплавов выбранных
систем достигается благодаря наличию жаропрочной матрицы, состоящей из
(γ+γ′)-фаз,
и
равномерному
распределению
в
твердом
растворе
высокодисперсной γ′-фазы на основе соединения Ni 3 (Al, Ti). Однако
структуры сплавов различны по фазовому составу, числу интерметаллидных
фаз в зависимости от степени легирования тугоплавкими элементами IV–VI
групп периодической системы элементов.
Максимальной износостойкостью обладают литые многофазные сплавы.
На интенсивность изнашивания влияет структура материала, в частности
число и размеры упрочняющих карбидных и интерметаллидных фаз, а также
свойства поверхностных пленок, образующихся при трении. Добавки
кремния, бора, церия обеспечивают образование в процессе скольжения
поверхностных плотных износостойких пленок, которые, особенно при
высоких температурах, служат твердой смазкой, защищая контактирующие
поверхности от сильного разрушения и обеспечивая легкость скольжения.
Установлено, что износостойкость сплавов на основе никеля при трении
скольжения на воздухе в широком диапазоне температур является
структурно-чувствительным свойством материала.
В настоящее время делается упор не на разработку новых износостойких
сплавов, а на расширение области применения сплавов типа ВЖЛ, т.е.
изготовление деталей трения из уже имеющихся материалов. В связи с этим
исследуются возможности повышения технологичности и эксплуатационных
характеристик указанных сплавов; используется метод точного литья,
позволяющий
получать
литые
качественные
заготовки
оптимальных
размеров, что приводит к повышению КИМ и снижению стоимости
изготовления деталей трения авиационных ГТД; разрабатывается технология
дополнительного легирования сплавов микродобавками редкоземельных
элементов для получения стабильных свойств при высоких температурах.
Проводятся исследования сплавов на основе кобальта с высоким
содержанием
углерода.
Интенсивное
их
использование
в
качестве
упрочнителя контактирующих поверхностей бандажных полок турбинных и
компрессорных лопаток повысит надежность и ресурс ГТД.
Антифрикционные самосмазывающиеся материалы имеют существенные
преимущества перед обычными материалами, требующими жидких или
консистентных смазок. Применение их позволяет отказаться от сложной
системы подачи смазок и профилактической смазки, упростить конструкцию
узла трения, увеличить надежность. По сравнению с материалами,
работающими со смазками, самосмазывающиеся имеют более широкий
диапазон рабочих температур.
При
разработке
самосмазывающихся
материалов
использовали
материалы с твердыми наполнителями, обеспечивающие работу узлов без
смазок при высоких температурах, и с полимерными наполнителями,
рабочие температуры которых ограничены 250–300°С.
В результате проведенных исследований созданы и внедрены материалы,
полученные
методом
порошковой
металлургии.
Для
узлов
трения,
работающих при температурах до 673 К разработан спеченный сплав на
основе меди – АМК4, который содержит в качестве твердой смазки
дисульфид молибдена и графит. Обладая высокими физико-механическими
показателями, он широко применяется в двигателестроении. Механические
свойства сплава АМК4 приведены в табл. 1, физические – в табл. 2.
Таблица 1.
Т, К
Свойство
σ в.изг , МПа
σ сж , МПа
σ в , МПа
τ cp , МПа
а н ·10-5, Дж/м2
НВ, МПа
293
130–140
250–280
110–140
120–140
0,18–0,2
600–800
423
130–140
240–270
110–130
110–130
0,17–0,19
600–800
523
110–120
180–200
90–110
100–120
0,15–0,17
600–800
573
95–105
170–180
70–80
90–100
0,14–0,15
600–700
623
70–90
160–180
70–80
80–90
0,14–0,15
550–600
673
60–80
150–170
60–70
70–80
–
500–600
Таблица 2.
Т, К
Свойство
293
–
0,12
с, Дж/К
λ, Вт/(м·К)
373
0,10
0,12
473
0,11
0,12
573
0,12
0,12
673
0,125
0,12
773
0,135
0,12
При разработке спеченного антифрикционного материала установление
зависимостей влияния концентрации различных составляющих на его
свойства
позволяет
получить
материал
с
заданными
свойствами.
Исследованиями установлены статистические связи между свойствами и
концентрацией смазывающих добавок для сплава АМК4.
Коэффициент трения аппроксимируется функцией f тр =0,327-0,00956b-0,0199с, где b – содержание дисульфида молибдена, % масс.; с – содержание
графита, % масс. Предел прочности при сжатии определяется уравнением
σ сж =630,5-45b-38,6с. Ошибка расчета по этой формуле не превышает 4%.
Выявлена
также
зависимость
между
механическими
свойствами
спеченного сплава АМК4 и температурой эксплуатации. Аппроксимация
пределов прочности при сжатии, срезе и изгибе в зависимости от
температуры производится по формулам σ сж =445,38·0,998Т±11,4 МПа;
σ в.изг =555-165,58lgT±9,6
МПа;
σ ср =463,5-135lgT±6,67
МПа,
где
Т
–
температура, К.
С увеличением полетной массы авиационной техники возрастает мощность
двигателя, что приводит к повышению температур в узлах трения. Для
сопряженных пар трения, работающих без смазки при температурах до 823 К,
разработан спеченный сплав АМК5. Высокая прочность и жаростойкость этого
сплава позволила использовать его в узлах трения компрессора, цапфах
поворотных лопаток, подшипниках скольжения системы отбора воздуха и др.
Механические свойства сплава приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Т, К
723
–
–
–
220–270
130–180
Свойство
293
6,8–6,7
10–12
600–800
300–340
180–230
γ, г/см
П, %
НВ, МПа
σ сж , МПа
σ в.изг , МПа
3
В
последнее
время
внимание
873
–
–
–
120–170
50–70
исследователей
привлекли
самосмазывающиеся комбинированные материалы типа металл–полимер.
Сущность метода получения подобных материалов основана на введении в
пористый металл частиц, которые в процессе трения образуют своеобразный
самосмазывающийся
слой,
предотвращая
схватывание
сопряженных
поверхностей. Так, втулки подшипников, полученные штамповкой-вытяжкой
из
комбинированного
металлофторопластового
материала,
широко
используются в узлах трения авиационной техники: более 3000 таких
подшипников установлено в самолете Ил-86. Это позволило значительно
снизить массу, исключить подачу смазки, увеличить надежность и ресурс
узлов трения и механизмов в целом.
Шариковинтовые механизмы широко распространены в системах
управления современных конструкций. Однако такие механизмы в тяжелых
условиях непригодны, так как обладают повышенной чувствительностью к
ударным нагрузкам, контактирующие поверхности загрязняются абразивом,
применяемая смазка некачественна, что может привести к внезапным
отказам в полете.
Использование винтовых пар трения скольжения вместо качения может
повысить надежность изделия. Винт изготовляют из закаленной стали
30ХГСА, гайку – из бронзы. Применяемая смазка при эксплуатации в
условиях высоких нагрузок и температур может вытесняться с поверхности
трения, поэтому сопряженные поверхности фактически работают в условиях
граничного трения. При работе у серийной пары трения появляются задиры и
схватывание.
Комбинированный
металлофторопластовый
материал
не
обеспечивает полностью ресурс изделий. Для узлов трения, подобных
винтовым
механизмам,
количество
смазки,
заключенной
в
слое
с
пористостью до 35%, недостаточно. В связи с этим ВИАМ в содружестве с
Киевским
механическим
заводом
и
ИПМ
АН
УССР
разработал
комбинированный бронзофторопластовый материал БФГ-50М, в котором
использованы несферические подшипники из бронзы. Это позволило
повысить пористость бронзового слоя до 50%, увеличить запас твердой
смазки, а следовательно, износостойкость и антифрикционность материала.
Материал БФГ-50М широко применяется в узлах трения авиационной
техники.