Антифрикционные материалы для подшипников скольжения
Трение в подшипнике скольжения задаётся парой поверхностей и тем, что находится между ними. Лишь немногие материалы сами по себе имеют низкое трение по стали — прежде всего PTFE, графит и MoS₂, — и конструирование подшипника во многом сводится к тому, чтобы поместить один из них на поверхность контакта, пока нагрузку несёт что-то более прочное.
Самое низкое трение по стали среди твёрдых материалов у PTFE (μ ≈ 0,04–0,10 всухую), графита и MoS₂ (≈ 0,05–0,15), далее идут POM и СВМПЭ (≈ 0,15–0,30) и полиамид (≈ 0,20–0,40). Бронза по стали со смазкой — ≈ 0,10–0,20. Ни один из антифрикционных материалов сам не выдерживает высокую нагрузку, поэтому во втулках их сочетают с бронзовой или стальной конструкцией: слои PTFE и POM на стали, графитовые вставки в бронзе, масло в спечённой бронзе.
- Коэффициент трения — свойство пары и условий (нагрузка, скорость, температура, смазка), а не одного материала
- Композитные втулки с PTFE: μ 0,02–0,20 всухую; композит с POM — 0,05–0,25 с консистентной смазкой; биметалл с бронзовым слоем — 0,04–0,15 со смазкой; литая бронза — 0,08–0,15 с консистентной смазкой
- Низкое трение и низкий износ — разные свойства: у PTFE самое низкое трение, но без наполнителей он быстро изнашивается, поэтому его применяют тонким наполненным слоем
- Плёнка смазки превосходит любой твёрдый материал: сплошная масляная плёнка даёт μ ≈ 0,001–0,01 — вот почему быстроходные подшипники работают с подводом масла
Материалы в сравнении
Характерные диапазоны по стали из трибологической литературы и технических паспортов втулок на этом сайте; фактические значения зависят от нагрузки, скорости, температуры, шероховатости и загрязнения.
| Материал | μ всухую по стали | μ со смазкой | Износостойкость | Несущая способность | Температура | Во втулках применяется как |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTFE (наполненный) | 0,04–0,10 | 0,02–0,05 | Низкая без наполнителя, хорошая с наполнителем | Низкая сам по себе | от −200 до +260 °C | Рабочий слой композитных втулок с PTFE |
| Графит | 0,05–0,15 | — | Хорошая | Низкая сам по себе | до 400 °C на воздухе | Вставки в бронзовых втулках с графитом |
| MoS₂ | 0,05–0,10 | — | Хорошая | Низкая сам по себе | до 350 °C на воздухе | Добавка в слои PTFE и во вставки |
| POM (полиацеталь) | 0,15–0,30 | 0,05–0,10 | Хорошая | Умеренная | до 100–130 °C | Рабочий слой композитных втулок с POM; цельные втулки |
| СВМПЭ (UHMWPE) | 0,10–0,20 | 0,05–0,10 | Очень хорошая (абразив) | Низкая | до 80 °C | Цельные пластиковые втулки и облицовки |
| Полиамид (PA) | 0,20–0,40 | 0,05–0,15 | Хорошая | Умеренная | до 100 °C | Цельные пластиковые втулки |
| Бронза (C93200) | 0,25–0,35 | 0,08–0,15 | Хорошая | Высокая | до 250 °C | Литые, свёртные и спечённые бронзовые втулки |
| Спечённая бронза + масло | — | 0,05–0,15 | Хорошая | Низкая–умеренная | до 90 °C | Втулки с пропиткой маслом |
| Биметалл CuPb10Sn10 | — | 0,04–0,15 | Очень хорошая | Очень высокая | до 250 °C в масле | Биметаллические втулки |
| Закалённая сталь | 0,5–0,8 (схватывание) | 0,10–0,15 | Отличная | Очень высокая | до 350 °C | Втулки из закалённой стали, с консистентной смазкой |
Почему антифрикционный материал — всегда слой
PTFE ползёт уже при нескольких Н/мм², графит хрупок, а POM при нагреве расширяется и размягчается. Сами по себе они дают плохие втулки. Связанный тонким слоем со стальной основой через пористую бронзу, PTFE несёт 250 Н/мм² статически, потому что путь нагрузки через слой составляет лишь сотые доли миллиметра; запрессованный в литую бронзу, графит смазывает втулку, несущую 50–100 Н/мм², потому что нагрузку несёт бронза, а не графит. Конструктор подшипника разделяет функцию несения нагрузки и функцию снижения трения и отдаёт каждую тому материалу, который справляется с ней лучше всего.
Когда плёнка смазки превосходит любой твёрдый материал
На скорости, при подводе масла, подшипник скольжения образует гидродинамическую плёнку, полностью разделяющую поверхности; трение падает до 0,001–0,01, а износ — до нуля. Поэтому быстроходные подшипники — втулки двигателей, коробок передач и насосов — работают с подводом масла и выполняются из биметалла или бронзы, а не из PTFE. Ниже примерно 0,5 м/с плёнка не образуется, и подшипник работает в режиме граничного трения на том, что есть на поверхности контакта: консистентная смазка и сама бронза либо самосмазывающийся твёрдый материал. Антифрикционные твёрдые материалы важны в тихоходном, сухом, горячем и необслуживаемом режиме — там, где живёт большинство втулок.
Выбор антифрикционной втулки
Сначала определите режим, затем материал.
- Всухую, любая температура, умеренная нагрузка. Композит с PTFE: самое низкое трение, доступное во втулке, 250 Н/мм² статически, от −195 до +280 °C.
- Всухую, тяжело, медленно, горячо. Бронза с графитовыми вставками: 50–100 Н/мм², до 400 °C, при ≤ 0,5 м/с.
- Однократная смазка, высокий pV, кромочная нагрузка. Композит с POM: 22 Н/мм²·м/с в масле, прочный слой, до 130 °C.
- Подвод масла, быстро. Биметалл: μ 0,04–0,12 на плёнке, 8–15 м/с.
- Легко, тихо, дёшево, без коррозии. Цельные втулки из POM, полиамида или СВМПЭ либо спечённая бронза.
Часто задаваемые вопросы
У какого материала самый низкий коэффициент трения?
Среди конструкционных твёрдых материалов — у PTFE: около 0,04–0,10 всухую по стали, ниже с наполнителями и после приработки. Графит и MoS₂ близки. Гидродинамическая масляная плёнка превосходит их все: 0,001–0,01.
Почему не сделать втулку целиком из PTFE?
PTFE ползёт под нагрузкой и плохо отводит тепло. Тонким слоем на стальной основе он несёт 250 Н/мм²; цельная втулка из PTFE несёт малую долю этого и подвержена холодному течению.
Низкое трение — это то же самое, что низкий износ?
Нет. У PTFE самое низкое трение и при этом без наполнителей — одна из самых высоких скоростей износа. Материалы втулок наполняют, делают слоистыми или снабжают вставками, чтобы получить и то и другое.
Каков коэффициент трения бронзовой втулки?
Около 0,08–0,15 с консистентной смазкой в режиме граничного трения; ниже на масляной плёнке на скорости; 0,25–0,35 всухую — это уже режим отказа, а не расчётная точка.
У какой втулки самое низкое трение?
Среди работающих всухую — у композитной втулки с PTFE (0,02–0,20 в зависимости от нагрузки и скорости); среди смазываемых — у биметаллической втулки с подводом масла на сплошной плёнке.
Не уверены, какая втулка нужна? Опишите узел.
Размеры, нагрузка, скорость, смазка и условия среды: инженеры в течение 12 часов пришлют предложение по материалу и КП. Бесплатные образцы, без минимального заказа.