Из чего делают подшипники

Механики постоянно ищут способ уменьшить трение вращающихся деталей. Раньше это достигалось применением специальных прокладок, втулок и смазок. Например, тележное колесо крутилось дерево по дереву и смазывалось березовым дегтем. Потом ось стали делать из железа, а обойму из бронзы. Следующим шагом инженерной мысли стал подшипник качения. Но и узлы скольжения до сих пор применяются и совершенствуются. Рассмотрим, какие подшипники выпускает промышленность и из чего их делают. 

Что такое подшипник качения

Между обоймами помещают шарики, которые не трутся о нагруженные поверхности, а катятся по ним. Из-за разницы диаметров обойм происходит частичное проскальзывание, но этим можно пренебречь.

Существует несколько типов подшипников:

• Радиальные. Они предназначены для удержания вала. Нагрузка передается перпендикулярно оси вращения. Элементы качения могут быть шарообразными или цилиндрическими. 
• Опорные. Требуются для предотвращения смещения вращающейся детали вдоль оси. 
• Опорно-радиальные. В одном узле совмещены две функции. Для этого применяют конусные или шариковые подшипники со специальной формой обойм. По такой схеме сделаны ступичные узлы автомобилей.

По конструкции они могут быть однорядными, двухрядными, самоцентрирующимися, со сферической обоймой, с конусной и ровной посадкой, закрытые и открытые и прочее. 

Материалы для создания подшипников качения 

Наиболее часто материалом для изготовления таких изделий является хромистая сталь. Она оптимально сочетает в себе высокие прочностные характеристики и износостойкость. Самые востребованные марки – это ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ. У этих изделий есть один недостаток, они подвержены коррозии – быстро выходят из строя при воздействии влаги и попадания на их поверхность кислот и щелочей. 

Чтобы узел работал длительное время все элементы делают из нержавеющих сталей марок: 08Х18Н10, 8Х4М4В2Ф1-Ш, 8Х4В9Ф2-Ш, 95Х18. Устойчивость к коррозии обеспечивается легированием хромом, никелем, молибденом, кремнием и углеродом.  Такие изделия несколько уступают по нагрузочным характеристикам подшипникам из черных металлов. Но они нашли свое применение в пищевой и химической промышленности, медицине из-за своей нейтральности к пищевым продуктам и медицинским препаратам, высокой устойчивости к кислотам и щелочам. 

Для удержания шариков на своих местах в подшипнике существует сепаратор. Его делают из мягких видов стали:

• Бронза. Подшипники с бронзовыми элементами маркируются буквой Б. Работают в узлах с большими нагрузками при температуре до 250 градусов. Относительно низкий коэффициент трения бронзы по стали обеспечивает длительный срок эксплуатации. Марки для изготовления – БрАМц9-2, БрАЖМЦ10-3-1.5, БрАЖ9-4. 
• Латунь. Материал выполняет те же функции, что и бронза. Но более высокая пластичность сплава позволяет создать узлы с высокой скоростью вращения. Латунь боится очень высоких температур и агрессивных сред. Марки для изготовления сепаратора – С59-1, ЛС59-1Л. 
• Дюраль. Материал более легкий и пластичный, чем нержавеющая сталь. Дюралевые сепараторы не обладают высокой устойчивостью к коррозии. Их применяют как более дешевую альтернативу изделий из бронзы. 

Для очень специфичных условий использования применяют подшипники качения, сделанные из пластиков. Обычно обойму делают из пластичного материала, а ролики – из более твердого. 

Что такое подшипник скольжения

Если скорость вращения не высока и есть возможность обеспечить точку трения смазкой, то оправдано использование более простых по конструкции и дешевых подшипников скольжения. Инженеры отметили, что коэффициент трения стали по чугуну и бронзе ниже, чем сталь об сталь. Поэтому широкое распространение получили разнообразные вкладыши, втулки и шайбы из цветных металлов и их композитов. В некоторых случаях технологически невозможно поставить подшипник качения. Например, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания скользит по вкладышам из цветных сплавов. 

Подшипник скольжения может быть:

• Радиальным. Он представляет собой втулку, одна из поверхностей которой трется о вал или обойму. 
• Опорным. Это цельная или разрезная шайба, которая соприкасается с полированной поверхностью вала и предотвращает его смещение вдоль оси.
• Комбинированным. Это втулка сложной формы, имеющая соприкосновение с валом и опорной шайбой. 

Материалы для изготовления подшипников скольжения

Для разных условий эксплуатации подшипников применяют разнообразные марки цветных металлов и их сплавы. Такие материалы маркируют по буквенно-цифровому принципу. «Бр» означает, что это бронза. «О» – олово, «С» – свинец, «Ф» – фосфор, «Ц» – цинк, «А» – алюминий и т.д. Цифры отражают процентный состав химических элементов. Например, БрАЖ9-4 обозначает, что в сплаве 9% алюминия и 4% железа. 

Рассмотрим некоторые марки бронз и сферу их применения при создании узлов скольжения: 

• БрОФ6,5-0.15, БрОФ7-0,2, БрОФ10-1. В их состав входит олово и фосфор. Из материалов делают втулки, которые подвергаются высоким нагрузкам.
• БрАЖМЦ10-3-1,5. Сплав содержит алюминий, железо, медь, цинк и имеет высокую стойкость к агрессивным средам. Изделия из сплава выдерживают большую статическую нагрузку и применяются в судо- и двигателестроении, химической промышленности.
• БрКМц3-1. Состав: 3% кремния и 1% марганца. Из материала делают направляющие втулки, вкладыши для механизмов, которые работают под влиянием морской воды.  
• БрБНТ1,9. Безоловянный сплав, в состав которого входят титан и бериллий, имеет самые высокие прочностные характеристики. Отличительная черта – не искрит при трении, поэтому используется при создании узлов, работающих в пожароопасных средах (рудники, шахты, НПЗ). Применение ограничивается высокой стоимостью материала.
• БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-4, БрОЦС5-5-5. Это самая распространенная группа сплавов. В зависимости от процентного состава легирующих компонентов (олово, цинка и свинца) сплавы применяют в самых разных механизмах. Количественное изменение добавок позволяет использовать детали при высоких оборотах работы, разных температурных режимах и в сложных средах. 

Латунные вкладыши, втулки и шайбы нашли свое применение из-за высокой пластичности материала. Это позволяет снизить требования к степени обработки сопрягаемых деталей. То есть бронза более хрупкая и может разрушиться, а латунь деформируется и сохраняет свои свойства. Чаще всего для создания подшипника скольжения применяют сплавы марок Л63, Л68, ЛМцС, ЛЦ40С.

Баббит используют как материал скольжения в композитных подшипниках. На медную или дюралевую основу наносят слой мягкого сплава. Это позволяет при работе оптимально притереть двигающиеся детали. По такому принципу делают автомобильные вкладыши и опорные шайбы, которые предотвращают осевое смещение коленвала. Относительно невысокие фрикционные качества требуют применение принудительной смазки жидкими маслами. Такое конструктивное решение позволяет делать узлы, вращающиеся со скоростью 5000 и более оборотов в минуту. Пластичность баббитового сплава сделала возможным компенсировать неравномерные множественные нагрузки. 

Сплав из цинка, меди и алюминия ЦАМ4-1 используют как бюджетную замену оловянно-свинцовых бронз. Применяется в механизмах с высокой скоростью вращения. 

Альтернативные материалы для создания подшипников скольжения

Все более широкое распространение получают узлы скольжения из полимеров. Капролон, полиамид, полиэтилен, полистирол и прочие пластики хорошо выполняют функцию снижения трения в узлах, которые работают при невысоких нагрузках и температурах. 

В некоторых случаях целесообразно использовать композитные материалы, например, смесь меди и графита. Втулки и шайбы изготавливают методом прессования из порошков. 

Подшипники – это большая группа изделий. Кроме подшипников скольжения и качения, существуют другие виды: 

• Воздушные или жидкостные. Здесь трение минимизируется созданием подушки из газов или масла. Высокое давление создает прослойку между деталями и вал вращается, не касаясь стенок обоймы. 
• Магнитные. Вращающаяся деталь удерживается с помощью мощного электрического магнита. 
• Узлы с минимальной площадью соприкосновения. По этому принципу созданы механические часы, где функцию подшипника выполняют рубин и металлическая игла. 

В статье мы рассказали, из чего делают подшипники качения и скольжения. Сфера применения таких изделий настолько широка, что трудно перечислить все применяемые материалы. Инженерная мысль не стоит на месте и постоянно создаются новые материалы, пригодные к использованию в самых разных условиях эксплуатации.