Przewodnik do wyboru materiałów łożysk

Wybór materiałów łożyskowych bezpośrednio wpływa na niezawodność i żywotność systemów mechanicznych, wymagając dopasowania do warunków eksploatacji (obciążenie, prędkość, środowisko). Główne materiały łożyskowe są podzielone na trzy typy: metaliczne, niemetaliczne i porowate materiały metaliczne. Poniżej znajduje się analiza techniczna ich charakterystyki i scenariuszy zastosowań.

I. Materiały metaliczne: Podstawowy wybór dla łożysk o wysokiej wytrzymałości

1. Stopy łożyskowe (stopy Babbitta/metale białe)

• Skład i struktura: Stopy o miękkiej osnowie z cyną lub ołowiem jako bazą, zawierające twarde ziarna antymonu-cyny (Sb-Sn) i miedzi-cyny (Cu-Sn).
• Kluczowe zalety:
  • Miękka osnowa zapewnia wysoką ciągliwość i dopasowanie, podczas gdy twarde ziarna zwiększają odporność na zużycie;
  • Wyjątkowa wchłanialność (umożliwia wchłanianie cząstek zanieczyszczeń, zapobiegając zarysowaniom czopa) i właściwości przeciwprzyczepne;
  • Dobra przewodność cieplna (zmniejsza gromadzenie się ciepła tarcia) i adsorpcja oleju (poprawia smarowanie).
• Ograniczenia:
  ▪ Niska wytrzymałość, wymagająca stosowania jako cienka powłoka (0,5–5 mm) odlewana na tulejach łożyskowych z brązu, stali lub żeliwa;
  ▪ Wysoki koszt, odpowiedni do zastosowań o dużym obciążeniu i średniej prędkości z surowymi wymaganiami dotyczącymi smarowania (np. turbiny parowe, wały główne silników spalinowych).

2. Stopy miedzi

• Typowe typy:
  ▶ Brąz cynowy: Doskonałe właściwości przeciwcierne, stosowany w scenariuszach o średniej prędkości i dużym obciążeniu (np. łożyska wałów napędowych statków), ale o gorszym dopasowaniu do stopów łożyskowych;
  ▶ Brąz ołowiowy: Wysoka zdolność do zapobiegania zatarciom, odpowiedni do dużych prędkości i dużych obciążeń (np. łożyska silników lotniczych);
  ▶ Brąz aluminiowy: Wysoka wytrzymałość i twardość, słaba odporność na zatarcia, stosowany przy niskich prędkościach i dużych obciążeniach (np. łożyska maszyn górniczych).
• Wspólne zalety: Wyższa twardość i nośność niż stopy łożyskowe, oferujące lepszą opłacalność.

3. Stopy na bazie aluminium

• Cechy techniczne:
  • Niska gęstość (około 1/3 stopów miedzi), silna odporność na korozję i wysoka wytrzymałość zmęczeniowa;
  • Mogą być produkowane jako monometaliczne komponenty lub konstrukcje bimetaliczne (wykładzina na bazie aluminium + stalowe podłoże), zastępując niektóre stopy łożyskowe i brązy.
• Zastosowania: Łożyska silników samochodowych, łożyska sprężarek w scenariuszach o średnim obciążeniu i dużej prędkości.

4. Żeliwo (żeliwo szare/żeliwo odporne na zużycie)

• Mechanizm wzmocnienia: Płatki grafitu (lamelarne lub sferoidalne) tworzą stałą warstwę smarującą, adsorbującą smary w celu poprawy smarowania granicznego.
• Ograniczenia:
  ▪ Kruche z niską dopasowalnością, odpowiednie tylko do zastosowań o małym obciążeniu i niskiej prędkości (np. maszyny rolnicze, łożyska narzędzi ręcznych);
  ▪ Wymaga smarowania, nieodpowiednie do środowisk obciążeń udarowych.

II. Materiały niemetaliczne: Rozwiązania dla specjalnych środowisk

1. Materiały polimerowe (tworzywa sztuczne)

• Typowe typy:
  ▶ Żywica fenolowa: Odporność na wysoką temperaturę (150℃), wysoka wytrzymałość, stosowana w łożyskach skrzyń biegów;
  ▶ Nylon (PA): Dobre samosmarowanie, amortyzacja wstrząsów, odpowiedni do zapylonych środowisk;
  ▶ Politetrafluoroetylen (PTFE): Niezwykle niski współczynnik tarcia (0,04), odporność na korozję, możliwość pracy bez smarowania.
• Ograniczenia zastosowania:
  ▪ Słaba przewodność cieplna (1/200 stali), wymagająca kontroli prędkości roboczej (≤0,5 m/s) i ciśnienia (≤3 MPa);
  ▪ Wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej (10x większy niż stali), wymagający luzów pasowania 2–3 razy większych niż łożyska metalowe;
  ▪ Niska wytrzymałość i podatność na pełzanie, nieodpowiednie do łożysk o precyzyjnych luzach.

2. Materiały węglowo-grafitowe

• Zalety wydajności:
  • Samosmarowanie opiera się na zaadsorbowanej parze wodnej i impregnowanych smarach (np. metale, PTFE, dwusiarczek molibdenu);
  • Odporność na wysoką temperaturę (ponad 600℃), odporność na korozję, odpowiednie do próżni lub silnie korozyjnych środowisk (np. łożyska pomp chemicznych).
• Właściwość materiału: Wyższa zawartość grafitu prowadzi do niższej twardości i mniejszego współczynnika tarcia (nawet 0,08).

3. Guma i drewno

• Guma: Wysoka elastyczność, adsorpcja zanieczyszczeń, stosowana w środowiskach smarowanych wodą lub zanieczyszczonych (np. łożyska urządzeń do oczyszczania ścieków);
• Drewno: Porowata struktura do impregnacji olejem, odpowiednia do zapylonych środowisk (np. maszyny włókiennicze, łożyska maszyn rolniczych), wymagająca obróbki powierzchni w celu zwiększenia odporności na zużycie.

III. Porowate materiały metaliczne: Optymalne dla scenariuszy samosmarowania

1. Zasada materiału

• Proces produkcji: Proszki metaliczne (głównie żelazo/brąz) są prasowane i spieczone w porowatą strukturę (porowatość 10%–35%), nasyconą olejem przed użyciem w celu utworzenia łożysk impregnowanych olejem.
• Mechanizm smarowania:
  ▶ Podczas pracy: Obrót czopa i wzrost temperatury uwalniają olej z porów na powierzchnię tarcia;
  ▶ Podczas wyłączania: Działanie kapilarne wciąga olej z powrotem do łożyska, umożliwiając okresowe samosmarowanie.

2. Typowe materiały i zastosowania

• Żelazo porowate: Wyższa wytrzymałość, stosowane w scenariuszach o średnim obciążeniu i niskiej prędkości, takich jak wykładziny młynów, łożyska wałków rozrządu silników spalinowych;
• Brąz porowaty: Dobra odporność na zużycie, odpowiedni do wentylatorów elektrycznych, maszyn włókienniczych i łożysk generatorów samochodowych (obciążenie ≤10 MPa, prędkość ≤2 m/s).
• Zalecenia dotyczące użytkowania: Regularne uzupełnianie oleju dla optymalnej wydajności, nieodpowiednie do obciążeń udarowych lub dużych prędkości (>3 m/s).

Referencja decyzji dotyczącej wyboru

Wniosek

1. Duże obciążenie i duża prędkość: Daj pierwszeństwo stopom łożyskowym lub brązowi ołowiowemu z wymuszonymi systemami smarowania;
2. Korozyjne/bezolejowe środowiska: Używaj tworzyw PTFE lub materiałów węglowo-grafitowych, wymieniając część nośności na adaptację do środowiska;
3. Niski koszt samosmarowania: Porowate materiały metaliczne są idealne do scenariuszy o niskiej prędkości i małym obciążeniu.
   Oceniając kompleksowo parametry takie jak obciążenie, prędkość, temperatura i środowisko, oraz łącząc właściwości fizyko-mechaniczne materiału z kosztem, można znacznie wydłużyć żywotność łożysk i niezawodność eksploatacyjną sprzętu.