Бронза для втулок скольжения: какую марку выбрать

Бронзовая втулка — самый простой подшипник скольжения: кольцо из антифрикционного сплава, в котором вращается или качается стальной вал. Её ставят в редукторы, шарниры, ролики транспортёров, грузоподъёмные механизмы, насосы и сельхозтехнику. Служит она годами — если марка подобрана под нагрузку, скорость и, что часто упускают, под твёрдость вала. Если сочетание сплава и шейки выбрано неудачно, узел греется, на поверхностях появляются задиры, и стачивается то втулка, то сам вал. Ниже — разница между оловянными и алюминиевыми сплавами, справочные пределы нагрузки и скорости, быстрый расчёт втулки и выбор заготовки для точения.

Почему втулки делают именно из бронзы

Сталь скользит по бронзе легко даже тогда, когда масла мало: по справочнику, коэффициент трения стали по бронзе и антифрикционному чугуну в таких условиях составляет 0,10–0,15, тогда как по серому чугуну — 0,15–0,20. Бронза мягче стального вала, поэтому изнашивается в первую очередь она, а дорогой вал сохраняется. Она прирабатывается — поверхность подстраивается под шейку, — хорошо отводит тепло, не ржавеет во влажной среде и легко обрабатывается резанием. Изношенную втулку заменить гораздо дешевле, чем вал.

Две семьи бронз и как читать марку

Антифрикционные медные сплавы бывают с оловом и без него. В оловянных основной легирующий элемент — олово, часто с цинком, свинцом и фосфором. Они мягче, лучше прирабатываются и прощают незакалённый вал. Среди безоловянных для узлов трения важнее всего алюминиевые — с алюминием, железом, марганцем, никелем. Они прочнее и твёрже, выдерживают большие удельные нагрузки и ударные режимы, но требуют закалённой шейки.

В марке после «Бр» идут буквы элементов, затем через дефис их содержание в процентах в том же порядке: БрАЖМц10-3-1,5 — около 10 % алюминия, 3 % железа и 1,5 % марганца. У литейных оловянных бронз по ГОСТ 613-79 цифры стоят сразу за буквами: БрО10Ф1 — 10 % олова и 1 % фосфора, БрО5Ц5С5 — по 5 % олова, цинка и свинца. В старых справочниках и в прайсах те же сплавы встречаются под прежними обозначениями — БрОФ10-1 и БрОЦС5-5-5. Безоловянные бронзы, обрабатываемые давлением, — БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4 — описывает ГОСТ 18175-78, литейные безоловянные — ГОСТ 493-79.

Пять марок, которые реально ставят во втулки

Показатель	БрО10Ф1	БрО5Ц5С5	БрАЖ9-4	БрАЖМц10-3-1,5	БрАЖН10-4-4
Как называли раньше	БрОФ10-1	БрОЦС5-5-5	—	—	—
Основа сплава	олово и фосфор	олово, цинк, свинец	алюминий и железо	алюминий, железо, марганец	алюминий, железо, никель
Как получают заготовку	литьё	литьё	прессование, прокатка	прессование, прокатка	прессование, прокатка
Козырь	лучшая антифрикционность, высокая скорость скольжения	лёгкая приработка, умеренная цена	прочность, стойкость к ударам	прочность и коррозионная стойкость, ходовой пруток	максимальная прочность группы, работа при нагреве
Слабое место	высокая цена олова	скромные допустимые режимы	скорость ниже, нужен закалённый вал	нужен закалённый вал	дороже, нужен закалённый вал
Типичные детали	быстроходные подшипники, червячные венцы	втулки насосов, арматуры, общего машиностроения	тихоходные тяжёлые втулки, гайки винтовых пар	шарниры, опоры, грузоподъёмные механизмы	сёдла и направляющие клапанов, горячие узлы

Допустимые режимы: что выдерживает каждая бронза

Работоспособность подшипника скольжения оценивают по трём величинам: среднему давлению на опорную поверхность p, окружной скорости шейки v и их произведению pv, которое характеризует тепловыделение. Справочник по проектированию металлорежущих станков даёт такие ориентиры для предварительного расчёта:

Материал втулки	Закалённая шлифованная шейка: [pv], МПа·м/с	Закалённая шейка: [v], м/с	Незакалённая шейка: [pv], МПа·м/с	Незакалённая шейка: [v], м/с
БрОФ10-1	10	8	6	5
БрОЦС5-7-12, БрОЦС6-6-3	8	6	5	4
БрАЖ9-4	7,5–15	5	не рекомендуется
БрС30 (свинцовистая)	10	10	не рекомендуется

Авторы справочника подчёркивают, что эти величины установлены практикой и в значительной мере условны: при высоких кромочных давлениях и недостаточной смазке их снижают, при совершенной смазке и равномерной нагрузке допускают более высокие. Рабочая температура подшипника не должна превышать 75 °C.

Там же приведены типичные нагрузки по видам механизмов: в зубчатых и червячных редукторах [p] = 1–3 МПа при [pv] = 6–12 МПа·м/с, в транспортёрах, шнеках и рольгангах — 2–10 МПа при 4–10 МПа·м/с, в открытых тихоходных передачах — 1–4 МПа при 3–6 МПа·м/с, в приводах вращающихся печей и сушильных барабанов — 4–15 МПа при 6–15 МПа·м/с.

Главное правило пары: алюминиевая бронза — только по закалённому валу

Из таблицы видна вещь, которую легко пропустить: для БрАЖ9-4 работа по незакалённой шейке вообще не рекомендуется. Алюминиевые бронзы твёрдые, и мягкий вал из нормализованной или улучшенной стали в такой паре начинает изнашиваться и задираться сам. Поэтому под втулку из БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 или БрАЖН10-4-4 шейку вала закаливают — обычно токами высокой частоты — и шлифуют. Оловянные бронзы мягче и прирабатываются лучше: они допускают незакалённый вал, хотя и с меньшими [pv] и скоростью. Если вал заменить или закалить нельзя, выбор почти всегда за оловянной бронзой.

Как прикинуть нагрузку на втулку

Для проверки достаточно трёх формул. Давление p = F / (d · l), где F — радиальная нагрузка в ньютонах, d и l — диаметр и длина втулки в миллиметрах, результат получается в МПа. Окружная скорость v = π · d · n / 60 000, где n — частота вращения в об/мин, результат в м/с. И произведение pv, которое сравнивают с допустимым.

Пример. Втулка диаметром 50 и длиной 50 мм несёт нагрузку 10 кН при 300 об/мин. Давление p = 10 000 / (50 · 50) = 4 МПа, скорость v = 3,14 · 50 · 300 / 60 000 ≈ 0,79 м/с, pv ≈ 3,1 МПа·м/с. Такой режим выдерживает даже БрО5Ц5С5 по незакалённому валу. Если тот же узел раскрутить до 1500 об/мин, скорость вырастет до 3,9 м/с, а pv — до 15,7 МПа·м/с. Это выше допустимого для всех бронз из таблицы: нужно увеличить длину втулки, чтобы снизить давление, перейти на закалённую шлифованную шейку и обеспечить хорошую смазку. Отношение длины втулки к диаметру на практике держат в пределах 0,5–1,5, для редукторов — 0,8–1,2: слишком длинная втулка нагружается неравномерно и изнашивается по краям.

Литая заготовка или пруток

Сплавы с оловом в основном отливают — получают литые прутки, полые заготовки и отливки по модели, которые потом протачивают. Алюминиевые сплавы прессуют, и для втулки среднего диаметра прессованный пруток удобнее всего. По ГОСТ 1628-78 прессованный пруток из БрАЖМц10-3-1,5 диаметром 16–160 мм должен иметь временное сопротивление не менее 590 МПа, относительное удлинение не менее 12 % и твёрдость 130–200 HB. По требованию потребителя его поставляют с более узким диапазоном твёрдости, 130–170 HB, и временным сопротивлением не ниже 540 МПа. Пруток однороден по структуре, не имеет литейной пористости и хорошо точится, поэтому из него получаются втулки со стабильными свойствами по всей длине.

Монтаж и смазка

Втулку запрессовывают в корпус с натягом, чтобы она не проворачивалась, а с валом обеспечивают посадку с зазором — её выбирают по системе допусков, о которой подробно в статье о допусках и посадках валов. Натяг слегка сжимает втулку, отверстие уменьшается, и его нередко растачивают или развёртывают уже в корпусе. Для подачи смазки делают отверстие и канавки в ненагруженной зоне: канавка в зоне максимального давления разрывает масляный слой. Узлы, которые нельзя регулярно смазывать, проектируют с запасом по pv либо подбирают самосмазывающиеся материалы.

Когда бронза — не лучший выбор

Бронза универсальна, но не единственна. В том же справочнике, по которому мы смотрели допуски для бронз, приведены и другие материалы вкладышей. Баббиты Б16 и БН допускают [pv] до 15 МПа·м/с при скорости до 10 м/с на закалённой шейке и 10 МПа·м/с при 6 м/с на незакалённой — это материал для быстроходных подшипников с хорошей смазкой, где бронза перегревается. Антифрикционный чугун АЧС-1 и АЧС-2 работает на малых скоростях, до 1–4 м/с, и годится для тихоходных опор, где важна цена. Цинковый сплав ЦАМ 10-5 — дешёвая замена бронзе для умеренных режимов. А в узлах, которые невозможно смазывать, всё чаще применяют втулки из спечённых и полимерных материалов. Бронза остаётся лучшим компромиссом там, где сочетаются средние скорости, заметные нагрузки, удары и периодическая смазка.

Типичные ошибки при подборе втулки

• Ставить алюминиевую бронзу на сырой вал. Вал изнашивается быстрее втулки, а справочник прямо не рекомендует такую пару;
• Делать втулку слишком длинной. При длине больше полутора диаметров нагрузка распределяется неравномерно, и края втулки изнашиваются раньше середины;
• Прорезать смазочную канавку в нагруженной зоне. Канавка в месте максимального давления разрывает масляный слой и снижает несущую способность;
• Не учитывать усадку отверстия после запрессовки. Без расточки или развёртки по месту зазор получается меньше расчётного, втулку заклинивает и перегревает;
• Считать только давление. Втулка может выдерживать p, но перегреваться по pv на высоких оборотах — проверяют обе величины и скорость.

Миф: чем твёрже бронза, тем дольше прослужит втулка. На самом деле срок службы определяет пара «втулка — вал», а не твёрдость одной бронзы. Алюминиевая БрАЖ9-4 прочнее и твёрже оловянных бронз, но по справочным данным работа по незакалённой шейке для неё не рекомендуется: мягкий вал в такой паре изнашивается и задирается сам. Сплав олова, цинка и свинца БрО5Ц5С5 уступает ей в твёрдости, но подстраивается под шейку и при умеренном режиме нормально служит даже на сыром валу. Твёрдую алюминиевую бронзу выбирают, когда шейку вала закаливают и шлифуют, а нагрузки высокие.

Частые вопросы

Из какой бронзы точить втулку скольжения?

Быстроходный ответственный узел — БрО10Ф1. Обычная втулка механизма — БрО5Ц5С5. Тяжёлая нагрузка на малых оборотах при закалённой шейке — БрАЖ9-4 или БрАЖМц10-3-1,5.

Нужно ли закаливать вал под бронзовую втулку?

Под алюминиевую бронзу — да: по справочным данным работа БрАЖ9-4 по незакалённой шейке не рекомендуется. Оловянные бронзы допускают незакалённый вал, но с меньшими допустимыми скоростью и pv.

Чем БрОЦС5-5-5 отличается от БрО5Ц5С5?

Это один и тот же сплав: около 5 % олова, 5 % цинка и 5 % свинца. БрОЦС5-5-5 — прежнее обозначение, БрО5Ц5С5 — современное по ГОСТ 613-79.

Как рассчитать втулку скольжения?

Определяют давление p = F / (d · l), окружную скорость v = π · d · n / 60 000 и произведение pv. Полученные значения сравнивают с допустимыми для выбранной бронзы и состояния вала.

Из чего точить бронзовую втулку?

Из литой заготовки оловянной бронзы или из прессованного прутка безоловянной. Пруток БрАЖМц10-3-1,5 по ГОСТ 1628-78 имеет временное сопротивление не менее 590 МПа и однородную структуру без литейной пористости.

Какой зазор нужен между валом и бронзовой втулкой?

Его задают посадкой с зазором по системе допусков. Для шпиндельных подшипников станков нормальной точности справочник рекомендует диаметральный зазор 0,015–0,020 мм, для прецизионных — меньше. В механизмах общего назначения зазор больше и зависит от диаметра и режима смазки.

До какой температуры может работать бронзовая втулка?

Справочник по подшипникам скольжения станков ограничивает рабочую температуру подшипника 75 °C. Если узел греется сильнее, нужно снижать pv, улучшать смазку или теплоотвод.

Трение: сплавы с оловом — БрО10Ф1 и БрО5Ц5С5 — податливы, быстро прирабатываются и мирятся с сырой шейкой, а алюминиевые БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 и БрАЖН10-4-4 прочнее, держат удар и большие давления, но работают только по закалённой шлифованной шейке; втулку проверяют по p, v и pv и сравнивают со справочными допусками; длину берут в 0,5–1,5 диаметра, температуру держат ниже 75 °C, смазочные канавки располагают вне зоны нагрузки.

Практика МТМ: на складе — бронзовый пруток БрАЖМц10-3-1,5 и другие марки бронзы, а также стальной круг для валов. Втулки и валы под чертёж изготавливаем на собственном производстве: токарная обработка на станках с ЧПУ, фрезеровка смазочных канавок и пазов, термообработка и шлифовка шеек вала. О шкалах твёрдости, которыми задают требования к валу и втулке, — в статье о твёрдости стали. Подобрать бронзу под нагрузку и скорость можно по телефону +7 (812) 409-45-58 или через форму на сайте.