آيا تا بحال چگونگي كاركرد وسايلي مانند چرخهاي اسكيت يا موتورهاي الكتريكي كه به نوعي و با سرعت مي‌چرخند شما را متعجب ساخته است؟ علت را مي‌توان در كلمه كوچك و ساده‌اي بنام ياتاقان (Bearing ) يافت. ياتاقانها ممكن است در ابزارهايي كه ما همه روزه از آنها استفاده مي‌كنيم وجود داشته باشند بدون ياتاقان، مي‌بايست پيوسته اجزايي را تحت اصطكاك كه خراب مي‌شوند عوض كرد.
نيروي اصطكاك علي رغم فوايدي كه در برخي موارد براي انسان داشته است در پاره‌اي موارد هم به عنوان مانع در سر راه انسان بوده و باعث اتلاف مقدار بسيار زيادي از انرژي است.
در تعريف كلي هر تكيه‌گاهي كه اصطكاك را كاهش دهد ياتاقان گويند.
اين مقاله اشاره دارد به مصالح ياتاقان كه چگونه انتخاب مي‌شوند و چه خصوصياتي دارند. مصالح ياتاقان
اگر ياتاقان هميشه در شرايط كاري ايده‌آل قرار داشت، يعني در تمام اوقات لايه‌اي از روغن از تماس سطوح جدا شده جلوگيري مي‌كرد، انتخاب جنس ياتاقان هيچگونه دشواري نداشت. تنها ويژگيهاي لازم براي مصالح ياتاقان در اين حالت ارزاني- مقاومت- صلبيت- هدايت گرما و قابليت ماشين‌كاري است. مواد بسياري، چون فولاد، چدن و برنز بخوبي اين نيازها را برآورده مي‌كنند.
متاسفانه چنان شرايط ايده‌آل هرگز وجود ندارد زيرا حتي اگر ياتاقان از تغذيه مناسب برخوردار باشد در حالت راه‌اندازي، توقف و سرعت خيلي پايين تماس برقرار مي‌شود. بعلاوه در بسياري از ماشين‌ها ياتاقانهايي وجود دارند كه نيروي وارد بر آنها زياد و يا سرعت آنها آنقدر كم است كه لايه روغن بطور كامل شكل نمي گيرد. در اين حالت بخشي از نيروي وارده توسط تماس سطوح تحمل مي‌شود.
همچنين عواملي وجود دارند كه مانع ايجاد لايه روغن بطور كامل گشته و نمي‌توان تئوري هيدروديناميك روغنكاري را وارد دانست.
اين عوامل چنين‌اند :
- هندسه محور و ياتاقان هرگز بطور ايده‌آل استوانه‌اي نبوده و سطح آنها نيز كاملاً صلب نيست.
- محور در اثر بار وارده خيز برمي‌دارد و همترازي محورهاي ياتاقان و محور بهم مي‌خورد. سايش ياتاقان با محور به اين دليل صورت مي‌گيرد.
- دگرگوني شكل پوسته ياتاقان و نگهدارنده ياتاقان به نتايج مشابه حالت بالا منجر مي‌شود.
- در بعضي موارد، مقدار تزريق روغن براي نگهداري لايه روغن كافي نيست.
به اين دلايل تماس مستقيم سطوح روي مي‌دهد. اين تماس در بعضي از ياتاقانها هميشه و در بعضي ديگر در يك دوره زماني كوتاه وجود دارد.
عملاً بسياري از ياتاقانها در شرايطي كار مي‌كنند كه مقدار بار آورده بر آنها، نوساني بوده و يا جهت آن تغييرات دوره‌اي دارد. روغن نيز همواره حاوي مواد ناخواسته‌اي است كه توسط فيلتر به دام نمي‌افتند. بعضي از اين موارد تيز و برنده‌اند. تمام اين عوامل باعث مي‌شوند تا مصالح ياتاقان احتياج به توانائيهاي بيشتري داشته باشند. اما به دليل خصوصيات متضاد لازم نمي‌توان ماده‌اي يافت كه تمام نيازها را برآورده سازد. مثلاً نياز به مقاومت فشاري و مقاومت خستگي بالا، گاهي با نياز شكل‌پذيري در تضاد قرار مي‌گيرد.
آلياژهاي مناسب براي ساختن ياتاقان دو ويژگي كلي بايد داشته باشند اول آن كه به اندازه كافي نرم و قابل انعطاف باشند تا ضربه و ارتعاشات وارده را تحمل كنند و دوم آنكه بايد سخت بوده و در برابر ساييدگي و اصطكاك مقاومت داشته باشند. اين خواص را نمي‌توان در يك آلياژ تك فاز جستجو كرد زيرا محلولهاي جامد نرم بوده و فاقد سختي هستند در حالتي كه تركيبات فلزي سخت بوده و فاقد قابليت انعطاف لازم هستند. اما با داشتن آلياژي شامل دو فاز خواص مطلوب براي ساخت ياتاقان شامل تركيبات سخت فلزي در قالبي از محلول جامدي باشد. فاز محلول جامد كه بستر آلياژ را تشكيل مي‌دهد، ارتعاشات و ضربات وارده را به محور دوار و مقادير كمي همتراز نبودن را تحمل مي‌كند. فاز تركيبات فلزي نيز ساييدگي و اصطكاك را تحمل مي‌كند. ضمناً پس از مدتي كار لايه نازكي از بستر، خورده شده و رگه‌هاي مويين در سطح ياتاقان بوجود مي‌آيد كه معبر خوبي براي روغن است و هميشه سطح ياتاقان روغنكاري مي‌شود.
ويژگيهاي مصالح ياتاقان
مهمترين ويژگيهاي مصالح ياتاقان عبارتند از :
1- سازگاري به جنس محور Compatibility
2- شكل پذيري Comformability
3- جايگيري embedabiliti
4- مقاومت فشاري زياد Compresive Strength
5- مقاومت خستگي زيادFatique Strength
6- مقاوم در مقابل خوردگيCorosion resistance
7- قابليت ماشين كاري machinability
8 – هدايت حرارت زياد Termal conductivity
9- ضريب انبساط كم Cofficient of expansion
10- پايداري شيميايي Chimical activity
11- ارزاني Cost
12- فراواني Availibility
همانطور كه مشاهده مي‌شود اكثر موارد فوق شناخته شده هستند لذا فقط به توضيح بعضي موارد مي‌پردازيم.
سازگاري : وقتي تماس مستقيم بين محور و ياتاقان وجود دارد، بعضي از مصالح ياتاقاني تمايل به چسبيدن يا جوش‌خوردن به محور دارند. اين ويژگي در تمام مواد يكسان نيست. معيار ضد چسبندگي يا ضد جوش يك ماده به محور ( غالباً فولادي ) را سازگاري گويند.
در جدول (1-1-ض ) ويژگي چند ماده ياتاقاني با يكديگر مقايسه شده است. نمره يك به بهترين و نمره پنج به بدترين آنها داده شده است.
اسكات و بورز ( Scot & Booser ) دو تن از محققين اين رشته مواد مختلف را تنها از نظر سازگاري ( با فولاد ) به اين ترتيب طبقه‌‌بندي كرده‌اند:
1- نايلون
2- نيكل كادميم
3- تكستوليت
4- بابيت قلع
5- برنز
6- بابيت سرب
7- آلياژ آلومينيوم
8- چدن
9- آلياژ روي
نايلون بهترين خاصيت سازگاري را دارد اما از ميان آلياژهاي فلزي با بيت‌هاي قلع در سرب بيشتر مصرف مي‌شوند. شكل‌پذيري و جايگيري
شكل‌پذيري را توانايي تغيير شكل يك ماده ياتاقاني، تحت شرايط كاري گويند. اين ويژگي بخصوص وقتي محور ياتاقان تغيير شكل مي‌دهند اهميت مي‌يابد. اگر تماس لبه‌اي بين محور و ياتاقان بوجود آيد، شكل پذيرش باعث مي‌شود تا ياتاقان خود را با محور تطبيق داده و به آن آسيب نرساند.
آلياژهاي فلزات سفيد و بخصوص بابيت‌هاي قلع پايه، اين خاصيت را بهتر از فلزات ديگر دارند. اگر نقطه پرفشاري بر سطح ياتاقان پديد آيد گرماي حاصل از اصطكاك در اين نقطه بالا مي‌رود و مصالح ياتاقان در اين نقطه نرم شده و از اين نقطه دور شده و جاي خود را به روغن مي‌دهند.
خاصيت جايگيري هنگامي مهم مي‌شود كه مواد و ذرات خارجي در روغن وجود داشته باشند. جايگيري به توانايي جذب مواد خارجي در ياتاقان گفته مي‌شود. آلياژهايي كه شكل‌پذيري دارند، داراي سختي پايين و مقاومت خستگي اندكي و مدول الاستيته پايين هستند. مقاومت فشاري
توانايي تحمل فشار، بدون تغيير شكل پلاستيك را مقاومت فشاري گويند. هرچه بار بر واحد سطح ياتاقان بيشتر باشد، مقاومت فشاري مصالح آن نيز بايد بالاتر باشد اين خصوصيت معمولاً‌با خواص سازگاري، شكل‌پذيري و جايگيري درتضاد است و بنابراين اگر يكي از خواص اهميت فوق‌العاده‌اي داشته باشند، مقدار بار بر واحد سطح داراي محدوديت مي‌شود. مقاومت خستگي
اين ويژگي تعداد دور بارهاي متناوب و دامنه آن را معين مي‌كند. هرگاه بار وارد بر ياتاقان ضربه‌اي يا دوره‌اي باشد اين خصوصيت اهميت زيادي مي‌يابد. برنزها از ميان مصالح ياتاقان، بهترين مقاومت خستگي را دارند. بابيت‌هاي قلع پايه و سرب پايه بخصوص در دماي بالا مقاومت خستگي خوبي ندارند.
براي آنكه بين خصوصيت مختلف و متضاد، آشتي برقرار كنند از ياتاقانهاي چند لايه استفاده مي‌كنند. اگر جايگيري و سفتي با هم لازم آيند، لايه نازكي از بابيت را بر ياتاقان برنزي قرار مي‌دهند و اگرتوانايي باربري زياد نيز مطرح باشد از لايه سوم فولادي استفاده مي‌كنند. مقاومت خوردگي
روغن‌ها در دماي بالا تمايل دارند كه اكسيد شده يا اسيدهاي آلي تشكيل دهند. اين خاصيت ويژه در سطح تماس پيستون و سيلندر موتورها مهم است. وجود بعضي كاتاليزورهاي فلزي نظير نمكهاي مس، اكسيداسيون روغن را تسريع كرده و خوردگي را زياد مي‌كنند
هرچه حجم روغن جاري در سيستم نسبت به مساحت ياتاقان كمتر باشد خوردگي در ياتاقان بيشتر صورت مي‌گيرد. افزايش حجم روغن و تعويض مرتب آن از شدت خوردگي مي‌كاهد.
در رابطه با خوردگي از مصالح حاوي سرب، كادميم، روي، مس و نقره بيشتر استفاده مي‌شود.
خوردگي نسبي چند آلياژ ياتاقان در دماي 105 درجه سانتي‌گراد در جدول (2-1-ض) نشان داده شده است و مشاهده مي‌شود كه از لحاظ خوردگي با بيت‌هاي قلع پايه بهترين مصالح ياتاقاني هستند. وجود كادميم يا اينديم در هر يك از مصالح ديگر مي‌تواند مقاومت خوردگي آنها را زياد كند. مصالح معمولي ياتاقان
فلزات سفيد: اينطور مصطلح شده است كه به آلياژهاي بابيت قلع، سرب، آنتيموان و مس، فلزات سفيد اتلاق مي‌شود.
كلمه بابيت از نام مخترع آن اسحق بابيت گرفته شده است. او درسال 1839 با آميختن 3/89 درصد قلع، 9/8 درصد آنتيموان و 8/1 درصد مس، ماده‌اي براي ياتاقانهاي دستگاه‌هاي نوين صنعتي در آمريكا ساخت. در اين آلياژ تركيبات سخت قلع، مس و آنتيموان در بستر نرمي از قلع جاي مي‌گيرند. امروزه آلياژهاي زيادي از فلزات سفيدساخته مي‌شود كه به همگي آنها بابيت مي‌گويند زيرا خصوصيات آنها مشابه است.
بابيت‌ها به دو دسته كلي قلع پايه و سرب پايه تقسيم مي‌شوند. آلياژهاي قلع پايه كم و بيش داراي ساختاري مشابه بابيت اوليه هستند. بابيت‌هاي سرب پايه، بستري از سرب با تركيباتي از قلع و آنتيموان دارند. تركيبات شيميايي چند بابيت استاندارد SAE در جدول (3-1-ض) درج شده است.
آلياژهايSAE10 و SAE12 بابيت‌هاي قلع پايه و آلياژ SAE14 بابيت سرب پايه هستند. منحني پايين تركيبات سرب و قلع تقريباً مهمترين استفاده از اين آلياژها به عنوان مصالح ياتاقان است. بابيت‌ها خاصيت سازگاري و جايگزيني و شكل‌پذيري بسيار خوبي دارند و بنابراين مناسب‌ترين مصالح ياتاقاني شناخته شده تا امروز هستند.
در شكل فوق لايه 1 مقاوم در مقابل خوردگي و شكل‌پذير بوده و لايه 2 در مقابل ارتعاشات مقاوم است كه به لايه ارتعاش‌گير معروف است و لايه اصلي هم فولاد است كه خواص خود را داراست (استحكام – مقاوم و ...)
بابيت‌هاي قلع پايه نسبت به بابيت‌هاي سرب پايه داراي مزايايي هستند، از جمله اينكه مقاومت خوردگي آنها بيشتر بوده و در دماي معمولي اندكي سخت‌تر اما اگر دما افزايش يابد اين مزايا از بين مي‌رود پس بهتر است براي ياتاقانهايي كه در دماي بالا كار مي‌كنند از بابيت‌هاي سرب پايه استفاده شود. بابيت‌هاي قلع پايه بهتر از سرب در آستر فولادي جاي مي‌گيرد و اين خاصيت گاهي بسيار مهم مي‌شود.
ارزش بابيت‌هاي قلع پايه بسيار بالاتر از بابيت‌هاي سرب پايه است و بعلاوه تهيه قلع به چند منبع توليد‌كننده در دنيا محدود مي‌شود واين امر، دستيابي به قلع را دچار وقفه مي‌كند. بطور كلي قلع يك فلز ارزشمند تلقي مي‌شود و به اين دليل است كه مصرف بابيت‌هاي سرب پايه مرتباً بالا مي‌رود. سربهاي سرد شده قليايي
افزايش مقدار كمي كادميم، قلع، جيوه به پايه سرب، سختي آن را بسيار مي‌افزايد، بطوري كه سرب از بابيت نيز سخت‌تر مي‌شود. چنين آلياژي را سربهاي سخت‌شده قليايي مي‌نامند. نقطه ذوب آن بالاتر از بابيت بوده و خصوصيات مكانيكي اين آلياژ مشابه بابيت است. آلياژهاي كادميم پايه
اين آلياژها از كادميم با 1درصد تا 5/1 درصد نيكل، 5/0 درصد تا 75/0 درصد مس 5/0 درصد تا 2درصد و نقره ساخته مي‌شوند. آلياژهاي كادميم پايه شكل‌پذيري و جايگزيني خوبي دارند. سختي آنها كمي بيش از بابيت است و تحمل دماي بالاتري را دارند. مقاومت خستگي و ظرفيت باربري آنها بيشتر از بابيت‌ها است. عيب بزرگ آلياژهاي كادميم پايه، مقاومت خوردگي پايين و قيمت بالا است. با نفوذ اينديم در اين آلياژها مي‌توان تا حدي مقاومت خوردگي آنها را بالا برد. آلياژهاي مس و سرب
ياتاقانهاي مس وسرب از آميختن 20% تا 40% سرب و 60% تا 80% مس ساخته مي‌شوند. چون مس در سرب حل نمي‌شود، ساختار اين آلياژ از پخش گلوله‌هاي كوچك سربي در محيط مسي بوجود مي‌آيد. اگر پخش سرب يكنواخت نباشد مقاومت خستگي اين آلياژ بسيار پايين مي‌آيد، به اين علت اندكي نقره، قلع و يا نيكل به آن مي‌افزايند. اين عناصر توزيع سرب را يكنواخت‌تر مي‌كند. پوششي از اينديم و نفوذ آن در سطح ياتاقان باعث افزايش مقاومت خوردگي اين آلياژ مي‌شود. اين آلياژ در دماي بالاتر از 0C 150 بهتر از بابيت انجام وظيفه مي‌كند. بطور كلي اگر ماشيني در شرايط خشن كار كند، ياتاقانهايش را از اين آلياژ مي‌سازند. برنزها
برنزها از مصالح پرمصرف ياتاقاني هستند. برنزها بيشتر به عنوان بوش بكار مي‌روند. دلايلي كه براي اين كار وجود دارد عبارتند از :
1- تهيه برنزها اقتصادي است.
2- نسبتاً محكم بوده و مي‌توانند بدون پشتيبان بكار روند.
3- مقاومت خستگي آنها بالا است.
4- ماشين‌كاري آنها ساده است.
5- به سادگي مي‌توان از برنز، بوشهاي يك تكه ساخت.
يك ياتاقان يك تكه با ديواره ضخيم معمولاً بر ياتاقانهاي دو و سه لايه ترجيح دارد. برنزها دامنه وسيعي دارند و از برنزهاي نسبتاً نرم حاوي اندكي سرب و قلع تا برنزهاي سخت حاوي قلع زياد گسترده‌اند. در اين پهنه چندين هزار آلياژ برنز با مقادير مختلف سرب، قلع، روي، نقره، فسفر، نيكل، آلومينيوم، سيلسيم و غيره وجود دارند. ويژگيهاي اين ياتاقانها نه تنها به تركيب شيميايي بلكه به نحوه توليد برنزها نيز بستگي دارند. برنزهاي سرب‌دار از 10% تا 25% و 2% تا 10% قلع و بقيه از مس تشكيل شده‌اند سرب سازگاري برنز و قلع مقاومت خستگي و فشاري آن را مي‌افزايند. مقاومت خوردگي برنزها نسبتاً پايين است با افزودن اندكي نقره يا نيكل مي‌توان مقاومت خوردگي را تقويت كرد. كه جدول (1-1-ض) تمام اين مواد را با هم مقايسه كرده است. آلياژهاي آلومينيوم
در چند دهه اخير استفاده از آلياژهاي آلومينيوم به عنوان مصالح ياتاقان به سرعت گسترش يافته است، تركيبات شيميايي اين آلياژها گستردگي زيادي دارد و به همين دليل خواص مكانيكي آنها نيز بسيار متنوع است. اما بهترين آلياژ اين دسته كه براي ياتاقان سازي مناسب تشخيص داده شده از آميختن 6% تا 7% قلع، 5/0% تا 5/1% مس در آلومينيوم بدست مي‌آيد. گاهي نيز 1% تا 3% سيلسيم و 5/0% تا 1% كادميم به آن مي‌افزايند.
ويژگي مهم اين آلياژها، ظرفيت باربري بالاي آنها است. مقاومت خوردگي و خستگي آنها نيز نسبتاً خوب است اما عدم سازگاري و ضريب انبساط بالا، مهمترين عيوب اين آلياژهاست، به دليل انبساط زياد، نمي‌توان آنها را در دماي بالاتر از 0C 120 بكار برد و بعدها با افزودن اندكي اينديم به سرب توانستند از خوردگي نيز جلوگيري كنند.
نقره علاوه بر سختي، هادي گرماي خوبي نيز به شمار مي‌رود و به اين دلايل مي‌تواند در بارهاي زياد يا دوره‌هاي بالا كار كند. با تمام اين مزايا، كاربرد نقره به دليل قيمت زياد و جايگيري و سازگاري پايين، محدود است.
امروزه ياتاقانهاي گران‌قيمت و بسيار كارآمد را با روش متالوژي پودر مي‌سازند. اين زمينه از صنعت به تازگي نتايج مفيد و اقتصادي‌تر داشته است. مفيدتر بودن آنها در اين است كه نيازي به ذوب كردن فلزات و آميختن آنها وجود ندارد. مي‌توان هر فلز را به هر مقدار كه بخواهند به صورت پودر با يكديگر مخلوط كرده و در قالب بفشارند و به كمك گرما آن را يك پارچه سازند. به اين ترتيب جمع كردن خصوصيات متضاد به سادگي امكان‌پذير خواهد بود.
ياتاقانهاي سراميكي و پلاستيكي و پوشش‌هاي لعابي و تفلوني از ديگر موارد مورد تحقيق هستند كه هنوز جنبه تجاري نيافته‌اند. نقره
سازگاري، جايگيري و شكل‌پذيري نقره خالص زياد نيست. به اين دلايل، نقره نتوانست تا مدتها جاي خود را به عنوان مصالح ياتاقان باز كند. اما چندي قبل از جنگ جهاني دوم كشف كردند كه اگر لايه‌اي نازكي از سرب را روي نقره اضافه كنند، خصوصيات يك مصالح ياتاقاني خوب، را پيدا مي‌كند.
| 
