СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ТОНКОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ВКЛАДЫШАХ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F16C33/04 

Изобретение относится к способу изготовления вкладышей подшипников скольжения с использованием метода газотермического напыления (ГТН).

Изобретение можно использовать при изготовлении и ремонте подшипников скольжения для разнообразных машин и механизмов в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве и в других отраслях народного хозяйства.

В настоящее время существует два основных способа нанесения антифрикционного слоя на стальной тонкостенной полувкладыш опор скольжения: 1 заливка жидкого сплава; 2 использование плакированной ленты.

Известен способ получения антифрикционного покрытия, заключающийся в заливке подшипников свинцовистой и свинцовисто-оловянистой бронзой, алюминиевыми сплавами, содержащими, мас. 5, 9, 20 и 40% олова и около 1% меди, а также баббитами В83, ВК2 и др.

Известный способ получения антифрикционного покрытия заключается в получении биметаллической ленты, состоящей из стальной основы и антифрикционного слоя из сплава на алюминиевой основе АСМ, АО6, А020 и др. с последующим изготовлением из ленты вкладышей подшипников.

Недостатками первого способа заливки подшипников являются: повышенный расход дефицитных антифрикционных сплавов, возможность появления ликвации, крупных кристаллов и как следствие получение неудовлетворительной структуры и пониженных эксплуатационных свойств несущего слоя, особенно усталостной долговечности, а главное неизбежные деформации стальной основы вкладышей, возникающие при кристаллизации расплава, необходимость последующей правки деталей и снижение качества опор скольжения после сборки.

Недостатком также является разупрочнение шеек коленчатого вала поверхностно-активными веществами и экологическая вредность гальваники.

Недостатком второго способа изготовления вкладышей подшипников является сложность технологии получения плакированной ленты, требующей организации автоматизированного производства и последующей технологии изготовления вкладышей из биметаллической листовой заготовки. В связи с этим данный способ освоен пока в автотракторной промышленности для вкладышей небольших размеров. Сложность изготовления с необходимой точностью биметаллических тонкостенных вкладышей больших размеров (⊘ ≥ 200 мм) существенно возрастает.

Известны также работы по нанесению антифрикционного материала на вкладыши подшипников с помощью взрыва.

Недостатками взрывной технологии являются повышенная опасность производства вследствие работы со взрывчатыми веществами; значительная вероятность изменения структуры и свойств антифрикционного слоя после обработки взрывом в нежелательном направлении, например чрезмерное повышение поверхностной твердости, появление микронадрывов и микротрещин в покрытии из-за неравномерной деформации материалов с гетерогенными микроструктурами; изменение конфигурации и упругих свойств стальной основы вкладышей и пр.

Известны а.с. по ГТН на стальные вкладыши подшипников бронзовогоантифрикционного покрытия, состоящего из смеси порошков ПГ-19М-01 и Бр08С12 (а.с. N 1255488) и порошка ПГ-19М-01 с добавлением серы (а.с. N 1739602).

Недостатками бронзовых покрытий вкладышей подшипников являются невысокие триботехнические характеристики, повышенная жесткость (твердость) и низкая усталостная долговечность.

Известен способ увеличения прочности и износостойкости ряда плазменных покрытий стандартными порошками (ПГ-СР4, ПНЮЮЗО, ПХ20Н80 и др. путем их дополнительной обработки контактной сваркой.

Электроспеканию не подвергались антифрикционные подшипниковые материалы на основе алюминия и меди.

Целью изобретения является возможность антифрикционного покрытия тонкостенных стальных вкладышей.

Задача решена путем получения сравнительно дешевого тонкослойного пористого покрытия тонкостенных стальных вкладышей подшипников скольжения антифрикционным сплавом на основе алюминия с частичным послойным интеркристаллитным оплавлением, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками: износостойкостью, антифрикционностью, макро- и микропрочностью, усталостной долговечностью.

Наиболее существенными отличиями предлагаемого (заявляемого) решения являются следующие.

Для повышения надежности опор скольжения, т.е. предотвращения заедания и схватывания в условиях ограничения или прекращения подачи смазки и достижения достаточной усталостной долгочечности, плазменным напылением или любым другим способом наносится антифрикционное покрытие, представляющее собой сплав на основе алюминия, имеющий оптимальную пористость и благоприятную морфологию слабоокисленных частиц (зерен).

Для получения структуры, состоящей из слабоокисленных частиц благоприятной морфологии, отношение осредненного диаметра частицы к ее толщине должно быть не менее 4 5, порошок алюминиевого сплава сферической формы предусмотрено получать путем распыления расплава струей азота в атмосферу азота, а напыление производить при дистанции напыления 100 150 мм и скорости плазменной струи на срезе сопла плазмотрона не ниже 500 м/с.

Антифрикционный материал, кроме наружных слоев толщиной 150 200 мкм, в процессе напыления подвергается послойной электроконтактной обработке (ЭКО), обкатке токопроводящим роликом при экспериментально установленных технологических режимах силе прижима ролика, плотности тока и при соответствии ширины ролика диаметру основной зоны пятна напыления материала, в результате чего происходит измельчение составляющих и гомогенизации микроструктуры, снижение пористости до оптимального уровня, частичное интеркристаллитное оплавление и образование дополнительных "мостиков сварки" между частицами покрытия, создающих эффект жесткого каркаса и повышающих когезионную прочность; разрушающее усилие и, в итоге, усталостную долговечность покрытия. За счет изменения микроструктуры после ЭКО необходимый уровень эксплуатационных характеристик антифрикционного слоя из сплава на основе алюминия достигается при меньшем содержании меди и олова соответственно в 2 и 4 раза.

Алюминиевый сплав антифрикционного покрытия дополнительно содержит лантан, а для экономии меди и олово дополнительно подвергается ЭКО при следующем окончательном соотношении ингредиентов, мас.

Олово 3 6
Медь 0,3 0,6
Лантан 0,01
Алюминий Остальное
Для нанесения антифрикционного покрытия из сплава на алюминиевой основе на поверхность тонкостенного стального вкладыша использован метод плазменного напыления порошком, полученным путем расширения расплава струи азота в атмосферу азота. Благодаря чему удается получить слабоокисленные частицы порошка сферической формы и качественное плазменное покрытие.

Для плазменно-напыленных антифрикционных покрытий из алюминиевых сплавов, благодаря использованному сочетанию технологии получения малоокисленного порошка и послойной ЭКО напыляемого материала, получена оптимальная микроструктура, наилучшим образом удовлетворяющая жестким условиям работы подшипников скольжения и соответствующим эксплуатационным требованиям по триботехнике, износостойкости и усталостной долговечности. Только при совместном использовании малоокисленного порошка сферической формы и дополнительной ЭКО достигается необходимый уровень эксплуатационной надежности покрытий, наносимых на стальные тонкостенные вкладыши подшипников методом плазменного напыления.

За счет совместного влияния произведенного микролегирования Al-Sn-Cu сплава лантаном и дополнительной ЭКО напыляемых слоев заметно улучшилась микроструктура плазменного покрытия и повышенный уровень важнейших эксплуатационных характеристик (износостойкости, усиления разрушения, усталостной долговечности) оказалось возможным достигнуть при концентрациях олова и меди, значительно меньших в сравнении с их содержанием в алюминиевых подшипниковых сплавах, получаемых любым другим известным способом.

Пример 1. В результате комплексных исследований важнейших свойств плазменных покрытий была произведена оптимизация химического состава антифрикционного сплава на основе алюминия с учетом влияния дополнительной ЭКО. При этом для покрытий с различным содержанием меди и олова определяли: коэффициент и момент трения f_тр и М_тр соответственно; разрушающее усилие Р_разр., износостойкость в виде износа по масса <G и относительной износостойкости K_ΔG, когезионную прочность σ_к и усталостную долговечность, представленную количеством циклов для разрушения при жестком нагружении по специальной программе стального тонкостенного вкладыша с антифрикционным плазменным покрытием. Некоторые результаты испытания покрытий приведены в таблице.

Примерно одинаковый уровень перечисленных выше характеристик (кроме N_кр) был установлен для плазменных покрытий следующего химического состава, мас.

1. Без дополнительной обработки покрытий: Sn 22,5; Cu 0,8 1,0; Al - остальное. Сплав марки А020
2. С дополнительной ЭКО покрытия при 200 Н и 150 А: Sn 3 6; Cu 0,3 - 0,6; La 0,05; Al остальное. Сплав марки АО4Л.

Для сплава АО4Л без ЭКО в 3 раза снижается K_ΔG и примерно в 1,6 раза уменьшаются Р_разр и N_кр.

Благодаря экономии легирующих элементов сплав АО4Л при существующем уровне цен на цветные металлы в 1,5 2,0 раза дешевле сплава А020.

Пример 2. Основным препятствием широкому применению подшипников скольжения с антифрикционными покрытиями, нанесенными методом плазменного напыления, является их недостаточная выносливость (усталостная долговечность).

Сравнительные усталостные испытания стальных тонкостенных вкладышей подшипников с плазменно-напыленными покрытиями алюминиевым сплавом показали, что усталостная долговечность покрытий увеличивается в 1,5 раза в случае использование малоокисленного порошка с частицами сферической формы, полученного по новой технологии, и дополнительной послойной ЭКО напыляемых слоев (кроме наружных слоев толщиной 150 200 мкм), даже несмотря на более жесткие условия нагружения вкладышей в процессе стендовых испытаний. Критическое число циклов до разрушения вкладышей, напыленных обычным порошком без дополнительной ЭКО при удельном давлении 50 МПа, оказалось равным 8 10 млн. в то время как вкладыши, напыленные более качественным порошком аналогичного сплава с дополнительной послойной ЭКО покрытия, разрушались после 12 15 млн. циклов при более высоком давлении, равном 80 МПа, т.е. показали в 1,5 раза большую усталостную долговечность, сопоставимую с выносливостью антифрикционного слоя, полученного литьем или плакированием.

Попытки применить разработанную технологию для получения достаточно надежных покрытий из свинцовистой бронзы, широко используемой на практике в качестве антифрикционного материала для опор скольжения, не дали положительных результатов вследствие интенсивного окисления свинца при ЭКО.

Пример 3. Для проверки работоспособности и износостойкости тонкостенных вкладышей подшипников с плазменно-напыленным антифрикционным покрытием из алюминиевого сплава экспериментально установленного оптимального химического состава были проведены испытания опытных деталей в судовых условиях. Опытные вкладыши были установлены в рамовый подшипник двигателя 8НФД48А-2У правого борта на танкере "Волгонефть-121".

После установки опытных вкладышей натяг составил 0,37 мм при требуемом натяге фирменных (фирмы "Миба") подшипников 0,30 0,40 мм, а зазоры находились в допустимых пределах 0,25 0,29 мм. Ультразвуковой контроль показал отсутствие в покрытии скрытых дефектов: трещин, крупных пор и отслоений.

После обкатки (приработки) подшипников до момента стабилизации температуры воды, масла и газов и проведения основных испытаний по специальной полной программе, утвержденной Речным Регистром России, была произведена разборка двигателя и выполнено тщательное освидетельствование подшипников.

В результате микрометрических измерений линейный износ опытных вкладышей обнаружить не удалось. Зона граничного трения представляла собой блестящую хорошо приработанную поверхность без очагов схватывания, задиров, царапин, отколов, усталостного выкрашивания и прочных дефектов.

По динамике и качеству приработки, а также по результатам последующих основных испытаний, опытные плазменно-напыленные вкладыши с антифрикционным монослоем, полученным по новой технологии, оказались на уровне вкладышей австрийкой фирмы "Миба" с трехслойным антифрикционным покрытием, полученным заливкой и гальваникой.

Разработанная новая технология пригодна для получения антифрикционных покрытий на вкладышах любых размеров широкого круга машин и механизмов. Ее использование наиболее эффективно при изготовлении и восстановлении тонкостенных подшипников двигателей внутреннего сгорания всех типов. Технология является наиболее производительной в сравнении с альтернативными способами получения вкладышей подшипников скольжения, а в связи с широким распространением плазменного напыления покрытий, доступна для использования на большинстве современных машиностроительных и ремонтных предприятиях, занимающихся изготовлением и восстановлением подшипников скольжения.

Использование: изготовление вкладышей подшипников скольжения. Сущность изобретения: на поверхность вкладыша методом газотермического напыления послойной наносят смесь порошков. Первые слои напыляемого материала обрабатывают электроконтактной обработкой токопроводящим роликом, при обеспечении расстояния между ним и струей газотермического напыления, равного не менее одной четверти окружности ролика. В качестве смеси порошков используют порошок алюминиевого сплава в виде частиц сферической формы. Порошок имеет следующее соотношение компонентов, %: олово 3-6; медь 0,3-0,6; лантан - не менее 0,9; алюминий - остальное. 1 табл.

Способ получения антифрикционного покрытия на тонкостенных стальных вкладышах опор скольжения, включающий нанесение смеси порошков и ее термическое соединение с поверхностью вкладыша, отличающийся тем, что термическое соединение смеси порошков с поверхностью вкладыша ведут послойно методом газотермического напыления с последующей электроконтактной обработкой токопроводящим роликом слоев напыляемого материала, кроме наружных слоев толщиной 150 200 мкм, при обеспечении расстояния между струей газотермического напыления и токопроводящим роликом, равного не менее одной четверти окружности последнего, и равенства ширины ролика диаметру пятна напыления, при этом в качестве смеси порошков используют порошок алюминиевого сплава в виде частиц сферической формы, полученных путем распыления этого расплава струей азота в атмосферу азота при следующем соотношении его компонентов, мас.

Олово 3,0 6,0
Медь 0,3 0,6
Лантан Не менее 0,01
Алюминий Остальноеп