Способ изготовления вкладышей подшипников скольжения Российский патент 2023 года по МПК F16C33/00 

Изобретение относится к области машиностроения, связанной с производством вкладышей разъемных подшипников скольжения и может быть использовано в тепловозном и судовом дизелестроении, при производстве автомобильных двигателей, в насосном машиностроении, при выполнении ремонтно-восстановительных работ двигателей внутреннего сгорания.

Для высокофорсированных дизелей изготовляются вкладыши разъемных подшипников скольжения коленчатых валов с антифрикционным бронзовым слоем, который обладает высокими триботехническими свойствами: низкий коэффициент трения, повышенная усталостная прочность и высокая износостойкость.

Чаще всего, для этих целей используются бронзы, которые обладают высокими антифрикционными характеристиками, но для надежной длительной эксплуатации вкладышей разъемных подшипников скольжения коленчатых валов помимо хорошей износостойкости требуются достаточные прочностные показатели. Из-за недостаточных прочностных показателей бронз происходит снижение долговечности при эксплуатации в условиях интенсивного износа и высоких знакопеременных нагрузках. Причиной этого является неравномерное распределение в структуре бронзы включений свинца, мягкие малопрочные свинцовые включения являются концентраторами напряжений, способствующие зарождению трещин. Для улучшения эксплуатационных свойств бронз применяют специальные виды литья, например, литье под давлением, деформационные методы обработки, порошковую металлургию и т.д. Но все эти способы для упрочнения бронз технически сложны и характеризуются нестабильностью процесса.

Известен способ изготовления вкладышей подшипников скольжения, включающий изготовление стальной основы и нанесение на нее антифрикционного покрытия из порошков бронзы с последующим нанесением на него покрытия на полимерной основе с наполнителем из дисульфида молибдена, углерода, алюминия и кремния (см. патент РФ 1771883).

Недостатком данного способа являются пониженные антифрикционные характеристики, низкая усталостная прочность и недостаточная задиростойкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ центробежной биметаллизации втулок высокосвинцовистой бронзой, включающий изготовление заготовки, ее зашихтовку бронзовым порошком, смешанным с флюсом, установку в центрирующее устройство, придание вращения заготовке, нагрев наружной поверхности заготовки до температуры плавления бронзы при скорости вращения заготовки 2,5 м/с с последующим увеличением скорости вращения заготовки до 4,5 м/с, изотермическую выдержку в течение не более 30 с и проведение охлаждения наружной поверхности заготовки ступенчато, вначале со скоростью 20-25 град/с до температуры 850°С, затем со скоростью 10 град/с до температуры 500°С, после чего заготовку охлаждают на воздухе (патент РФ №2288070).

Недостатком данного способа является низкая износостойкость из-за нестабильности бронзового антифрикционного слоя ввиду неравномерного распределения включений свинца, которое приводит к образованию микротрещин, низкая прочность сцепления заливаемой бронзы со стальной основой, низкая долговечность эксплуатации втулки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение износостойкости, долговечности и надежной эксплуатации вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов в условиях интенсивных циклических нагрузок за счет создания четко выраженной столбчатой структуры бронзового антифрикционного слоя, его стабильного химического состава и прочного сцепления со стальной основой, и низкого коэффициента трения.

Технический результат достигается в способе изготовления вкладышей подшипников скольжения, включающем предварительное изготовление цилиндрической стальной заготовки, дополнительно изготовление цилиндрической стальной фальш-втулки с диаметром, меньшим диаметра цилиндрической заготовки, с последующей установкой ее коаксиально цилиндрической заготовки, зашихтовку образовавшейся цилиндрической полости между стальными заготовкой и фальш-втулкой бронзовым порошком, смешанным с нано частицами церия или циркония, уплотнение оснований цилиндрической стальной заготовки асбестовыми прокладками и прижимными дисками, установку ее в центрирующее устройство, вращение стальной заготовке со скоростью 1450-1550 об/мин, нагрев ее наружной поверхности при температуре 1210-1250°С в течение 10-15 сек, изотермическую выдержку в течение 45-60 сек и охлаждение наружной поверхности заготовки холодной водой со скоростью 35-45°С/сек до температуры 855-865°С, снижение скорости охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха до 15-20°С/сек до температуры 510-520°С, прекращение охлаждения и центробежного вращения дальнейшее проведение охлаждения на воздухе, при этом стальную фальш-втулку крепят на дисках.

Изготовление цилиндрической стальной фальш-втулки с диаметром, меньшим диаметра цилиндрической стальной заготовки, с последующей установкой ее коаксиально цилиндрической стальной заготовке позволяет образовать цилиндрическую полость между стальными заготовкой и фальш-втулкой, обеспечивая равномерную толщину слоя бронзовым порошком, смешанным с нано частицами церия или циркония и его ровную поверхность.

Наночастицы церия и цикория не растворяются в расплаве бронзы и играют роль многочисленных центров кристаллизации, благодаря чему структура антифрикционного слоя становится равномерно-упорядоченной. Использование нано частиц церия или циркония обеспечивает надежное поглощение, выделяемых в процессе центробежной заливки газов, в том числе и кислорода, с которыми образуются нерастворимые оксиды, всплывающие на наружную поверхность заливки в виде шлаков, которые впоследствии удаляется при механической обработке.

Уплотнение оснований стальной заготовки асбестовыми прокладками и прижим дисками создает герметичность, которая обеспечивает стабильность химического состава антифрикционного слоя.

Охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха позволяет уменьшить градиент скорости охлаждения расплавленной бронзы, обеспечивая стабильность структуры антифрикционного слоя.

При резком охлаждении перегретого расплава бронзы на центрах кристаллизации, образованных наночастицами церия или циркония осаждаются кристаллы меди и кристаллы сплава медь-олово, имеющие столбчатую структуру. Структура антифрикционного слоя представляет собой вертикальную столбчатость (направленность) дендритных кристаллитов, между ветвями которых находятся включения свинца. Поверхность раздела сталь-бронза не содержит свинцовых включений, что и гарантирует прочную адгезию между стальной основой и антифрикционным слоем. Столбчатые кристаллиты обеспечивают усталостную прочность к циклическим нагрузкам, направленным перпендикулярно поверхности вкладыша. Свинец, заполняющий пространство между ветвями дендритов придает антифрикционные свойства.

Способ изготовления вкладышей подшипников скольжения осуществляется следующим образом.

Предварительно изготавливают цилиндрическую стальную заготовку и цилиндрическую стальную фальшь-втулку с диаметром, меньшим диаметра цилиндрической заготовки, которую устанавливают коаксиально цилиндрической стальной заготовки. Стальную фальшь-втулку крепят на дисках. После чего проводят зашихтовку образовавшейся цилиндрической полости между стальными заготовкой и фальшь-втулкой, бронзовым порошком, смешанным с нано частицами церия или циркония. Затем основания стальной заготовки закрывают асбестовыми прокладками и прижимают дисками и устанавливают в центрирующее устройство. Заготовку начинают вращать со скоростью 1450-1550 об/мин. Осуществляют нагрев наружной поверхности заготовки при температуре 1210-1250°С в течение 10-15 сек. Затем проводят изотермическую выдержку в течение 45-60 сек, охлаждают наружную поверхность заготовки холодной водой со скоростью 35-45°С/сек до температуры 855-865°С. После чего снижают скорость охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха до 15-20°С/сек до температуры 510-520°С. Затем охлаждение и центробежное вращение прекращают. Дальнейшее охлаждение проводят на воздухе.

Пример

Из стальной трубы изготовляют цилиндрическую втулку с необходимыми размерами наружного и внутреннего диаметра, удаляя при этом верхний и внутренний слои, в которых возможно наличие литейных дефектов. Берется прижимной диск, на него укладывается асбестовая прокладка, на них устанавливается цилиндрическая втулка. Внутри, по центру цилиндрической втулки устанавливается фальшь-втулка. В образовавшуюся цилиндрическую полость загружается расчетное количество шихты, состоящей из бронзового порошка с добавками наночастиц церия или циркония. Соотношение бронзового порошка и наночастиц церия или циркония составляет 1000 мас. частей бронзового порошка на 0,003÷0,005 мас. частей наночастиц церия или циркония. Сверху укладывается асбестовая прокладка и прижимной диск. Вся конструкция устанавливается в центрирующие стаканы центробежной установки и поджимается специальным механизмом до полной герметизации. Затем включается вращение центробежной установки и устанавливается заданная скорость вращения 1450÷1550 об/мин. После достижения заданной скорости вращения включается нагрев. Наружная поверхность цилиндрической стальной заготовки нагревается в течение 10÷15 сек. до температуры 1210÷1250°С. После достижения заданной температуры выполняется изотермическая выдержка в течение 45÷60 сек., после чего нагрев выключается и одновременно включается интенсивное охлаждение холодной водой наружной поверхности цилиндрической стальной заготовки со скоростью 35÷45°С/сек. до температуры 855÷865°С. После достижения температуры наружной поверхности цилиндрической стальной заготовки равной 855÷865°С включается охлаждение охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха со скоростью 15÷20°С/сек. до температуры 510÷520°С. После достижения температуры наружной поверхности цилиндрической стальной заготовки равной 510÷520°С охлаждение и вращение выключают. Дальнейшее охлаждение цилиндрической стальной заготовки до цеховой температуры производят на воздухе. С остывшей цилиндрической стальной заготовки демонтируют прижимные диски с асбестовыми прокладками, удаляют фальшь-втулку, обрабатывают по наружному и внутреннему диаметрам и распиливают на две половинки, из которых в дальнейшем получаются вкладыши разъемных подшипников скольжения.

В таблице приведены результаты экспериментов.

Из данных таблицы видно, что использование оптимальных режимов осуществления предложенного способа обеспечивает высокие эксплуатационные и прочностные характеристики. При заявленных температурах микроструктура бронзовой заливки представляет собой матрицу α- твердого расплава олова в меди с дендритообразными включениями свинца. При более низких температурах заливки укрупняются включения свинца, что приводит к снижению прочности, к уменьшению пластичности и к увеличению пористости. При охлаждении наружной поверхности заготовки смесью холодной воды и сжатого воздуха со скоростью 35÷40°С/сек свинец в бронзовом антифрикционном слое находится в виде очень тонких прожилок, расположенных в межкристаллических стыках и по границам столбчатых кристаллов сплава медь-олово. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию из гомогенного раствора большого количества быстрорастущих кристаллов сплава медь-олово, а находящееся в жидком состоянии свинцовая фаза оказывается зажатой между границам столбчатых кристаллов сплава медь-олово.

Предложенный способ изготовления вкладышей подшипников скольжения повышает износостойкость, долговечность и надежную эксплуатацию вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов в условиях интенсивных циклических. Вкладыши подшипников скольжения, изготовленные по предложенному способу, имеют хорошую способность поглощать механическую энергию циклических нагрузок без разрушений, имеют высокую износостойкость и продлевают срок эксплуатации коленчатых валов в несколько раз.

Изобретение относится к области машиностроения. Предварительно изготавливают цилиндрическую стальную заготовку и цилиндрическую стальную фальшь-втулку с диаметром, меньшим диаметра цилиндрической заготовки, которую устанавливают коаксиально цилиндрической стальной заготовки. Стальную фальшь-втулку крепят на дисках. После чего проводят зашихтовку полости между стальными заготовкой и фальшь-втулкой, бронзовым порошком, смешанным с наночастицами церия или циркония. Затем основания стальной заготовки закрывают асбестовыми прокладками и прижимают дисками и устанавливают в центрирующее устройство. Заготовку начинают вращать со скоростью 1450-1550 об/мин. Осуществляют нагрев наружной поверхности заготовки при температуре 1210-1250°С в течение 10-15 сек. Затем проводят изотермическую выдержку в течение 45-60 сек, охлаждают наружную поверхность заготовки холодной водой со скоростью 35-45°С/сек до температуры 855-865°С. После чего снижают скорость охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха до 15-20°С/сек до температуры 510-520°С. Достигается повышение износостойкости, долговечности и надежности. 1 пр., 1 табл.

Способ изготовления вкладышей подшипников скольжения, включающий предварительное изготовление цилиндрической стальной заготовки, ее зашихтовку бронзовым порошком, установку ее в центрирующее устройство, придание вращения заготовке, нагрев ее наружной поверхности до температуры плавления бронзы, изотермическую выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают цилиндрическую стальную фальш-втулку с диаметром, меньшим диаметра цилиндрической заготовки, с последующей установкой ее коаксиально цилиндрической стальной заготовки, зашихтовку образовавшейся цилиндрической полости между стальными заготовкой и фальш-втулкой проводят бронзовым порошком, смешанным с наночастицами церия или циркония, основания стальной заготовки уплотняют асбестовыми прокладками и прижимают дисками, при этом вращение заготовки ведут со скоростью 1450-1550 об/мин, нагрев наружной поверхности заготовки осуществляют при температуре 1210-1250°С в течение 10-15 сек, изотермическую выдержку осуществляют в течение 45-60 сек, охлаждение наружной поверхности заготовки холодной водой проводят со скоростью 35-45°С/сек до температуры 855-865°С, затем снижают скорость охлаждения смесью холодной воды и сжатого воздуха до 15-20°С/сек до температуры 510-520°С, охлаждение и центробежное вращение прекращают, дальнейшее охлаждение проводят на воздухе, при этом стальную фальш-втулку крепят на дисках.