СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ И ДЕТАЛЬ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ
MANUFACTURING METHOD OF ROLLING BEARING PART, AND ROLLING BEARING PART

Изобретение относится к способу изготовления детали подшипника качения, содержащей, по меньшей мере, в зоне своего граничного слоя градиент содержания углерода.
Как известно, подшипники качения состоят, по меньшей мере, из двух деталей, а именно из одного или нескольких колец, между которыми перемещаются тела качения, например ролики. Обычно такие вращательно-симметричные детали подшипника качения получают обработкой резанием, например, из цементируемой стали, причем кольца или ролики изготавливают либо обточкой прутка на токарном станке, либо ковкой заготовки круглого сечения. Для обеспечения заданной твердости в зоне граничного слоя градиентную структуру задают науглероживанием, внутри которой происходит насыщение граничного слоя углеродом в результате термообработки. При необходимости может также проводиться нитроцементация, т.е. насыщение азотом в зоне граничного слоя. После науглероживания в результате насыщения углеродом, по меньшей мере, в количестве 0,6% и при необходимости после дополнительного насыщения азотом такой граничный слой становится твердым, при этом твердость колец подшипника качения составляет обычно 58 и более по шкале С твердости по Роквеллу. Ненасыщенная сердцевина сохраняется в соответствии с первоначальным составом более мягкой, в зависимости от применяемого исходного материала ее твердость составляет от 20 до 45 по шкале С твердости по Роквеллу. Следовательно, например, изготовленное кольцо обладает вязкой сердцевиной и твердым наружным слоем, прочным к раскатке, на который, кроме того, положительно воздействуют противодействующие напряжения.
Однако вследствие нагрузок на такую деталь подшипника качения требуется, например, при цементации глубина науглероживания более 2 мм, при этом продолжительность термообработки, в зависимости от выбранного материала, составляет несколько часов. Таким образом, с такой операцией обработки связаны значительные затраты времени, которые дополнительно отрицательно сказываются на стоимость изготовления.
В основу изобретения положена задача создания способа, при котором может быть получен, по меньшей мере, один насыщенный углеродом приповерхностный слой с градиентом содержания углерода без необходимости проведения длительного науглероживания.
Для решения этой задачи в способе согласно изобретению предусмотрено напыление на подложку расплавленного в процессе напыления металла, при этом содержание углерода в напыляемом металле изменяют в процессе напыления.
Деталь подшипника качения согласно изобретению, в отличие от обычных деталей подшипников качения, теперь не выполняется из однородного материала и не подвергается затем соответствующей закалке, при этом согласно изобретению приповерхностный слой, образующий обычно опорную поверхность подшипника качения, образуется в результате напыления металла. При таком способе уплотнительного напыления жидкий металл распыляется на сферические капельки в газовом распылителе в потоке защитного газа. Посредством газа металлические капельки быстро охлаждаются до температуры, лежащей между температурами ликвидуса и солидуса, часто даже несколько ниже температуры солидуса. Охлажденные таким образом капли перемещаются с большой скоростью и имеют тестообразную консистенцию. Если теперь капли с большой скоростью ударяются о поверхность, например предназначенное для изготовления детали кольцо в качестве подложки или ему подобное, то под действием своей собственной большой кинетической энергии они уплотняются. Образуется высокоплотный комбинированный материал. Благодаря напылительному уплотнению возможно получение свободных от ликвации, малопористых металлических покрытий с однородной структурой и высокой плотностью. Согласно изобретению для образования градиента содержания углерода внутри напыленного металлического слоя, который в обычных вращательно-симметричных деталях подшипника качения расположен радиально, содержание углерода в напыляемом металле изменяют в процессе напыления. Т.е. в зависимости от требуемого градиентасодбержания углерода содержание углерода в напыляемом вязком металле изменяют во время напыления любым способом. После последовательного послойного напыления приповерхностного слоя внутри полученного готового граничного слоя неизбежно содержится углерод, величина которого зависит от произведенного изменения его содержания. Это означает, что при изготовлении способом уплотнительного напыления согласно изобретению с колеблющимся содержанием углерода готовая деталь подшипника качения имеет изначально любой задаваемый градиент содержания углерода, соответствующий требованиям, по меньшей мере, в зоне приповерхностного слоя. Следовательно, можно полностью отказаться от известной из уровня техники, очень продолжительной термообработки для науглероживания. Постоянно проводимая термообработка детали подшипника качения теперь зависит только от размера детали и, следовательно, от ее веса, но не от толщины модифицируемого приповерхностного слоя.
Таким образом, в способе согласно изобретению используются преимущества напыления, являющегося чрезвычайно гибким в отношении состава металлического слоя и, следовательно, задания физических, химических и механических свойств металлического слоя, причем состав металлического слоя может изменяться почти на любую величину, в частности, в отношении отдельных компонентов, определяющих механические, физические и химические свойства. Т.е. применяемые изначально исходные материалы и, следовательно, расплавленный металл, могут выбираться с учетом требуемых свойств. Кроме того, изменение содержания углерода согласно изобретению проводится в процессе проверки, вследствие чего обеспечивается дополнительная степень свободы при использовании способа согласно изобретению.
Для изменения содержания углерода в процессе напыления могут применяться разные приемы. Согласно первой альтернативе изобретения для изменения содержания углерода последний вводят в расплав, от которого отбирается напыляемый металл. Это может достигаться, например, путем применения углеродной проволоки, витки которой помещаются в расплав и растворяются в нем, или посредством вдувания углеродного порошка в расплав. В таком варианте выполнения изобретения расплав сам насыщается углеродом, при этом содержание углерода может быть изменено любым способом путем соответствующего изменения количества помещенных витков углеродной проволоки или вдуваемого углеродного порошка. В результате нарастающего насыщения углеродом распыляемого металла, т.е. жидкой стали, в ходе дальнейшего процесса напыления неизбежно происходит нарастание слоя с иным содержанием углерода, чем расположенный под ним слой, при этом он насыщается углеродом настолько, что достигается его содержание, необходимое после науглероживания.
В качестве альтернативы по отношению к введению углерода в расплав, т.е. в запасное количество расплава, углеродный порошок возможно вдувать в конус напыления расплавленного материала для изменения содержания углерода. Вдуваемый, очень тонкий углеродный порошок захватывается движущимися с высокой скоростью в потоке инертного газа каплями металла и самим газовым потоком и таким образом вводится в приповерхностный слой. Здесь содержание углерода в напыляемом металле соответственно изменяется в результате введения углеродного порошка в конус напыления, причем изменение содержания углерода может протекать чрезвычайно быстро, так как количество вдуваемого углеродного порошка можно изменять любым способом и в любой момент, причем это изменение непосредственно воздействует на содержание углерода в напыленном слое.
Другая альтернатива способа предусматривает применение двух или более расплавов с разным содержанием в них углерода, которые смешивают между собой для приготовления расплава для подачи напыляемого металлического материала. Оба подаваемых из отдельных емкостей расплава подаются в распределитель, который может входить в состав устройства напыления, и смешиваются в нем между собой в любом соотношении, составляющем от 100% первого расплава до 100% второго расплава. Таким образом, и в данном случае благодаря смешиванию, может быть обеспечено любое содержание углерода - от его минимального содержания в одном расплаве до максимального в другом расплаве.
Еще одной альтернативой способа согласно изобретению предусматривается напыление двух или более расплавов с разным содержанием углерода с применением двух или более отдельных устройств напыления, при этом конусы напыления взаимно накладываются, а используемые количества устройств напыления могут изменяться. В данном случае, например, посредством первого устройства напыления наносится сталь с низким содержанием углерода, с помощью второго устройства напыления - сталь с высоким содержанием углерода. Конусы напыления накладываются друг на друга предпочтительно полностью, т.е. при одновременном напылении они полностью совмещаются. В соответствии с этим напыляемые расплавы могут также произвольно смешиваться между собой. Если в работе находится только первое устройство напыления, то наносится только металл, распыляемый этим устройством. Если же дополнительно включают вторую напылительную систему, то в зависимости от ее производительности содержание углерода в последнем нанесенном граничном слое, состоящем из смеси двух исходных расплавов, возрастет, причем напылением можно управлять таким образом, что при подключении второго устройства напыления мощность напыления первого снижается. Содержание углерода может, очевидно, изменяться любым способом в диапазоне от его минимальной величины в первом расплаве до максимальной величины во втором расплаве. Также и в этом случае могут быть произвольно образованы градиенты содержания углерода с помощью напыленного слоя, который не обязательно должен быть приповерхностным слоем, о чем дополнительно речь пойдет ниже.
В качестве газа-носителя при напылении расплавленного металла применяется предпочтительно азот или обогащенный им газ. Благодаря этому одновременно может достигаться насыщение азотом напыленного металлического слоя в соответствии с нитроцементацией, в результате чего в данном случае более не потребуется отдельной стадии обработки после процесса уплотнительного напыления.
Согласно оптимальному варианту развития изобретения предусматривается, чтобы, в частности, для формирования износостойкого приповерхностного слоя на детали в конус напыления вдувался один или несколько высокопрочных материалов в виде порошка, которые затем вводятся в напыленный металлический слой. Такими высокопрочными материалами могут служить карбиды, нитриды или оксиды, которые в виде порошка подаются в конус напыления и которые должны иметь очень тонкую степень измельчения, составляющую от 1 нм до 200 мкм. В результате наряду с повышением твердости благодаря содержанию углерода также снижается износ.
Согласно первому варианту выполнения изобретения жидкий металл может напыляться на подложку в виде предварительно изготовленной детали, в частности в виде трубы или прутка из закаливающегося материала, которая затем входит в состав изготовленной детали подшипника качения. Следовательно, в данном случае применяется предварительно изготовленная подложка, которая при необходимости может быть подвергнута начальной деформации. Как уже указывалось, в качестве такой подложки может использоваться пруток или труба из соответствующего закаливающегося материала, однако при этом и предварительно изготовленная деталь может обладать основным контуром окончательной детали подшипника качения, например внутреннего или наружного кольца, и иметь соответствующие размеры. В таком случае предварительно изготовленную деталь с приблизительно конечным контуром располагают на подложке многоразового использования, посредством которой она удерживается при напылении и с которого ее можно снять.
Альтернативой применения предварительно изготовленной детали в качестве подложки, возможно, также изначально применять подложку многоразового использования, на которую напыляется металл до полного образования детали способом напыления. В этом варианте выполнения изобретения способом уплотнительного напыления получают не только приповерхностный слой, но также всю деталь, например, внутреннее или наружное кольцо. Для этого применяется подложка многоразового использования, например керамическая или бетонная труба, на которую для формирования основного корпуса детали напыляют расплав, состав которого должен соответствовать составу этого центрального корпуса детали. Как описано вначале, при этом обычно применяется цементируемая сталь. В таком случае при формировании приповерхностного слоя изменяют содержание углерода согласно изобретению. Так поступают в том случае, когда деталью подшипника качения является внутреннее кольцо, опорная поверхность которого служит наружной стороной. Если же деталью подшипника качения является наружное кольцо, то изменение содержания углерода согласно изобретению проводят непосредственно при первом напылении на подложку многоразового использования, и только после формирования внутреннего граничного слоя напыляют материал для образования основного корпуса детали. Если же дополнительно потребуется образовать насыщенный углеродом наружный граничный слой, то на завершающей стадии процесса напыления снова добавляют углерод.
Очевидно, что способ согласно изобретению обладает очень высокой степенью гибкости, позволяющей изготавливать детали подшипников качения с самым разным составом и самыми разными свойствами, при этом оптимально отпадает необходимость в применении способов длительной термообработки для науглероживания или нитроцементации. После изготовления детали подшипника качения способом согласно изобретению требуется лишь дополнительно уплотнить остаточную пористость в ходе последующих рабочих операций, таких как ковка и/или раскатка колец, с последующей обычной термообработкой без длительного диффузионного формирования опорной поверхности подшипника качения. В случае применения предварительно сформированных, предпочтительно имеющих почти конечный контур заготовок (предварительно изготовленных подложек) также и эти операции последующей обработки могут быть упрощены.
Наряду со способом изобретение касается также детали подшипника качения, в виде, в частности, кольца или ролика, имеющей, по меньшей мере, один приповерхностный слой, образованный напылением жидкого металла, внутри которого, по меньшей мере, на отдельных участках изменяется содержание углерода. Деталь подшипника качения изготавливается, в частности, описанным вначале способом. Сама деталь подшипника качения может содержать предварительно изготовленную металлическую подложку, например кольцо с почти конечным контуром или ему подобное, на которой формируется приповерхностный слой. В качестве альтернативы деталь подшипника качения может представлять собой деталь, полностью изготовленную способом напыления и уплотненную напылением. Кроме того, по меньшей мере, в напыленный граничный слой может быть включен, по меньшей мере, на отдельных участках один или несколько высокопрочных материалов, а также присутствует в нем повышенное содержание азота, внесенного в процессе напыления.
Ниже описываются дополнительные преимущества, признаки и подробности изобретения с помощью примеров выполнения со ссылкой на фигуры. Фигуры выполнены схематическими, и на них изображено:
фиг.1 - принципиальная схема для пояснения первого варианта способа;
фиг.2 - частичный вид на деталь подшипника качения согласно изобретению с изображением углеродного градиента;
фиг.3 - принципиальная схема для пояснения второго варианта способа;
фиг.4 - принципиальная схема для пояснения третьего варианта способа;
фиг.5 - принципиальная схема для пояснения четвертого варианта способа.
На фиг.1 в виде принципиальной схемы показано устройство 1 напыления, посредством которого осуществляется способ согласно изобретению. Устройство 1 напыления содержит распылитель 2 и расходную емкость 3 с жидким металлом S. Также предусмотрена линия 4 для снабжения газом-носителем, в данном случае азотом. Из расходной емкости 3 непрерывно отбирается распыляемый жидкий металл, который в виде мельчайших капелек 5 с помощью газа-носителя в форме конуса 6 напыления наносится на подложку 7, в данном примере на трубу из закаливающегося металла. Подложка 7 вращается и может смещаться по оси. С увеличением скорости вращения и продолжительности напыления на подложке 7 образуется утолщающийся, уплотняемый напылением слой. Для обеспечения возможности изменения содержания углерода внутри напыленного слоя 8 углерод С в показанном примере вводят в расплав S в соответствующий момент. Это достигается введением витков углеродной проволоки или вдуванием углеродного порошка. В результате расплав насыщается углеродом, также неизбежно с этим и сформированный слой 8. Наряду с тем, что, как показано в примере на фиг.1, углерод С может непосредственно вводиться в расходную емкость 3 с жидким металлом, возможно, разумеется, также вводить его в линию для подачи расплава лишь непосредственно перед распылителем 2 или же в него самого. В любом случае в этом примере выполнения углерод С вводится в однородный расплав.
Согласно конкретному варианту осуществления способа, например, на подложку 7, выполненную, как описано, в виде трубы, например, из цементируемой, т.е. закаливающейся стали, сначала наносят напыление с использованием первоначального расплава S, т.е. без изменения содержания углерода. Расплав S имеет, например, состав цементируемой стали, т.е. содержание углерода составляет менее 0,35%, при необходимости в нем могут присутствовать легирующие элементы, такие как Сr (не более 4%), Мо (не более 2%), Ni и/или Мn (каждый не более 4%), Si (не более 1,5%) и другие примеси. При сохранении первоначального состава сначала в процессе напыления наносят первый слой 8а (фиг.2) толщиной в несколько миллиметров, предпочтительно не менее 5 мм. Затем формируют в процессе напыления насыщенный углеродом приповерхностный слой, для чего в целях повышения содержания углерода в расплаве углерод С, как описано, вводится в расплав S. В результате в образованном затем втором приповерхностном слое 8b накапливается больше углерода, как это показано на принципиальной схеме на фиг.2. Здесь по сечению обоих слоев 8а, 8b нанесено содержание углерода, причем следует дополнительно подчеркнуть, что в данном случае речь идет только о принципиальной схеме. Присутствующее в приповерхностном слое 8b максимальное содержание углерода соответствует его заданному значению, получаемому обычно после науглероживания, являющегося в данном случае излишним.
В этом случае подложка 7 входит в состав изготовленной детали подшипника качения. В изображенном примере от подложки 7 отрезаны отдельные кольца для образования детали подшипника качения, причем на фиг.2 показан частичный вид в разрезе на такую отрезанную деталь 9 подшипника качения, в данном случае в форме кольца. Вместо сплошной трубы также возможно применение отдельных предварительно изготовленных деталей с почти конечным контуром, в данном случае колец, которые, однако, последовательно располагаются на не показанной подробно подложке многоразового использования и которые могут с нее сниматься.
2
На фиг.3 представлен дополнительный вариант образования слоя с градиентом содержания углерода. В показанном устройстве 1 напыления, содержащем распылитель 2, расходную емкость 3 с жидким металлом S первоначального состава и линию 4 подачи газа-носителя, добавка углерода С производится в необходимый момент непосредственно в конус 6 напыления, в котором вдуваемый углеродный порошок немедленно захватывается каплями металла, выходящими с большой скоростью из распылителя 2, и газом-носителем (N), и вводится в образующийся приповерхностный слой (в примере выполнения на фиг.2 - в приповерхностный слой 8b). Также и в этом случае возможно сначала сформировать первый слой при неизменном составе расплава и затем только произвести насыщение углеродом. В таком варианте выполнения изобретения возможно чрезвычайно быстрое изменение содержания углерода благодаря его непосредственному вводу в конус 6 напыления. Дополнительно в конус напыления могут вводиться также снижающие износ высокопрочные материалы в виде мельчайших порошкообразных оксидов, карбидов или нитридов, внедряющихся в слой 8b.
1
2
1
2
1
2
На фиг.4 показана другая принципиальная схема для пояснения дополнительного варианта способа. Изображенное здесь устройство 1 напыления содержит также распылитель 2 и три расходных емкости 3а, 3b и 3с с жидким металлом. В изображенном примере в расходной емкости 3а находится первый расплав S с низким содержанием углерода, в расходной емкости 3b - расплав S с высоким содержанием углерода. Эти расплавы поочередно или одновременно поступают в третью расходную емкость 3с, в которой затем присутствует либо чистый расплав S, либо чистый расплав S, либо смесь этих обоих расплавов S, S. Из расходной емкости 3с, которая не должна быть большой, а служит скорее распределителем небольшого размера, отбирается напыляемый расплав окончательного состава и с помощью подаваемого по линии 4 инертного газа напыляется посредством конуса 6.
2
1
1
В качестве подложки 7 на фиг.4 показана, например, - в отличие от описанного выше - подложка многоразового использования, например керамическая или бетонная труба. На ней образуется целиком деталь подшипника качения, в данном случае кольцо, способом уплотнительного напыления. Для этого, например, на первой стадии напыления напыляют с применением исключительно расплава S с большим содержанием углерода внутренний приповерхностный слой до тех пор, пока не будет достигнута его необходимая толщина. Затем примешивают возрастающее количество расплава S, и до образования основного корпуса детали распыляют чистый расплав S. Для формирования наружного насыщенного углеродом приповерхностного слоя на последней стадии напыления снова увеличивают долю расплава S2 до не более 100%, вследствие чего и здесь образуется градиент содержания углерода. Таким образом, в этом случае вся деталь подшипника качения изготавливается способом уплотняющего напыления, причем в описанном примере внутренний и наружный приповерхностные слои содержат градиент содержания углерода. При этом возможно придать соответствующую форму только внутреннему или только наружному приповерхнострому слою.
1
2
2
1
1
На фиг.5 показана принципиальная схема устройства 1 напыления для выполнения способа согласно изобретению. Это устройство содержит два раздельно применяемых устройства 2а, 2b напыления, которые снабжены соответственно отдельными расходными емкостями 3а, 3b с жидким металлом. В расходной емкости 3а находится расплав S с низким содержанием углерода, в расходной емкости 3b - расплав S с большим содержанием углерода. Оба распылителя 2а, 2b, которые в изображенном примере питаются газом-носителем по общей линии 4, расположены таким образом, что их соответствующие конусы 6а, 6b напыления полностью совмещаются между собой, в показанном примере, вблизи от подложки 7. Также и в этом случае допускается использовать в качестве подложки 7 подложку многоразового использования в виде керамической трубы или ей подобного. Если требуется изготовить, например, кольцо с внутренним и наружным, содержащими градиент содержания углерода приповерхностными слоями, то сначала распылителем 2b наносят первый слой, состоящий из расплава S с большим содержанием углерода. По достижении минимальной толщины слоя в несколько миллиметров производительность распылителя 2b при напылении непрерывно снижают и подключают устройство 2а напыления, непрерывно наращивая производительность. Снижение и увеличение соответствующей производительности проводится предпочтительно синхронно, вследствие чего в любой момент общая производительность напыления составляет 100%. Для образования основного корпуса детали напыляют 100% расплава S, т.е. тело качения состоит только из материала, образованного расплавом S. Для формирования наружного приповерхностного слоя процесс проводится в обратной последовательности, т.е. производительность напыления распылителя 2а непрерывно снижают, в то время как ту же производительность распылителя 2b непрерывно повышают. Образуется кольцо или труба с закаленным отверстием, менее закаленной сердцевиной и более закаленным наружным приповерхностным слоем.
В целом способ согласно изобретению позволяет просто получать структуру с градиентом содержания углерода в зоне внутреннего и наружного приповерхностных слоев. Более не требуется прибегать к специальной, очень длительной операции науглероживания. Также на эту долю снижается стоимость изготовления и на долю длительности термообработки уменьшается продолжительность изготовления, в результате чего удешевляется дополнительная обработка (шлифование). Кроме того, при раскатке колец отпадает необходимость в проводимом обычно вначале пробивании отверстия во внутреннем ковочном утолщении, на которое приходится около 25% веса кольца. Наконец, в целом существенно сокращается время, затрачиваемое на технологическую цепочку, так как исключается обычный путь прохождения через производство прутков/полуфабриката на заводе черной металлургии, резку заготовок круглого сечения для ковки и процесс науглероживания.