МНОГОСЛОЙНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
MULTILAYER COMPOSITIONAL MATERIAL FOR PLAIN BEARINGS, MANUFACTURING AND APPLICATION

Настоящее изобретение относится к многослойному композиционному материалу, предназначенному прежде всего для подшипников скольжения или втулок, с опорным слоем, слоем подшипникового металла из медного или алюминиевого сплава, никелевым промежуточным слоем и скользящим слоем. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления указанного многослойного композиционного материала, изготовлению подшипников скольжения или втулок, а также применению многослойного композиционного материала.
Типичные многослойные композиционные материалы, состоящие из стальной спинки в качестве опорного слоя, свинцовистой бронзы в качестве слоя подшипникового металла и скользящего слоя из свинца, олова и меди, например подобные материалам, описанным в Glyco-Ingenieurberichte 1/91, хорошо зарекомендовали себя на практике благодаря высокой эксплуатационной надежности и высокой допустимой механической нагрузке. При этом скользящий слой получают методом гальванического осаждения. Под скользящим слоем подразумевают многофункциональный слой, в который могут внедряться посторонние частицы и который служит в качестве защиты от коррозии, обладает аварийной антизадирной способностью и прежде всего пригоден для приработки, соответственно, припасовки сопряженной скользящей детали.
Слой подшипникового металла также обладает достаточно высокой аварийной антизадирной способностью на тот случай, если произойдет по меньшей мере локальная полная выработка скользящего слоя.
Типичные многослойные композиционные материалы содержат скользящий слой на свинцовой основе. Общеупотребительным сплавом, из которого выполняют скользящий слой, является, например, сплав свинца, олова и меди PbSn10Cu2. Подобные скользящие слои обладают низкими значениями твердости по Виккерсу, составляющими от 12 до 15 единиц. В связи с этим они хорошо пригодны для запрессовки и неподвержены задиру. Однако, учитывая соображения техники безопасности и защиты окружающей среды, желательной является замена тяжелого металла свинца на другие подходящие материалы.
Концепция подобной замены состоит в том, чтобы в опорных узлах, подверженных воздействию высоких нагрузок, в качестве скользящих слоев использовать твердые материалы. Так, например, методом физического осаждения из паровой фазы осуществляют нанесение слоев, состоящих из алюминия и олова, твердость которых по Виккерсу составляет 80 единиц. Такие скользящие слои не содержат свинца, однако их изготовление является весьма дорогостоящим. Содержащие такие слои подшипники обладают чрезвычайно высокой износостойкостью. Однако они мало пригодны для запрессовки, в связи с чем их чаще всего комбинируют с мягкими, содержащими свинец слоями, используемыми в качестве контрвкладышей. Впрочем, желательной является замена свинца на другие материалы также и в этих контрвкладышах.
Предпринимались попытки использования чистого олова в качестве материала скользящей поверхности. Однако олово, твердость которого по Виккерсу составляет около 10 единиц, еще мягче общеупотребительных свинцовых сплавов, в связи с чем оно не в состоянии воспринимать нагрузки, возникающие, например, в коренных подшипниках коленчатого вала и шатунных подшипниках.
В немецкой заявке на патент DE 19728777 А1 описан многослойный композиционный материал для скользящих элементов, скользящий слой которого состоит из не содержащего свинца сплава олова и меди, причем содержание меди составляет от 3 до 20 мас.%, а олова от 70 до 97 мас.%. Предлагаемый в этом изобретении скользящий слой наносят методом гальванического осаждения, используя метилсульфокислые электролиты, содержащие добавки для измельчения зерна. Получаемый указанным образом скользящий слой обладает свойствами тройных скользящих слоев на основе свинца. Кроме того, для дополнительного повышения износостойкости в немецкой заявке на патент DE 19728777 А1 предлагается предусмотреть присутствие в электролитической ванне диспергированных частиц твердого вещества, которые внедряются в скользящий слой. Однако это связано с дополнительными производственными издержками. Между подшипниковым металлом и скользящим слоем может быть предусмотрен слой никеля толщиной от 1 до 3 мкм в сочетании с состоящим из никеля и олова слоем толщиной от 2 до 10 мкм в качестве блокирующего диффузию слоя.
В немецкой заявке на патент DE 19754221 А1 описан многослойный композиционный материал со скользящим слоем, содержащим от 3 до 30 мас.% меди, от 60 до 97 мас.% олова и от 0,5 до 10 мас.% кобальта. Благодаря подобному слою обеспечивают дальнейшее повышение допустимой механической нагрузки и предотвращают охрупчивание соединительного слоя, расположенного между скользящим слоем и блокирующим диффузию никелевым слоем. Присутствие кобальта обеспечивает уменьшение склонности олова к диффузии в никель. Однако легирование кобальтом усложняет процесс гальванического осаждения, что обусловливает снижение производственной надежности. Аналогично немецкой заявке на патент DE 19728777 А1 слой никеля толщиной от 1 до 3 мкм может быть скомбинирован со слоем никеля и олова толщиной от 2 до 10 мкм в качестве диффузионного барьера.
В европейской заявке на патент ЕР 1113180 А2 описан предназначенный для подшипников скольжения многослойный композиционный материал, скользящий слой которого обладает оловянной матрицей, в которую внедрены частицы олова и меди, содержащие от 39 до 55 мас.% меди, остальное - олово. Кроме того, характерной особенностью этого многослойного композиционного материала является то, что предусмотрен не только промежуточный слой из никеля толщиной от 1 до 4 мм, но и второй промежуточный слой толщиной от 2 до 7 мкм из олова и никеля, расположенный между никелевым промежуточным слоем и скользящим слоем. Благодаря промежуточным слоям, состоящим соответственно из никеля и олова с никелем, получают самоприспосабливающуюся к нагрузкам систему, которая обеспечивает повышение допустимых нагрузок в соответствии с конкретными термическими условиями вследствие наращивания слоя олова с никелем. Из подобного многослойного композиционного материала можно изготавливать изделия, предназначенные для восприятия высоких нагрузок, характерных для современных дизельных двигателей. Однако создание дополнительного слоя связано с повышенными производственно-техническими издержками при изготовлении многослойного композиционного материала и, следовательно, с повышенными общими затратами.
Из немецкого патента DE 10032624 А1 известен подшипник скольжения из подшипникового металла и слоя заливки, состоящего из висмута или висмутового сплава, который должен обладать улучшенной совместимостью и усталостной прочностью. Решающее значение имеет особая преимущественная ориентация кристаллов висмута, которая по сравнению со статистической ориентацией кристаллов и одиночными кристаллами должна обеспечивать пониженную хрупкость и улучшенную способность металла к припасовке. В качестве возможных сплавов указаны сплавы висмута с мягкими материалами, такими как олово, индий, сурьма и подобные им металлы. Однако это сопряжено с опасностью неоднородного распределения указанных материалов в матрице, то есть при колебаниях концентрации могут возникнуть низкоплавкие эвтектические области. В связи с этим максимальное содержание присадок ограничено 5 мас.%. Однако, как показывает практика, эвтектические области могут возникать и при содержании указанных присадок, составляющем менее 5 мас.%.
В основу настоящего изобретения была положена задача устранить присущие уровню техники недостатки.
Указанная задача решается благодаря многослойному композиционному материалу согласно пункту 1 формулы изобретения. Кроме того, задача изобретения решается благодаря способу изготовления согласно пунктам 9 и 12, а также применению согласно пунктам 15 и 16 формулы.
Оказалось, что присутствие в висмутовой матрице других фаз, состоящих из меди и/или серебра, обеспечивает повышение износостойкости. Несмотря на то что скользящий слой не содержит свинца, он характеризуется удельной допустимой нагрузкой и показателями износостойкости, сравнимыми или более высокими, чем обычные слои на свинцовой основе. Скользящий слой предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала характеризуется способностью к припасовке и поглощению загрязняющих частиц. Особым преимуществом является то, что в скользящем слое не происходит формирования низкоплавких эвтектических областей.
Вместе с тем результаты более точных исследований показывают, что по завершении стадии приработки подшипники из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала с первоначально относительно мягким скользящим слоем самостабилизируются вследствие происходящего при их эксплуатации разогрева и образуется высокопрочная скользящая поверхность. Это происходит благодаря формированию содержащего висмут и никель слоя, обусловленному диффузией никеля в скользящий слой, который состоит в основном из висмута. Образующаяся в результате этого скользящая поверхность пригодна для восприятия высоких нагрузок и обладает повышенной износостойкостью. Благодаря сохранению никелевого слоя толщиной по меньшей мере около 4 мкм гарантируется, что никелевый слой остается непревращенным и после стадии приработки подшипника.
Металлические медь и серебро могут присутствовать в висмутовой матрице по отдельности или в комбинации. Совокупное содержание этих металлов должно составлять от 0,5 до 20 мас.%. Предпочтительное совокупное содержание меди и/или серебра должно составлять от 2 до 8 мас.%.
Скользящий слой предпочтительно должен обладать толщиной от 5 до 25 мкм. Особенно предпочтительная толщина промежуточного никелевого слоя составляет от 4 до 6 мкм, висмутсодержащего скользящего слоя от 6 до 14 мкм. При толщинах слоев такого порядка гарантируется, что не произойдет обусловленного диффузией полного преобразования ни никелевого слоя, ни скользящего слоя на основе висмута. Это привело бы к проблемам с адгезией, соответственно, к нежелательным взаимодействиям между содержащимся в скользящем слое висмутом и подшипниковым металлом, например к образованию эвтектических областей с чрезвычайно низкими точками плавления в случае содержащего свинец и олово подшипникового металла.
Под подшипниковыми металлами предпочтительно подразумевают сплавы, состоящие из меди и алюминия, меди и олова, меди, олова и свинца, меди и цинка, меди, цинка и кремния, меди, цинка и алюминия, меди, алюминия и железа или меди и цинка. Предпочтительными являются подшипниковые металлы на основе меди или алюминия, то есть содержание меди или алюминия в них составляет от 50 до 95 мас.%.
Согласно изобретению многослойный композиционный материал изготавливают благодаря тому, что на комбинированный материал, состоящий из опорного слоя, слоя подшипникового металла и промежуточного никелевого слоя, из метансульфокислых электролитов согласно пункту 9 формулы изобретения осаждают скользящий слой, причем в состав электролита включено ионное смачивающее вещество и средство для уменьшения зернистости, содержащее карбоновую кислоту. В качестве антиоксидантов электролиты содержат резорцин. Если скользящий слой должен содержать также серебро, то в электролит в качестве комплексообразователя следует добавить тиокарбамид. Тиокарбамид сдвигает потенциал осаждения таким образом, чтобы была обеспечена возможность совместного осаждения серебра и висмута.
Для уменьшения зернистости предпочтительно используют средство на основе производной акриловой кислоты и алкиларилполигликолей. Подобное средство для уменьшения зернистости под торговым наименованием добавка L, Cerolyt ВММ/Т, поставляет фирма Enthone OMI.
Использование неионного смачивающего вещества прежде всего важно в случае медьсодержащих скользящих слоев. Оно предназначено для неконтролируемого осаждения меди, в особенности на спинке подшипника. Особенно пригодными являются неионные смачивающие вещества на основе эфиров арилполигликолей и/или алкиларилполигликолей. Подобные неионные смачивающие вещества под торговым наименованием добавка N, Cerolyt ВММ/Т, поставляет фирма Enthone OMI.
Существенное преимущество предлагаемых в изобретении подшипников и втулок заключается в том, что при их приработке в рабочих условиях из висмута и никеля образуется повышающий износостойкость междиффузионный слой. Имеется возможность стимулирования процесса образования междиффузионного слоя путем искусственного старения подшипников скольжения или втулок. Для этого особенно пригодна их термообработка, осуществляемая при температуре от 150 до 170°С в течение периода, составляющего от нескольких часов до нескольких дней.
Предлагаемый в изобретении многослойный композиционный материал особенно пригоден для изготовления коренных подшипников коленчатого вала и шатунных подшипников, предназначенных прежде всего для головок шатунов.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - поперечное сечение слоя подшипникового металла, промежуточного никелевого слоя и скользящего слоя предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала;
на фиг.2 - поперечное сечение подшипника, состоящего из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, по завершении стадии приработки;
на фиг.3 - распределение элементов в разрезе по линии III-III показанного на фиг.2 подшипника, определенное путем рентгеновского анализа с диссипацией энергии.
На предварительно собранный подшипник, состоящий из комбинированного материала, включающего сталь и подшипниковый сплав CuPb22Sn, после соответствующей предварительной обработки из никелевого электролита Уатта наносят блокирующий диффузию слой никеля.
На полученный указанным образом промежуточный никелевый слой гальваническим методом осаждают скользящий слой на основе висмута. Для этого используют следующую электролитическую композицию на водной основе:
Bi<sup>3+</sup> в виде метансульфоната висмута
30-40 г/л
Cu<sup>2+</sup> в виде метансульфоната меди
1-5 г/л
Ag<sup>2+</sup> в виде метансульфоната серебра
0,1-2 г/л
метансульфокислота
150-200 г/л
добавка "N" (Cerolyt ВММ-Т)
50-70 г/л
добавка "L" (Cerolyt ВММ-Т)
10-20 г/л
резорцин
2-3 г/л
тиокарбамид
30-150 г/л
В случае исключения из состава электролита метансульфоната серебра электролит не содержит и тиокарбамида.
-2
2
Пригодным материалом анода является висмут. Температура гальванической ванны в процессе осаждении скользящего слоя составляет от 15 до 40°С. Используют ток, плотность которого находится в интервале от 1,5 до 4×10 А/м. Максимальное расстояние между анодом и катодом составляет 350 мм. Отношение поверхности анода к поверхности катода преимущественно должно составлять 1:1 (+/-10%).
На фиг.1 показано поперечное сечение слоевой структуры многослойного композиционного материала, полученного указанным выше образом при исключении метансульфоната серебра и тиокарбамида из состава электролита. Позицией 1 на фиг.1 обозначен состоящий из меди и висмута скользящий слой толщиной 10,3 мкм, позицией 2 - промежуточный слой никеля толщиной 4,2 мкм и позицией 3 - подшипниковый сплав CuPb22Sn.
Граница между слоями 2 и 3 для наглядности изображена на фиг.1 в виде светлой линии.
На фиг.2 показано поперечное сечение изображенного на фиг.1 многослойного композиционного материала после установления рабочего состояния, то есть по завершении стадии приработки подшипника. Для этого подшипник подвергали тепловой обработке при температуре 150°С в течение 500 часов. Вследствие диффузии образовался обозначенный позицией 4 слой висмута и никеля толщиной 8,5 мкм, обеспечивающий повышение допустимой нагрузки на поверхность скольжения и износостойкости. Тот факт, что речь при этом идет о слое, состоящем из висмута и никеля, подтверждают приведенные на фиг.3 результаты рентгеновского анализа с диссипацией энергии. Расстояния вдоль оси абсцисс согласуются с соответствующими значениями толщины слоев для показанного на фиг.2 разреза по линии III-III. Скользящий слой 1′ и никелевый слой 2 после приработки обладают меньшей толщиной, составляющей соответственно 3,6 и 2,4 мкм.
Для оценки работоспособности подшипников, изготовленных из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, было выполнено их тестирование по Ундервуду. При испытании вал с эксцентриковыми грузами вращается в жестко смонтированных шатунах. Вал опирается на смонтированные в шатунах испытуемые подшипники. Толщина стенок испытуемых подшипников составляет 1,4 мм, диаметр подшипников 50 мм. Удельная нагрузка на подшипники определяется их шириной. Частота вращения вала составляет 4000 об/мин. Измеряли усталость скользящего слоя и износ после 250 часов пробега подшипников. Полученные в результате испытания по Ундервуду данные приведены в таблице (примеры 5-8). Для сравнения в таблице  представлены также показатели, полученные при использовании материалов согласно уровню техники (примеры 1-4).
Из приведенных в таблице данных следует, что подшипники, выполненные из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, с точки зрения усталости скользящего слоя, износа и максимальной нагрузки до полного износа значительно превосходят обычные подшипники со скользящим слоем на основе свинца. Подшипники с предлагаемым в изобретении более толстым промежуточным слоем никеля по сравнению с подшипниками, снабженными более тонким промежуточным слоем никеля, при одинаковом покровном слое характеризуются значительно более высоким показателем предельно допустимой нагрузки (сравни примеры 4 и 5). Благодаря дополнительному использованию добавок серебра и меди наблюдается существенное повышение износостойкости по сравнению со скользящими слоями из чистого висмута (примеры 5-8).
Уровень техники
Согласно изобретению
Номер примера
1
2
3
4
5
6
7
8
Состав
PbSn5Cu2
PbSn10Cu5
PbSn14Cu8
Bi
Bi
BiCu3
BiAg5
BiCu2Ag2
Толщина никелевого слоя, мкм
1
2
1,5
1,5
5
4,5
6
5
Максимальная нагрузка без усталости скользящего слоя, МПа
52,5
60
65
50
75
77,5
80
80
Износ при 60 МПа, мкм
15
11
9
8
3
2
2
3
Максимальная нагрузка до полного износа скользящего слоя, МПа
60
67,5
80
75
82,5
92,5
95
95