ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ
ENERGY-SAVING SLIDING BEARING

Изобретение относится к подшипникам скольжения и может быть использовано в авиакосмической, нефтедобывающей, нефтеперекачивающей, нефтеобрабатывающей и иных областях промышленности.
Подшипники скольжения широко известны. При работе подшипники скольжения как опора вала или вращающейся оси воспринимают от них радиальные, осевые и радиально-осевые нагрузки и обеспечивают вращение.
Подшипник скольжения включает корпус, устанавливаемый на цапфу вала или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, и содержит сопряженные поверхности, между которыми возникает трение.
Для его уменьшения в подшипниках скольжения используют антифрикционные материалы, такие как сплавы на основе олова, свинца (баббиты), меди (бронзы), железа (серый чугун), цинка или алюминия, пластмассы (Новый политехнический словарь, М., БРЭ 2000, стр.27).
Известен подшипник скольжения, содержащий втулку, выполненную со сквозными отверстиями, и антифрикционные полимерные вставки, образующие на внутренней поверхности трения втулки выступы высотой, соответствующей толщине антифрикционного слоя. Антифрикционные полимерные вставки закреплены в резьбовых сквозных отверстиях цилиндрической формы (патент РФ №83303, МПК F16C 33/04, опубл. 27.05.2009).
Известны вкладыши для подшипников скольжения из биметалла с антифрикционным сплавом на алюминиевой основе (патент РФ №2377107, МПК B23K 20/04, опубл. 27.12.2009). Для получения вкладышей используют биметаллические листы или полосы из стали, покрытые антифрикционным составом на алюминиевой основе толщиной более 6,2 мм.
Известна жаростойкая система покрытия, содержащая множество керамических частиц микронного размера из керамического оксида, или керамического карбида, или керамического нитрида, или керамического борида, или силицида металла, или керамического оксикарбида, или керамического оксинитрида и углерода, которая расположена на поверхности спроектированного компонента, выбранного из группы, состоящей из компонента газовой турбины, компонента авиационного двигателя, компонента двигателя внутреннего сгорания и компонента режущего инструмента (патент РФ №2352686, опубл. 20.04.2009).
Наиболее близким к предложенному является подшипник скольжения, содержащий корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, устанавливаемое на вал или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, которые при установке образуют сопряженные поверхности, в которых при скольжении происходит трение, при этом, по меньшей мере, одна из сопряженных поверхностей имеет антифрикционное покрытие в виде пленочного наноструктурированного дисперсноупрочненного карбида кремния (патент РФ №99558, МПК F16C 33/04, опубл. 20.11.2010). Данное антифрикционное покрытие в виде пленочного наноструктурированного дисперсноупрочненного карбида кремния позволяет получить подшипники скольжения с коэффициентом трения 0,025, что во много раз ниже известных, однако данное покрытие ограниченно может быть использовано при скоростях вращения порядка 50-60 тыс. об/мин и при высоких динамических нагрузках из-за низкой пластичности материала.
Известные технические решения используют материалы и покрытия, улучшающие какое-либо одно свойство подшипника скольжения, как то: антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и т.п.
Подшипники скольжения с покрытиями, которые бы комплексно улучшали эксплуатационные характеристики подшипников скольжения, не выявлены.
В основу изобретения положена задача комплексного улучшения эксплуатационных характеристик подшипников скольжения. Технический результат изобретения - одновременное существенное снижение коэффициента трения, повышения износостойкости, твердости, термической стабильности, жаропрочности, что приведет в конечном результате к повышению энергоэффективности машин, отдельных производств, отраслей и экономики в целом.
6
4
Поставленная задача решается тем, что в подшипнике скольжения, включающем корпус и установленный на корпусе, по меньшей мере, один элемент скольжения, по меньшей мере, их поверхности скольжения имеют покрытие на основе наноструктурного дисперсно-упрочненного реакционно-спеченного карбида кремния с волокнами нитрида кремния и карбонитрида титана и квазикристаллами структурной схемы алюминия, меди и магния типа AlMgCu при следующем содержании компонентов в покрытии, мас.%:
карбид кремния
75-80
волокна нитрида кремния
5-8
волокна карбонитрида титана
2-5
квазикристаллы Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu
7-18
Известно, что волокна нитрида кремния и карбонитрида титана обладают повышенной прочностью и придают композиционному материалу повышенный уровень прочностных и вязких характеристик, что значительно влияет на их ударную прочность и упругие характеристики.
Известно также, что квазикристаллы - новый класс твердых тел с парадоксальной с точки зрения классической кристаллографии структурой.
Квазикристаллы позволяют получить материалы с необычными новыми свойствами (см., например, энциклопедию Википедия, http://ru.wikipedia.org/wiki/Квазикристаллы).
6
4
Для изготовления энергосберегающего подшипника скольжения согласно изобретению карбид кремния и квазикристаллы структурной системы: алюминия (Al), меди (Cu) и магния (Mg), измельчают до наноструктурных размеров известным образом, например вихревым виброакустическим методом (см. Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы», сайт http://portalnano.ru), затем добавляют волокна нитрида кремния и карбонитрида титана. При этом процентное содержание карбида кремния от 75 до 80%, волокна нитрида кремния от 5 до 8%, волокна карбонитрида титана от 2 до 5% и квазикристаллы AlMgCu от 7 до 18%. Полученный материал в виде порошка наноразмерного диапазона наносят на поверхность известными методами: или холодного газодинамического напыления, или газодетанционного напыления. Толщина слоя полученного покрытия может варьироваться в зависимости от назначения от 5 мкм до 1 мм.
Покрытие не требует дополнительной физико-химической обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др).
Многофункциональное покрытие предложенного энергосберегающего подшипника скольжения позволяет получать подшипники скольжения с коэффициентом трения от 0,015 до 0,1, модулем упругости материала покрытия от 350 до 400 ГПа, твердостью от 80 до 90 (HRc), прочностью до 1800 МПа. Свойства материала многофункционального покрытия энергосберегающего подшипника в зависимости от процентного содержания ингредиентов представлены в таблице.
Параметры материала
Процентное соотношение ингредиентов (%)
SiC 78%
SiC 79%
SiC 80%
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 8%
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 7%
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 8%
TiCN 5%
TiCN 3%
TiCN 5%
Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu 9%
Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu 11%
Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu 7%
Коэффициент трения
0,1
0,06
0,015
Модуль упругости (ГПа)
350
380
400
Твердость (HRc)
80
90
88
Прочность (МПа)
1750
1780
1800
Стабильность свойств зафиксирована в диапазоне рабочих температур от -50 до +1200°С.
При разработке подшипника скольжения обычно учитывается назначение узла трения путем установления влияния определяющего параметра на коэффициент трения и интенсивность изнашивания, и в соответствии с этим покрытия соответственно являются антифрикционными, жаростойкими, износостойкими и т.п.
Снижение коэффициента трения до 0,015-0,15 подтверждает, что заявленное покрытие является антифрикционным.
Стабилизация свойств в указанном интервале температур (от -50 до +1200°С) и достижение указанной +1200°С показывает, что это заявленное покрытие является жаропрочным покрытием.
Стабильность свойств в диапазоне рабочих температур от -50 до +1200°С подтверждает термическую стабильность заявленного покрытия.
Как видно из представленных данных, покрытие согласно изобретению имеет достаточную прочность (1500 МПа) при высоком модуле упругости (400 ГПа), а повышенная твердость (80-90 HRc) подтверждает эрозионную стойкость, что позволяет подшипнику скольжения противостоять изнашиванию. Коэффициент увеличения износостойкости в сравнении со сталью равен 20.
Таким образом, заявленное многофункциональное покрытие комплексно улучшает свойства подшипников, что в конечном счете позволяет считать его энергосберегающим, т.к. затраты на преодоление трения приблизительно в 20 раз меньше, чем у подшипников, изготовленных из легированных сталей.
Энергосберегающий подшипник скольжения согласно изобретению в целом позволяет снизить энергетические затраты на трение и увеличить ресурс работы подшипника в несколько раз, что позволяет использовать его для различных узлов и механизмов, работающих в широком температурном диапазоне с высокими осевыми и радиальными нагрузками и в окислительной и эрозионной среде.