ЭЛЕМЕНТ СКОЛЬЖЕНИЯ
SLIDING ELEMENT

Изобретение относится к элементу скольжения, имеющему подложку и, по меньшей мере, один слой материала, благоприятствующего скольжению, нанесенный на подложку. Изобретение относится также к предпочтительным вариантам применения таких элементов скольжения.
Элементы скольжения в качестве подшипников скольжения в двигателях состоят в большинстве случаев из многослойных материалов со специально модифицированными поверхностями, улучшающими антифрикционные свойства. Как правило, в отношении поверхностей элементов подшипников скольжения речь идет о металлических покрытиях на основе свинца, олова или алюминия, которые получают в процессе гальванотехники, а также с помощью напыления или механического плакирования.
Кроме того, известны неметаллические покрытия, благоприятствующие скольжению, на основе искусственной смолы, свойства которых модифицированы в отношении предельной допускаемой нагрузки и прочности на износ.
И хотя известные покрытия обладают относительно высокой предельной допускаемой нагрузкой, эта предельная допускаемая нагрузка сильно ограничена, так что при превышении границы предельной допускаемой нагрузки это приводит к быстрой потере функции скольжения. Связанное с этим обнажение материала подложки, не имеющего достаточной возможности работать в поврежденном состоянии, вызывает затем полный отказ элемента подшипника скольжения в результате коррозии.
3
4
Покрытия для подшипников скольжения на основе искусственной смолы применяют в качестве вспомогательного средства для уменьшения трения в механических конструкциях. Как правило, покрытия наносят на металлические, пластмассовые и резиновые детали, которые должны длительное время легко двигаться без последующей смазки. В случаях типичного применения нагрузки больше ограничены, а краевые условия, такие как температура среды, являются некритичными. Из разных источников, в частности из ЕР 0984182 А1, известно, что возможно также применение в двигателе, т.е., например, подшипники коленчатого вала могут иметь такие элементы скольжения. В этом документе описан также антифрикционный слой подшипника скольжения с подложкой из PI, PAI, эпоксидной смолы или фенольной смолы, в которые для уменьшения износа можно добавить среди прочего FеO.
2
3
Патент DE 19614105 A1 раскрывает покрытие, благоприятствующее скольжению, из пластмассы, устойчивое к износу и кавитации, и состоящее из материала подложки из PTFE или термопластичных фторполимеров FеО и твердого смазочного материала. Этот материал применяют для подшипников, например, в качестве направляющего элемента в амортизаторах, и по своей конструкции и из-за мягкой фторполимерной подложки годится только для малых скоростей скольжения и низких нагрузок.
2
Из патента ЕР 1775487 А2 известен элемент подшипника скольжения, имеющий металлическую основу, нанесенный на нее алюминиевый сплав и покрытие из пластмассы, благоприятствующее скольжению. Для улучшения прочности сцепления и кавитационной устойчивости предлагается материал, содержащий связующее средство из PI, PAI, PBI, ЕР и FP, а также твердый смазочный материал, например MoS, графит, PTFE и BN.
Задачей изобретения является выполнение скользящего элемента, который имеет при улучшенной устойчивости к износу повышенную пиковую нагрузку и который можно использовать при высоких рабочих температурах и скоростях скольжения, как, например, на подвижных частях внутри двигателей внутреннего сгорания.
2
3
Эта задача решается при помощи элемента скольжения, материал которого представляет собой лак для нанесения на поверхность трения, состоящий, по меньшей мере, из одного «сшиваемого» связующего средства или, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала, или из материала, имеющего подложку из, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала или, по меньшей мере, одного материала из термореактивной пластмассы, и что материал слоя, благоприятствующего скольжению, содержит FеО.
2
3
При этом предпочтительно, что материал слоя, благоприятствующего скольжению, в качестве оксида железа содержит только FеО.
Согласно первой альтернативе представлен лак для нанесения на поверхность трения.
Под лаком для нанесения на поверхность трения подразумевается текучий или порошкообразный материал для покрытия, который содержит присадки для улучшения способности скольжения поверхности, наносится тонким слоем на подложку и в результате химических или физических процессов, таких как испарение растворителя или отверждение с помощью ультрафиолетовых лучей, превращается в тонкую пленку.
«Сшиваемое» связующее средство лака для нанесения на поверхность трения состоит предпочтительно из PAI (полиамидимида), PI (полиимида), эпоксидной смолы, PBI (полибензимидазола) и/или кремнийорганической смолы. Эти полимеры отличаются высокой термостабильностью и исключительной устойчивостью к средам.
Согласно другой форме выполнения связующее средство может представлять собой вяжущее вещество, твердеющее под ультрафиолетовыми лучами. Такими вяжущими веществами являются предпочтительно ненасыщенные полиэфирные смолы и/или силиконы.
Согласно следующей форме выполнения лак для нанесения на поверхность трения может содержать, по меньшей мере, один высокоплавкий термопластичный материал.
Согласно второй альтернативе речь идет о материале, который содержит подложку из, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала или, по меньшей мере, из одной термореактивной пластмассы.
Под высокоплавкими термопластичными материалами подразумеваются такие, температура плавления которых составляет выше 230°С.
В качестве предпочтительных высокоплавких термопластиков можно использовать преимущественно полиарилаты, PEEK (полиэфирэфиркетон) и/или PES (полиэфирсульфон).
Предпочтительными термореактивными пластмассами являются PAI (полиамидимид), PI (полиимид), эпоксидная смола, PBI (полибензимидазол) и/или кремнийорганическая смола.
2
3
Оказалось, что вышеупомянутые материалы в сочетании с FeO обладают явно лучшей пиковой предельной допускаемой нагрузкой, чем материалы для покрытия, не содержащие оксид железа или, при необходимости, другие оксиды железа. Достигаются показатели предельной допускаемой нагрузки, улучшенные до 20%.
2
3
Предполагается, что при сочетании FеО со связующими средствами или материалами подложки, согласно обеим альтернативам, эффективность смазочной пленки улучшается, благодаря чему уменьшается рост степени истирания, связанный со специфической нагрузкой на подшипник. В результате предельная нагрузка увеличивается, что опять же значительно повышает надежность эксплуатации подшипников при нагрузке ниже предельной нагрузки.
2
3
Такие эффекты имеют место при содержании FеО в количестве от 0,1 до 15% по объему. При меньших процентах улучшение в отношении предельной допускаемой нагрузки не установлено. Большее содержание, наоборот, приводит к ослаблению материала подложки или «сшиваемого» вяжущего вещества лака для нанесения на поверхность трения.
2
3
Доля FеO в пересчете на общее количество материала слоя, благоприятствующего скольжению, составляет предпочтительно от 0,5 до 8% по объему.
Могло оказаться, что пиковая предельная допускаемая нагрузка на подшипники коленчатого вала могла возрасти уже до 120 МПа. Эти значения пиковой предельной допускаемой нагрузки явно выше тех, которые имели место при сочетании материалов по патенту ЕР 0984182 А1. Заявленные значения достигаются, в остальном, только при покрытиях на основе алюминия.
2
3
2
3
Оказалось, что имеет значение также и величина частиц FеО. Предпочтителен FеО со средней величиной зерен от 0,01 до 5 мкм. Особенно предпочтителен порошок с d50 от 0,1 до 0,5 мкм. D50 обозначает среднее значение размера зерен, причем 50% частиц мельче, а 50% частиц крупнее, чем каждый раз заданное значение.
Доля твердого смазывающего вещества материала слоя, благоприятствующего скольжению, составляет предпочтительно до 30% по объему. Предпочтительно в области до ≤9,5%, т.е. между ≥0 и ≤9,5%. Наиболее предпочтительный диапазон составляет от ≥5 до 30% по объему.
В качестве твердого смазывающего материала подходят сульфиды металлов со слоистой структурой, графит, гексагональный нитрид бора (hBN) и/или PTEF. Кроме того, материал слоя, благоприятствующий скольжению, может содержать твердые сплавы в количестве до 5% по объему, в частности, в количестве от 3 до 5% по объему.
3
4
4
3
2
2
Компонентами таких твердых сплавов являются предпочтительно нитриды, карбиды, бориды, оксиды и/или металлические порошки, причем компонентами твердых сплавов являются предпочтительно SiC, SiN, ВС, кубический нитрид бора, ТiO или SiO, а металлические порошки состоят из Ag, Pb, Au, Sn, Bi и/или Сu.
2
3
Особую форму выполнения представляют многослойные системы из пленок, благоприятствующих скольжению, содержащих FеО, причем эти многослойные системы можно сформировать таким образом, что верхний слой действует как слой покрытия для ускорения приработки, например, в результате добавления твердых частиц для кондиционирования вала, а находящийся под ним слой действует как слой, продлевающий срок службы.
Многослойную систему можно построить таким образом, что под слоем, продлевающим срок службы, находится дополнительный слой лака, который еще больше повышает надежность эксплуатации подшипников за счет того, что он усовершенствован, в частности, в отношении устойчивости к истиранию и отсрочивает полный износ металла подшипника.
Дополнительный слой между подложкой и слоем материала, благоприятствующий скольжению, можно также усовершенствовать в отношении прилипания к подложке и выполнить в виде грунтовки, с целью улучшения сцепления слоя лака или слоя с подложкой из высокоплавких термопластиков и термореактивных пластмасс. Этого можно достигнуть, например, с помощью тончайшего (несколько мкм) или совсем не имеющего присадки слоя из материала подложки.
Многослойные системы можно выполнить в виде отдельных стопок слоев, а также в виде градиентных слоев, которые постепенно изменяют свои свойства в зависимости от толщины.
2
3
Предпочтительно содержание FеO в нижнем слое выше, чем в верхнем слое.
2
3
2
3
2
3
Предпочтительно на подложку наносят два слоя, причем один слой выполнен из материала, благоприятствующего скольжению и содержащего FеO, а другой слой - из материала, благоприятствующего скольжению и не содержащего FеO. Такая форма выполнения выгодна тем, что ускоряется геометрическая подгонка, так как верхний слой впоследствии быстрее истирается и, таким образом, быстрее создается максимальная предельная допускаемая нагрузка. Дальнейшее истирание уменьшается затем за счет содержания FеО в нижнем слое.
2
3
2
3
Другая форма выполнения многослойной системы предусматривает, что только нижний слой содержит FеO, тогда как все находящиеся сверху слои не содержат FеО.
2
3
2
3
2
3
Если на основу наносят более двух слоев материала, благоприятствующего скольжению, выгодно, чтобы доля FеО уменьшалась от самого нижнего слоя к самому верхнему слою. Незначительное содержание FеО или отсутствие его в самом верхнем слое выгодно тем, что ускоряется геометрическая пригонка, так как верхний слой быстрее истирается и, тем самым, быстрее создается предельная допускаемая нагрузка. Дальнейшее истирание уменьшается за счет содержания FеО в нижнем слое.
2
3
Также предусмотрено, что доля FеO внутри слоя постепенно уменьшается снизу вверх.
Подложка может состоять из одного слоя, а также из нескольких слоев.
Предпочтительно подложка имеет, по меньшей мере, один слой из алюминиевого или медного сплава. В качестве материала подложки также подходят сплавы никеля, олова, цинка, серебра, золота, висмута и железа. Все без исключения сплавы можно применять как в качестве слоя из подшипникового сплава, так и в качестве тонкого покрывающего слоя, причем пленка, благоприятствующая скольжению, в зависимости от состава может быть выполнена как дополнительный слой покрытия для ускорения приработки для пригонки или кондиционирования материала вала или как самостоятельный слой, благоприятствующий скольжению, с большим сроком службы.
Особенно предпочтительно применение заявленного/ых слоя/слоев в качестве слоя/слоев материала, благоприятствующего скольжению, из подшипниковых сплавов из CuSn, CuNiSi, CuZn, CuSnZn, AlSn, AlSi, AlSnSi.
Слои материала, благоприятствующего скольжению, можно наносить вместе с промежуточным слоем или без него. В качестве промежуточного слоя можно применять никель, серебро, медь и/или железо.
Толщина слоя или слоев в случае многослойной системы составляет от 1 до 40 мкм.
Элемент подшипника скольжения может представлять собой вкладыш подшипника диаметром до 100 мм. В этом случае толщина слоя или слоев составляет от 5 до 15 мкм.
Если элемент подшипника является вкладышем подшипника диаметром >100 мм, предпочтительна толщина от >15 мкм до 40 мкм.
В принципе возможны две формы выполнения. В первой случае заявленный слой материала, благоприятствующего скольжению, наносят непосредственно на слой подшипникового сплава. Вторая форма выполнения заключается в покрытии подложки, состоящей из подшипникового сплава с уже имеющимся металлическим слоем материала, благоприятствующего скольжению, который наносят предпочтительно путем напыления или гальванического покрытия.
z
z
Предпочтительно подложка имеет микронеровность R от 1 до 10 мкм, в частности, от 3 до 8 мкм. Под R подразумевается средняя глубина микронеровности согласно Германскому промышленному стандарту (DIN) ISO 4287:1998.
Микронеровность улучшает прилипание и способствует тому, что при истирании сначала обнажаются только острые вершинки, т.е. очень ограниченные поверхностные части подложки, что улучшает способность нести нагрузку, в то же время не вызывая коррозии больших обнаженных участков.
Необходимые микронеровности можно выполнить механическим путем, например, струями песка или растачиванием, а также и химическими способами, например, фосфатированием или травлением.
Предпочтительным применением является применение в качестве смазки.
Предпочтительно, если элементы скольжения применяют в качестве подшипников скольжения в двигателях внутреннего сгорания.
Так как элементы скольжения отличаются высокой пиковой нагрузкой, предусмотрено, в частности, их применение в качестве подшипников скольжения коленчатых валов. В других предпочтительных случаях элементы скольжения применяются в качестве юбок поршней и в виде поршневых колец, причем стенки кольца имеют заявленную структуру слоев, в целях предотвращения микроприваривания к поверхности канавки поршневого кольца.
Далее приведены некоторые примеры с результатами экспериментов.
В таблице 1 содержатся только подложки из медного сплава, а в таблице 2 подложки из алюминия и примеры выполнения для двойных слоев. При этом буквой R обозначен сравнительный опыт.
Таблица 1 (данные в процентах объема)
№
Подложка
Проме-жуточ-ныйслой
Вяжущее вещество
Твердый смазыва-ющий материал
Высоко-прочный материал
Содержа-ниеFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Мaкс.UW- нагрузка*в МПа
R<sub>z</sub>
1
CuNi2Si
PAI
25% hBN
5% SiC
5%
100
8,0
R1
CuNi2Si
PAI
30% hBN
5% SiC
90
8,8
2
CuNi2Si
PAI
15% MoS<sub>2</sub>
5%
110
6,4
R2
CuNi2Si
PAI
20% MoS<sub>2</sub>
100
3,0
2
CuNi2Si
PAI
15%WS<sub>2</sub>
8%
110
5,0
R2
CuNi2Si
PAI
23%WS<sub>2</sub>
95
5,1
3
CuNi2Si
PAI
15%графит
5%
90
8,8
R3
CuNi2Si
PAI
15%графит
85
9,5
3
CuNi2Si
PAI
10%графит 10% PTFE
5%
85
9,8
R3
CuNi2Si
PAI
10%графит 10% PTFE
80
8,3
4
CuNi2Si
РЕЕК
10% MoS<sub>2</sub> 10% hBN
3%
100
2,6
R4
CuNi2Si
РЕЕК
13% MoS<sub>2</sub> 10% hBN
90
1,5
5
CuSn8Ni
Ni
PAI
15% MoS<sub>2</sub>
5%
110
5,1
R5
CuSn8Ni
Ni
PAI
20% MoS<sub>2</sub>
100
4,4
6
CuSn8Ni
PAI
30% MoS<sub>2</sub>
10%
100
5,4
R6
CuSn8Ni
PAI
40% MoS<sub>2</sub>
95
6,2
7
CuSn8Ni
PAI
15% MoS25% hBN
5%
120
3,4
R7
CuSn8Ni
PAI
15% MoS2 10% hBN
100
4,1
8
CuSn8Ni
PAI
15% MoS2
5% Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
5%
95
8,6
R8
CuSn8Ni
PAI
20% MoS<sub>2</sub>
5% Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>
85
8,5
9
CuSn8Ni
Ag
PAI
30% MoS<sub>2</sub>
10%
115
7,6
R9
CuSn8Ni
Ag
PAI
40% MoS<sub>2</sub>
105
7,0
10
CuSn8Ni
PES
15% MoS<sub>2</sub>
3%
105
3,2
R10
CuSn8Ni
PES
18% MoS<sub>2</sub>
90
5,6
11
CuSnl0Bi3
PAI
15% MoS<sub>2</sub>
5%
100
5,4
12
CuSnl0Bi3
EP
15% hBN
5%
90
2,3
R12
CuSnl0Bi3
EP
20% hBN
80
1Д
13
CuSnl0Bi3
силикон, смола
10% MoS<sub>2 </sub>10% hBN
3%
90
9,2
R13
CuSnl0Bi3
силикон, смола
13% MoS<sub>2</sub> 10% hBN
80
8,9
14
CuPb23Sn
Ni
PAI
15% MoS<sub>2</sub>
5%
105
3,2
15
CuPb23Sn
PAI
15% MoS<sub>2</sub>5% hBN
5%
110
6,4
16
CuPb23Sn
EP<sup>1</sup>
15% hBN
3% TiO<sub>2</sub>
5%
100
6,4
1
эпоскисдная смола
Таблица 2 (сведения в процентах по объему)
1 слой
2 слой
№
Подложка
Связующее звено
Твердый смазочный материал
Твердый сплав
Содержание Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Макс.UW - нагрузка* в МПа
R<sub>z</sub>
17
AlSn10Ni2MnCu
PAI
15%MoS<sub>2</sub>5%hBN
5%
85
4,5
18
AlSn10Ni2MnCu
PES
15%MoS<sub>2</sub>
3%
85
6,7
19
AlNi2MnCu
PAI
15%WS<sub>2</sub>
5%SiC
8%
95
4,9
20
AlNi2MnCu
EP
15%hBN
5%
95
9,9
21
AlSn6Si4CuMnCr
PAI
10%графит10%PTFE
3%B<sub>4</sub>C
5%
80
2,0
22
AlSn6Si4CuMnCr
PEEK
10%MoS<sub>2</sub>10%hBn
3%
85
2,8
23
CuNi2Si
PAI 10%hBN 5%Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
PAI
15% MoS<sub>2 </sub>15% hBN
115
6,4
24
CuNi2Si
PAI 10%hBN5%Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
РАI
15% MoS<sub>2</sub>
5% SiC
3%
105
5,0
25
CuNi2Si
PAI10%hBN 10%Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
PAI
15% MoS<sub>2</sub>
3%
110
3,4
*Данная нагрузка определялась путем проведения испытания на коррозию подшипников по способу фирмы «Ундервуд» (масло распыляется воздухом на поверхность образца). При этом вал вращается с эксцентриситетом в жестко смонтированном шатуне. Положение в шатуне создается с помощью испытуемых подшипников. Испытуемые подшипники имеют толщину стенок 1,4 мм и диаметр 50 мм. Удельная нагрузка регулируется за счет ширины подшипника, скорость вращения составляет 4000 об/мин. Критериями оценки являются усталость слоя материала, благоприятствующего скольжению, и истирание после 100 часов. Предельная нагрузка задана в МПа, при которой максимум на 5% поверхности скольжения слой истерся вплоть до подложки или наблюдалась усталость материала.
2
3
2
3
Для доказательства действия FeO в таблице 1 приведены рекомендуемые испытания, обозначенные как R. Испытания показали, что в результате добавления FeOвозможно увеличение предельной допускаемой нагрузки до 20%.
В отношении алюминиевых подложек (примеры 17-22) сопротивление усталости является всякий раз ограниченным фактором, однако также и здесь вследствие улучшенной подгонки благодаря материалу слоя, благоприятствующему скольжению, достигается улучшение. Главной целью заявленного материала слоя, благоприятствующего скольжению, является совершенствование свойств скольжения, если в сплаве содержится только незначительная доля мягкой фазы.
Двойной слой в примере 23 сформирован так, что имеет место улучшенная способность к подгонке благодаря незначительной доле связующего средства и повышенному содержанию твердого смазочного материала.