СТЕРЖЕНЬ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к технике для создания антифрикционных покрытий на основе меди. Может использоваться для нанесения антифрикционных покрытий на вкладыши тяжелонагруженных подшипников скольжения и другие узлы трения машин различного назначения. Полезную модель можно применять как при ручном, так и при автоматизированном нанесении покрытий методом электродуговой наплавки.
В настоящее время антифрикционные покрытия, создают преимущественно с применением порошковых материалов, композиционный состав которых достаточно широк и включает не только металлы, но и пластические массы.
Известен спеченный антифрикционный материал на основе меди - от 89,0 до 90,5 мас.%: (Патент РФ №2077784, МПК С22С 9/01).
Известен порошковый антифрикционный композиционный материал содержащий, 77,0-90,0 - мас.% меди. (Патент №2223341, МПК C22C 9/02, 2004 г., РФ).
Известны многослойные антифрикционные материалы, например, многослойный антифрикционный материал, образованный соединением металлических элементов, а именно: включающий стальную основу, соединенную со слоем, выполненным из бронзолатунной сетки, пропитанной пастой определенного композиционного состава. (Патент №1415572, B22F 7/04, 1996 г., РФ).
Недостатком покрытий созданных с применением таких материалов, имеющих убедительные технические достоинства, является сложность в изготовлении и дороговизна. Притом, что структура покрытия, созданного этими материалами, часто получается неоднородной, что обусловлено неравномерностью распределения компонентов смеси в слоях. Это снижает качество покрытия, его антифрикционные свойства.
Для ответственных подшипников (вкладышей), где имеют место большие нагрузки, особенно востребованы покрытия из свинцовистой бронзы марки БрС30 (27-31% свинца, остальное медь). Микроструктура свинцовистой бронзы представляет собой мягкую медную основу, в которой расположены еще более мягкие выделения свинца. Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства свинцовистой бронзы: высокий предел выносливости, высокую теплопроводность и пластичность. Однако, свинцовистая бронза имеет значительный недостаток: ее состав склонен сильной ликвации по весу тяжелых выделений свинца, что существенно ухудшает эксплуатационные свойства изделий (Болховитинов Н.В. Металловедение и термическая обработка. М.: Машгиз, 1961). антифрикционное покрытие из свинцовистой бронзы создается методом заливки расплава.
Несмотря на то, что в настоящее время широкое распространение получили антифрикционные покрытия выполненные основе порошковых металлов и металлопластмасс, наилучшими антифрикционными свойствами обладают медно-свинцовые покрытия, которые по своим свойствам не уступают многим подшипниковым сплавам. Создание медно-свинцовых покрытий не утратили актуальности.
В зависимости от вида антифрикционного покрытия обусловленного материалом и способом его нанесения, при создании антифрикционных покрытий применяют устройства, существенно отличающиеся по конструкции.
Из уровня техники известно применение электродных проволок из двух разных металлов для создания антифрикционных покрытий, при этом содержание металлов в готовом покрытии регулируется диаметром проволоки; в случае применения нескольких металлов применяют специальные головки.
Известно устройство для нанесения металлопокрытий, которые по технической сути содержат два электрода - проволоки, которые подаются электромеханическим или пневматическим механизмом в распылительную головку, и расплавленный дугой металл диспергируется струей сжатого воздуха или газом, наносится на металлическую поверхность. (А.В.Бурякин “Стационарный электродуговой металлизатор ЭМ-19”. “Сварочное производство”, №9, 2002 г., стр.35, 36.).
Недостаток устройства состоит в том, что стабильность его работы полностью зависит от синхронности и скорости движения проволок, их точного взаимного пространственного расположения на выходе из направляющих наконечников.
Известно устройство для нанесения металлопокрытий, содержащее распылительную головку, неплавящийся электрод, механизм перемещения проволок, две или более плавящихся электродных проволоки размещенные в трубчатых направляющих и могут быть равного или различного сечения, однородного или различных металлов (Патент РФ №2254933, В05В 7/22.).
Недостатком является сложность конструкции, размещение проволок в направляющих; при использовании в таком устройстве, проволок из меди и свинца остается проблематичным создание покрытия высокого качества, ввиду сложности техники подачи и ориентации проволок. Даже незначительный сбой скорости подачи приведет к ухудшению качества покрытия, поскольку в этом случае высокая ликвация неизбежна.
За прототип принята проволока или стержень, в случае выбора проволоки большого сечения, для создания антифрикционного покрытия, состоящий из проволоки-сердечника и ленты другого металла завальцованной вокруг него. (Е.В.Антошин. Газотермическое напыление покрытий. М., Машиностроение, 1974). Недостаток состоит в том, что при вальцевании медной ленты вокруг свинцовой проволоки образуется вальцовочный шов. Образование вальцовочного шва приводит к неравномерному распределению свинца по поперечному сечению, ввиду того, что свинец легко деформируются.
В таких стержнях не выдерживается строгое соотношение меди и свинца на поперечном сечении стержня по всей его длине; при использовании такого стержня для создания антифрикционного покрытия степень ликвации достаточно высокая, а качество покрытия низкое.
При проведении поиска аналогов в патентных источниках, в том числе в БД ФИПС и в БД на сайте http://ru.espacenet.com/, не найдены стержни для антифрикционных покрытий.
Недорогие и простые в использовании стержни для создания покрытий из свинцовистой бронзы особенно актуальны в условиях ремонта и на предприятиях, имеющих небольшой машинотехнический парк, также это касается и обработки мелких единичных деталей.
Техническая задача заявленной полезной модели заключается в создании, стержня для создания антифрикционных покрытий повышенного качества, простого в изготовлении, удобного в пользовании и сравнительно дешевого, применимого для покрытий свинцовистой бронзой в парах трения.
Это задача решена тем, что стержень для создания антифрикционных покрытий, состоит из одного свинцового и двух медных плоских четырехгранных прутков, прямоугольных в поперечном сечении, с размещенным свинцовым прутком между медными, и скрученных по винтовой линии таким образом, что прутки из меди и свинца плотно соприкасаются всей поверхностью широких граней до состояния вдавливания металлов, при этом соотношение металлов в площади рабочей поверхности составляет в мас.%: свинец 25-35, медь 65-75.
Рабочей поверхностью стержня является его торцовая часть и по всей высоте стержня в плоскости поперечного сечения это соотношение металлов неизменно.
В конструкции стержня каждый из двух медных прутков минимально составляет 32,5% [32,5×2=65], а максимально - 37,5% [37,5×2=75]) от общего содержания металлов в материале. На фиг.1 представлена фотография, с изображением медного прутка (1а), свинцового прутка (1б) и полезная модель (в).
На фиг.2 представлена металлография медно-свинцовистого покрытия, полученного при порошковом напылении.
На фиг.3 представлена металлография медно-свинцовистого покрытия, полученного от применения полезной модели.
Заявляемый стержень для создания антифрикционных покрытий состоит из трех элементов, а именно: двух медных плоских четырехгранных прутков прямоугольных в поперечном сечении и одного свинцового плоского четырехгранного прутка прямоугольного в поперечном сечении. Элементы скручены по винтовой линии. Соотношение элементов в поперечном сечении может быть следующим, мас.%: медь от 65,0 до 75,0 (в равных долях в каждом медном прутке), а свинца от 25,0 до 35,0. При расплавлении в электрической дуге, на поверхность детали, подвергаемой покрытию, изливается небольшое регулируемое количество расплава, по химическому составу аналогичного свинцовистой бронзе марки БрС30, но качество покрытия значительно выше.
Как упоминалось выше, серьезным недостатком сплавов меди со свинцом (свинцовистых бронз) является проявление ликвации. Известные способы создания покрытий из свинцовистой бронзы предполагают заливку расплава на поверхность подшипника и дальнейшего быстрого его охлаждения для недопущения ликвации.
При практическом использовании заявляемого стержня, несмотря на сходство его химического состава со свинцовистой бронзой марки БрС30, его конструкция позволяет значительно уменьшить указанный недостаток. Это объясняется тем, что стержень предложенной конструкции малогабаритный, поступая в зону наплавки равномерно, быстро расплавляется и также быстро охлаждается, благодаря его небольшому поперечному сечению.
Для изготовления стержня вначале определяют необходимую площадь рабочей поверхности. Исходя из этого, нарезают прутки, укладывают их плотно друг к другу и, сжимая с одного конца, свинчивают так, чтобы свинцовый пруток был между медными.
Первоначально, в зависимости от качественного состава и размеров покрываемой поверхности, задают конкретное необходимое количество компонентов в стержне. Свинца должно быть от 25,0 до 35,0 масс.%, а меди от 65,0 до 75,0 масс.%. Чтобы антифрикционное покрытие было однородным, медные прутки должны быть одинаковыми, т.е. на каждый медный пруток должно приходиться от 32,5 до 37,5% общего содержания металлов. Затем задают ширину сечения прутков, оптимальная ширина находится в пределах 1,5-6 мм. Такой интервал размеров задается потому, что, если ширину сечения прутка увеличить, то при нанесении покрытия частицы свинца не будут равномерно распределяться по всему объему меди (это будут уже не микрообъемы, а макрообъемы), и ликвация выделений свинца увеличится. Исходя из подобранных процентного соотношения металлов и ширины сечения, изготавливают два медных и один свинцовый прутки прямоугольной формы сечения (такая форма сечения наиболее удобная в использовании) таким образом, чтобы при совмещении прутков по ширине в их общем сечении получался квадрат с размерами в пределах 1,5-6 мм, в котором одна сторона будет являться общей шириной прутков, а другая будет складываться из сторон прямоугольных прутков. Далее прутки совмещают по ширине и скручивают по винтовой линии, размещая свинцовый пруток между медными прутками. В результате получается металлический стержень для создания антифрикционного покрытия методом электродуговой наплавки. Толщина покрытия может быть до 3 мм - это максимальная величина покрытия, необходимая для вкладышей подшипников. Поскольку заявляемый стержень обладает хорошей электропроводимостью, а ширина сечения прутков стержня находится в допустимых пределах интервала его размеров (размеры электродов, как и мощности оборудования для электродуговой наплавки, ограничены), то его можно применять в качестве плавящегося электрода. На выбор способа применения полезной модели оказывают влияние размеры и конфигурация деталей. Ручная дуговая наплавка штучными электродами является наиболее универсальным способом, пригодным для наплавки деталей различных сложных форм и может выполняться во всех пространственных положениях. Для выполнения ручной дуговой наплавки используется обычное оборудование сварочного поста. Заявленное техническое решение поясняется следующим примером.
3
3
3
3
Пример. Пусть для создания антифрикционного покрытия необходим стержень, в котором содержание свинца и меди составляет 35 к 65% соответственно. Ширина сечения прутков берем равной 3 мм. Тогда учитывая удельные веса у свинца 11,34 г/см=0,01134 г/мм, у меди 8,9 г/см=0,0089 г/мм и имея ввиду, что сечения прутков должны быть подобраны так, чтобы соотношение 35/65=0,5387 выполнялось как можно точнее, подбираем размеры сечений для двух медных и одного свинцового прутка, имеющих прямоугольную форму сечения. Путем несложных вычислений получаем, что сечение свинцового прутка будет 3×0,9 мм, а медного - 3×1,05 мм.
Проверка: удельный вес свинцового прутка будет 3*0,9*0,01134=0,030618 г, общий удельный вес двух медных прутков будет 2*3*1,05*0089=0,05607 г, а отношение их удельных весов будет равно 0,5461; отличие от процентного отношения металлов в стержне незначительно.
Затем эти прутки совмещают по ширине и скручивают по винтовой линии, размещая свинцовый пруток между медными прутками.
Создание покрытия на защищаемой поверхности детали осуществляют известными способами. Для использования стержня при ручной дуговой наплавке используется обычное сварочное оборудование. При использовании стержня как электрода в момент его прикосновения к поверхности детали замыкается цепь тока, и конец стержня нагревается. Интенсивный местный нагрев вызывает расплавление металла детали вблизи дуги разряда. Конец электрода тоже расплавляется, и металл электрода вливается в расплавленную «ванну» металла детали. Частицы свинца равномерно распределяются по всему объему меди и, таким образом, на поверхности детали создается однородное антифрикционное покрытие.
Для сравнения приведены фотографии микроструктур покрытий, полученных напылением материала в виде порошка свинцовистой бронзы на защищаемую поверхность (фиг.2) и с использованием заявляемой полезной модели (фиг.3). Видно, что в структуре покрытия с использованием полезной модели распределение частиц свинца равномерное по всему объему меди.
Технический результат полезной модели состоит в том, что стержень для создания антифрикционных покрытий прост в изготовлении, удобен в пользовании; очевидно, что его производство недорого. При этом обеспечивается повышение эксплуатационных свойств созданных покрытий, поскольку снижается ликвация свинца и обеспечивается прочная адгезия, кроме всего снижена трудоемкость его изготовления.
Заявленное техническое решение соответствует критериям охраноспособности полезной модели. Полезная модель является новой, поскольку не найдены опубликованные сведения о стержнях для создания антифрикционных покрытий, включающих совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели (совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники). Полезная модель является промышленно применимой, поскольку она может быть использована в промышленности по назначению, а именно для создания антифрикционных покрытий при восстановлении, упрочнении рабочих поверхностей в парах трения. Областями применения являются практически все отрасли хозяйства, в которых используются различные машины и силовые установки. Полезная модель может быть осуществлена на машиностроительных, судостроительных, металлообрабатывающих и ремонтных предприятиях, занимающихся изготовлением и восстановлением тонкостенных вкладышей подшипников скольжения.
Главными достоинствами данного технического решения являются:
- обеспечение однородной структуры покрытия за счет того, что стержень, поступает в зону наплавки равномерно; при его сравнительно небольшом размере составляющие его металлы быстро расплавляются и охлаждаются, что обусловлено небольшим поперечным сечением стержня;
- рациональный расход (т.е. его экономия) при нанесении на защищаемую поверхность;
- невысокая стоимость и простота технологии изготовления стержня.
Использование предложенного стержня для создания антифрикционного покрытия, близкого по химическому составу к свинцовистой бронзе, на тонкостенных вкладышах подшипников скольжения, позволяет увеличить срок службы таких покрытий (за счет равномерного распределения частиц свинца по всему объему меди), повысить качество сцепления покрытия с защищаемой поверхностью детали.
Известно, что основным недостатком свинцовистой бронзы являются сильные ликвационные процессы по весу тяжелых выделений свинца. Но металлографический анализ показал, что полезная модель позволяет получать более равномерное распределение частиц свинца по всему объему меди.