ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ С НАНОСТРУКТУРНЫМ МЕТАЛЛОКЕРАМОМАТРИЧНЫМ АНТИФРИКЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ
SLIDING BEARING WITH NANOSTRUCTURED ANTIFRICTION METAL CERAMIC MATRIX COATING

Изобретение относится к подшипникам скольжения и может быть использовано в авиационной, газонефтедобывающей, автомобильной промышленности и энергомашиностроении.
Подшипники скольжения находят широкое применение в узлах и механизмах, имеющих высокие скорости вращения и большие удельные нагрузки. Подшипники скольжения, как опора вала или вращающейся оси, воспринимают от них радиальные, осевые, 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 происходит процесс трения.
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, включающий взаимосвязанные между собой и смонтированные на корпусе элементы скольжения, выполненные в виде набора контактирующих между собой вкладышей с установочными фиксаторами (свидетельство на полезную модель РФ №24058, опубл. 10.09.2002). Вкладыши могут быть выполнены из различных металлополимеров, керамополимеров и композиционных материалов с упрочняющими наполнителями, что улучшает их антифрикционные и прочностные свойства.
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 выполненных резьбовыми сквозных отверстиях цилиндрической формы (Патент РФ №83303, МПК F16C 33/04, опубл. 27.05.2009).
Известный материал не обладает высокой прочностью и стабильностью геометрических характеристик поверхности трения в широком диапазоне рабочих температур и требует изготовления подшипника скольжения только методом штамповки, что ограничивает его возможности.
Известен подшипник скольжения, по меньшей мере, одна из сопряженных поверхностей которого имеет антифрикционное покрытие в виде пленочного наноструктурированного дисперсно-упрочненного карбида кремния (патент на полезную модель РФ №99558).
2
2
Известна композитная смесь для формирования покрытия на трущихся поверхностях цилиндров двигателя (патент РФ №2384606), содержащая твердосмазочную композицию наноразмерных частиц SiO, FeO, FeO и первичной сажи.
Известна жаростойкая система покрытия, содержащая множество керамических частиц микронного размера из керамического оксида, 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).
Полученный материал не обладает высокой пластичностью из-за хрупкости керамических компонентов, входящих в его состав, и поэтому слабо противостоит ударным нагрузкам.
Наиболее близким к предложенному является подшипник скольжения, содержащий корпус, имеющий цилиндрическое отверстие, устанавливаемое на вал или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, и 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 дисперсно-упрочненного карбида кремния (патент РФ №99558, МПК F16C 33/04, опубл. 20.11.2010).
Данное антифрикционное покрытие в виде пленочного наноструктурированного дисперсно-упрочненного 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 покрытия, улучшающие какое-либо одно свойство подшипника - как-то антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и т.п.
Подшипники скольжения с покрытиями, которые бы комплексно улучшали эксплуатационные характеристики подшипников скольжения, в особенности противостоящие ударным нагрузкам, не выявлены.
В основу изобретения положена задача комплексного улучшения эксплуатационных характеристик подшипников скольжения с упором на максимальное снижение коэффициента трения, с одновременным повышением пластичности материала.
Технический результат изобретения - комплексное улучшение эксплуатационных характеристик подшипника за счет максимального снижения коэффициента трения, повышения износостойкости, твердости, термической стабильности, жаропрочности, при одновременном повышении пластичности и прочности керамического покрытия на основе карбида кремния (SiC) путем его наноструктурирования и дифференциального плакирования структурных керамических ингредиентов. Дифференциальное плакирование означает, что толщина покрытия зависит от размера кристаллита.
Поставленная задача решается тем, что в подшипнике скольжения с антифрикционным керамическим слоем, содержащем сопряженные поверхности, в которых при скольжении происходит трение и, по меньшей мере, одна из сопряженных поверхностей имеет наноструктурированное антифрикционное покрытие, выполненное из порошка карбида кремния с фракциями: нанодиапазона - от 50 до 100 нм, субмикронного уровня - от 0,5 до 1,0 мкм и микронного уровня - от 5 до 30 мкм, при содержании фракции нанодиапазона от 50 до 60 об.%, субмикронного уровня от 10 до 20 об.%, микронного уровня от 20 до 30 об.%, с нанесенными на каждый кристаллит карбида кремния дифференциальным плакирующим слоем, включающим никель с дисульфидом молибдена при соотношении ингредиентов: никеля - 80-90 мас.%, дисульфида молибдена - 10-20 мас.%., при следующем содержании компонентов, об.%:
фракция нанодиапазона
45-60
фракция субмикронного уровня
10-20
фракция микронного уровня
20-30
слой никеля с дисульфидом молибдена
остальное до 100.
Антифрикционное покрытие является металлокерамоматричным, поскольку включает керамическую матрицу на основе карбида кремния и структурные составляющие - молибден и никель.
Кристаллит карбида кремния состоит из нескольких монокристаллов карбида кремния.
Для изготовления подшипника скольжения с наноструктурированным металлокерамоматричным антифрицкионным покрытием, согласно изобретению порошок карбида кремния измельчают до наноструктурных, субмикронных и микронных размеров известным образом, например вихревым виброакустическим методом (см. Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы», сайт http://portalnano.ru). Полученный порошок карбида кремния для создания наноструктуры рассеивают по фракциям: нанодиапазона - от 50 до 100 нм, субмикронного уровня - от 0,5 до 1,0 мкм и микронного уровня - от 5 до 30 мкм, затем порошки, отдельно каждую фракцию, плакируют известным, например, электрохимическим методом, заранее подготовленной смесью никеля и дисульфида молибдена, при этом порошки нанодиапазона - от 50 до 60 об.% (до 25% по массе), субмикронного уровня - от 10 до 20 об.% (до 30% по массе) и микронного уровня - от 20 до 30 об.% (до 35% по массе).
Полученный материал в виде порошка наносят на поверхность известными методами: или холодного газодинамического напыления или газодетанционного напыления или ионно-инплантантного магнетронного напыления. Толщина слоя полученного покрытия может варьироваться в зависимости от назначения от 0,1 мкм до 100 мкм.
Наноструктурированное металлокерамоматричное антифрикционное покрытие не требует дополнительной физико-химической обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.).
Наноструктурированное металлокерамоматричное антифрикционное покрытие согласно изобретению позволяет получить подшипники скольжения с коэффициентом трения - 0,01-0,015, модулем упругости покрытия около 600 ГПа, твердостью 92-93 (HRc), прочностью 2000 МПа. Стабильность свойств зафиксирована в диапазоне рабочих температур от -50 до +1400°С. Свойства материала наноструктурированного металлокерамоматричного антифрикционного покрытия в зависимости от процентного содержания ингредиентов и величины дифференциального плакирующего слоя представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры материала
Процентное соотношение наноструктурных ингредиентов и дифференциального плакирующего покрытия (об.%)
SiC (50 нм) 45% SiC (0,5 мкм) 15%
SiC (75 нм) 50% SiC (0,75 мкм) 10% SiC (20 мкм) 25% (85 мас.% Ni+15 мac.% MoS<sub>2</sub>) 15%
SiC(100 HM) 60% SiC (1,0 мкм) 10% SiC (30 мкм) 20% (90 мас.% Ni+10 мac.% MoS<sub>2</sub>) 10%
SiC (5 мкм) 30% (80 мас.% Ni+20 мac.% MoS<sub>2</sub>) 10%
Коэффициент трения
0,015
0,012
0,01
Модуль упругости (ГПа)
450
500
600
Твердость (HRc)
92
92
93
Прочность (МПа)
1800
1850
2000
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, с повышенным уровнем пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
Снижение коэффициента трения до 0,01-0,015 подтверждает, что заявленное покрытие является антифрикционным.
Стабилизация свойств в указанном интервале температур (от -50 до +1400°С) и достижение указанной +1400°С показывает, что это заявленное покрытие является жаропрочным покрытием.
Стабильность свойств в диапазоне рабочих температур от -50 до +1400°С подтверждает термическую стабильность заявленного покрытия.
Как видно из представленных данных, покрытие согласно изобретению имеет высокую прочность (2000 МПа), при модуле упругости (600 ГПа), что позволяет подшипнику скольжения противостоять изнашиванию и ударным нагрузкам. Коэффициент увеличения износостойкости в сравнении со сталью равен 20-25.
Таким образом, заявленное наноструктурное металлокерамоматричное антифрикционное покрытие комплексно улучшает эксплуатационные свойства подшипников, в особенности его антифрикционные свойства, с одновременным повышением пластичности и прочности керамического покрытия на основе карбида кремния (SiC) путем его наноструктурирования и дифференциального плакирования структурных керамических ингредиентов.
Подшипник скольжения согласно изобретению в целом позволяет увеличить долговечность подшипника в несколько раз, повысить пластичность и прочность антифрикционного слоя, что позволит использовать его для различных узлов и механизмов, работающих в широком температурном диапазоне с высокими осевыми и радиальными нагрузками.