ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ С ЭМАЛЕВЫМ ПОКРЫТИЕМ
ROLLING BEARING WITH ENAMEL COATING

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к подшипникам качения, используемым в опорах осей машин и механизмов для увеличения продолжительности их срока службы.
Детали подшипников качения в процессе эксплуатации испытывают многократно повторяющиеся контактные, ударные нагрузки, износ, воздействие коррозионной среды, и (в ряде конструкций) высоких температур. Основные виды разрушений, возникающих при работе подшипников - это контактно-усталостное выкрашивание, смятие, износ, заклинивание, трещины, коррозия поверхностей мест качения (роликов, шариков).
Важным критерием работоспособности подшипников качения является сопротивление износу и усталости из-за пульсирующей нагрузки.
Износ поверхностей качения подшипников имеет место вследствие недостаточной несущей способности масляного слоя при установившемся режиме их работы, неизбежного трения качения и скольжения при пуске и остановке, попадания в места качения со смазкой абразивных частиц, продуктов износа, размеры которых превышают толщину масляного слоя; наличие блуждающих токов, термальных вод.
Усталость металла в местах контакта тел качения подшипника происходит по причине понижения или повышения твердости поверхностей катящих колец и тел качения из-за нарушения при изготовлении режима термообработки; шлифовочного ожога - местного отпуска (понижение твердости) в результате кратковременного резкого повышения температуры при шлифовании на заводе-изготовителе. Коррозию, особенно на нерабочих поверхностях подшипника, вызывает высокая влажность, блуждающие токи и другие причины, сокращающие сроки эксплуатации подшипников.
Известен подшипник качения, полностью выполненный из керамики (см., например, http://themechanic.ru/keramicheskii-podshipnilc/ опубликовано 14.08.2017). Недостатками подшипника являются повышенный уровень шума при увеличении скорости вращения подшипника, вибрация, хрупкость, ограничение в размерах.
Известен шарикоподшипник качения с керамическим покрытием (см., например, http://www.podshipnik.ru/docs/fag_current_opt.pdf. Опубликовано в октябре 2007). Его основное назначение - токоизоляция. Недостатками такого подшипника являются коррозия стальных частей, намагничивание, повышенный шум при работе. К тому же при нанесении на металл керамика спекается, имеет пористую поверхность с зародышами трещин. Существенно, что эмалям свойственно плавление при температурах 750°С-860°С (например, против 2000°С-4000°С для керамики), что обеспечивает более однородную, гладкую и менее пористую поверхность, стойкую к истиранию, царапинам, воздействию кислот и щелочей.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является подшипник качения с покрытием алмазоподобного углерода в смеси с металлом (см. патент РФ №2231695 С2. F16C 33/04, F16C 33/06, F16C 33/16, F16C 33/30, F16C 33/62, F16C 33/64. Опубликован 27.06.2004).
Существенные недостатки известного подшипника состоят в следующем. Во-первых, необходимость применения при эксплуатации подшипника специальных масел; во-вторых, использование специальных приспособлений для подачи смазки; в-третьих, затруднения повторного нанесения (ремонта). К тому же, дороговизна материалов и реализации технологии нанесения покрытия.
Обобщая известный опыт, в том числе опыт применения известного подшипника, используют покрытия, улучшающие какое-либо одно свойство подшипника - как-то антифрикционное, жаростойкое, износостойкое и т.п. Таким образом, известный подшипник с покрытием, комплексно не улучшает эксплуатационные характеристики подшипника.
Обобщая отметим, что подшипники с покрытиями, которые бы комплексно улучшали их эксплуатационные характеристики, не выявлены.
В основу настоящего изобретения положена техническая задача комплексного улучшения функциональных свойств подшипников качения.
Предлагаемый подшипник свободен от указанных недостатков известного подшипника. В нем использованы известные достоинства эмалевых покрытий, позволяющие продлить срок эксплуатации подшипниковых изделий. Эмаль обеспечивает антикоррозионное и электроизолирующее покрытие; при нанесении на поверхность металлического изделия хорошо заполняет микротрещины и поры. Существенно, что при нанесении на элементы подшипников эмали обеспечивается покрытие, устойчивое к трению, коррозии, высоким температурам, блуждающим токам даже при относительно низком качестве поверхности металла. Важно, что наряду с отмеченными достоинствами эмалевое покрытие применимо ко всем типоразмерам подшипников качения.
Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в известном подшипнике качения, содержащем внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, согласно изобретению внутреннее кольцо и наружное кольцо оппозитно расположенных поверхностей покрыты эмалью, выполненной толщиной 20 мкм-100 мкм из силикатного порошка с фракциями от 5 мкм до 15 мкм.
В указанном диапазоне толщин эмаль при ударах пластически деформируется вместе с металлом, сохраняя защитные свойства. При толщине более 100 мкм слой эмали после многократных ударов может откалываться, поэтому не рекомендуется в настоящем техническом решении.
При изготовлении настоящего подшипника учитывают необходимость наличия зазора между телами качения (шариками или роликами) и дорожками качения. Величину зазора назначают с учетом реализуемого слоя эмалевого покрытия, толщина которого будет определена размером подшипника, качеством металла и состоянием (уровнем) обработки поверхности.
При нанесении эмалевого покрытия на рабочие поверхности металлических подшипников их себестоимость возрастает не более чем на 5%. К тому же это покрытие в 2-3 раза дешевле керамического.
Эмалирование дорожек качения подшипников не требует последующей термической обработки (закаливания).
Эмалевое покрытие реализуют следующим образом.
Перед сборкой подшипника на элементы подшипника наносят эмалевое покрытие. Эмалевое покрытие относится к составам силикатных эмалей, предназначенных для нанесения на стальные изделия для защиты от воздействия агрессивных сред, как антикоррозионное покрытие, с фракциями от 5 мкм до 15 мкм. Покрытие отличается высокой термической, химической и абразивной стойкостью, после обжига изделия покрытие заполняет микротрещины размером до 0,01 мкм на поверхности дорожек качения и колец подшипника, надежно работает при температурах от -60°С до +650°С.
Существует несколько способов нанесения эмали на металлическую поверхность. Выбор соответствующего способа определяется как типом материала, конструкцией и требованиями к эмалированной поверхности, так и экономическими соображениями.
При наружном диаметре подшипника до 150 мм рекомендуется электростатический метод нанесения.
При электростатическом способе нанесения эмалевого покрытия изделие вводят в электростатическое поле. При использовании этого метода отходы очень малы, производительность высока. Шликер для нанесения эмали мокрым способом получают измельчением эмалевой фритты вместе с глиной и добавками, выбор которых определяется видом эмали. После нанесения шликера осуществляют сушку при комнатной температуре до полного испарения воды в течение порядка 25-ти минут. Затем производится однократный обжиг в муфельной печи при температуре 780°С-830°С в течение 2-6 минут, в зависимости от толщины эмалевого покрытия. Толщину эмалевого слоя варьируют в зависимости от назначения, типоразмера и качества (класса точности) металла подшипников от 20 мкм до 100 мкм. После обжига осуществляют охлаждение при комнатной температуре с последующими шлифованием и полированием.
При наружном диаметре подшипника более 150 мм рекомендуется плазменный способ нанесения покрытия.
Пример 1. На обезжиренные поверхности наружного и внутреннего колец, а также дорожек качения подшипника 6020 (маркировка ISO (аналог ГОСТ - 120)) с внутренним размером 100 мм, внешним размером 150 мм и шириной 24 мм, массой 1,27 кг с нормальным классом точности по ГОСТ 520-2002 с учтенным при проектировании зазором между телами качения и дорожками качения, который увеличится вследствие слоя эмалевого покрытия, электростатическим способом наносят шликер, полученный измельчением фритты силикатной эмали (по патенту SU1615159) с фракцией 5-15 мкм вместе с глиной и добавками (нитрит натрия, глина, вода), толщиной до 50 мкм. После нанесения шликера осуществляют сушку при комнатной температуре до полного испарения воды в течение 25-ти минут. После чего производится однократный обжиг в муфельной печи при температуре 820°С в течение 3-х минут; охлаждение при комнатной температуре, шлифование и полирование.
Пример 2. На подготовленную обезжиренную поверхность дорожек качения подшипника 30031/1060 (по ГОСТ) с внутренним размером 1060 мм, внешним размером 1500 мм и шириной 325 мм с учтенным при проектировании зазором между телами качения и дорожками качения, который увеличится вследствие слоя эмалевого покрытия, плазменным напылением наносится силикатная эмаль (по патенту SU 1615159) с фракцией 5-15 мкм толщиной до 80 мкм. После охлаждения при комнатной температуре в течение 30 минут производят шлифование и полирование поверхности напыления.