МНОГОСЛОЙНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
MULTILAYER COMPOSITIONAL MATERIAL FOR PLAIN BEARINGS, MANUFACTURING AND APPLICATION

Настоящее изобретение относится к многослойному композиционному материалу, предназначенному, прежде всего, для подшипников скольжения или втулок, с опорным слоем, слоем подшипникового металла из медного или алюминиевого сплава, никелевым промежуточным слоем и скользящим слоем. Кроме того, изобретение относится к применению многослойного композиционного материала.
Типичные многослойные композиционные материалы, состоящие из стальной спинки подшипника в качестве опорного слоя, свинцовистой бронзы в качестве слоя подшипникового металла и скользящего слоя из свинца, олова и меди, например, подобные материалам, описанным в Glyco-Ingenieurberichte 1/91, хорошо зарекомендовали себя на практике благодаря высокой эксплуатационной надежности и высокой допустимой механической нагрузке. При этом скользящий слой получают методом гальванического осаждения. Под скользящим слоем подразумевают многофункциональный слой, в который могут внедряться посторонние частицы и который служит в качестве защиты от коррозии, обладает аварийной антизадирной способностью и, прежде всего, пригоден для приработки, соответственно припасовки сопряженной скользящей детали.
Слой подшипникового металла также обладает достаточно высокой аварийной антизадирной способностью на тот случай, если произойдет, по меньшей мере, локальная полная выработка скользящего слоя.
10
2
Типичные многослойные композиционные материалы содержат скользящий слой на свинцовой основе. Общеупотребительным сплавом, из которого выполняют скользящий слой, является, например, сплав свинца, олова и меди - PbSnCu. Подобные скользящие слои обладают низкими значениями твердости по Виккерсу, составляющими от 12 до 15 единиц. В связи с этим они хорошо пригодны для запрессовки и неподвержены задиру. Однако, учитывая соображения техники безопасности и защиты окружающей среды, желательной является замена тяжелого металла свинца на другие подходящие материалы.
Концепция подобной замены состоит в том, чтобы в опорных узлах, подверженных воздействию высоких нагрузок, в качестве скользящих слоев использовать твердые материалы. Так, например, методом физического осаждения из паровой фазы осуществляют нанесение слоев, состоящих из алюминия и олова, твердость которых по Виккерсу составляет 80 единиц. Такие скользящие слои не содержат свинца, однако их изготовление является весьма дорогостоящим. Содержащие такие слои подшипники обладают чрезвычайно высокой износостойкостью. Однако они мало пригодны для запрессовки, в связи с чем их чаще всего комбинируют с мягкими, содержащими свинец слоями, используемыми в качестве контрвкладышей. Впрочем, желательной является замена свинца на другие материалы также и в этих контрвкладышах.
Предпринимались попытки использования чистого олова в качестве материала скользящей поверхности. Однако олово, твердость которого по Виккерсу составляет около 10 единиц, еще мягче общеупотребительных свинцовых сплавов, в связи с чем оно не в состоянии воспринимать нагрузки, возникающие, например, в коренных подшипниках коленчатого вала и шатунных подшипниках.
В немецкой заявке на патент DE 19728777 А1 описан многослойный композиционный материал для скользящих элементов, скользящий слой которого состоит из не содержащего свинца сплава олова и меди, причем содержание меди составляет от 3 до 20 мас.%, а олова от 70 до 97 мас.%. Добавление меди обеспечивает повышение твердости по сравнению с чистым оловом. Предлагаемый в этом изобретении скользящий слой наносят методом гальванического осаждения, используя метилсульфокислые электролиты, содержащие добавки для измельчения зерна. Получаемый указанным образом скользящий слой обладает свойствами тройных скользящих слоев на основе свинца. Кроме того, для дополнительного повышения износостойкости в заявке DE 19728777 А1 предлагается предусмотреть присутствие в электролитической ванне диспергированных частиц твердого вещества, которые внедряются в скользящий слой. Однако это связано с дополнительными производственными издержками. Между подшипниковым металлом и скользящим слоем может быть предусмотрен слой никеля толщиной от 1 до 3 мкм в сочетании с состоящим из никеля и олова слоем толщиной от 2 до 10 мкм в качестве блокирующего диффузию слоя.
В немецкой заявке на патент DE 19754221 А1 описан многослойный композиционный материал со скользящим слоем, содержащим от 3 до 30 мас.% меди, от 60 до 97 мас.% олова и от 0,5 до 10 мас.% кобальта. Благодаря подобному слою обеспечивают дальнейшее повышение допустимой механической нагрузки и предотвращают охрупчивание соединительного слоя, расположенного между скользящим слоем и блокирующим диффузию никелевым слоем. Присутствие кобальта обеспечивает уменьшение склонности олова к диффузии в никель. Однако легирование кобальтом усложняет процесс гальванического осаждения, что обусловливает снижение производственной надежности. Аналогично заявке DE 19728777 А1 слой никеля толщиной от 1 до 3 мкм может быть скомбинирован со слоем никеля и олова толщиной от 2 до 10 мкм в качестве диффузионного барьера.
В европейской заявке на патент ЕР 1113180 А2 описан предназначенный для подшипников скольжения многослойный композиционный материал, скользящий слой которого обладает оловянной матрицей, в которую внедрены частицы олова и меди, содержащие от 39 до 55 мас.% меди, остальное - олово. Кроме того, характерной особенностью этого многослойного композиционного материала является то, что предусмотрен не только промежуточный слой из никеля толщиной от 1 до 4 мм, но и второй промежуточный слой толщиной от 2 до 7 мкм из олова и никеля, расположенный между никелевым промежуточным слоем и скользящим слоем. Первый состоящий из никеля промежуточный слой наносят на слой подшипникового металла из никелевого электролита Уатта. На первый промежуточный слой гальваническим методом наносят второй состоящий из никеля и олова промежуточный слой. Для нанесения второго слоя используют модифицированный хлоридфторидный электролит. Благодаря промежуточным слоям, состоящим соответственно из никеля и олова с никелем, получают самоприспосабливающуюся к нагрузкам систему, которая обеспечивает повышение допустимых нагрузок в соответствии с конкретными термическими условиями вследствие наращивания слоя олова с никелем.
В основу настоящего изобретения была положена задача устранить присущие уровню техники недостатки.
Указанная задача решается благодаря многослойному композиционному материалу согласно пункту 1 формулы изобретения. Кроме того, задача изобретения решается благодаря применению согласно пунктам 9 и 10 формулы.
Неожиданно было обнаружено, что слой, состоящий из олова и никеля, медленно формируется и без первоначального присутствия подобного слоя. При разогреве многослойного композиционного материала, происходящем, например, на стадии приработки втулок и подшипников, изготовленных из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, никель диффундирует в скользящий слой, в основном состоящий из олова. Таким образом, вследствие повышения концентрации второй содержащейся в оловянной матрице твердой фазы, состоящей из меди и олова и/или серебра и олова, медленно формируется высокопрочная поверхность. Благодаря снижению толщины воспринимающего нагрузку слоя повышается усталостная прочность.
В отличие от уровня техники, согласно которому наносят тонкие слои никеля толщиной от 1 до 3 мкм, выполняющие функцию диффузионных барьеров, предлагаемый в изобретении никелевый слой играет роль источника никеля, предназначенного для формирования первоначально отсутствующего слоя олова и никеля. Толщина слоя никеля должна превышать 4 мкм, поскольку в противном случае может произойти полное исчерпание никелевого слоя вследствие диффундирования никеля в слой олова. Это привело бы к удалению покровных слоев, которые в данном случае состоят из сплава олова с никелем и олова скользящего слоя. До сих пор по возможности избегали использования толстых никелевых слоев, поскольку такие слои не обладают достаточной антифрикционной способностью, что в аварийной ситуации быстро приводило бы к истиранию расположенного под ними подшипникового металла.
Металлические медь и серебро могут присутствовать в оловянной матрице по отдельности или в комбинации. Совокупное содержание этих металлов должно составлять от 0,5 до 20 мас.%. Предпочтительное совокупное содержание меди и/или серебра должно составлять от 2 до 8 мас.%.
Скользящий слой предпочтительно должен обладать толщиной от 5 до 25 мкм. Предпочтительная толщина промежуточного никелевого слоя составляет от 4 до 8 мкм, скользящего слоя от 6 до 14 мкм. При толщинах слоев такого порядка гарантируется, что не произойдет обусловленного диффузией полного преобразования ни никелевого слоя, ни скользящего слоя на основе олова. Это привело бы к проблемам с адгезией, соответственно к нежелательным взаимодействиям между содержащимся в скользящем слое оловом и подшипниковым металлом, например к формированию хрупкой фазы.
Под подшипниковыми металлами предпочтительно подразумевают сплавы, состоящие из меди и алюминия, меди и олова, меди, олова и свинца, меди и цинка, меди, цинка и кремния, меди, цинка и алюминия, меди, алюминия и железа или меди и цинка. Предпочтительными являются подшипниковые металлы на основе меди или алюминия, то есть содержание меди или алюминия в них составляет от 50 до 95 мас.%.
Для изготовления предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала на первой стадии на комбинированный материал из стали и подшипникового металла химическим или электрохимическим методом наносят промежуточный слой никеля. Затем методом осаждения из бинарной или тройной алкилсульфокислой гальванической ванны с добавлением неионных смачивающих веществ и свободной алкилсульфокислоты наносят скользящий слой. Для изготовления подшипников сначала выполняют их сборку из стали и подшипникового металла как компонентов комбинированного материала, а на последующих стадиях наносят промежуточный слой никеля и скользящий слой.
Существенное преимущество предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала заключается в том, что при приработке изготовленных из него подшипников и втулок в рабочих условиях из входящих в его состав олова и никеля происходит образование повышающего износостойкость междиффузионного слоя. Отсутствует необходимость в нанесении подобного слоя на отдельной технологической стадии. Имеется возможность стимулирования процесса образования междиффузионного слоя путем искусственного старения подшипников скольжения или втулок. Для этого особенно пригодна их термообработка, осуществляемая при температуре от 150 до 170°С в течение периода, составляющего от нескольких часов до нескольких дней.
Предлагаемый в изобретении многослойный композиционный материал особенно пригоден для изготовления коренных подшипников коленчатого вала и шатунных подшипников, предназначенных, прежде всего, для головок шатунов.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - поперечное сечение слоя подшипникового металла, промежуточного никелевого слоя и скользящего слоя предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала;
на фиг.2 - поперечное сечение подшипника, состоящего из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, по завершении стадии приработки;
на фиг.3 - распределение элементов в разрезе по линии III-III показанного на фиг.2 подшипника, определенное путем рентгеновского анализа с диссипацией энергии.
22
На предварительно собранный подшипник, состоящий из комбинированного материала, включающего сталь и подшипниковый сплав (CuPbSn), после соответствующей предварительной обработки из никелевого электролита Уатта наносят блокирующий диффузию слой никеля.
На полученный указанным образом промежуточный никелевый слой гальваническим методом осаждают скользящий слой на основе олова. Для этого используют следующую электролитическую композицию на водной основе:
Sn<sup>2+</sup> в виде метансульфоната олова
30-45 г/л,
Cu<sup>2+</sup> в виде метансульфоната меди
2-8 г/л,
Ag<sup>2+</sup> в виде метансульфоната серебра
0,1-2 г/л,
метансульфокислота
80-140 г/л,
добавка "N" (Cerolyt BMM-T)
30-45 г/л,
резорцин
1,5-4 г/л
-2
2
4+
Пригодным материалом анода является олово. Температура гальванической ванны в процессе осаждении скользящего слоя составляет от 20 до 40°С. Используют ток, плотность которого находится в интервале 1,5-3,0×10 А/м. Расстояние между анодом и катодом составляет от 300 до 400 мм. Отношение поверхности анода к поверхности катода преимущественно должно составлять 1:1 (+/-10%). Для непрерывного удаления образующихся ионов олова Sn электролит подлежит циркуляции через фильтрующее устройство.
22
На фиг.1 показано поперечное сечение слоевой структуры полученного указанным выше образом многослойного композиционного материала со скользящим слоем из меди и олова. Позицией 1 на фиг.1 обозначен состоящий из меди и олова скользящий слой толщиной 13,1 мкм, позицией 2 промежуточный слой никеля толщиной 4,9 мкм и позицией 3 подшипниковый сплав CuPbSn.
Граница между слоями 1 и 2 для наглядности изображена на фиг.1 в виде светлой линии.
На фиг.2 показано поперечное сечение изображенного на фиг.1 многослойного композиционного материала после установления рабочего состояния, то есть по завершении стадии приработки подшипника. Для этого подшипник подвергали тепловой обработке при температуре 150°С в течение 500 часов. Вследствие диффузии образовался обозначенный позицией 4 слой олова и никеля толщиной 4,1 мкм, обеспечивающий повышение допустимой нагрузки на поверхность скольжения и ее износостойкости. Тот факт, что речь при этом идет о слое, состоящем из олова и никеля, подтверждают приведенные на фиг.3 результаты рентгеновского анализа с диссипацией энергии. Расстояния вдоль оси абсцисс согласуются с соответствующими значениями толщины слоев для показанного на фиг.2 разреза по линии III-III. Скользящий слой 1' и никелевый слой 2 после приработки обладают меньшей толщиной, составляющей соответственно 10,2 и 3,3 мкм.
Граница между слоями 1' и 4 для наглядности изображена на фиг.2 в виде светлой линии.
Для оценки работоспособности подшипников, изготовленных из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, было выполнено их тестирование по Ундервуду. При испытании вал с эксцентриковыми грузами вращается в жестко смонтированных шатунах. Вал опирается на смонтированные в шатунах испытуемые подшипники. Толщина стенок испытуемых подшипников составляет 1,4 мм, диаметр подшипников 50 мм. Удельная нагрузка на подшипники определяется их шириной. Частота вращения вала составляет 4000 об/мин. Измеряли усталость скользящего слоя и износ после 250 часов пробега подшипников. Полученные в результате испытания по Ундервуду данные приведены в таблице 1 (примеры 5-8). Для сравнения в таблице 1 представлены также показатели, полученные при использовании материалов согласно уровню техники (примеры 1-4).
Из приведенных в таблице 1 данных следует, что подшипники, выполненные из предлагаемого в изобретении многослойного композиционного материала, с точки зрения усталости скользящего слоя, износа и максимальной нагрузки до полного износа значительно превосходят обычные подшипники со скользящим слоем на основе свинца. Даже подшипник со скользящим слоем из чистого олова (пример 5) в случае использования толстого слоя никеля почти сравним по своим свойствам с подшипниками, скользящий слой которых содержит свинец, и такой подшипник можно использовать для эксплуатации с менее существенными нагрузками.