Вкладыш подшипника скольжения и способ его изготовления

 

Изобретение относится к вкладышу подшипника скольжения. Вкладыш подшипника скольжения содержит несущую подложку и по крайней мере один металлический слой скольжения, нанесенный электроннолучевым напылением, и имеющий в многокомпонентном материале матричного типа по крайней мере один тонко диспергированный компонент, атомный вес которого больше, чем атомный вес многокомпонентного материала матричного типа. Концентрация тонко диспергированного компонента непрерывно снижается от зоны вершины вкладыша до зоны делительных поверхностей. Способ изготовления вкладыша подшипника скольжения с по крайней мере одним слоем скольжения из металлического сплава, который наносят на несущую подложку в камере для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления и материал матричного типа которого содержит тонко диспергированный компонент, атомный вес которого больше, чем атомный вес материала матричного типа, заключается в том, что во время процесса нанесения покрытия в зоне вершины вкладыша давление газа устанавливают от 0,1 до 5 Па. Техническим результатом является создание такого вкладыша подшипника, который в диапазонах высоких нагрузок отличается хорошей аварийной антизадирной способностью и прирабатываемостью в комбинации с высокой предельной нагружаемостью до появления склонности к задиру, а также разработка недорогого способа на базе электронно-лучевого напыления для изготовления вкладышей, при котором простым образом обеспечивается равномерная толщина слоя по всей окружности подшипникового вкладыша. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к вкладышу подшипника скольжения, содержащему несущую подложку и по крайней мере один металлический слой скольжения, нанесенный электроннолучевым напылением, и имеющим в многокомпонентном материале матричного типа по крайней мере один тонко диспергированный компонент, атомный вес которого больше, чем атомный вес многокомпонентного материала матричного типа. Изобретение относится также и к способу изготовления вкладыша подшипника скольжения, содержащего слой скольжения согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.

Подобные элементы скольжения состоят в общем из многослойных комбинированных систем следующей конструкции: стальная опорная подложка в качестве несущего материала, металлический опорный слой из медного, алюминиевого или баббитного сплава и так называемый слой заливки или третий слой или слой скольжения, который может быть нанесен посредством гальванического способа (см. публикацию Е. Ремера “Трехкомпонентные подшипники из GLYCO 40”; GLYCO-Ingenieurbericht 8/67) или методом катодного распыления (распыления в вакууме), как описано в ЕР 0256226 В1. Недостатком нанесенных гальванических слоев, в основном на базе свинца или олова, является часто недостаточная стойкость к коррозии, соответственно, низкая стойкость к износу. Кроме того, гальванический процесс является проблематичным с экологической точки зрения.

В том случае, если слои заливки вкладыша подшипника наносятся техникой распыления в вакууме, вследствие реализуемой низкой степени осаждения и высоких затрат на оборудование для изготовления такого элемента скольжения это представляет собой значительный фактор затрат.

Из патентной заявки GB 2270927 известны алюминиевые сплавы, в которых содержание олова по всему слою константно и составляет от 10 до 80%. Из таблицы 1 на стр.10 и 11 этой заявки вытекает, что с повышением содержания олова повышается возможная граничная нагрузка до появления склонности подшипника к задиранию, однако в отличие от этого предельная допускаемая нагрузка опять резко снижается, начиная с определенного содержания олова. Указание на улучшение прирабатываемости вкладыша в этой публикации отсутствует. Техникой нанесения слоя заливки является в этой публикации распыление в вакууме.

Европейская заявка ЕР 0376368 В1 описывает очень сложный способ изготовления подшипника, который отличается хорошей аварийной антизадирной способностью и хорошей прирабатываемостью. Также и в этой заявке речь идет о сплавах алюминия и олова, которые наносятся методом распыления в вакууме. Существо этого известного решения заключается в том, что введенные в металлическую основную массу подшипникового сплава частички в отношении их диаметра подлежат нормальному статистическому распределению, а также в слое заливки имеется до 1,0 мас.% кислорода и после термической обработки микротвердость слоя заливки снижается. Вследствие этого улучшается способность заливки, аварийная антизадирная способность и невосприимчивость к задиру.

Заявка WO 91/00375 описывает подшипник, слой заливки которого состоит из основы (например, алюминия) с тонко диспергированной в ней второй фазой (например, олова). Здесь для нанесения слоя заливки применяется метод напыления в вакууме. Целью этого известного решения является изготовление такого подшипника, конструкция слоя заливки которого выполнена так, что содержание второй фазы (например, олова) в слое заливки постоянно повышается как функция толщины слоя заливки от 0% в нижних слоях до 100% в верхних слоях. Это осуществляется с одной стороны посредством применения нескольких мишеней различного состава, соответственно посредством изменяющихся параметров вакуумного напыления. Изготовленные подобным образом слои заливки имеют хорошие свойства в отношении стойкости к износу и усталостной прочности, что, однако, требует очень сложной технологии.

Из заявок Германии DE 19514835 A1 и DE 19514836 А1 известно нанесение слоев заливки на вогнутые элементы скольжения, причем в обеих заявках на первом месте стоит формирование определенного профиля толщины слоев. Чтобы достичь равномерной толщины слоя вкладышей подшипников скольжения, согласно DE 19514835 A1 во время нанесения покрытия напылением испаритель и подложка перемещаются относительно друг друга прямолинейно с различной скоростью. Для этого требуются соответствующие приспособления для перемещения внутри камеры для нанесения покрытий. В заявке DE 19514836 A1 в отличие от этого нацеленно устанавливается неравномерная толщина слоя. Толщина слоя на элементе скольжения в зоне вершины больше и постоянно уменьшается в сторону делительных поверхностей. Для достижения этого известный способ предусматривает то, что расстояние испарителя к зоне вершины подшипникового вкладыша настраивается на диапазон от 150 и до 350 мм, и во время нанесения покрытия напылением испаритель и подложка жестко позиционируются друг к другу и степень конденсации осаждения в зоне вершины вкладыша настроена по крайней мере на 80 нм/сек.

Из заявки Германии DE 3606529 A1 известен способ изготовления слоистых материалов или слоистых заготовок посредством напыления по крайней мере одного металлического материала на металлический субстрат, для нанесения слоя скольжения применяется также метод электронно-лучевого напыления покрытия. Этот способ проводится под атмосферой остаточного газа при давлении от 10^-2-10^-3 мбар, причем одновременно с напылением материал подвергается дисперсионному твердению, соответственно дисперсионному упрочению. Нанесение покрытия настраивается здесь на 0,3 мкм/сек. Во время напыления субстрат держится при температуре между 200°С и 800°С. При напылении алюминиевого сплава температура субстрата составляет 200°С до 300°С и при медно-свинцовом сплаве температура лежит в пределах от 500°С и до 700°С. Предельная допускаемая нагрузка изготовленных этим способом слоев значительно выше, чем слоев, изготовленных способом порошковой металлургии слоев. Задачей этого известного решения является обеспечение определенной доли твердой фазы в слое скольжения за счет дисперсионного упрочения, например, за счет получения окислов во время напыления.

Указания на различное распределение компонентов сплава в этих трех публикациях не имеется. Для определенных случаев применения предельная допустимая нагрузка, соответственно, прирабатываемость не является достаточной. Задачей изобретения является разработка такого вкладыша подшипника скольжения, который в диапазонах высоких нагрузок отличается хорошей аварийной антизадирной способностью и прирабатываемостью в комбинации с высокой предельной нагружаемостью до появления склонности к задиру. Задачей изобретения также является разработка недорогого способа на базе электронно-лучевого напыления для изготовления таких вкладышей, при котором простым образом обеспечивается равномерная толщина слоя по всей окружности подшипникового вкладыша.

Вкладыш подшипника скольжения согласно изобретению отличается тем, что концентрация тонко диспергированных компонентов непрерывно уменьшается от зоны вершины вкладыша к делительным поверхностям.

Такая структура слоя скольжения имеет то преимущество, что в зоне наивысшей нагрузки, а именно в зоне вершины вкладыша, тот компонент сплава, который в решающей степени оказывает положительное влияние на аварийную антизадирную способность и на прирабатываемость, имеется в наивысшей концентрации. Другое преимущество заключается в том, что относительно дорогие тонко диспергированные компоненты имеются в высокой концентрации только в зонах, в которых она нужна для обеспечения хорошей аварийной антизадирной способности и прирабатываемости.

В связи с тем, что свойства скольжения наиболее сильно нагружаемых зон вкладыша влияют на срок службы подшипника скольжения, за счет повышения концентрации тонко диспергированных компонентов в зоне вершины обеспечивается также и повышение срока службы подшипника.

Концентрация тонко диспергированных компонентов в зоне вершины вкладыша подшипника в 1,2 до 1,8, предпочтительно, 1,3 до 1,6 раза выше, чем в зоне делительных поверхностей.

Это распределение концентрации в направлении окружности может быть комбинировано с различной концентрацией по толщине слоя согласно второму варианту выполнения вкладыша, причем концентрация тонко диспергированных компонентов непрерывно повышается предпочтительно от нижней, т.е. близкой в подложке стороны, к верхней зоне слоя скольжения. Этот вариант выполнения слоя скольжения выбирается тогда, когда противоходный вкладышу элемент подшипника имеет высокую шероховатость поверхности, что имеет место, например, при литом вале.

Концентрация тонко диспергированных компонентов в верхней зоне слоя скольжения предпочтительно до двух раз выше, чем в нижней зоне.

Концентрация тонко диспергированных компонентов в зоне вершины вкладыша составляет предпочтительно от 10 до 70 мас.%.

Многокомпонентный материал матричного типа состоит предпочтительно из алюминия, причем тонко диспергированные компоненты могут состоять из олова, свинца, висмута и/или антинома. В качестве других компонентов сплава слой скольжения может содержать медь, цинк, кремний, марганец и/или никель в отдельности или в комбинации до 5 мас.%.

В качестве несущей подложки применяются стальные опорные вкладыши, а также комбинированные материалы, состоящие из стали и меди, свинца и олова, или из стали и алюминия или из стали и баббита. Предпочтительными системами сплавов, из которых состоит слой скольжения, являются ALSnCu, AlSnPb и AlSnSi. При слоях скольжения из сплава олова доля олова в слое скольжения понижается от вершины к делительным поверхностям. Таким образом, слой скольжения имеет зоны с высокой долей олова и с низкой долей олова. Вследствие этого имеется возможность одновременного использования преимуществ высокого и низкого содержания олова в слое скольжения. В то время как в зоне с высокой долей олова обеспечивается хорошая прирабатываемость вкладыша, зоны с низкой долей олова обеспечивают высокую несущую способность элемента скольжения.

Толщина слоя скольжения равномерна по всей окружности.

Способ изготовления таких слоев скольжения вкладышей подшипников предусматривает то, что во время процесса напыления в зоне вершины вкладыша подшипника устанавливают давление газа от 0,1 до 5 Па.

Молекулы газа между тиглем испарителя и покрываемой слоем поверхностью способствуют различному рассеиванию компонентов сплава во время процесса напыления.

Угол рассеивания, соответственно, степень рассеивания из кинетических соображений зависит при этом от удельного веса отдельных испаренных элементов сплава. Следствием этого является то, что тяжелые элементы, например олово, рассеиваются менее сильно, чем легкие элементы, например алюминий. Результатом такого процесса является то, что тяжелые элементы осаждаются в зоне вершины вкладыша подшипника скольжения с более высокой концентрацией, чем в зоне делительных поверхностей. Посредством такого рассеивания молекул газа имеется возможность, в зависимости от того, в каком диапазоне давления проводится электроннолучевое напыление, варьировать состав слоя заливки в широких пределах.

Неожиданным образом в отличие от мнения специалистов изготовленные газовым рассеянием слои компактны и по их стойкости к износу и несущей способности превышают изготовленные известным образом, без дополнительных мер при электронно-лучевом напылении элементов скольжения.

Кроме того, неожиданно было установлено, что наряду с возможностями получения различной концентрации одновременно получается различная толщина слоя скольжения, так что нет необходимости в мерах, известных из патентной заявки DE 19514835 А1.

Способ изготовления вкладыша вследствие этого значительно упрощается.

Давление газа предпочтительно константно удерживают во время процесса нанесения покрытия при ±0,05 Па.

Способ может быть также модифицирован тем, что во время процесса нанесения слоя давление газа непрерывно изменяют. Если давление изменяют как функцию времени напыления, наряду с градированным ростом слоя скольжения в окружном направлении достигается также и варьирование состава по толщине слоя.

Давление газа непрерывно повышают предпочтительно от 0,1 Па в начале до 1 Па в конце процесса напыления. Повышение давления газа приводит к тому, что компоненты сплава с меньшим атомньм весом рассеиваются все сильнее, чем тяжелые компоненты сплава, вследствие чего усиливается разница в концентрации между зоной вершины и зоной делительных поверхностей в ходе процесса нанесения покрытия. Вместе с этим изменяется также и концентрация компонентов сплава по толщине слоя.

В качестве инертного газа применяют аргон, гелий или неон.

При этом вертикальное расстояние вкладыша подшипника от тигля испарителя должно быть установлено на 2- до 7-кратного диаметра вкладыша подшипника скольжения и скорость нанесения покрытия должна быть установлена, по крайней мере, на 10 нмл/сек.

Ниже изобретение поясняется на вариантах выполнения согласно следующим чертежам:

фиг.1 - вид в перспективе вкладыша подшипника скольжения,

фиг.2 - диаграмма, показывающая состав сплава для слоя скольжения в зоне вершины вкладыша,

фиг.3 - диаграмма состава сплава для слоя скольжения в зоне делительных поверхностей,

фиг.4 - диаграмма, показывающая полученные испытательным методом Underwood граничные нагрузки на вкладыш с изготовленным согласно изобретению слоем скольжения по сравнению с известными третичными и биметаллическим подшипниками.

На фиг.1 представлен вкладыш 1 подшипника скольжения с подложкой 2 и слоем скольжения 6. Подложка 2 состоит из стального опорного втулки 3, на которую наносится сплав 4 из CuPbSn посредством процесса заливки или агломерации, а также диффузионный запирающий слой 5. Содержание углерода в стали составляет от 0,03 до 0,3%.

Согласно различным известным процессам отжига и формования путем прессования из отрезков соответствующего материала определенной длины изготавливают заготовки вкладышей подшипников. После обработки поверхности этих заготовок посредством сверления и качения вкладыши снабжаются диффузионным запирающим слоем 5 из никеля или никельного сплава путем гальванического или процесса ПВД. После этого подложка обезжиривается и помещается в установку вакуумного напыления. Здесь происходит дальнейшая очистка поверхности, соответственно, активирование посредством процесса распылительного травления.

После вукуумирования камеры нанесения покрытий она заполняется аргоном. Причем давление устанавливают прибл. на 1 Па. В заключение подложка покрывается путем электронно-лучевого напыления составом AlSn20Cu из испарительного тигля посредством электронной пушки. Толщина осажденного слоя скольжения 6 из AlSn20Cu составляет прибл. (16±4) мкм.

Во время процесса напыления давление аргона удерживают постоянным в 1 Па, температура подложки составляет от 190°С до 200°С и мощность электронной пушки составляет от 40 до 60 кВт. Степень оседания составляет, по крайней мере, 20 нм/сек.

Слой скольжения 6 в зоне вершины 8 вкладыша имеет значительно более высокую концентрацию олова, чем зона делительных поверхностей 9. Частички олова показаны на точками. Более высокая концентрация обозначена более плотной концентрацией точек.

На фиг.2 и 3 представлен состав сплавов в зоне вершины (фиг.2) и в зоне делительных поверхностей (фиг.3). Содержание олова определялось растровым электронным микроскопом посредством EDX для определенной площади напыленного AlSn20Cu слоя. Концентрация олова составляет в зоне вершины 8 в 1, 4 выше, чем на делительных поверхностях. Причем значения концентрации определяли из интеграции по пиковым значениям для олова.

Фиг.4 показывает полученные на испытательном стенде Underwood граничные нагрузки изготовленного согласно изобретению вкладыша с градированным слоем заливки в непосредственном сравнении с известными третичными и биметаллическими подшипниками. В качестве базового значения при этих испытаниях был выбран алюминиевый биметаллический подшипник (столбец А) со слоем скольжения из AlSn20Cu (что является 100%-ым значением). Более высокую стойкость к нагрузкам имеет биметаллический подшипник на базе AlSn (столбец В), матрица которого усилена легирующими добавками никелем и марганцем. Третичный подшипник (столбец С) со структурой сталь/свинцовистая бронза/гальванический слой (PbSn10Cn5) допускает нагрузки, которые лежат между вышеописанными биметаллическими подшипниками. Как показывает фиг.4, напыленные согласно изобретению подшипники скольжения (столбец D) имеют более высокую стойкость к нагрузкам, чем известные подшипниковые системы.

Ссылочные номера

1 - вкладыш подшипника,

2 - подложка,

3 - стальная опорная втулка,

4 - слой из сплава CuPbSn,

5 - диффузионный запирающий слой,

6 - слой скольжения,

7 - частички олова,

8 - зона вершины,

9 - делительные поверхности.

Формула изобретения

1. Вкладыш подшипника скольжения, содержащий несущую подложку и по крайней мере один металлический слой скольжения, нанесенный электронно-лучевым напылением и имеющий в многокомпонентном материале матричного типа по крайней мере один тонкодиспергированный компонент, атомный вес которого больше, чем атомный вес многокомпонентного материала матричного типа, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента непрерывно снижается от зоны вершины вкладыша до зоны делительных поверхностей.

2. Вкладыш по п.1, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента в зоне вершины вкладыша на 1,2 до 1,8 выше, чем в зоне делительных поверхностей.

3. Вкладыш по п.1 или 2, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента постоянна по толщине слоя скольжения.

4. Вкладыш по одному из п.1 или 2, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента непрерывно повышается от нижней до верхней зоны слоя скольжения.

5. Вкладыш по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента в зоне вершины составляет от 10 до 70 мас.%.

6. Вкладыш по одному из п.4 или 5, отличающийся тем, что концентрация тонкодиспергированного компонента в верхней зоне слоя скольжения до двух раз выше, чем в нижней зоне слоя скольжения.

7. Вкладыш по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что материал матричного типа состоит из алюминия и тонкодиспергированный компонент состоит из олова, свинца, висмута и/или антинома.

8. Вкладыш по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что слой скольжения содержит в качестве других компонентов сплава медь, цинк, кремний, марганец и/или никель в отдельности или в комбинации до 5 мас.%.

9. Вкладыш по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что толщина слоя скольжения равномерна по всей окружности.

10. Способ изготовления вкладыша подшипника скольжения с, по крайней мере, одним слоем скольжения из металлического сплава, который наносят на несущую подложку в камере для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления и материал матричного типа которого содержит тонкодиспергированный компонент, атомный вес которого больше, чем атомный вес материала матричного типа, отличающийся тем, что во время процесса нанесения покрытия в зоне вершины вкладыша давление газа устанавливают от 0,1 до 5 Па.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что во время процесса напыления давление газа непрерывно изменяют.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что давление газа непрерывно повышают от 0,1 Па в начале до 1 Па в конце процесса напыления.

13. Способ по одному из пп.10-12, отличающийся тем, что в качестве газа применяют инертный газ аргон, гелии или неон.

14. Способ по одному из пп.10-13, отличающийся тем, что вертикальное расстояние вкладыша подшипника от тигля распыления устанавливают от 2 до 7-кратного диаметра вкладыша.

15. Способ по одному из пп.10-14, отличающийся тем, что скорость напыления в зоне вершины устанавливают по крайней мере в 20 нм/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4