Подшипник скольжения с наноструктурным функционально-градиентным антифрикционным покрытием

Изобретение относится к подшипникам скольжения и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, в железнодорожном, автомобильном транспорте и других областях промышленности. Подшипник скольжения, включающий корпус, устанавливаемый на цапфу вала или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, в котором по крайней мере одна поверхность скольжения имеет наноструктурное антифрикционное покрытие на основе карбонитрида титана. Антифрикционное функционально-градиентное покрытие состоит из порошка карбонитрида титана, легированного кремнием, с фракциями нанодиапазона от 10 до 24 нм, субмикронного уровня - от 0,2 до 0,3 мкм и микронного уровня - от 1 до 5 мкм при следующем содержании фракций, мас. %: нанодиапазона - от 8 до 10, субмикронного уровня - от 50 до 60, микронного уровня - от 30 до 42. Технический результат изобретения - комплексное улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик подшипника за счет высокой твердости до 45-48 ГПа, среднего модуля упругости до 500 ГПа, адгезии к подложке (с максимальной критической нагрузкой до 50 Н), максимального снижения коэффициента трения от 0,01 до 0,015, повышения износостойкости, твердости, термической стабильности, жаропрочности, при одновременном повышении пластичности и прочности карбонитрида титана (TiCN) путем его наноструктурирования и легирования кремнием.

 

Изобретение относится к подшипникам скольжения и может быть использовано в ракетно-космической, авиационной, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, в железнодорожном, автомобильном транспорте и других областях промышленности.

Подшипники скольжения широко применяются 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 и 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 возникает трение.

Известно техническое решение в виде листового армированного фторопластового антифрикционного материала для изготовления подшипника скольжения, опорных шайб, опор скольжения.

/RU 2384412 C1, В32В 5/02, 20.03.2010/ [1]

Фторопластовый 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.

Известна композитная смесь для формирования покрытия на трущихся поверхностях цилиндров двигателя, содержащая твердосмазочную композицию наноразмерных частиц SiO₂, FeO, Fe₂O и первичной сажи .

/RU 2384606 С2, С10М 177/00, 20.03.2010/ [2]

Недостатком данной смеси является нестабильность коэффициента трения при различных температурах.

Известен подшипник скольжения, по меньшей мере, одна из сопряженных поверхностей которого имеет антифрикционное покрытие в виде пленочного наноструктурированного дисперсно-упрочненного карбида кремния. Недостатком данного подшипника является стабильная работа только в сочетании с высокотвердыми поверхностями. 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.

/RU 99558 U1, F16C 17/00, 20.10.2010/ [3]

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.

/RU 2352686 С2, С23С 30/00, 20.04.2009/ [4]

Известен антифрикционный слой для опорного элемента, в частности подшипника скольжения, из синтетического полимерного слоя, в частности смоляного или соответственно лакового слоя, который содержит, по меньшей мере, один твердый смазочный материал в количестве от 5 до 20 вес.%.

/RU 2361128 C2, F16C 33/04, 10.07.2009/ [5]

Недостатками подшипников в вышеуказанных патентах является зависимость коэффициента трения от температуры.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является известный подшипник скольжения, включающий корпус, устанавливаемый на цапфу вала или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, и смонтированные на корпусе элементы скольжения, в котором по крайней мере один элемент скольжения имеет наноструктурное антифрикционное покрытие на основе карбонитрида титана.

/RU 2477395 C1, F16C 17/00, 10.03.2013/ [6] - прототип

Недостатком данного покрытия является содержание в рецептуре относительно низкотемпературных фаз, таких как дисульфид молибдена с температурой плавления до 150°С, что снижает работоспособность при критических нагрузках и окружных скоростях более 200 м/с.

Известные технические решения используют покрытия, улучшающие какое-либо одно свойство подшипника, - антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и т.п.

Подшипники скольжения с покрытиями, которые бы комплексно улучшали эксплуатационные характеристики подшипников скольжения, не выявлены.

В основу изобретения положена задача комплексного улучшения эксплуатационных характеристик подшипников скольжения с упором на максимальное снижение коэффициента трения и стабильность его значения при высоких температурах.

Технический результат изобретения - комплексное улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик подшипника за счет высокой твердости до 45-48 ГПа, среднего модуля упругости до 500 ГПа, адгезии к подложке (с максимальной критической нагрузкой до 50 Н), максимального снижения коэффициента трения от 0,01 до 0,015, повышения износостойкости, твердости, термической стабильности, жаропрочности, при одновременном повышении пластичности и прочности карбонитрида титана (TiCN) путем его наноструктурирования и легирования кремнием.

Указанный технический результат достигается тем, что подшипник скольжения, включающий корпус, устанавливаемый на цапфу вала или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, в котором по крайней мере одна поверхность скольжения имеет наноструктурное антифрикционное покрытие на основе карбонитрида титана, согласно предложению антифрикционное функционально-градиентное покрытие состоит из порошка карбонитрида титана, легированного кремнием, с фракциями нанодиапазона от 10 до 24 нм, субмикронного уровня - от 0,2 до 0,3 мкм и микронного уровня - от 1 до 5 мкм при следующем содержании фракций, мас. %: нанодиапазона - от 8 до 10, субмикронного уровня - от 50 до 60, микронного уровня - от 30 до 42.

Для изготовления подшипника скольжения с наноструктурным функционально-градиентным антифрикционным покрытием согласно изобретению порошок карбонитрида титана, легированного кремнием (Ti-Si-C-N), для создания наноструктуры, рассеивают по фракциям: нанодиапазона - от 10 до 24 нм, субмикронного уровня - от 0,2 до 0,3 мкм и микронного уровня - от 1 до 5 мкм, при этом фракции, мас. %: нанодиапазона от 8 до 10, субмикронного уровня от 50 до 60, микронного уровня от 30 до 42.

Для изготовления подшипника скольжения с наноструктурным функционально-градиентным антифрикционным покрытием согласно изобретению порошок карбонитрида титана, легированного кремнием, измельчают до наноструктурных размеров известным образом, например вихревым виброакустическим методом (см. Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы», сайт http://portalnano.ru). Полученный материал в виде порошка наноразмерного, субмикронного и микронного диапазона 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 0,3 мкм до 300 мкм.

Наноструктурное функционально-градиентное антифрикционное покрытие наносят по крайней мере на одну сопряженную поверхность скольжения - на внутреннюю поверхность корпуса подшипника и/или сопряженную с корпусом подшипника поверхность. Покрытие не требует дополнительной физико-химической обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.).

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано фиг. 1.

Фиг. 1 - схема соединения подшипника с валом.

1 - корпус подшипника;

2 - вкладыш (втулка);

3 - вал;

4 - антифрикционное функционально-градиентное покрытие.

Подшипник скольжения включает корпус 1, установленный на вкладыш (втулку) 2, который в свою очередь размещен на вале 3. На внутреннюю поверхность корпуса 1 нанесено антифрикционное функционально-градиентное покрытие 4. Покрытие 4 может быть также нанесено на поверхность вкладыша 2. В случае установки корпуса 1 непосредственно на вал 3 покрытие 4 может быть также нанесено на вал 3.

Наноструктурное функционально-градиентное антифрикционное покрытие согласно изобретению на основе наноструктурного карбонитрида титана, легированного кремнием (Ti-Si-C-N), позволяет получить подшипники скольжения с коэффициентом трения - 0,01-0,015, модулем упругости покрытия около 500 ГПа, твердостью 45-48 ГПа, прочностью 1800 МПа, термической стабильностью коэффициента трения до 950°С, жаро- и коррозионной стойкостью до 1200°С, скоростью износа .

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 и т.п.

Снижение коэффициента трения до 0,01-0,015 подтверждает, что заявленное покрытие является антифрикционным.

Стабилизация свойств в указанном интервале температур (от -100° до +1300°С) и достижение указанной +1300°С показывает, что это заявленное покрытие является жаропрочным покрытием.

Как видно из представленных данных покрытие согласно изобретению имеет высокую прочность (1800 МПа) при модуле упругости (500 ГПа), что позволяет подшипнику скольжения противостоять изнашиванию. Коэффициент увеличения износостойкости в сравнении со сталью равен 25.

Таким образом, наноструктурное функционально-градиентное антифрикционное покрытие комплексно улучшает физико-механические и эксплуатационные свойства подшипников, в особенности стабильность антифрикционных свойств при высоких температурах.

Подшипник скольжения согласно изобретению позволяет увеличить долговечность подшипника в несколько раз и использовать его для различных узлов и механизмов, работающих в широком температурном диапазоне с высокими осевыми и радиальными нагрузками.

Подшипник скольжения, включающий корпус, устанавливаемый на цапфу вала или ось непосредственно или через вкладыш или втулку, в котором по крайней мере одна поверхность скольжения имеет наноструктурное антифрикционное покрытие на основе карбонитрида титана, отличающийся тем, что антифрикционное функционально-градиентное покрытие состоит из порошка карбонитрида титана, легированного кремнием, с фракциями нанодиапазона от 10 до 24 нм, субмикронного уровня - от 0,2 до 0,3 мкм и микронного уровня - от 1 до 5 мкм при следующем содержании фракций, мас. %: нанодиапазона - от 8 до 10, субмикронного уровня - от 50 до 60, микронного уровня - от 30 до 42.