Элемент скольжения - RU2521854C9
Код документа: RU2521854C9
Описание
Изобретение относится к элементу скольжения, имеющему подложку и, по меньшей мере, один слой материала, благоприятствующего скольжению, нанесенный на подложку. Изобретение относится также к предпочтительным вариантам применения таких элементов скольжения.
Элементы скольжения в качестве подшипников скольжения в двигателях состоят в большинстве случаев из многослойных материалов со специально модифицированными поверхностями, улучшающими антифрикционные свойства. Как правило, в отношении поверхностей элементов подшипников скольжения речь идет о металлических покрытиях на основе свинца, олова или алюминия, которые получают в процессе гальванотехники, а также с помощью напыления или механического плакирования.
Кроме того, известны неметаллические покрытия, благоприятствующие скольжению, на основе искусственной смолы, свойства которых модифицированы в отношении предельной допускаемой нагрузки и прочности на износ.
И хотя известные покрытия обладают относительно высокой предельной допускаемой нагрузкой, эта предельная допускаемая нагрузка сильно ограничена, так что при превышении границы предельной допускаемой нагрузки это приводит к быстрой потере функции скольжения. Связанное с этим обнажение материала подложки, не имеющего достаточной возможности работать в поврежденном состоянии, вызывает затем полный отказ элемента подшипника скольжения в результате коррозии.
Покрытия для подшипников скольжения на основе искусственной смолы применяют в качестве вспомогательного средства для уменьшения трения в механических конструкциях. Как правило, покрытия наносят на металлические, пластмассовые и резиновые детали, которые должны длительное время легко двигаться без последующей смазки. В случаях типичного применения нагрузки больше ограничены, а краевые условия, такие как температура среды, являются некритичными. Из разных источников, в частности из ЕР 0984182 А1, известно, что возможно также применение в двигателе, т.е., например, подшипники коленчатого вала могут иметь такие элементы скольжения. В этом документе описан также антифрикционный слой подшипника скольжения с подложкой из PI, PAI, эпоксидной смолы или фенольной смолы, в которые для уменьшения износа можно добавить среди прочего Fе3O4.
Патент DE 19614105 A1 раскрывает покрытие, благоприятствующее скольжению, из пластмассы, устойчивое к износу и кавитации, и состоящее из материала подложки из PTFE или термопластичных фторполимеров Fе2О3 и твердого смазочного материала. Этот материал применяют для подшипников, например, в качестве направляющего элемента в амортизаторах, и по своей конструкции и из-за мягкой фторполимерной подложки годится только для малых скоростей скольжения и низких нагрузок.
Из патента ЕР 1775487 А2 известен элемент подшипника скольжения, имеющий металлическую основу, нанесенный на нее алюминиевый сплав и покрытие из пластмассы, благоприятствующее скольжению. Для улучшения прочности сцепления и кавитационной устойчивости предлагается материал, содержащий связующее средство из PI, PAI, PBI, ЕР и FP, а также твердый смазочный материал, например MoS2, графит, PTFE и BN.
Задачей изобретения является выполнение скользящего элемента, который имеет при улучшенной устойчивости к износу повышенную пиковую нагрузку и который можно использовать при высоких рабочих температурах и скоростях скольжения, как, например, на подвижных частях внутри двигателей внутреннего сгорания.
Эта задача решается при помощи элемента скольжения, материал которого представляет собой лак для нанесения на поверхность трения, состоящий, по меньшей мере, из одного «сшиваемого» связующего средства или, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала, или из материала, имеющего подложку из, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала или, по меньшей мере, одного материала из термореактивной пластмассы, и что материал слоя, благоприятствующего скольжению, содержит Fе2О3.
При этом предпочтительно, что материал слоя, благоприятствующего скольжению, в качестве оксида железа содержит только Fе2О3.
Согласно первой альтернативе представлен лак для нанесения на поверхность трения.
Под лаком для нанесения на поверхность трения подразумевается текучий или порошкообразный материал для покрытия, который содержит присадки для улучшения способности скольжения поверхности, наносится тонким слоем на подложку и в результате химических или физических процессов, таких как испарение растворителя или отверждение с помощью ультрафиолетовых лучей, превращается в тонкую пленку.
«Сшиваемое» связующее средство лака для нанесения на поверхность трения состоит предпочтительно из PAI (полиамидимида), PI (полиимида), эпоксидной смолы, PBI (полибензимидазола) и/или кремнийорганической смолы. Эти полимеры отличаются высокой термостабильностью и исключительной устойчивостью к средам.
Согласно другой форме выполнения связующее средство может представлять собой вяжущее вещество, твердеющее под ультрафиолетовыми лучами. Такими вяжущими веществами являются предпочтительно ненасыщенные полиэфирные смолы и/или силиконы.
Согласно следующей форме выполнения лак для нанесения на поверхность трения может содержать, по меньшей мере, один высокоплавкий термопластичный материал.
Согласно второй альтернативе речь идет о материале, который содержит подложку из, по меньшей мере, одного высокоплавкого термопластичного материала или, по меньшей мере, из одной термореактивной пластмассы.
Под высокоплавкими термопластичными материалами подразумеваются такие, температура плавления которых составляет выше 230°С.
В качестве предпочтительных высокоплавких термопластиков можно использовать преимущественно полиарилаты, PEEK (полиэфирэфиркетон) и/или PES (полиэфирсульфон).
Предпочтительными термореактивными пластмассами являются PAI (полиамидимид), PI (полиимид), эпоксидная смола, PBI (полибензимидазол) и/или кремнийорганическая смола.
Оказалось, что вышеупомянутые материалы в сочетании с Fe2O3 обладают явно лучшей пиковой предельной допускаемой нагрузкой, чем материалы для покрытия, не содержащие оксид железа или, при необходимости, другие оксиды железа. Достигаются показатели предельной допускаемой нагрузки, улучшенные до 20%.
Предполагается, что при сочетании Fе2О3 со связующими средствами или материалами подложки, согласно обеим альтернативам, эффективность смазочной пленки улучшается, благодаря чему уменьшается рост степени истирания, связанный со специфической нагрузкой на подшипник. В результате предельная нагрузка увеличивается, что опять же значительно повышает надежность эксплуатации подшипников при нагрузке ниже предельной нагрузки.
Такие эффекты имеют место при содержании Fе2О3 в количестве от 0,1 до 15% по объему. При меньших процентах улучшение в отношении предельной допускаемой нагрузки не установлено. Большее содержание, наоборот, приводит к ослаблению материала подложки или «сшиваемого» вяжущего вещества лака для нанесения на поверхность трения.
Доля Fе2O3 в пересчете на общее количество материала слоя, благоприятствующего скольжению, составляет предпочтительно от 0,5 до 8% по объему.
Могло оказаться, что пиковая предельная допускаемая нагрузка на подшипники коленчатого вала могла возрасти уже до 120 МПа. Эти значения пиковой предельной допускаемой нагрузки явно выше тех, которые имели место при сочетании материалов по патенту ЕР 0984182 А1. Заявленные значения достигаются, в остальном, только при покрытиях на основе алюминия.
Оказалось, что имеет значение также и величина частиц Fе2О3. Предпочтителен Fе2О3 со средней величиной зерен от 0,01 до 5 мкм. Особенно предпочтителен порошок с d50 от 0,1 до 0,5 мкм. D50 обозначает среднее значение размера зерен, причем 50% частиц мельче, а 50% частиц крупнее, чем каждый раз заданное значение.
Доля твердого смазывающего вещества материала слоя, благоприятствующего скольжению, составляет предпочтительно до 30% по объему. Предпочтительно в области до ≤9,5%, т.е. между ≥0 и ≤9,5%. Наиболее предпочтительный диапазон составляет от ≥5 до 30% по объему.
В качестве твердого смазывающего материала подходят сульфиды металлов со слоистой структурой, графит, гексагональный нитрид бора (hBN) и/или PTEF. Кроме того, материал слоя, благоприятствующий скольжению, может содержать твердые сплавы в количестве до 5% по объему, в частности, в количестве от 3 до 5% по объему.
Компонентами таких твердых сплавов являются предпочтительно нитриды, карбиды, бориды, оксиды и/или металлические порошки, причем компонентами твердых сплавов являются предпочтительно SiC, Si3N4, В4С3, кубический нитрид бора, ТiO2 или SiO2, а металлические порошки состоят из Ag, Pb, Au, Sn, Bi и/или Сu.
Особую форму выполнения представляют многослойные системы из пленок, благоприятствующих скольжению, содержащих Fе2О3, причем эти многослойные системы можно сформировать таким образом, что верхний слой действует как слой покрытия для ускорения приработки, например, в результате добавления твердых частиц для кондиционирования вала, а находящийся под ним слой действует как слой, продлевающий срок службы.
Многослойную систему можно построить таким образом, что под слоем, продлевающим срок службы, находится дополнительный слой лака, который еще больше повышает надежность эксплуатации подшипников за счет того, что он усовершенствован, в частности, в отношении устойчивости к истиранию и отсрочивает полный износ металла подшипника.
Дополнительный слой между подложкой и слоем материала, благоприятствующий скольжению, можно также усовершенствовать в отношении прилипания к подложке и выполнить в виде грунтовки, с целью улучшения сцепления слоя лака или слоя с подложкой из высокоплавких термопластиков и термореактивных пластмасс. Этого можно достигнуть, например, с помощью тончайшего (несколько мкм) или совсем не имеющего присадки слоя из материала подложки.
Многослойные системы можно выполнить в виде отдельных стопок слоев, а также в виде градиентных слоев, которые постепенно изменяют свои свойства в зависимости от толщины.
Предпочтительно содержание Fе2O3 в нижнем слое выше, чем в верхнем слое.
Предпочтительно на подложку наносят два слоя, причем один слой выполнен из материала, благоприятствующего скольжению и содержащего Fе2O3, а другой слой - из материала, благоприятствующего скольжению и не содержащего Fе2O3. Такая форма выполнения выгодна тем, что ускоряется геометрическая подгонка, так как верхний слой впоследствии быстрее истирается и, таким образом, быстрее создается максимальная предельная допускаемая нагрузка. Дальнейшее истирание уменьшается затем за счет содержания Fе2О3 в нижнем слое.
Другая форма выполнения многослойной системы предусматривает, что только нижний слой содержит Fе2O3, тогда как все находящиеся сверху слои не содержат Fе2О3.
Если на основу наносят более двух слоев материала, благоприятствующего скольжению, выгодно, чтобы доля Fе2О3 уменьшалась от самого нижнего слоя к самому верхнему слою. Незначительное содержание Fе2О3 или отсутствие его в самом верхнем слое выгодно тем, что ускоряется геометрическая пригонка, так как верхний слой быстрее истирается и, тем самым, быстрее создается предельная допускаемая нагрузка. Дальнейшее истирание уменьшается за счет содержания Fе2О3 в нижнем слое.
Также предусмотрено, что доля Fе2O3 внутри слоя постепенно уменьшается снизу вверх.
Подложка может состоять из одного слоя, а также из нескольких слоев.
Предпочтительно подложка имеет, по меньшей мере, один слой из алюминиевого или медного сплава. В качестве материала подложки также подходят сплавы никеля, олова, цинка, серебра, золота, висмута и железа. Все без исключения сплавы можно применять как в качестве слоя из подшипникового сплава, так и в качестве тонкого покрывающего слоя, причем пленка, благоприятствующая скольжению, в зависимости от состава может быть выполнена как дополнительный слой покрытия для ускорения приработки для пригонки или кондиционирования материала вала или как самостоятельный слой, благоприятствующий скольжению, с большим сроком службы.
Особенно предпочтительно применение заявленного/ых слоя/слоев в качестве слоя/слоев материала, благоприятствующего скольжению, из подшипниковых сплавов из CuSn, CuNiSi, CuZn, CuSnZn, AlSn, AlSi, AlSnSi.
Слои материала, благоприятствующего скольжению, можно наносить вместе с промежуточным слоем или без него. В качестве промежуточного слоя можно применять никель, серебро, медь и/или железо.
Толщина слоя или слоев в случае многослойной системы составляет от 1 до 40 мкм.
Элемент подшипника скольжения может представлять собой вкладыш подшипника диаметром до 100 мм. В этом случае толщина слоя или слоев составляет от 5 до 15 мкм.
Если элемент подшипника является вкладышем подшипника диаметром >100 мм, предпочтительна толщина от >15 мкм до 40 мкм.
В принципе возможны две формы выполнения. В первой случае заявленный слой материала, благоприятствующего скольжению, наносят непосредственно на слой подшипникового сплава. Вторая форма выполнения заключается в покрытии подложки, состоящей из подшипникового сплава с уже имеющимся металлическим слоем материала, благоприятствующего скольжению, который наносят предпочтительно путем напыления или гальванического покрытия.
Предпочтительно подложка имеет микронеровность Rz от 1 до 10 мкм, в частности, от 3 до 8 мкм. Под Rz подразумевается средняя глубина микронеровности согласно Германскому промышленному стандарту (DIN) ISO 4287:1998.
Микронеровность улучшает прилипание и способствует тому, что при истирании сначала обнажаются только острые вершинки, т.е. очень ограниченные поверхностные части подложки, что улучшает способность нести нагрузку, в то же время не вызывая коррозии больших обнаженных участков.
Необходимые микронеровности можно выполнить механическим путем, например, струями песка или растачиванием, а также и химическими способами, например, фосфатированием или травлением.
Предпочтительным применением является применение в качестве смазки.
Предпочтительно, если элементы скольжения применяют в качестве подшипников скольжения в двигателях внутреннего сгорания.
Так как элементы скольжения отличаются высокой пиковой нагрузкой, предусмотрено, в частности, их применение в качестве подшипников скольжения коленчатых валов. В других предпочтительных случаях элементы скольжения применяются в качестве юбок поршней и в виде поршневых колец, причем стенки кольца имеют заявленную структуру слоев, в целях предотвращения микроприваривания к поверхности канавки поршневого кольца.
Далее приведены некоторые примеры с результатами экспериментов.
В таблице 1 содержатся только подложки из медного сплава, а в таблице 2 подложки из алюминия и примеры выполнения для двойных слоев. При этом буквой R обозначен сравнительный опыт.
Таблица 1 (данные в процентах объема)
1эпоскисдная смола
Таблица 2 (сведения в процентах по объему)
*Данная нагрузка определялась путем проведения испытания на коррозию подшипников по способу фирмы «Ундервуд» (масло распыляется воздухом на поверхность образца). При этом вал вращается с эксцентриситетом в жестко смонтированном шатуне. Положение в шатуне создается с помощью испытуемых подшипников. Испытуемые подшипники имеют толщину стенок 1,4 мм и диаметр 50 мм. Удельная нагрузка регулируется за счет ширины подшипника, скорость вращения составляет 4000 об/мин. Критериями оценки являются усталость слоя материала, благоприятствующего скольжению, и истирание после 100 часов. Предельная нагрузка задана в МПа, при которой максимум на 5% поверхности скольжения слой истерся вплоть до подложки или наблюдалась усталость материала.
Для доказательства действия Fe2O3 в таблице 1 приведены рекомендуемые испытания, обозначенные как R. Испытания показали, что в результате добавления Fe2O3возможно увеличение предельной допускаемой нагрузки до 20%.
В отношении алюминиевых подложек (примеры 17-22) сопротивление усталости является всякий раз ограниченным фактором, однако также и здесь вследствие улучшенной подгонки благодаря материалу слоя, благоприятствующему скольжению, достигается улучшение. Главной целью заявленного материала слоя, благоприятствующего скольжению, является совершенствование свойств скольжения, если в сплаве содержится только незначительная доля мягкой фазы.
Двойной слой в примере 23 сформирован так, что имеет место улучшенная способность к подгонке благодаря незначительной доле связующего средства и повышенному содержанию твердого смазочного материала.
В примере 24 слой сформирован для валов с плохими поверхностями, такими как серый чугун, который дополнительно полируется твердыми сплавами.
В примере 25 концентрация Fе2O3 в нижнем слое возрастает, и повышается устойчивость к истиранию, причем верхний слой сформирован как подгоночный слой.
Реферат
Изобретение относится к элементу скольжения, применяемого, например, в качестве подшипника скольжения в двигателях внутреннего сгорания, подшипника скольжения коленчатых валов, поршневого кольца или юбки поршня. Элемент скольжения имеет подложку и, по меньшей мере, один нанесенный на подложку слой из материала, благоприятствующего скольжению. Слой из материала, благоприятствующего скольжению, состоит из лака, содержащего, по меньшей мере, одно способное к сшивке связующее средство или, по меньшей мере, один высокоплавкий термопластичный материал, и содержащего FeO. Доля FeO, в пересчете на общее количество материала слоя, благоприятствующего скольжению, составляет от 0,1 до 15% по объему. Подложка имеет микронеровность Rв пределах от 1 до 10 мкм. Технический результат: разработка элемента скольжения, у которого подвергаемое высокой нагрузке покрытие, имеющее пластмассовую матрицу с содержанием FeO, обладает высокой адгезией к подложке при одновременном повышении максимальной нагрузки. 27 з.п. ф-лы, 2 табл.
