Подшипник качения с покрытием (варианты)

 

Изобретение относится к области подшипников качения. Подшипник качения применяется в различных условиях эксплуатации. Подшипник качения содержит внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, которые при качении находятся в контакте с дорожками качения внутреннего кольца и наружного кольца. На тела качения и/или дорожку (2) качения по меньшей мере одного из колец нанесен слой (8) алмазоподобного углерода в смеси с металлом. Технический результат заключается в увеличении срока службы при условии, когда смазка недостаточна или отсутствует. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области подшипников качения. Подшипники качения применяются в различных условиях эксплуатации. Если обеспечивается смазка подшипников качения, то обычно без проблем может быть достигнут их нормальный расчетный срок службы.

Однако при плохих или граничных условиях смазки режим работы подшипников качения является менее благоприятным. В таких случаях образование масляной пленки может оказаться невозможным, что имеет результатом непосредственный контакт металлических поверхностей тел качения и колец и, таким образом, приводит к изнашиванию при заедании, как, например, коррозионно-механическому изнашиванию, и к преждевременному выходу из строя.

Кроме того, у подшипников качения, которые подвергаются воздействию циклов вибрации или колебательных движений под статической нагрузкой без вращения подшипника, часто наблюдается явление, известное как "ложное бринелирование", которое, в свою очередь, может ограничивать срок службы подшипника.

Вследствие этих явлений намного уменьшается срок службы при плохих условиях смазки. Для смягчения этой проблемы были предприняты попытки использовать твердые покрытия на деталях подшипников, например покрытия, содержащие карбид или нитрид (например, TiN, TiC, CrN), а также твердые смазочные материалы, как, например, дисульфид молибдена.

Однако ни одна из этих попыток не привела к значительному улучшению. Хотя нитридные и карбидные покрытия имеют высокие показатели твердости и обеспечивают хорошее сопротивление абразивному износу и высокую твердость, их коэффициенты трения являются высокими. Эти высокие коэффициенты трения в сочетании с большой твердостью приводят к абразивному износу сопряженных поверхностей, т.е. поверхностей кольца или тела качения.

Кроме того, хорошее сцепление покрытий из TiC, TiN и CrN достигается только при сравнительно высоких температурах нанесения покрытий, равных порядка 400°С. Такие покрытия широко используются для режущих инструментов, когда материалом опорной пластины является высоколегированная быстрорежущая сталь, которая сохраняет твердость при температурах 500-540°С вследствие явления вторичного упрочнения. Такие температуры нанесения покрытий имели бы результатом чрезмерные размягчение и размерные изменения низколегированных сталей, которые обычно используют в подшипниках качения.

Согласно US-A-5108813 в подшипниках скольжения можно использовать обычные покрытия из алмазоподобного углерода.

Покрытие из алмазоподобного углерода определяется как слой аморфного гидрогенированного углерода, состоящего из обеих гибридизированных углеродных связей с параметрами 3 и 2. Хотя в подшипниках скольжения сцепление покрытия из алмазоподобного углерода к основе является достаточным, в подшипниках качения такие покрытия отслаиваются в результате намного более высоких контактных напряжений в подшипнике качения.

Следовательно, целью изобретения является создание подшипника качения, который имеет увеличенный срок службы при условиях, когда смазка недостаточна или отсутствует. Эта цель достигается тем, что на тела качения и/или дорожку качения по меньшей мере одного из колец нанесено покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом.

Покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом обладает как низким трением, так и высокой износостойкостью даже при высоких значениях контактных напряжений, встречающихся в подшипниках качения (такие напряжения могут быть вплоть до 3-4 ГПа). Покрытие из алмазоподобного углерода согласно изобретению, смешанное с атомами карбидообразующих металлов, способно выдерживать эти высокие контактные напряжения без расслаивания внутри себя или отслаивания от основы, когда покрытие имеет оптимальную структуру для обеспечения хорошего сцепления.

Таким образом, рассматриваемое покрытие пригодно для применения в подшипниках качения, работающих в сухих условиях или тогда, когда смазка недостаточна или даже отсутствует.

Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом образуют на металлическом промежуточном слое из Cr, W, Мо или Аl, который предварительно наносят на поверхность основы. Должен быть постепенный переход металлического промежуточного слоя в покрытие в смеси с металлом. Кроме того, покрытие из алмазоподобного углерода, нанесенное на металлический промежуточный слой, содержит один или несколько металлических карбидообразующих элементов, как, например, W, Мо или Ti.

Часть покрытия, состоящая из алмазоподобного углерода в смеси с металлом, может иметь чередующиеся параллельные слои преимущественно из алмазоподобного углерода, но содержащие некоторое количество карбида металла, и слои преимущественно из карбида металла, но содержащие некоторое количество алмазоподобного углерода, при толщине каждый порядка 1-50 нанометров.

С другой стороны, карбид металла может быть в виде скоплений, распределенных по всему слою алмазоподобного углерода. Такие слои состоят из матрицы, преимущественно из алмазоподобного углерода с дисперсией из частиц карбида металла. Такие частицы могут иметь агрегированную морфологию с областями (скоплениями) из карбида металла размером вплоть до 100 нм. Скопления могут состоять из карбидов одного или нескольких металлов.

Толщина покрытия из алмазоподобного углерода в смеси с металлом может быть вплоть до 10 мкм. Многослойная структура покрытия обусловливает уменьшенные остаточные напряжения в покрытии и, следовательно, усиливает сцепление по сравнению с обычными однослойными покрытиями из алмазоподобного углерода с металлическим промежуточным слоем или без него.

Другой важной особенностью покрытия является возможность уменьшения содержания металлического карбидообразующего элемента в направлении к поверхности во время процесса нанесения покрытия, благодаря чему усиливается алмазоподобный характер наружных слоев покрытия. Это, к тому же, приводит к сильному сцеплению с основой, но одновременно позволяет также значительно увеличить твердость поверхности, так как теперь наружный слой покрытия ближе к чистому алмазоподобному углероду. Таким образом, низкое трение и увеличенная твердость способствуют повышенной износостойкости при сохранении сильного сцепления, необходимого при применении покрытия в подшипниках качения.

Кроме того, возможно постепенное увеличение содержания графита по направлению к поверхности покрытия. Это способствует дальнейшему снижению коэффициента трения. Конечно, может быть достигнуто как уменьшение металлического карбидообразующего элемента, так и увеличение содержания графита по направлению к поверхности покрытия.

Покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом может также содержать металлические Ni или, возможно, Fe как средство уменьшения стоимости материала, являющегося источником карбидообразующего элемента.

Кроме того, покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом может быть нанесено при температуре <240°С с высокими показателями сцепления, необходимыми для подшипников качения. В этом отношении нетермостойкие низколегированные подшипниковые стали в закаленном и отпущенном состоянии могут быть покрыты таким образом, что не будут происходить микроструктурные или фазовые изменения в материале основы, в результате чего не будут возникать никакие устойчивые необратимые изменения в размерах покрытых деталей подшипников. Это дает возможность производить сборку колец и/или тел качения со стандартными деталями и избежать необходимости в подгонке для получения желаемых точности подшипника и внутреннего зазора.

Кроме того, низкая температура нанесения покрытия обеспечивает, что не ослабляются твердость основы и усталостные свойства нетермостойких низколегированных сталей и что все еще сохраняются стандартные статические и динамические номинальные характеристики подшипника. Однако покрытие может быть также нанесено на высоколегированные стали, как, например, мартенситные нержавеющие стали и быстрорежущие стали.

В дальнейшем изобретение будет описано со ссылкой на примеры, показанные на чертежах, на которых:

фиг.1 показывает первый вариант воплощения изобретения,

фиг.2 показывает второй вариант воплощения изобретения.

На фиг.1 показано поперечное сечение наружных слоев тела качения или дорожки качения кольца подшипника качения. Показанная полная наружная часть в целом обозначена позицией 1 и нанесена на основу 2, т.е. на подшипниковую сталь.

Указанная полная наружная часть 1 содержит промежуточный металлический слой 3, который нанесен непосредственно на основу 2, переходную зону 4, которая следует за промежуточным металлическим слоем 3, и покрытие 8 из алмазоподобного углерода в смеси с металлом. Переходная зона 4 содержит область с чередующимися слоями карбида металла 5 и слоями металла 6, в которой достигается переход между многими слоями. Далее расположена область плавного перехода 7 в многослойную структуру 8. Переходная область 7 обеспечивает плавный переход от карбида металла к смеси карбида металла и алмазоподобного углерода. Указанная многослойная структура 8 содержит чередующиеся слои карбида металла 9 и слои алмазоподобного углерода 10.

На фиг.2 показано поперечное сечение другого варианта воплощения изобретения, также относящееся к наружным слоям как тела качения, так и дорожки качения кольца подшипника качения.

Полное покрытие 11 содержит матрицу 12 преимущественно из алмазоподобного углерода с дисперсией из частиц карбида металла 13. Такие частицы или скопления 13 карбида металла могут иметь максимальный размер в 100 нм.

Основа 2, промежуточный слой 3 и переходная зона 2 аналогичны соответствующим основе, промежуточному слою и переходной зоне в варианте на фиг.1.

Формула изобретения

1. Подшипник качения, содержащий внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, которые при качении находятся в контакте с дорожками качения внутреннего кольца и наружного кольца, отличающийся тем, что тела качения и/или дорожка качения по меньшей мере одного из колец имеют покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом, содержащее чередующиеся слои преимущественно из алмазоподобного углерода, но содержащие некоторое количество карбида металла, и слои преимущественно из карбида металла, но содержащие некоторое количество алмазоподобного углерода.

2. Подшипник качения по п.1, отличающийся тем, что толщина покрытия из алмазоподобного углерода в смеси с металлом составляет вплоть до 10 мкм.

3. Подшипник качения по п.1 или 2, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом выполнено на металлическом промежуточном слое.

4. Подшипник качения по п.3, отличающийся тем, что металлический промежуточный слой выполнен из Cr, W, Мо или Аl.

5. Подшипник качения по п.3 или 4, отличающийся тем, что между покрытием из алмазоподобного углерода в смеси с металлом и промежуточным металлическим слоем расположена переходная зона.

6. Подшипник по любому из пп.3 и 4, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом нанесено при температуре менее 240°C.

7. Подшипник качения по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом содержит Ni.

8. Подшипник качения, содержащий внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, которые при качении находятся в контакте с дорожками качения внутреннего кольца и наружного кольца, отличающийся тем, что тела качения и/или дорожка качения по меньшей мере одного из колец имеют покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом, в котором металл присутствует в виде скоплений, распределенных по всей матрице из алмазоподобного углерода.

9. Подшипник качения по п.8, отличающийся тем, что толщина покрытия из алмазоподобного углерода в смеси с металлом составляет вплоть до 10 мкм.

10. Подшипник качения по п.8 или 9, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом выполнено на металлическом промежуточном слое.

11. Подшипник качения по п.10, отличающийся тем, что металлический промежуточный слой выполнен из Cr, W, Мо или Аl.

12. Подшипник качения по п.10 или 11, отличающийся тем, что между покрытием из алмазоподобного углерода в смеси с металлом и промежуточным металлическим слоем расположена переходная зона.

13. Подшипник по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом нанесено при температуре менее 240°С.

14. Подшипник качения по любому из пп.8-13, отличающийся тем, что покрытие из алмазоподобного углерода в смеси с металлом содержит Ni.

15. Подшипник качения по пп.7-12, отличающийся тем, что максимальный размер скоплений составляет 100 нм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2