Металлокерамические композиционные материалы для подшипников скольжения (обзор)

Введение

Известно, что эволюция подшипников определяется совершенствованием их материалов и смазочных масел, используемых в них для снижения трения.

В отличие от подшипников, работающих в условиях принудительной подачи смазки, подшипники сухого трения не требуют сложной системы подачи смазки и герметизации узлов трения, что в результате способствует снижению массы конструкции машины, повышает ее надежность и упрощает обслуживание. Используемые в настоящее время полимерные и металлополимерные материалы из-за недостаточной несущей способности не позволяют выдержать межремонтный интервал, предусмотренный регламентом технического обслуживания, что приводит к дополнительным финансовым затратам. Одним из эффективных путей решения данной проблемы является применение металлокерамических композиционных материалов для подшипника скольжения.

В данной работе представлен обзор износостойких металлокерамических композиционных материалов для подшипников скольжения сухого трения, в том числе тяжелонагруженных.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Металлокерамические композиционные материалы для подшипников

Одним из ответственных элементов узлов трения большинства транспортных машин и механизмов являются подшипники. Выбор материала для подшипника определяется его размерами и условиями эксплуатации [1].

По данным, представленным в патенте [2], в настоящее время наиболее перспективными в области подшипникового производства считаются подшипники на керамической основе, которые можно эксплуатировать при высокой температуре в устройствах, подверженных коррозионному и абразивному воздействию, а также при одновременном воздействии магнитных и электрических полей [3]. В рамках совместного проекта RolaMot разработкой подшипников из керамики занимаются специалисты компаний FEV, FCT и Cerobear. Что касается производства, то подшипники скольжения на керамической основе изготавливают методами порошковой металлургии, являющейся перспективной технологией для массового производства, преимущества которой заключаются в значительной экономии энергии и материалов, высокой производительности, точности и стабильности. Тем не менее, говоря об изготовлении керамических подшипников скольжения, следует отметить их высокую стоимость. К другим серьезным недостаткам относят также их хрупкость [3, 4]. Использование пластичной металлической матрицы позволяет решить проблему хрупкости, а подшипник, совмещающий керамическую составляющую и пластичную металлическую матрицу, рассматривается как металлокерамический. В развитии современного материаловедения для тяжелонагруженных узлов трения одним из основных направлений является разработка новых металлокерамических материалов (МКМ).

Подшипники скольжения из таких материалов применяют в триботехнических узлах, где необходимы высокая износостойкость и низкий коэффициент трения (до 0,02). В работе [5] МКМ для подшипников условно разделены на две группы:

‒ пористые материалы на металлической основе и графита: железографит, бронзографит, алюмографит. Материалы этой группы содержат в некоторых случаях твердые смазки (нитрид бора – BN) и сульфиды (WS₂, MoS₂, CuS₂, FeS, CoS, TiS₂, SnS), содержание которых может меняться от 1,5 до 10 % (по массе). Доля основного металла при этом составляет 88–99 % (по массе), графита 0,3–4 % (по массе) [4, 5];

‒ сплавы на основе железа, меди и других металлов с полимерной пропиткой, обычно политетрафторэтиленом (ПТФЭ), содержание которого составляет от 1,5 до 10 % (по массе) [5].

Материалы второй группы получают методом взрывного прессования [6, 7]. В качестве полимерной фазы может применяться не только ПТФЭ, но и сверхвысокомолекулярный политетрафторэтилен (СВМПЭ), нейлон, капрон и др. Данные полимеры выполняют при трении роль твердой смазки [8]. Коэффициент трения СВМПЭ (по стали) составляет ~0,1 [9].

Однако, несмотря на информацию, представленную в работе [5], материалы второй группы с полимерным наполнением в качестве твердой смазки следует определять как металлополимерные подшипниковые материалы. Отдельно необходимо рассматривать проблемы эксплуатационной стойкости и стойкости к климатическим воздействиям таких подшипниковых материалов [10].

В условиях высоких нагрузок, температур и сухого трения на сопряженных поверхностях пары трения могут возникать задиры и схватывание. Разработка металлополимерных подшипников позволяет увеличить запас твердой смазки.

В статье [11] утверждается, что разработка бронзофторопластового материала марки БФГ-50М для узлов трения авиационной техники позволила увеличить пористость бронзового слоя (до 50 %) и запас твердой смазки, следовательно, износостойкость и антифрикционность материала. Тем не менее, авторы пишут, что металлофторопластовый материал не обеспечивает полностью ресурс узлов трения.

Развитие современной науки и техники требует разработки материала, работоспособного в условиях высоких температур, устойчивого к износу и с высокой смазывающей способностью. Поскольку при трении происходит вытеснение смазки с поверхности подшипника, возникает острая необходимость в разработке высокотемпературной смазки для обеспечения способности самосмазывания в условиях повышенного износа при высокой температуре или в агрессивной среде. Большинство таких разработок в основном принадлежит китайским исследователям. В компании Anhui Silver-Ball Bearing Co Ltd (Китай) получены высокопрочные самосмазывающиеся подшипниковые МКМ [12–18], в которых в качестве смазки использовался наноразмерный углерод.

В самосмазывающемся материале на металлической или керамической основе уровень трибологических свойств зависит от осаждения и дисперсного распределения твердой смазки в матричном материале. Важно, чтобы при температуре спекания твердая смазка не потеряла смазывающих свойств, поскольку неравномерность ее распределения или разрушение могут значительно снизить триботехнические характеристики матричного материала. В работе [12] реализован способ решения проблемы высокотемпературного самосмазывания и износа путем оптимального соотношения диаметра частиц исходного порошка и их формы или порообразующего компонента, что позволяет осуществлять регулирование пористости частиц, их размера и распределение.

Разработчиками компании Anhui Silver-Ball Bearing Co Ltd описан способ изготовления высокопрочного самосмазывающегося подшипника из МКМ системы TiC/Fe–Cr–W–Mo–V [12–17], в котором содержание смазки составляет 0,7–0,9 % (по массе), графита 1,0–1,1 % (по массе), а доля основного металла (железа) составляет 65,0–66,0 % (по массе). Кроме того, состав материала содержит значительное количество порообразующего компонента.

Порошковую шихту, восстановленную в атмосфере водорода при температуре 500–520 °С, компактируют в вакууме холодным прессованием при давлении 600–620 МПа с последующим вакуумным жидкофазным спеканием при температуре 1230–1235 °С и охлаждением с печью до комнатной температуры.

Проблему повышения прочности сцепления керамической и металлической фаз подшипника решают путем модификации покрытия карбидом титана – поверхность частиц керамической фазы покрывали железом и никелем (использовали цитрат железа и основной карбонат никеля). Применение наноуглерода, альгината железа и фероценацетиленового кетона значительно повышает прочность и ударную вязкость материала, улучшает смазочные характеристики и компактируемость в процессе прессования, обеспечивает связуемость пор спеченных материалов. Кроме того, улучшается показатель пористости, а износостойкость подшипника становится чрезвычайно высокой.

В патенте [18] представлен самосмазывающийся металлокерамический подшипник с высокими показателями твердости, прочности, трещиностойкости и устойчивости к изгибу. Подшипник изготавливают из сырья, аналогичного описанному ранее, c помощью таких соединений, как Mo₂C, WC, LaB₆, GeO₂, и волокон бора нанометрового размера, которые улучшают термическое сопротивление и сопротивление изгибу материала подшипника.

Уменьшения размера зерна и увеличения сцепления между металлической матрицей и керамической составляющей достигают с помощью трихлорида галлия и селенида кадмия. Наноразмерные порошки триоксида вольфрама и оксида циркония повышают износостойкость и жаропрочность подшипника в условиях высоких температур [16].

Улучшения смазывающих свойств и износостойкости подшипника достигают благодаря использованию оптического изомера аминокислоты – L-аргинина, триоксида молибдена и нитрата серебра [17]. Применение смешанного оксида лантана и алюминия обеспечивает мелкозернистую структуру материала и повышает жаропрочность подшипника.

В изобретении [18] улучшение смазывающих свойств и ударной вязкости материала подшипника обеспечивают за счет добавления оксида ниобия (V), борида димолибдата, нитевидных кристаллов бората алюминия и порошка вольфрамовой бронзы, легированной танталом.

Способ изготовления износостойкого спеченного сплава с твердой фазой (см. рисунок) описан в работе [19]. Износостойкий спеченный материал содержит от 5 до 40 % (по массе) твердой фазы на основе кобальта (осажденного совместно с силицидом молибдена), диспергированной в матрице сплава железа и состоящей из фаз бейнита, мартенсита и аустенита.

Структура износостойкого спеченного сплава с твердой фазой Fe–Co

Изобретение относится к износостойкому спеченному сплаву, используемому в материалах седел клапанов для автомобильных двигателей большой мощности.

Износостойкий спеченный элемент, содержащий матрицу из сплава на основе железа и твердую фазу, диспергированную в матрице из сплава на основе железа, описан в работе [20]. Частицы сульфида марганца размером 10 мкм и менее равномерно диспергированы в кристаллических зернах матричного сплава на основе железа.

В работе [21] описан износостойкий спеченный материал, в котором карбиды M₆C со средним диаметром частиц 5 мкм и более осаждены в количестве от 20 до 50 % (объемн.) в исходной мартенситной фазе на основе железа, имеющей твердость HRC 50. Более высокой твердости можно достигнуть при отпуске до температуры 600 °С. Износостойкий материал наносят на материал-основу для использования в триботехнических узлах строительных машин и т. п. Применение материала с повышенной стойкостью к заеданию увеличивает срок эксплуатации за счет предотвращения износа, особенно в условиях дефицита смазки при высоких скоростях скольжения.

В патенте [22] японскими разработчиками описан способ изготовления материала для подшипника, который демонстрирует превосходную способность самосмазывания. Материал изготавливают путем смешивания твердой смазки (графит, MoS₂, WS₂, стекло, Pb, BN) с порошком на основе железа или меди, затем формируют заготовку и путем последующего взрывного прессования получают материал с высокой плотностью.

Проблему однородного распределения твердых частиц в материале седла клапана двигателя внутреннего сгорания, которое обеспечивает равномерное сопротивление износу по всему объему, решают разработчики в компании Honda Motor Co Ltd [23]. Описан дисперсно-упрочненный медный сплав следующего состава, % (по массе): (6–15)Co, (3–8)Cr (или Mo), (0,3–1)W, (0,5–1,8)Fe, (8–15)Ni, (0,08–0,2)C, (1,5–4)Si, (0,5–0,8)Al, (0,1–0,3)P; остальное – медь и необходимые примеси. Порошковый материал получен лазерным спеканием. Средний размер частиц составляет от 8 до 20 мкм, распределение частиц по размеру – в диапазоне от 0,1 до 100 мкм.

Частицы твердой фазы занимают площадь от 10 до 40 % в произвольном поперечном сечении, т. е. они, по существу, равномерно распределены в медной матрице. По этой причине значения твердости одинаковые по всему объему материала. Частицы с высокой твердостью обладают превосходной износостойкостью. Кроме того, поскольку средний размер частиц и их распределение по размеру находятся в пределах заданных диапазонов, также удается избежать увеличения шероховатости поверхности.

В работе [24] представлен материал для подшипника, содержащий гранулированный графит и металлическую матрицу. Порошковую смесь предварительно прессуют, а затем производят ее спекание. В спеченном подшипнике реализуется соотношение площади гранул свободного графита в произвольном поперечном сечении подшипника 25 к ~80 %.

В настоящее время выпускается большое количество «твердых сплавов», представляющих собой металлические композиционные материалы с высоким содержанием твердой фазы на металлической связке [25, 26], которые нашли широкое применение в металлообрабатывающей промышленности для изготовления расходных инструментов. Благодаря высоким показателям износостойкости, твердости и прочности при ударе такие материалы применяют для производства подшипников скольжения, работающих в неблагоприятных условиях. Например, из них изготавливают подшипники скольжения для работы в скважинном оборудовании в условиях высокого абразивного износа и повышенных радиальных и осевых нагрузок [27].

В охранном документе компании Shandong University of Technology [28] описан композиционный материал на основе кобальта. Изобретение относится к области высокотемпературных износостойких сплавов. Состав матричного сплава следующий, % (по массе): ~(30–34)Cr, ~(9–28)W, (3–8)Ni, (3–6)V, ~(1,5–2,5)C; остальное – кобальт, а основной упрочняющей фазой материала является карбид типа M₆C и M₂₃C₆. Композиционный материал изготавливают порошковой металлургией. Сплав обладает высокой жаростойкостью, стойкостью к коррозии и хорошими антиабразивными характеристиками. Введение карбида вольфрама (WC) в матричный сплав на основе кобальта (за счет высокотемпературного фазового превращения WC) приводит к образованию армирующей фазы карбида M₆C, которая существенно повышает твердость и износостойкость сплавов на основе кобальта.

В патенте компании Suzhou Xinrui Alloy Tool Co Ltd [29] описан способ получения твердого сплава системы WC-Co (кобальт) по следующей схеме:

– спекание при температуре ~(1360–1400) °C заготовки из твердого сплава, прессованной из шихты после размола в шаровой мельнице;

– охлаждение спеченной заготовки до температуры ~(600–900) °C в течение ~(1–2) ч, а затем до температуры ~(400–500) °C в течение ~(1–2) ч с последующим охлаждением до комнатной температуры;

– глубокое охлаждение в жидком азоте, температура обработки составляет
~(–180÷–190) °C;

– отпуск заготовки при температуре ~(350–400) °C для окончательного формирования структуры твердого сплава.

Представленный способ изготовления твердого сплава способствует улучшению коэффициента трения, а также повышает ударопрочность сплава. Кроме того, допустима частичная замена кобальта на никель, что позволяет реализовать характеристики, соответствующие твердым сплавам системы WC–Co–Ni.

Изобретение компании Central South University представлено в работе [30]. Описан способ изготовления твердого сплава системы WC–Fe–Ni методом порошковой металлургии путем измельчения и смешивания 75–92 % (по массе) твердой фазы карбида вольфрама (содержание углерода составляет 6,01–6,11 % (по массе)), 5–14 % (по массе) порошка железа и 3–11 % (по массе) порошка никеля с последующей штамповкой и спеканием заготовки при давлении 4,5–6,0 МПа. Мартенситного фазового превращения достигают путем криогенной обработки материала кольца системы WC–Fe–Ni, при этом выпадает вольфрам, дисперсно распределенный в связующей фазе, что приводит к упрочнению и повышению твердости на 19,5 %, а также к снижению коэффициента трения на 22,4 % и улучшению износостойкости на 55,5 %. Характеристики разработанного материала выше, чем у подшипника качения, изготовленного из твердого сплава марки YGR55 системы WC–25(Co–Ni–Cr). Таким образом, срок службы элемента подшипника увеличивается на 5 % по сравнению с кольцом из твердого сплава YGR55, а стоимость производства снижается более чем на 15 %.

Изобретение компании Luoyang Mingli Science and Technology Development Co Ltd представлено в работе [31]. Описан способ изготовления материала подшипника из твердого сплава системы WC–Fe–Ni–Co (имеющего низкую стоимость, но обладающего высокими эксплуатационными характеристиками) следующего состава, % (по массе): 25WC, 8Fe, 8Ni, 9Co. Пористость полученного образца составляет 0,03 %, а твердость, прочность при изгибе и вязкость разрушения – соответственно 948 МПа, 2809 МПа и 21,7 МПа

В работе [32] представлен твердый сплав с повышенной ударной вязкостью. Твердой фазой сплава является карбид WC, связующей фазой – кобальт с интерметаллидным соединением Ni₃Al (γʹ-фаза), объемная доля которой составляет 10–40 %. Способ приготовления твердого сплава включает следующие последовательные этапы: равномерное смешивание 2,07–16,05 % (по массе) порошковой смеси никеля и алюминия (в соответствии со стехиометрическим соотношением Ni₂₅Al) с порошком WC; спекание в графитовой пресс-форме в температурном диапазоне 1100–1200 °С в инертной атмосфере; измельчение и просеивание порошковой смеси (WC и Ni₃Al) для отделения фракции с размером частиц <120 мкм; восстановление порошка в атмосфере водорода при температуре 400±50 °С в течение 6–12 ч; измельчение в жидкости 83,26–97,62 % (по массе) смешанного порошка, полученного после восстановления, затем добавление остатка порошка кобальта и проведение измельчения в течение 18–36 ч; сушка и формование под давлением измельченного смешанного материала; жидкофазное спекание прессованной заготовки при температуре 1350–1550 °С с получением твердого сплава системы WC–Co–Ni₃Al. За счет равномерного распределения Ni₃Al в связующей фазе, сплав обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии.

Перспективными для триботехнического применения в тяжелонагруженных узлах трения, работающих в условиях высоких температур с ограниченной подачей смазки, являются МКМ на основе никелевых сплавов с высоким наполнением [33]. В качестве керамического наполнителя применяют бориды, карбиды, карбонитриды, нитриды, оксиды, силициды, интерметаллиды и более сложные соединения, а также их комбинации. Дополнительно в состав могут входить твердые смазки (C, MoS₂, BN и др.) и легкоплавкие металлы (свинец, серебро и др.), выполняющие роль гидродинамических смазок в тонких слоях. В парах трения скольжения, выполненных из высоконаполненных МКМ, удается получить низкие значения коэффициента трения и малую величину износа [34]. Высоконаполненные МКМ триботехнического назначения по своим свойствам не уступают керамическим и имеют перед ними ряд преимуществ. Металлическая связка МКМ обеспечивает их устойчивость к вибрации и ударам.

В работе [35] описаны металлокерамические подшипники скольжения, применяемые в небольших электродвигателях с диаметром вала до 12 мм. Структура материала подшипников пористая, при этом металлокерамика пропитана жидкой смазкой. Преимуществами таких материалов являются точность и легкость монтажа, большой срок службы. Кроме того, они не требуют обслуживания при эксплуатации. В автомобильной промышленности предпочтительнее применение подшипников из металлокерамики на основе стали, чем на основе бронзы. Невысокая стоимость железокерамических подшипников в сочетании с высокой стойкостью к коррозии обеспечивает меньшее окисление смазки. Достоинствами подшипников из металлокерамики на основе бронзы являются большая несущая способность, меньший уровень шума и оптимальный коэффициент трения (см. таблицу).

Классификация металлокерамических материалов [34]

Заключения

В работе рассмотрены составы, свойства, способы изготовления и применение МКМ для подшипников скольжения транспортных машин и другой техники. В качестве матричного материала металлокерамических подшипников в основном используют железо, медь, кобальт и никель или сплавы на их основе. Керамический наполнитель выбирают в зависимости от: требующих улучшения прочностных характеристик, повышения износостойкости и несущей способности. Улучшение смазывающих характеристик обеспечивают введением в состав МКМ твердых смазок: графита, нитрида бора или сульфидов (WS₂, MoS₂, CuS₂, FeS, CoS, TiS₂, SnS), а также полимеров.

Изучены основные направления разрабатываемых износостойких антифрикционных МКМ, способных работать при высоких скоростях, со значительными нагрузками и имеющих низкий коэффициент трения. В научно-технической литературе последних десятилетий преобладают изобретения китайских разработчиков, направленные на решение ряда проблемных вопросов, касающихся повышения однородного распределения пор, улучшения прочности и ударной вязкости за счет добавления керамических частиц (Mo₂C, WC, LaB₆, GeO₂ и волокон бора) и смазывающих характеристик путем введения твердых смазок (нитрида бора, карбида вольфрама или сульфидов (WS₂, MoS₂, CuS₂ и др.)).

Японские компании решают проблему однородного распределения твердых частиц в МКМ для триботехнических узлов двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивает равномерное сопротивление износу материала по всему объему.

В настоящее время выпускается большое количество «твердых сплавов», которые находят широкое применение не только в металлообрабатывающей промышленности для изготовления расходных инструментов. Благодаря высоким показателям износостойкости, твердости и ударной прочности, такие материалы используются для изготовления подшипников скольжения в скважинном оборудовании, работающих в условиях высокого абразивного износа и повышенных радиальных и осевых нагрузок.

Перспективными для триботехнического применения в тяжелонагруженных узлах трения, работающих в условиях высоких температур с ограниченной подачей смазки, являются МКМ на основе никелевых сплавов с высоким наполнением керамическими частицами.

Металлокерамические подшипники изготавливают в основном, применяя технологии порошковой металлургии с последующей консолидацией прессованием (холодное прессование с последующим спеканием, а также горячее, плазменное или взрывное прессование).