О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ

О.Н.Доронин, старший преподаватель

М.И.Анисимова, студент

Старооскольский технологический институт

Применение технологии электроискрового легирования (ЭИЛ) позволяет получать многофункциональные покрытия, характеризующиеся высокой адгезией, твердостью, износо- и коррозионной стойкостью. Сущность процесса основана на использовании импульсных искровых разрядов в воздушной среде при контактировании электрода с изделием при достаточно высокой температуре в зоне разряда (5-7*10 ³K). При этом электрод является анодом, а изделие катодом.[1]

Благодаря возможности нанесения на обрабатываемую поверхность любых токопроводящих материалов как чистых металлов, так и сплавов и металлокерамических композиций, участию элементов межэлектродной среды в процессе формирования покрытий, высокой прочности сцепления нанесенного материала с основой, этим методом возможно в широких пределах изменять механические, теплофизические, электрические, и другие свойства рабочих поверхностей. [2]

Керамические материалы, получаемые методами горячего прессования, активированного и реакционного спекания, могут быть использованы как композит (металлическая основа, керамическое покрытие). К ним относятся: окись алюминия (Al2O3), карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si3N4), нитрид алюминия (AlN), карбид бора (B4C) и другие. [3]

При этом, в науке широко известно применение керамических подшипников, являющиеся одним из наиболее перспективных видов керамической продукции. Благодаря высокой твердости и способности керамики выдерживать температуры до 1000 °С, возникающие при трении, они превосходят стальные по сроку службы в 100 раз и работают при этом без смазки.

Так же, могут работать при экстремально высоких и экстремально низких температурах, обладают большей долговечностью, малочувствительны к действию воды и агрессивных сред, меньше подвержены всем видам износа.

Керамические подшипники имеют и некоторые недостатки. Прежде всего, к ним следует отнести сложность конструкции самих подшипников, требующих наличия дополнительных элементов для нормальной работы и высокие требования к точности изготовления деталей из керамических материалов. Кроме того керамические материалы обладают высокой хрупкостью, что обуславливает их чувствительность к ударным нагрузкам, и низкую теплопроводностью, что ухудшает отвод тепла из рабочей зоны.[3]

Существует довольно много подшипниковых узлов, так или иначе использующих керамику в своих конструкциях. Прежде всего они подразделяются по типам на подшипники:

- сухого трения

- гидростатические

- гидродинамические

- аэростатические подшипники.

Условно, эти подшипники можно разделить на три группы по степени применения в них керамических деталей:

- смешанные или гибридные, в которых из керамики выполнены только шары (или другое тело вращения), а оба кольца качения из стали.

- полностью керамические, где и кольца качения и шары сделаны из керамики.

- комбинированные – с деталями из неметалла и керамики.

Кроме того можно выделить подшипники использующие цельные и составные керамические детали. Подшипники также отличаются особенностями монтажа керамических элементов, наличием элементов для компенсации перекосов при работе и монтаже.

Их характеристические особенности являются весьма впечатляющими:

-Рабочая температура может достигать 1000 градусов;

- Способность работать в агрессивных средах, кислотах и щелочах без коррозии;

- Низкий тепловой коэффициент расширения (в 3-5 раз меньше стали). Керамические подшипники прочно заняли свое место в насосах по перекачке горячих жидкостей.

- Высокая рабочая температура позволяет им работать на скоростях до 12000 оборотов в минуту.

- Керамика, это превосходный диэлектрик, полностью керамические подшипники не пропускают электричество.

- Керамика легче стали на 40% и значительно лучше рассеивает тепло.

- Модуль упругости керамики в 1.5 раза выше, чем у типичной стали применяемой для керамических подшипников.[4]

Известны работы Замулаевой Е.И., Левашова Е.А., Еремеева Ж.В. по разработке композиционных электродных материалов (карбид вольфрама-кобальт) для получения дисперсионно-упрочненных наночастицами покрытий, результатами которых подтверждено, что применение наноструктурированных электродов обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств металлических поверхностей деталей, работающих под нагрузкой в экстремальных условиях эксплуатации, повышение сплошности, износостойкости, жаростойкости, микротвердости, модуля Юнга, снижение шероховатости и коэффициента трения поверхности. [5,6]

Также,фирмамиIBCWalzlagerGmbH и ATCArmoloyTechnologyCoatings было разработано покрытие ATCoat (хром-молибден) для подшипников качения, которое способствует производительности и надежности машин, агрегатов и установок.

Оно защищает поверхность от внешних воздействий окружающей среды и, тем самым, позволяет увеличить срок службы подшипников качения, а также машин и агрегатов. Этот существенный технический прогресс связан с эффективным использованием материалов и экономией энергии. В качестве основного материала при покрытии применяются все стали, пригодные для подшипников качения.Метод ATCoat позволяет осуществлять комбинацию вязкого основного материала с имеющим прочное сцепление, очень тонким, точным, сводчатым и лишенным трещин слоем хрома.

Покрытие ATCoat состоит более чем на 98% из чистого хрома, который наносится посредством высокоэнергетического метода, причем благодаря невысокой технологической температуре менее 80° не возникает изменение структуры основного материала, и поэтому детали подшипников с покрытием остаются абсолютно стабильными по своим размерам

Опыт показал, что можно рассчитывать на явное увеличение срока службы. В зависимости от цели применения дорожки качения могут быть обработаны с применением техники HyperSurfFinishTechnik, разработанной фирмой IBC. Особенно с керамическими телами качения из Si3N4 может быть достигнуто существенное увеличение частоты вращения до 40%. Предотвращение появления ржавчины на месте посадки в плавающих подшипниках, которая образуется из-за микросмешений наружных колец подшипника при тепловом расширении или вибрации, во многих случаях приводит к существенно более длительному безаварийному использованию агрегатов. Благодаря особой топографии поверхности существенно улучшаются аварийные антизадирные способности подшипников качения. Так, например, при выходе из строя системы смазки агрегаты определенное время смогут еще продолжать работу с частичной нагрузкой или смогут быть надлежащим образом выведены из рабочего режима. Тем самым, могут быть ограничены или полностью исключены последствия аварии.

Случаи применения разнообразны. Подшипники с покрытием ATCoat успешно применяются в авиационной и космической технике, в пищевом и химическом машиностроении, в изготовлении высокопроизводственных агрегатов, вакуумной технике, в насосах сжиженного газа, насосах с малым количеством смазки, в газовых турбинах, турбокомпрессорах, строительных машинах и вибрационных грохотах, в станках, а также в шариковых резьбовых передачах.

Указанные выше преимущества предоставляются на примере применения подшипников шпинделей в станках. В тесной связи с допустимой частотой вращения подшипников шпинделей находятся и другие параметры, такие как предварительный натяг, трение, рабочая и окружающая температура, смазка, материалы, а также условия монтажа. Эти факторы определяют в значительной мере срок службы и оказывают взаимное влияние.[7]

Литература

1. 
   Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Прядко Л.Ф., Егоров Ф.Ф. Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Изд-во Наука, 1988.
   
2. 
   Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. М.: издательство МИСиС, 1998
   
3. 
   Гусев В.В., Кондрашов А.В.-"Использование керамических материалов в подшипниковых узлах"//Современные металлорежущие системы машиностроения/Материалы Всеукраинской студенческой конференции-Донецк:ДонГТУ, 2000.-100с.;ил.
   
4. 
   http://samroller.org/node/109
   
5. 
   Левашов Е.А., Кудряшов А.Е., ЗамулаеваЕ.И.Композиционные электродные материалы для получения дисперсно-упрочненных наночастицами покрытий, 2008
   
6. 
   Замулаева Е.И. Разработка наноструктурированных покрытий на основе WC-Co., 2009
   
7. 
   http://www.ibc-russia.com/products/03/