Спосіб виготовлення біметалічного підшипника ковзання

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к изготовлению подшипников скольжения, предназначенных для эксплуатации в высоконагруженных узлах трения, в условиях ограниченной смазки, воздействия высокой температуры, абразивной и агрессивной среды, и может быть использовано в различных отраслях хозяйства. Известен способ износостойкой наплавки, включающий установку на наплавляемую деталь с зазором формы, заполнение ее порошкообразным износостойким материалом и дисперсионно твердеющим сплавом, при котором перед герметизацией зазора производят предварительный нагрев наплавляемой поверхности и порошкообразного материала до 650-750°С [1]. Известный способ не обеспечивает устойчивость стр уктуры дисперсионно твердеющего сплава, которая в результате продолжительного взаимодействия жидкой и твердых фаз насыщается железом, снижающим его качество. Известен способ изготовления массивных биметаллических изделий наплавкой, включающий установку стальной заготовки в виде контейнера, размещение в ней наплавляемой бронзы, предварительный нагрев и герметизацию, которую производят в интервале от температуры солидуса наплавляемой бронзы до температуры смачивания этой бронзой стальной заготовки изделия [2]. Известный способ не обеспечивает прочного соединения наплавляемой бронзы со стальной заготовкой, так как герметизация формы от температуры солидуса бронзы не исключает поступление воздуха, в форму и окисление наплавляемой поверхности. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления биметаллических отливок сталь-бронза, включающий нагрев стальной заготовки в среде флюса, заливку расплавленной бронзы с температурой 1200-1240°С и последующую выдержку наплавленной заготовки в среде флюса [3]. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата является отсутствие надежного метода защиты наплавляемой поверхности и бронзы от действия окружающей среды и сложность самого процесса. Выдержка стальной заготовки в среде флюса в течение 30-45 сек не обеспечивает диффузионного соединения разнородных сплавов по всей поверхности их контакта из-за попадания в зону контакта воздуха вместе с расплавленной, бронзой при ее заливке в заготовку. Следовательно, не обеспечивается максимально возможная прочность соединения разнородных сплавов. Нагрев бронзы до температуры 1200-1240°С, перед ее заливкой, т. е. на 200-240°С выше температуры ее плавления, приводит к излишнему угару и испарению отдельных легкоиспаряющихся компонентов, входящи х в состав бронзы, таких как цинк, олово, свинец и другие, а следовательно, к снижению качества бронзы, или к повышенному расходу эти х компонентов. В основу изобретения поставлена задача разработать способ изготовления биметаллического подшипника скольжения, в котором за счет простого устройства исключается контакт наплавляемой поверхности и наплавляемых материалов с атмосферой окружающей среды, а также за счет улучшения смачиваемости графита кристаллического матричным сплавом, а в качестве наполнителя-материала, обладающего низким коэффициентом трения и высотой твердостью сохранения химсостава материала матричного сплава в процессе наплавки обеспечивается, соответственно, повышение качества соединения наплавляемого материала с основой подшипника и улучшение антифрикционных и износостойких свойств наплавленного слоя, что позволяет повысить срок службы биметаллических подшипников скольжения, эксплуатирующи хся в высоконагруженных узлах трения, в условиях ограниченной смазки и воздействия агрессивной среды, и упростить технологию их изготовления. Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления биметаллического подшипника скольжения, включающем подготовку стальной основы подшипника, нагрев, наплавку ее антифрикционным материалом с использованием флюса, выдержку и охлаждение, согласно изобретению, наплавку осуществляют в герметичной форме, внешнюю сторону которой образует стальная основа подшипника, антифрикционный материал используют в виде смеси тонкодисперсного порошка матричного сплава, стальной графитизированной дроби и графита кристаллического, нагрев этой смеси, выдержку и охлаждение ведут в герметичной форме, при этом нагрев герметичной формы, вместе с наплавляемым материалом ведут до температуры на 100...150°С выше температуры плавления матричного сплава, а выдержку осуществляют в пределах 0,5...2 мин на каждые 10 мм длины герметичной формы. При нагреве до температуры плавления матричного сплава в полости формы за счет углерода, входящего в состав стали формы, наполнителя и графита кристаллического возникают реакции, которые раскисляют имеющиеся на поверхности формы и наполнителя окислы железа, что обеспечивает прочное диффузионное соединение наплавляемого материала с основой подшипника. На основании изложенного можно сделать вывод, что указанная совокупность существенных признаков, в сравнении с прототипом, обеспечивает прочность соединения наплавляемого материала с основой подшипника и высокие антифрикционные и износостойкие свойства. Ввод в состав антифрикционного слоя биметаллического подшипника скольжения твердой смазки в виде графита кристаллического, имеющего значительно меньший удельный вес, чем у матрицы и у наполнителя и не смачивающийся сплавами на основе меди обеспечивается тем, что графит кристаллический вначале смешивают с тонкодисперсным порошком (пудрой) матричного сплава. При этом кристаллы графита покрывают тонкой пленкой, например бронзы, которая обеспечивает его смачиваемость и, следовательно, пропитку наполнителя матричным сплавом по всему объему, а также улучшение прочности соединения матричного сплава с наполнителем и с графитом, в результате чего повышаются антифрикционные и износостойкие свойства наплавленного слоя. Затем смешивают с наполнителем, размеры зерен которого соизмеримы с размерами кристаллов графита, т.е. O100 - 500 мкм. Для предупреждения окисления тонкодисперсного порошка матричного / сплава на дно полости формы закладывают флюсы, например, фтористый аммоний NH 4F и фторборат аммония NH4BF4, которые при нагревании формы испаряются и вступают в реакцию с окислами меди, восстанавливая из них чистую медь. Улучшение антифрикционных и износостойких свойств наплавленного слоя биметаллического подшипника достигается также засчет применения в качестве наполнителя стальной графитизированной дроби, например, из стали ЭИ 293. обладающей низким коэффициентом трения. После проведения термической обработки подшипника твердость дроби достигает HRC ³ 60. Сохранение химсостава материала матричного сплава достигается за счет режимов нагрева и выдержки наплавляемых материалов, при которых обеспечивается незначительное испарение химических элементов, входящи х в состав матричного сплава, и незначительное насыщение его железом, входящим в состав стали формы и наполнителя. Результаты проведенных испытаний способа приведены а таблице. Упрощение технологии изготовления биметаллического подшипника скольжения обеспечивается тем, что: 1. вместо дорогостоящих и труднообрабатываемых зерновых твердых сплавов таких, как релит (карбид вольфрама), быстрорежущая сталь Р6М5 и других в качестве наполнителя используется дешевая и хорошо обрабатываемая стальная графитизированная дробь, которой, при необходимости, с помощью термической обработки биметаллического подшипника придается требуемая твердость вплоть до HRC=70, что обеспечивает высокий срок службы подшипника при работе в условиях отсутствия смазки и воздействия агрессивной среды; 2. улучшение смачиваемости графита кристаллического производится с помощью простого смешивания его с тонкодисперсным порошком матричного сплава, например, бронзовой пудрой вместо применения специальной установки для нанесения покрытия в электростатическом поле; 3. для изготовления формы используются в основном стандартные стальные трубы, что значительно снижает трудовые и материальные затраты при изготовлении формы из стального листа путем гибки, сварки и механической обработки. Способ изготовления биметаллического подшипника скольжения поясняется чертежом: на фиг. 1 изображено устройство формы с шариковым клапаном; на фиг. 2 - подшипник-втулка; на фиг. 3 - подшипниквкладыш; на фиг. 4 - заготовка биметаллического подшипника-вкладыша. Форма сострит из наружной трубы 1, внутренней трубы 2, полости 3, крышки 4, отверстия O 2 - 3 мм , / шарикового клапана 6, шайбы 7, заглушки 8 внутренней трубы 2. Сварной шов 9 соединяет наружную и внутреннюю трубу. Шариковый клапан 6 обеспечивает автоматическую герметизацию и разгерметизацию полости формы. При нагреве матричного сплава в полости 3 формы за счет происходящих реакций образуются газы, в результате чего расширяется имеющийся там воздух, под давлением которого клапан 6 приподнимается и открывает отверстие 5 в крышке 4. Благодаря этому газы выходят из полости формы и давление в последней снижается. При уменьшении давления до окружающего форму, клапан 6 прижимается к отверстию 5 и закрывает проход для поступления воздуха в полость 3 формы, что исключает возможность окисления полости 3 и находящегося в ней наполнителя. Осуществление способа изготовления биметаллического подшипника скольжения приведено в примерах 1, 2. Пример 1. Для изготовления биметаллического подшипника-втулки, изображенной на фиг. 2 и состоящей из стальной основы и антифрикционного слоя, изготовили форму, изображенную на фиг. 1. Для этого собрали форму из наружной трубы 1 O57 ´ 3,5 мм и внутренней трубы 2 O38 ´ 3,5 мм . Длину трубы / / взяли из расчета 10-тикратной длины втулки плюс припуски на разрезку и подрезку торцев 700 мм. Наружную трубу взяли на 200 мм длиннее для размещения в ней матричного сплава. Зазор между трубами заварили с одного торца вакуумплотным швом 9, затем на дно полости 3 положили флюсы 10 5 см 3 фтористого аммония NH4F и 5 см 3 фторбората аммония NH4BF4. Взяли графит кристаллический в количестве 20% объема полости, т.е. 100 см 3, смешали его с тонкодисперсным порошком Бр.ОЦС-5-5-5, взятым в количестве 50 см 3 и со стальной графитизированной дробью O0,5 мм , взятой в количестве 70% от объема полости, т.е. 350 см 3. / Полученную смесь 11 засыпали в полость 3. Верхний зазор полости заварили обычным швом 12 с оставлением в нем незаваренных щелей для прохода бронзы. В верхнюю часть полости поместили литник 13 бронзы ОЦС 5-5:2 весом 2500 г. После чего форму закрыли крышкой 4 с шариковым клапаном 6 диаметром 5 мм и заварили вакуум-плотным швом 14. Подготовленные заготовки в количестве 100 штук поместили в нагревательную печь в строго вертикальном положении; нагрели до температуры 1150°С со скоростью 100°С/час, выдерживали при 700 ´ 1 этой температуре из расчета 1 мин на 10 мм длины формы: Т в = = 70 мин . При этом жидкая бронза 10 перетекала из верхней части формы в нижнюю, смачивала поверхность полости, шарики дроби и обволакивала кристаллы графита. После охлаждения печи до 600°С с последующим охлаждением на воздухе, заготовки подвергли механической обработке. С одной садки получили 1000 штук подшипников-втулок скольжения. Соединение матричного сплава со стальной основой и с шариками дроби наполнителя было хорошее. Втулки подвергли закалке до твердости дроби наполнителя HRC ³ 60, запрессовали в ролики цепей разливочных машин доменного цеха и установили для эксплуатации. Срок службы их повысился по сравнению с роликами из стали 110Г13Л в 2 раза. Пример 2. Для изготовления биметаллического подшипника-вкладыша ролика рольганга перед нагревательными печами прокатных станов, изображенного на фиг. 3, состоящего из стальной основы и антифрикционного слоя изготовили заготовку, изображенную на фиг. 4. Так как для изготовления формы, приведенной в примере 1 для данного подшипника стандартные цилиндрические трубы не имеют соответствующи х размеров ее изготовили путем сплющивания под молотом в нагретом виде через шаблонпрокладку цилиндрической трубы O57 ´ 3,5 мм . При этом получили трубу, состоящую из плоской части сечением / 80 х 14 х 3,5 м (ширина 80 мм, высота 14 мм, толщина стенки 3,5 мм), длиной 980 мм и цилиндрической части длиной 150 мм. Плоский торец трубы заварили вакуумплотным швом 3, затем нижнюю полость заполнили флюсами 4 и смесью 5 наполнителя с твердой смазкой и тонкодисперсным порошком матричного сплава (как в примере 1). После этого цилиндрическую часть формы нагрели в месте перехода к плоской части и изогнули под углом 105-110° к ней; заложили в нее литник 6 бронзы ОЦН-10-2-1,5 весом 2000 г из расчета; объем матричного сплава равен 0,5 объема полости формы, заполненной наполнителем и твердой смазкой. Форму закрыли крышкой 7 с шариковым клапаном 8 и заварили вакуумплотным швом 9. Заготовки поместили в нагревательную печь на поддоне 10 с наклоном к горизонтальной плоскости под углом 10-15°. Вертикальная установка заготовок, в данном случае, не допустима, так как при толщине стенки трубы 3,5 мм их раздует весом бронзы. После нагрева до температуры 1150°С, выдержки 1 час. и охлаждения с печью до 600°С, с последующим охлаждением на воздухе, заготовки разрезали ножницами на равные части. Полученные биметаллические пластины нагрели до температуры 850°С и изогнули на требуемый радиус. Разрушений пластин не было. Пластины установили в корпус подшипника, сварили дуговой сваркой и расточили в заданный размер. Соединение матричного сплава со стальной основой и с наполнителем было хорошее. Подшипники подвергли закалке до твердости наполнения HRC ³ 60. Срок службы таких подшипников, установленных на роликах рольгангов перед нагревательными печами стана 2800 вместо подшипниковкачения повысился в 2-3 раза и составил более 7 месяцев. Предложенный способ изготовления биметаллического подшипника скольжения обеспечивает повышение срока службы узлов трения, работающих в условиях ограниченной смазки и воздействия агрессивной среды.