Харків
(050) 926-41-65

Стаття: "Покриття для підшипників (SKF EVOLUTION)

ПОКРИТТЯ ДЛЯ ПОЛІПШЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПІДШИПНИКІВ

Покриття дозволяють збільшити термін служби та оптимізувати характеристики підшипників кочення та ковзання. Вибір покриття може залежати від робочих умов та експлуатаційних вимог. Компанія SKF пропонує понад 35 різних спеціалізованих покриттів.

Вважається, що підшипники кочення можуть працювати практично нескінченно, якщо дотримуватись наступних умов застосування:

доданий тиск не перевищує певного значення;

використовується належне мастило;

відсутність забруднення. Зрозуміло, в деяких випадках умови експлуатації значно відрізняються від ідеальних або виникають непередбачені проблеми, що підвищують витрати на експлуатацію та технічне обслуговування.

Щоб продовжити термін служби підшипників та оптимізувати їх характеристики у неідеальних робочих умовах, було розроблено різні стратегії. Однією з стратегій є використання покриття, яке може впливати на такі характеристики:

зносостійкість;

підвищене чи знижене тертя;

корозійна стійкість;

властивості ковзання;

покращене мастило або скорочення потреби в мастилі під час роботи;

електроізоляція;

водневий бар'єр;

захист від фретінг-корозії;

поліпшення зовнішнього вигляду.

Покриття - це стандартна сталева підкладка підшипника, на яку нанесений матеріал, що володіє певними властивостями, значно покращуючий робочі характеристики. Підшипники з покриттям також можуть використовуватися для усунення розриву між стандартними сталевими підшипниками та гібридними керамічними підшипниками. В певних галузях використовуються керамічні роликові підшипники (добре, але дороге рішення), які складно знайти на ринку. І тут забезпечити нормальний рівень роботи стандартних підшипників можна з допомогою покриття.

Деякі покриття наносяться дуже тонким шаром, що забезпечує важливу перевагу. Покриття товщиною лише кілька мікрон дозволяють використовувати стандартні, серійно вироблені підшипники без додаткових витрат на зміну налаштувань обробних верстатів.

Огляд технологій нанесення покриттів

Як показано на рис. 1, у компанії SKF використовують різні технології нанесення покриття. Їх можна поділити на три основні категорії:

Методи з використанням газоподібного стану, коли матеріал покриття перед осадженням на поверхню перетвориться на газову або парову фазу. Сюди відносяться такі технології вакуумного напилення, як фізичне осадження з парової фази (PVD) та плазмохімічне газофазне осадження (PACVD).

Методи з використанням рідкого стану, коли матеріал покриття знаходиться в рідкій фазі перед тим, як осадитися на поверхні у вигляді твердих часток. Методи можна поділити на категорії хімічного (хімічне осадження, електролітична обробка, гомогенні хімічні реакції, занурення і розпилення рідини) і електрохімічного осадження, наприклад гальванічне осадження металевого покриття на електроді за допомогою електролізу.

Методи з використанням розплавленого матеріалу, коли перед осадженням матеріал покриття розплавляється або розплавляється частково (розм'якшується), а потім за допомогою джерела високої потужності осідає на поверхню у вигляді твердої речовини. Методи підрозділяються на осадження розпиленням (охоплює широкий спектр технологій зі швидким нагрівом матеріалу в гарячому газоподібному середовищі і одночасному направленні матеріалу з великою швидкістю на поверхню для формування покриття) і технологію лазерної плакировки.

Огляд технологій нанесення покриттів, використовуваних SKF, та приклади.

Рис. 1. Огляд технологій нанесення покриттів, використовуваних SKF, та приклади.


Світ покриттів SKF

Асортимент SKF включає більше 35 сучасних покриттів, які можна використовувати в різних областях, для різних частин підшипників. Всі покриття оптимізовані з урахуванням особливих вимог, що  висуваються до підшипників, та виконані відповідно до точних специфікацій та під суворим контролем якості. Покриття виробляються на технологічних підприємствах з нанесення покриттів, вимоги на яких часто перевищують вимоги стандартів для покриттів та устаткування, та які забезпечують максимальну якість, надійність та відтворюваність.

«Деякі покриття наносяться дуже тонким шаром, що забезпечує важливу перевагу»

У цій статті розглядаються деякі з найпоширеніших покриттів SKF. Повний перелік покриттів SKF разом з їх фізичними, хімічними та трибологічними властивостями опубліковано онлайн у каталозі покриттів SKF.

Підшипники кочення

На рис. 2 перераховані 12 основних покриттів, які забезпечують п'ять основних характеристик для підшипників кочення, включаючи захист сепараторів від зносу при терті ковзання, електричну ізоляцію, захист від фретінг-корозії, захист від корозії та зносу доріжок кочення.

Різні типи покриттів компонентів підшипників кочення.

Рис. 2. Різні типи покриттів компонентів підшипників кочення.


a. Захист доріжок кочення від зносу

Black Oxide:  Обробка поверхні за допомогою хімічної реакції на поверхні сталевих компонентів підшипника. Покриття наноситься на поверхні всіх компонентів підшипника. Деталі поринають занурюють у різні водно-сольові лужні розчини при температурі 140 – 150 °C. В результаті реакції між залізом у легованій сталі та і реагентами формується чорний шар товщиною близько 1 мкм, що складається з добре утвореної суміші FeO, Fe2O3 та Fe3O4. Покриття має безліч переваг, у тому числі мінімізує знос при терті ковзання та адгезійний знос. Воно також покращує процес приробітку, забезпечуючи дуже гладку поверхню, що призводить до нижчого остаточного стаціонарного тертя в порівнянні з підшипниками без покриття. Інша перевага – покращення адгезії олії оливи, що створює захист від легкої корозії. Вороніння утворює захисний бар'єр від гідрогенізації, захищаючи розташовану під покриттям сталь. Крім того, шар покриття підвищує стійкість до точкової корозії, заїдань, сколів, фретінгу та тріщин на поверхні та передчасної втоми. Нарешті, покриття захищає поверхню від шкоди протизадирних присадок (EP), які часто застосовуються в мастилах для редукторів вітрових турбін.

NoWear®: Компанія SKF стала першим у світі виробником підшипників із вуглецевим покриттям. Покриття можна наносити на поверхню всіх компонентів підшипника, але найкращі результати отримують при нанесенні покриття лише на ролики. Деталі разом з хімічними речовинами розміщують у вакуумній камері та використовують метод PACVD. У процесі фізичних реакцій суміш пари парів вуглецю і металу, що створюється плазмою, конденсується на компоненті при температурі нижче 180 °C. Отримуване темно-сіре аморфне покриття товщиною близько 3 мкм характеризується середньою твердістю і дуже низьким тертям навіть у сухому стані. Це покриття підходить для доріжок кочення підшипників при високому контактному тиску. Покриття NoWear®, запатентоване у 1999 р., зменшує адгезію, заїдання, поверхневу втому, мікро точкову корозію та забезпечує вкрай низьке зношування в умовах нестачі мастила. Крім того, розроблене багатошарове покриття містить спеціальний шар-підкладку для підвищення адгезії та поверхневий графітовий шар для покращення процесу приробітку.

MoS2+Ti: Аморфний шар з дисульфіду молібдену (MoS2), легований титаном (Ti), товщиною близько 1–3 мкм, який за своєю твердістю аналогічний покриттю NoWear®. Спеціально розроблене покриття відрізняється дуже низьким тертям та високою зносостійкістю при використанні у сухих, вакуумних середовищах та в умовах чистої кімнати. Деталі розташовують у вакуумній камері та використовують метод PVD. В результаті фізичних реакцій пару, що створюється плазмою, конденсується на деталі при температурі нижче 180 °C.

b. Захист від корозії

Zn та ZnNi: Шари з цинку та нікель-цинкового сплаву товщиною 1–15 мкм осаджуються електролітичними методами і далі пасивуються для забезпечення покращеного захисту. Зазвичай, таке покриття не застосовується для доріжок кочення підшипників. Традиційний спосіб захисту від корозії застосування цинку, але використання нікель-цинкового сплаву дозволяє усунути деякі недоліки виключно цинкового покриття, наприклад його низьку твердість. Крім антикорозійних властивостей цинк забезпечує великий коефіцієнт тертя, що можна використовувати для протиковзання та захисту від фретінг-корозії зовнішніх поверхонь підшипника, внутрішніх отворів або отворів у корпусі підшипників.

NiP: Шар із нікель-фосфорного сплаву сріблястого кольору товщиною 10–50 мкм осаджується автокаталітичним хімічним методом. Використовуються три варіанти із різною концентрацією фосфору в діапазоні 6–14 %. Збільшення концентрації фосфору покращує антикорозійні властивості, але погіршує твердість та зносостійкість. Такі покриття зазвичай використовуються там, де потрібна комбінація антикорозійних та протизносних властивостей, виключаючи доріжки кочення. При цьому покриття товщиною менше 3 мкм також можуть застосовуватися для доріжок кочення.

TDC (хромове покриття низької щільності): Полікристалічне хромове покриття сріблястого кольору завтовшки 2-5 мкм. Покриття наноситься методом електролізу із хромовим кислотним електролітом. Для утворення тонкого шару хрому з вузлуватою структурою процес каталізується далі, наприклад, за допомогою дихромату калію. Шари TDC можна наносити на доріжки кочення підшипників та зовнішні поверхні. 

c. Захист від фреттинг-корозії

PTFE: Полімерне покриття завтовшки 10-20 мкм. Політетрафторетиленовий (ПТФЕ) порошок розпорошується на поверхню методом повітряного або електростатичного розпилення, формування шару здійснюється в процесі теплового спікання. Покриття відрізняється чудовими антифрикційними властивостями, дуже низьким тертям та забезпечує захист від переривчастого ковзання. Воно надає підшипникам властивості для постійного та ефективного захисту від фретінг-корозії внутрішніх чи зовнішніх діаметрів кілець підшипників.

d. Електрична ізоляція

INSOCOAT®: Це електроізоляційний шар оксиду алюмінію завтовшки 100–300 мкм, який наноситься плазмовим напиленням в атмосферному середовищі. Розплавлені частинки Al2O3 розпорошуються на сталеву підкладку і відповідно заповнюють пористу структуру. Додатковий етап чистового шліфування допомагає забезпечити коректні розміри підшипників. Покриття наноситься або на зовнішні поверхні зовнішнього кільця підшипника або на внутрішню поверхню каналу внутрішнього кільця. Основні переваги покриття INSOCOAT® пов'язані з електричною ізоляцією, яка перешкоджає проходженню електричного струму через підшипник, що спричиняє ерозію поверхонь кочення.

e. Захист сепараторів від зносу при терті ковзання

Ag: Шари срібла (Ag) завтовшки 2-4 мкм осаджуються гальванічним способом. Для збільшення адгезії срібла зазвичай використовується мідна підкладка. Це м'який металевий шар з характеристиками сухого мастила використовується при високих температурах та у вакуумних середовищах. Дане покриття характеризується винятковою електропровідністю та забезпечує гарний антикорозійний захист від впливу хімічних речовин (помірні луги та кислоти). Здебільшого таке покриття напилюється на сталеві сепаратори і в поодиноких випадках на кільця та ролики для областей застосування з високими вимогами, наприклад, як сухе мастило у вакуумних середовищах, у харчовій та аерокосмічній промисловості.

TiN: Покриття з нітриду титану (TiN) є шарами золотистого кольору товщиною 1-5 мкм. Деталі розташовують у вакуумній камері та використовують метод PVD. В результаті фізичних реакцій пара, що створюється азотною плазмою, розпорошується з титанової мішені і конденсується на деталі при температурі нижче 180 oC. Такі покриття використовуються для захисту від зношування сепараторів за наявності мастил і для внутрішніх втулок підшипників для харчової промисловості.

Підшипники ковзання

На рис. 3 представлені вісім основних покриттів, що надають підшипникам ковзання три головні властивості: антикорозійні та зносостійкі покриття для підшипників з густим мастилом або без нього.

Різні типи покриття для компонентів підшипників ковзання

Рис. 3. Різні типи покриття для компонентів підшипників ковзання.


a. Зносостійкість без густого мастила

Тверде хромування   Це покриття є твердим шаром хрому (Cr) сріблястого кольору товщиною 3-15 мкм, осаджений методом електролітичного осадження з використанням кислотного електроліту з хромом. Процес завершується очищенням, видаленням шестивалентного хрому [Cr(VI)] та нанесення захисної оливи. Покриття забезпечує гарний контакт ковзання між компонентами підшипника ковзання, відрізняється великою твердістю та високою зносостійкістю. Нанесений шар хрому містить мікротріщини, що обмежує антикорозійні властивості при малій товщині покриття.

CrN: Покриття з нітриду хрому (CrN) являє собою нанесений методом PVD шар сріблясто-сірого кольору товщиною 1-6 мкм. Деталі розташовуються у вакуумній камері, де твердотільні мішені із чистого хрому бомбардуються іонами плазми Ar+N, які випаровують хром (металізація напиленням). Атоми Cr з'єднуються з N і конденсуються на деталі за температури нижче 180 °C. Результат – тверде покриття, яке добре захищає від зношування при терті ковзання, а також забезпечує захист у деяких корозійних середовищах. Покриття також може застосовуватися в підшипниках кочення разом із кільцями з покриттям з CrN та роликами з покриттям NoWear®. Крім того, покриття використовується як підкладка для інших покриттів з метою збільшення стійкості до контактного тиску.

DLC (алмазоподібний вуглець): Це загальна назва групи вуглецевих покриттів, що містять суміш графітових та алмазних мікроструктур. Такі покриття можуть містити або не містити водень, товщина покриттів зазвичай становить 2-4 мкм. Оброблювані деталі поміщають у вакуумну камеру, де на поверхню компонентів підшипників наноситься кілька шарів методом PVD або PACVD відповідно до сфери застосування. Склад шарів впливає властивості покриттів. Покриття DLC призначені для експлуатації в умовах високого зносу та нестачі мастила. Такі покриття відрізняються високою стійкістю до зносу при терті ковзання та адгезійного зносу, здатністю витримувати високе навантаження, чудовим абразивним захистом та малим тертям, а також забезпечують захист поверхні при нестачі мастила. Покриття DLC ідеально підходять для підшипників ковзання, підшипників лінійних приводів, підшипників валів, втулок, штифтів, що взаємодіють з кулачками та ковзаючих деталей у підшипниках кочення (наприклад, сепаратори та ущільнення). Розроблене металокерамічне покриття NoWear® також відноситься до цього сімейства вуглецевих покриттів; проте є деякі відмінності. Значення твердості покриттів DLC для підшипників ковзання знаходяться в діапазоні 18–30 ГПа (1800–3000 HV (твердість за Віккерсом)), а покриттів NoWear® (використовуються підшипниками кочення) близько 12 ГПа (~ 1200 HV).

b. Зносостійкість із густим мастилом

MnPh: Марганцеве фосфатне покриття (MnPh) - сірий або чорний шар завтовшки 2-15 мкм. Покриття наноситься шляхом хімічної реакції, зазвичай на поверхні всіх деталей. Деталі занурюються у розчин фосфатування, що містить марганець, залізо в деталях реагує з катіонами марганцю і аніонами фосфату в розчині. Покриття має властивості захисту від зносу та фретінг-корозії, що значно покращує захист від заїдання та підвищує стійкість до мікроточкової корозії. Покриття також забезпечує захист при низькій відносної постійної діелектричної (каппа) і характеризується поліпшеною адгезією до оливи  . Крім того, покриття MnPh відрізняється гарним захистом від корозії (у змащеному стані) та характеристиками електроізоляції.

c. Захист від корозії

Гібридне покриття NiP+Cr: Це тверде покриття, що складається з нікель-фосфорного та хромистого шарів загальною товщиною 10–30 мкм. Процес покриття складається із двох окремих частин. Спочатку на поверхню для покращення захисту від корозії та надання хімічної стійкості хімічним способом наноситься NiP, потім методом електролітичного осадження додається твердий шар хрому, який забезпечує механічну міцність.

Шлях до сталого розвитку

Стійкий розвиток у сфері підшипників включає такі аспекти, як збереження енергії та ресурсів, мінімізація відходів, підвищення ефективності процесів та використання поновлюваних матеріалів. Компанія SKF – світовий технологічний лідер, який розглядає технічне перетворення як відповідальність та відмінну можливість. Повторне використання промислових матеріалів та компонентів, наприклад оливи та підшипників, може стати відмінним початком. Пропозиції, від простих ущільнень та підшипників до ключових промислових компонентів та систем, допомагають, наприклад, розробляти легкі рішення з малим тертям для автомобільної промисловості, які сприяють зменшенню викидів CO2. Інший підхід, що відповідає цілям сталого розвитку, - використання технологій покриттів, які в деяких сферах застосування зменшують тертя (і, відповідно, енергоспоживання) і збільшують термін служби підшипників (тим самим знижуючи витрату сировини).

Заключні зауваження

Використання покриттів для підшипників викликає все більший інтерес. Вибір матеріалів і структури покриттів дозволяє створити виріб з унікальними фізичними, механічними та трибологічними властивостями для задоволення технологічних потреб, що постійно зростають. Зокрема, проводився ретельний аналіз покриття SKF з метою досягти оптимальних характеристик; у деяких випадках, відповідно до різних областей застосування, процеси були скориговані з перевищенням вимог стандартів DIN та ISO.

У цій статті коротко описано деякі типи покриттів SKF і пояснюються деякі термінологічні та технічні аспекти, а також конструкція покриттів.