Есть мнение, что подшипники качения способны работать почти вечно, если соблюдаются данные условия эксплуатации:
- приложенное напряжение не превышает определенное значение;
- применяется правильная смазка;
- нет загрязнений.
Однако условия эксплуатации могут сильно отличаться от идеальных, могут возникать непредвиденные проблемы, которые ведут к повышению расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Для продления срока службы подшипников и оптимизации их характеристик в неидеальных рабочих условиях существуют разные стратегии. Одна из них — применение покрытий, способных влиять на следующие характеристики:
- износостойкость;
- сила трения;
- антикоррозионные свойства;
- защита от фреттинг-коррозии;
- свойства скольжения;
- улучшенная смазка либо сокращение потребности в смазке;
- электроизоляция;
- водородный барьер;
- внешний вид.
Покрытие — стальная подложка подшипника с нанесением материала, который благодаря определенным свойствам значительно улучшает рабочие характеристики. Также подшипники с покрытием применяются, чтобы устранить разрыв между гибридными керамическими подшипниками и стандартными стальными. Если дорогие керамические роликовые подшипники сложно отыскать на рынке, покрытия позволяют обеспечить нормальную работу стандартных подшипников.
Благодаря покрытиям толщиной в несколько микрон можно применять стандартные серийные подшипники и не тратить дополнительные средства на перенастройку обрабатывающих станков.
Какие технологии нанесения покрытий бывают
Компания SKF использует три основные категории технологий (рисунок 1):
- Методы с применением газообразного состояния. Это технологии вакуумного напыления: физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и плазмохимическое газофазное осаждение (PACVD).
- Методы с применением жидкого состояния. Сюда входят методы химического (химическое осаждение, электролитическая обработка, гомогенные химические реакции, погружение и жидкостное распыление) и электрохимического осаждения (гальваническое осаждение металлического покрытия на электроде с помощью электролиза).
- Методы с применением расплавленного материала. Методы делятся на осаждение распылением (это большой спектр технологий с быстрым нагревом материала в горячей газообразной среде и одновременным направлением с большой скоростью на поверхность) и технологию лазерной плакировки.
Покрытия SKF
В ассортименте SKF свыше 35 покрытий для разных частей подшипников. Рассмотрим наиболее часто используемые из них.
Подшипники качения
На рисунке 2 приведены 12 основных покрытий, обеспечивающих 5 основных характеристик для подшипников качения:
- защита сепараторов от износа при трении скольжения;
- электрическая изоляция;
- защита от фреттинг-коррозии;
- защита от коррозии;
- защита от износа для дорожек качения.
1. Защита дорожек качения от износа
Black Oxide (воронение): обработка поверхности всех стальных компонентов подшипника посредством химической реакции. Детали погружают в водно-солевые щелочные растворы при температуре 140–150 °C. Между железом в легированной стали и реагентами образуется черный слой толщиной около 1 мкм из смеси FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Покрытие уменьшает адгезионный износ и износ при трении скольжения. Также улучшает процесс приработки, так как дает очень гладкую поверхность — уменьшается окончательное стационарное трение в сравнении с подшипниками без покрытия. Другие плюсы воронения:
улучшается адгезия масла, что дает защиту от легкой коррозии;
образуется защитный барьер от гидрогенизации для расположенной под покрытием стали;
повышается устойчивость к точечной коррозии, заедам и сколам, фреттингу и трещинам на поверхности, преждевременной усталости;
создается защита поверхности от противозадирных присадок (EP), применяемых в смазках для редукторов ветровых турбин.
NoWear®: компания SKF — первый производитель подшипников с углеродным покрытием. Его можно наносить на все компоненты, но лучшие результаты дает нанесение только на ролики.
Детали и химические вещества помещают в вакуумную камеру и применяют метод PACVD. Создаваемая плазмой смесь паров углерода и металла конденсируется на компоненте при температуре ниже 180 °C. Темно-серое аморфное покрытие толщиной около 3 мкм имеет среднюю твердость и низкое трение даже в сухом состоянии.
Данное покрытие оптимально для дорожек качения подшипников при высоком контактном давлении. Оно уменьшает адгезию, заедание, поверхностную усталость, микроточечную коррозию, обеспечивая крайне низкий износ при недостатке смазки. Также многослойное покрытие имеет специальный слой-подложку, который повышает адгезию, и верхний графитовый слой, который улучшает процесс приработки.
MoS2+Ti: аморфный слой из дисульфида молибдена (MoS2), легированный титаном (Ti), толщиной около 1–3 мкм, схожий по твердости с покрытием NoWear®. Покрытие отличается низким трением и высокой износостойкостью при эксплуатации в сухих, вакуумных средах и в условиях чистой комнаты. Наносится на детали в вакуумной камере методом PVD. Пар, создаваемый плазмой, оседает на детали при температуре ниже 180 °C.
2. Защита от коррозии
Zn и ZnNi: слои из цинка и никель-цинкового сплава толщиной 1–15 мкм наносятся электролитическими методами и пассивируются, чтобы улучшить защиту. Обычно такое покрытие не применяют для дорожек качения подшипников. Чаще для защиты от коррозии применяют цинк, но никель-цинковый сплав помогает устранить отдельные недостатки цинкового покрытия, к примеру, его низкую твердость.
Кроме антикоррозионных свойств, цинк дает большой коэффициент трения. Это можно применить для противоскольжения и защиты от фреттинг-коррозии наружных поверхностей подшипника, внутренних отверстий либо отверстий в корпусе подшипников.
NiP: серебристый слой из никель-фосфорного сплава толщиной 10–50 мкм наносят автокаталитическим химическим методом. Есть три варианта с разной концентрацией фосфора в диапазоне 6–14 %. Чем выше концентрация фосфора, тем лучше антикоррозионные свойства, но хуже твердость и износостойкость. Подобные покрытия чаще применяют там, где нужна комбинация антикоррозионных и противоизносных свойств — кроме дорожек качения: для них могут применяться покрытия толщиной менее 3 мкм.
TDC (хромовое покрытие низкой плотности): серебристое поликристаллическое хромовое покрытие толщиной 2–5 мкм наносят методом электролиза с хромовым кислотным электролитом. Чтобы получить тонкий слой хрома с узловатой структурой, затем процесс катализируют, к примеру, дихроматом калия. Слои TDC можно наносить на наружные поверхности и дорожки качения подшипников.
3. Защита от фреттинг-коррозии
PTFE: политетрафторэтиленовый (ПТФЭ) порошок наносят методом воздушного или электростатического распыления — полимерное покрытие толщиной 10–20 мкм формируется в процессе теплового спекания. Покрытие для внутренних или наружных диаметров колец подшипников обладает отличными антифрикционными свойствами, низким трением и защищает от прерывистого скольжения.
4. Электрическая изоляция
INSOCOAT®: электроизоляционный слой оксида алюминия толщиной 100–300 мкм наносят в атмосферной среде плазменным напылением. Расплавленные частицы Al2O3 распыляются на стальную подложку, заполняя пористую структуру. Чистовое шлифование позволяет обеспечить корректные размеры подшипников. Покрытие наносится или на наружные поверхности внешнего кольца подшипника, или на внутреннюю поверхность канала внутреннего кольца. Основной плюс покрытия — электрическая изоляция: оно препятствует прохождению через подшипник электротока, который ведет к эрозии поверхностей качения.
5. Защита сепараторов от износа при трении скольжения
Ag: слои серебра (Ag) толщиной 2–4 мкм наносят гальваническим способом. Чтобы увеличить адгезию серебра, применяют медную подложку. Мягкий металлический слой со свойствами сухой смазки эффективен в вакуумных средах и при высоких температурах.
Покрытие обладает исключительной электропроводностью и дает хорошую антикоррозионную защиту от химических веществ (умеренные щелочи и кислоты). Чаще данное покрытие напыляют на стальные сепараторы, реже — на кольца и ролики для сфер применения с высокими требованиями: в качестве сухой смазки в вакуумных средах, в пищевой и аэрокосмической промышленности.
TiN: покрытие из нитрида титана (TiN) — это золотистые слои толщиной 1–5 мкм. Его наносят на детали в вакуумной камере методом PVD. Пар, созданный азотной плазмой, распыляется с титановой мишени и оседает на детали при температуре ниже 180 °C. Покрытие используют для защиты от износа сепараторов с применением смазок и для внутренних втулок подшипников в пищевой промышленности.
Подшипники скольжения
На рисунке 3 отражены 8 основных покрытий, которые придают подшипникам скольжения 3 главных свойства: антикоррозионные и износостойкие покрытия для подшипников с густой смазкой или без нее.
1. Износостойкость без густой смазки
Твердое хромирование: твердый серебристый слой хрома (Cr) толщиной 3–15 мкм наносят методом электролитического осаждения с применением кислотного электролита с хромом. Процесс завершает очистка, удаление шестивалентного хрома [Cr(VI)] и нанесение защитного масла.
Покрытие дает хороший скользящий контакт между компонентами подшипника скольжения, обладает большой твердостью и износостойкостью. Слой хрома имеет микротрещины, это ограничивает антикоррозионные свойства при малой толщине покрытия.
CrN: покрытие из нитрида хрома (CrN) серебристо-сероватого цвета толщиной 1–6 мкм наносят методом PVD. Детали помещают в вакуумную камеру. Там твердотельные мишени из чистого хрома бомбардируют ионы плазмы Ar+N. Они испаряют хром («металлизация напылением»). Атомы Cr соединяются с N и оседают на детали при температуре ниже 180 °C.
Твердое покрытие отлично защищает от износа при трении скольжения и в некоторых коррозионных средах. Также оно может применяться в подшипниках качения вместе с кольцами с покрытием из CrN и роликами с покрытием NoWear®. Еще это покрытие используют как подложку для других покрытий, чтобы увеличить устойчивость к контактному давлению.
DLC (алмазоподобный углерод): группа углеродных покрытий содержит смесь графитовых и алмазных микроструктур. Они могут включать или не включать водород, толщина покрытий 2–4 мкм.
На поверхность деталей в вакуумной камере наносят несколько слоев методом PVD или PACVD. Покрытия DLC предназначены для эксплуатации в условиях недостатка смазки и высокого износа. Они имеют высокую стойкость к износу при трении скольжения и адгезионному износу, способны выдерживать высокую нагрузку, обладают отличной абразивной защитой и малым трением, хорошо защищают поверхность при недостатке смазки.
Покрытия DLC — идеальный вариант для подшипников скольжения, подшипников линейных приводов, подшипников валов, втулок, штифтов, которые взаимодействуют с кулачками, и скользящих деталей в подшипниках качения (сепараторы и уплотнения).
Металлокерамическое покрытие NoWear® тоже принадлежит к этому семейству углеродных покрытий, но есть различия. Значения твердости покрытий DLC для подшипников скольжения лежат в диапазоне 18–30 ГПа (1800–3000 HV (твердость по Виккерсу)), а покрытий NoWear® (используются в подшипниках качения) около 12 ГПа (~ 1200 HV).
2. Износостойкость с густой смазкой
MnPh: серое или черное марганцевое фосфатное покрытие (MnPh) толщиной 2–15 мкм наносится на поверхности всех деталей методом химической реакции. Детали погружают в раствор для фосфатирования, содержащий марганец. Железо в деталях реагирует с катионами марганца и анионами фосфата в растворе.
Покрытие защищает от износа и фреттинг-коррозии, улучшая защиту от заедания и повышая стойкость к микроточечной коррозии. Также оно дает защиту при низкой относительной диэлектрической постоянной (каппа) и имеет улучшенную адгезию маслу. Отличается хорошей защитой от коррозии (в смазанном состоянии) и характеристиками электроизоляции.
3. Защита от коррозии
Гибридное покрытие NiP+Cr: твердое покрытие из никель-фосфорного и хромистого слоев общей толщиной 10–30 мкм наносится в два этапа. Сначала на поверхность химическим способом наносится NiP — это улучшает защиту от коррозии и придает химическую устойчивость. Далее методом электролитического осаждения добавляют твердый слой хрома для механической прочности.
Подпишитесь на наш Telegram-канал, если хотите первыми узнавать про наши акции и новинки, быть в курсе новостей отрасли и полезных лайфхаков!
