Высокотемпературные подшипники

Высокотемпературные подшипники

Высокотемпературные подшипники

Подшипники, изготовленные из обычных шарикоподшипниковых сталей, удовлетворительно работают при температурах менее 200—220°С. При более высоких температурах мартенсит переходит в троостит отпуска, что сопровождается падением твердости и резким снижением работоспособности подшипников.

На рис. 825 показано изменение несущей способности подшипников, изготовленных из типовых подшипниковых сталей, в зависимости от твердости (за 100% принята несущая способность при максимально достижимой для каждой данной стали твердости).

Как видно, уменьшение твердости даже на несколько HRC резко снижает несущую способность. При уменьшении твердости стали 1 на 4 HRC несущая способность составляет только 50% первоначальной. Для сталей 2 и 3 такое же снижение происходит при уменьшении твердости на 6—7 НRС.

Нижним пределом твердости, при котором еще сохраняется достаточная несущая способность, для большинства сталей можно считать HRC 60—62.

Влияние твердости на несущую способность подшипников

Подшипники, работающие при температурах более 250°С, изготовляют из жаропрочных и жаростойких сплавов, сохраняющих твердость в широком температурном интервале (рис. 826).

Влияние температуры на твердость подшипниковых материалов

Сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных подшипников, по жаропрочности располагаются в следующем порядке:

1) легированные хромом, вольфрамом и кремнием стали мартенситного и ледебуритного классов;

2) высоковольфрамовые инструментальные стали (типа быстрорежущих);

3) стеллиты (твердые сплавы);

4) металлокерамические твердые сплавы.

К первой группе относятся высокохромистые стали типа Х12М и Х12Ф1, коррозионностойкие хромистые стали с присадками Мо (зарубежная марка 44ОС), легированные инструментальные стали типа ХВГ и ХВ4 и сильхромы (табл. 54).

Стали повышенной жаропрочности

Повышенная жаропрочность высокохромистых сталей обусловлена содержанием тугоплавких карбидов Cr. Они сохраняют необходимую для подшипников твердость (> HRC 60) до 300—350°С.

Сильхромы являются сталями мартенситного класса (самозакалка на воздухе).

Широко применяют для изготовления высокотемпературных подшипников вольфрамистые стали типа быстрорежущих (0,6—1,5% С, 9—18% W; ~4% Сr; 12% V).

В зарубежной технике дефицитный W заменяют Мо (присадки 1% Мо эквивалентна присадке 2% W).

Легирующие элементы, будучи энергичными карбидообразователями, связывают почти весь углерод в тугоплавкие карбиды. Особой термостойкостью отличаются карбиды W и Мо, сохраняющие твердость до температур 550—600°С (после чего твердость падает вследствие коагуляции карбидов).

Состав отечественных и зарубежных быстрорежущих сталей приведен в табл. 55.

Состав отечественных и зарубежных быстрорежущих сталей

Для предотвращения коагуляции карбидов и повышения ударной вязкости целесообразно несколько снижать содержание С (до 0,6—0,8%) и V (до 0,5—1%) по сравнению со стандартными марками.

Быстрорежущие стали закаливают в масло с температуры 1270—1290°С и подвергают (для уменьшения количества остаточного аустенита) трехкратному отпуску при 550—570°С с продолжительностью выдержки на каждой ступени 1 ч, а также обработке холодом.

Почти все быстрорежущие стали поддаются упрочнению посредством низкотемпературной термомеханической обработки.

Плотность быстрорежущих сталей в зависимости от содержания W колеблется в пределах (9—12)·103 кг/м3.

Стеллиты (сплавы Cr, W, Мо на основе Со или Ni) обладают высокой твердостью (HRC 60—65), сохраняющейся до температур 550—600°С. Хорошо противостоят горячей коррозии. Термической обработки не требуют.

Состав отечественных и зарубежных стеллитов приведен в табл. 56.

Состав отечественных и зарубежных стеллитов

Сплавы на кобальтовой основе применяют в литом виде. Дли изготовления подшипников качения используют преимущественно никелевые стеллиты, поддающиеся ковке, которая значительно повышает механические качества.

Плотность стеллитов (10—12)·103 кг/м3.

Применение стеллитов ограничивается высокой стоимостью.

Металлокерамические твердые сплавы состоят на 85—96% из карбидов W и Ti со связкой из металлического Со в количестве 4—15% (за рубежом в качестве связки часто применяют Ni).

Наиболее распространены вольфрамокарбидные сплавы ВК4, ВК6, ВK8 (цифры после буквы К указывают процентное содержание Со; остальное — карбиды W).

Сплавы с пониженным содержанием Со обладают большей твердостью, но более хрупки, чем сплавы с высоким содержанием Со.

Повышенной твердостью отличаются W —Ti-карбидные сплавы Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10 (цифры после букв К и Т указывают процентное содержание соответственно Со и Ti; остальное — карбиды W).

Наиболее высокой термостойкостью при достаточной твердости обладают W—Ti—Та-карбидные сплавы ТТ7К12, ТТ7К15 [цифра после букв ТТ обозначает суммарное содержание карбидов Ti и Та (обычно содержание карбидов Та — 3,5 %)].

Плотность металлокерамических сплавов (11—14)·103 кг/м3.

Несущая способность подшипников из металлокерамических сплавов, несмотря на их высокую твердость (HRC 75—90) и термостойкость, незначительна вследствие хрупкости, низких антифрикционных качеств и малой циклической прочности металлокерамики.

В опытной стадии находится изготовление подшипников из керметов — спеченных сплавов керамических материалов (карбиды, оксиды, бориды и силициды металлов) с порошками Ni, Со, Сr, Мо (в пропорции ~1:1).

Керметы сочетают твердость и жаропрочность керамических материалов с вязкостью и теплопроводностью металлов. По твердости они занимают промежуточное положение между инструментальными сталями и металлокерамическими сплавами.

Существенным преимуществом керметов является малая плотность (6—7)·103 кг/м3.

Сепараторы высокотемпературных подшипников изготовляют из монель-металла, бериллиевой бронзы, сульфидированной стали типа Р9 и термостойких самосмазывающихся материалов (углеграфиты, прессованные композиции MoS2 с бронзовыми и никелевыми порошками и др.).

Подшипники, работающие при температурах менее 350°С, смазывают жидкими термостабильными синтетическими смазками. Электролитическое осаждение галлия на поверхностях трения слоем 25—30 мкм обеспечивает устойчивую работу подшипников при температуре до 400°С. Недостаток этого способа - невозобновляемость смазки.

При более высоких температурах применяют твердые смазки.

Свойствами самосмазываемости обладают соединения Mo, W, V, Ti, Та чешуйчатого микростроения; сульфиды (MoS2, WS2, TiS2, Ti2S3), селениды (WSe2, TaSe2, VSe2) и теллуриды (MoTe2, TiTe2). Термостойкость этих смазок составляем 400—500°С.

Более высокой термостойкостью обладают смазки на основе оксидов Рb и Cd (РbO, CdO) и фторидов Са, Ва, Be (CaF2, BaF2, BeF2).

Смазочные свойства, прочность сцепления с металлическими поверхностями и термостойкость значительно повышаются при введении небольших количеств Fe, Сu и особенно Au, Pt, Pd.

Наиболее высокими качествами обладают смазки на основе MoS2, Fe и Pt (80—90% MoS2; 10—15% Fe; 2—4% Pt).

При смазке переносом (ротопринтная смазка) в гнездах сепаратора проделывают выборки (рис. 827, a), в которые закладывают твердую смазку. Шарики, вращаясь, снимают частицы смазки и наносят ее тонким слоем на поверхности качения.

Сепараторы с твердыми смазками подшипников

Для повышения срока службы целесообразно увеличивать емкость выборок (вид б). В конструкции (в) в гнезда запрессованы цилиндры из твердой смазки, которые одновременно смазывают и шарики, и центрирующую поверхность обоймы.

В некоторых случаях сепаратор выполняют целиком из самосмазывающихся материалов на силикатной связке (вид г) или (вид д) с металлической армировкой (конструкция приспособлена к центрированию по внутренней обойме).

При вентиляционной порошковой смазке через подшипники продувают суспензию высокодисперсных частиц графита: MoS2, WS2, РbО или CdO в струе воздуха или азота. Во избежание налипания смазки на металлические поверхности необходимо выдерживать в узких пределах концентрацию суспензии и скорость газа-носителя.

В подшипниках, работающих при наиболее высоких температурах, рабочие поверхности покрывают тонким (15—20 мкм) слоем спекаемой твердой смазки.

Покрытия из микроволокнистого коллоидного гидрата оксида алюминия АlO(ОН) (20%) и MoS2 (80%) отличаются низким коэффициентом трения (f = 0,02—0,03 при 200—300°С) и хорошей адгезией к металлу. Водный раствор AIO(ОН) со взвесью MoS2 (размер частиц ~ 0,02 мкм) наносят на металлическую поверхность, сушат и нагревают до 230—280°С, в результате чего на поверхности образуется прочная пленка, сохраняющая смазочные свойства до 400°С.

Спекаемые покрытия на основе оксида свинца РbО могут работать при 600—650°С. Для снижения температуры плавления оксид свинца смешивают в эвтектической пропорции с легкоплавким силикатом Рb (четырехкремнистый свинец). Водную суспензию смеси наносят на металлическую поверхность, сушат и подвергают обжигу при 750—800°С в результате чего на поверхности образуется прочный глазурный слой.

Термостойкость глазурей на основе CaF2 и BaF2 достигает 750—800°С.

Срок службы глазурных покрытий ограничен вследствие невозобновляемости смазки. Долговечность глазурованных подшипников, работающих при 600—650°С (область красного свечения), не превышает нескольких десятков часов.

Новое направление в технике высокотемпературных подшипников — смазка микросферическими порошками, состоящими из правильных микросфер (диаметр 1—3 мкм; отклонения размеров сфер в порошке менее 10%), изготовленных из материалов высокой твердости (HV 800—1000) и жаропрочности (вольфрамовые сплавы, науглероженное карбонильное железо). Несущие поверхности подшипников выполняют из материалов такой же твердости (азотированные стали; стали, наплавленные металлокерамикой и стеллитами). Диаметральный зазор в подшипниках ψ = 0,0002—0,0005.

В таких подшипниках происходит отчасти перекат несущих поверхностей по микросферам, а главным образом — скольжение по очень подвижному и текучему порошковому слою (псевдожидкостное трение). Коэффициент трения f = 0,01—0,05 (выше, чем у подшипников чистого качения, но значительно ниже, чем у подшипников с сухопленочными смазками). Коэффициент трения покоя равен коэффициенту трения движения, вследствие чего пусковой момент незначителен.

Термостойкость подшипников с микросферической порошковой смазкой зависит от материала сфер и несущих поверхностей. При изготовлении из вольфрамовых сплавов термостойкость 450—500°С.