Разработки

 Разработка подшипника для перспективных двигателей

 Основной тенденцией развития конструкций дизельных двигателей является повышение удельной мощности за счет форсирования по среднему эффективному давлению сгорания и частоте вращения коленчатого вала.
 Реализация этой тенденции в конкретных конструкциях двигателей неизбежно приводит к повышению механических и термических нагрузок на детали и узлы и в том числе на подшипники коленчатого вала. Кроме того, требования повышения экономичности двигателей, условия их работы в различных климатических условиях и др. факторы, а также специфические требования потребителей приводят к увеличению температуры смазочного масла, а, следовательно, температуры подшипника и соответственно снижению минимальной толщины смазочной пленки в подшипнике. При этом увеличиваются периоды работы подшипников в условиях  нарушения режимов гидродинамического трения.
 В этих условиях, роль подшипниковых материалов в вопросе обеспечения заданных показателей надежности и долговечности подшипниковых узлов и двигателей в целом, резко возрастает.
 Требования, предъявляемые к подшипниковым материалам хорошо известны, и основными из них являются:

  • Прочность и способность выдерживать знакопеременные механические нагрузки
  • Хорошие антифрикционные свойства
  • Высокая износостойкость
  • Способность удерживать посторонние частицы, находящиеся в смазочном масле, без повреждения шейки коленчатого вала
  • Высокая коррозионная стойкость
  • Способность хорошо прирабатываться и компенсировать неточности изготовления, сборки и результаты износа поверхностей подшипника в эксплуатации
  • Возможность работать в условиях кратковременных нарушений режимов жидкостного трения
  • и т.п.

 Очевидно, что в перечисленных требованиях имеются взаимо- исключающие. Так, например, увеличение прочности и износостойкости материала напрямую связано с повышением его твердости, а это ведет к ухудшению антифрикционных свойств, способности прирабатываться и удерживать посторонние частицы без повреждения шейки вала.
 Для обеспечения  всех этих (часто взаимоисключающих) требований был создан триметаллический подшипник, состоящий из стального корпуса, слоя антифрикционного сплава (бронзы или алюминия) и тонкого (0,02…0,04 мм) приработочного покрытия свинец-олово-медь с барьерным слоем никеля. Этот тип вкладыша  наиболее распространен в современных форсированных дизельных двигателях и выпускается всеми ведущими изготовителями  подшипников.
 Именно тонкое приработочное покрытие в современных подшипниках способствует обеспечению всех взаимоислючающих требований к ним. Однако  его возможности в настоящее время практически исчерпаны в применении к разрабатываемым перспективным форсированным конструкциям двигателей. Причинами этого являются:

  1. Недостаточная усталостная прочность свинцовистого сплава в условиях постоянно повышающихся нагрузок.
  2. Резкое снижение твердости (прочности) сплава с повышением температуры.
  3. Запрет на использование свинцовистых сплавов, в первую очередь в странах Европы.
  4. Необходимость использования сложных дорогостоящих очистных сооружений при гальванических процессах.

 Поэтому многие ведущие специализированные фирмы производители подшипников разрабатывают конструкции  с новыми типами покрытий для дизелей высокой степени форсирования.
 Основой таких покрытий является сплав алюминия с 20% олова, наносимый так называемым методом PVD (Physical Vapor Deposition), что соответствует процессу вакуумного ионно-плазменного напыления. Схема такого подшипника приведена на «Рис. 1».

Рис.1

 Впервые нанесение на сталебронзовые вкладыши покрытия алюминия с оловом применила фирма Glyco (в настоящее время Federal  Mogul, Wiesbaden) Германия. Микроструктура слоя покрытия, названного фирмой «Sputter», и, характеризуемая равномерным распределением частиц олова в алюминии, представлена на рис. «1а». Для улучшения адгезии такого покрытия с бронзой, оно наносится через подслой сплава никеля с хромом.
 Для получения покрытия аналогичного состава и свойств, Австрийская фирма Miba разработала свою технологию его получения на основе того же физического метода PVD. Типичный образец микроструктуры такого покрытия, с равномерным распределением оловянных частиц в виде более крупных дендридов в алюминии представлен на рис.«1б».

 Покрытие выдерживает удельные нагрузки превышающие 100 МПа и значительно увеличивает  ресурс подшипника. Однако  высокая твердость сплава (HV 90-110) ухудшает антифрикционные свойства подшипника и делает его более чувствительным к различным нарушениям при изготовлении, ремонте и эксплуатации.

 Фирма «Технокомплекс»  разработала  технологию вакуумного ионно-плазменного напыления (PVD-ТК) для нанесения на бронзовый слой комплексного покрытия алюминий-олово с переменным содержанием олова. В таком покрытии основной слой  соответствует сплаву алюминия с 20% олова, а к поверхности содержание олова увеличивается для улучшения антифрикционных свойств, прирабатываемости, способности к запрессовке посторонних частиц и т.д. Это позволяет устранить вышеупомянутые противоречия между прочностью и антифрикционными качествами покрытий вкладышей и создать подшипник нового типа, способный работать в двигателях практически всех типов. Кроме того, комбинации и сочетания материалов в слое могут быть различными для обеспечения наилучших показателей надежности и ресурса работы конкретных двигателей. Микроструктура такого покрытия приведена на рис. «1в».

 Важным положительным качеством процесса вакуумного ионно-плазменного напыления также является его экологическая безопасность в сравнении с гальваническим процессом.
 В настоящее время фирмой ведутся работы по распространению данной технологии, уменьшению затрат на ее внедрение и снижению стоимости продукции, выпускаемой на ее основе.