RU2721806C1 - Rolling bearing with enamel coating - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to rolling bearings used in supports of axes of machines and mechanisms to increase their service life. Rolling bearing comprises internal ring, outer race and rolling elements. Inner ring and outer ring of opposite surfaces are coated with enamel made with thickness of 20–100 mcm from silicate powder with fractions from 5 to 15 mcm. In the above range of thickness, enamel is plastically deformed together with metal, preserving protective properties.EFFECT: obtained coating is resistant to friction, corrosion and high temperatures; enamel coating is applicable to all standard sizes of rolling bearings.1 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к подшипникам качения, используемым в опорах осей машин и механизмов для увеличения продолжительности их срока службы.The invention relates to the field of mechanical engineering, specifically to rolling bearings used in bearings of axles of machines and mechanisms to increase their service life.

Детали подшипников качения в процессе эксплуатации испытывают многократно повторяющиеся контактные, ударные нагрузки, износ, воздействие коррозионной среды, и (в ряде конструкций) высоких температур. Основные виды разрушений, возникающих при работе подшипников - это контактно-усталостное выкрашивание, смятие, износ, заклинивание, трещины, коррозия поверхностей мест качения (роликов, шариков).During operation, parts of rolling bearings experience repeatedly repeated contact, shock loads, wear, exposure to a corrosive environment, and (in a number of designs) high temperatures. The main types of damage arising from the operation of bearings are contact-fatigue spalling, crushing, wear, jamming, cracks, and corrosion of surfaces of rolling places (rollers, balls).

Важным критерием работоспособности подшипников качения является сопротивление износу и усталости из-за пульсирующей нагрузки.An important criterion for the performance of rolling bearings is resistance to wear and fatigue due to pulsating loads.

Износ поверхностей качения подшипников имеет место вследствие недостаточной несущей способности масляного слоя при установившемся режиме их работы, неизбежного трения качения и скольжения при пуске и остановке, попадания в места качения со смазкой абразивных частиц, продуктов износа, размеры которых превышают толщину масляного слоя; наличие блуждающих токов, термальных вод.The wear of the rolling surfaces of the bearings takes place due to the insufficient bearing capacity of the oil layer during the steady state of their operation, the inevitable rolling friction and sliding during start-up and stop, the abrasive particles, wear products, the dimensions of which exceed the thickness of the oil layer, getting into the rolling places with lubrication; the presence of stray currents, thermal waters.

Усталость металла в местах контакта тел качения подшипника происходит по причине понижения или повышения твердости поверхностей катящих колец и тел качения из-за нарушения при изготовлении режима термообработки; шлифовочного ожога - местного отпуска (понижение твердости) в результате кратковременного резкого повышения температуры при шлифовании на заводе-изготовителе. Коррозию, особенно на нерабочих поверхностях подшипника, вызывает высокая влажность, блуждающие токи и другие причины, сокращающие сроки эксплуатации подшипников.Fatigue of metal at the contact points of the rolling elements of the bearing occurs due to a decrease or increase in hardness of the surfaces of the rolling rings and rolling elements due to a violation in the manufacture of heat treatment; grinding burn - local tempering (lowering hardness) as a result of a short-term sharp increase in temperature during grinding at the manufacturer. Corrosion, especially on non-working bearing surfaces, is caused by high humidity, stray currents and other causes that shorten bearing life.

Известен подшипник качения, полностью выполненный из керамики (см., например, http://themechanic.ru/keramicheskii-podshipnilc/ опубликовано 14.08.2017). Недостатками подшипника являются повышенный уровень шума при увеличении скорости вращения подшипника, вибрация, хрупкость, ограничение в размерах.A known rolling bearing, completely made of ceramic (see, for example, http://themechanic.ru/keramicheskii-podshipnilc/ published on 08/14/2017). The disadvantages of the bearing are the increased noise level with an increase in the speed of rotation of the bearing, vibration, fragility, and limitation in size.

Известен шарикоподшипник качения с керамическим покрытием (см., например, http://www.podshipnik.ru/docs/fag_current_opt.pdf. Опубликовано в октябре 2007). Его основное назначение - токоизоляция. Недостатками такого подшипника являются коррозия стальных частей, намагничивание, повышенный шум при работе. К тому же при нанесении на металл керамика спекается, имеет пористую поверхность с зародышами трещин. Существенно, что эмалям свойственно плавление при температурах 750°С-860°С (например, против 2000°С-4000°С для керамики), что обеспечивает более однородную, гладкую и менее пористую поверхность, стойкую к истиранию, царапинам, воздействию кислот и щелочей.Known ball bearings with ceramic coating (see, for example, http://www.podshipnik.ru/docs/fag_current_opt.pdf. Published in October 2007). Its main purpose is current isolation. The disadvantages of this bearing are corrosion of steel parts, magnetization, increased noise during operation. In addition, when applied to a metal, ceramic is sintered, has a porous surface with crack nuclei. It is significant that enamels tend to melt at temperatures of 750 ° C-860 ° C (for example, against 2000 ° C-4000 ° C for ceramics), which provides a more uniform, smooth and less porous surface, resistant to abrasion, scratches, acids and alkalis.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является подшипник качения с покрытием алмазоподобного углерода в смеси с металлом (см. патент РФ №2231695 С2. F16C 33/04, F16C 33/06, F16C 33/16, F16C 33/30, F16C 33/62, F16C 33/64. Опубликован 27.06.2004).The closest technical solution adopted for the prototype is a rolling bearing coated with diamond-like carbon mixed with metal (see RF patent No. 2231695 C2. F16C 33/04, F16C 33/06, F16C 33/16, F16C 33/30, F16C 33/62, F16C 33/64. Published on June 27, 2004).

Существенные недостатки известного подшипника состоят в следующем. Во-первых, необходимость применения при эксплуатации подшипника специальных масел; во-вторых, использование специальных приспособлений для подачи смазки; в-третьих, затруднения повторного нанесения (ремонта). К тому же, дороговизна материалов и реализации технологии нанесения покрытия.Significant disadvantages of the known bearing are as follows. Firstly, the need to use special oils during operation of the bearing; secondly, the use of special devices for supplying lubricant; thirdly, the difficulties of reapplication (repair). In addition, the high cost of materials and the implementation of coating technology.

Обобщая известный опыт, в том числе опыт применения известного подшипника, используют покрытия, улучшающие какое-либо одно свойство подшипника - как-то антифрикционное, жаростойкое, износостойкое и т.п. Таким образом, известный подшипник с покрытием, комплексно не улучшает эксплуатационные характеристики подшипника.Summing up the known experience, including the experience of using the known bearing, they use coatings that improve any one property of the bearing - somehow anti-friction, heat-resistant, wear-resistant, etc. Thus, the known coated bearing does not comprehensively improve the performance of the bearing.

Обобщая отметим, что подшипники с покрытиями, которые бы комплексно улучшали их эксплуатационные характеристики, не выявлены.Summarizing, we note that bearings with coatings that would comprehensively improve their operational characteristics have not been identified.

В основу настоящего изобретения положена техническая задача комплексного улучшения функциональных свойств подшипников качения.The present invention is based on the technical task of comprehensively improving the functional properties of rolling bearings.

Предлагаемый подшипник свободен от указанных недостатков известного подшипника. В нем использованы известные достоинства эмалевых покрытий, позволяющие продлить срок эксплуатации подшипниковых изделий. Эмаль обеспечивает антикоррозионное и электроизолирующее покрытие; при нанесении на поверхность металлического изделия хорошо заполняет микротрещины и поры. Существенно, что при нанесении на элементы подшипников эмали обеспечивается покрытие, устойчивое к трению, коррозии, высоким температурам, блуждающим токам даже при относительно низком качестве поверхности металла. Важно, что наряду с отмеченными достоинствами эмалевое покрытие применимо ко всем типоразмерам подшипников качения.The proposed bearing is free from these disadvantages of the known bearing. It uses the well-known advantages of enamel coatings that extend the life of bearing products. Enamel provides an anticorrosive and electrically insulating coating; when applied to the surface of a metal product, it fills microcracks and pores well. It is significant that when enamel is applied to bearing elements, a coating is provided that is resistant to friction, corrosion, high temperatures, stray currents even with a relatively low quality of the metal surface. It is important that, along with the noted advantages, enamel coating is applicable to all standard sizes of rolling bearings.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в известном подшипнике качения, содержащем внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, согласно изобретению внутреннее кольцо и наружное кольцо оппозитно расположенных поверхностей покрыты эмалью, выполненной толщиной 20 мкм-100 мкм из силикатного порошка с фракциями от 5 мкм до 15 мкм.The above technical results are achieved due to the fact that in the known rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring and rolling bodies, according to the invention, the inner ring and the outer ring of opposed surfaces are coated with enamel made of a thickness of 20 μm-100 μm of silicate powder with fractions of 5 microns to 15 microns.

В указанном диапазоне толщин эмаль при ударах пластически деформируется вместе с металлом, сохраняя защитные свойства. При толщине более 100 мкм слой эмали после многократных ударов может откалываться, поэтому не рекомендуется в настоящем техническом решении.In the specified range of thicknesses, the enamel is plastically deformed together with the metal upon impact, while maintaining protective properties. With a thickness of more than 100 microns, the enamel layer after multiple impacts may break off, therefore it is not recommended in this technical solution.

При изготовлении настоящего подшипника учитывают необходимость наличия зазора между телами качения (шариками или роликами) и дорожками качения. Величину зазора назначают с учетом реализуемого слоя эмалевого покрытия, толщина которого будет определена размером подшипника, качеством металла и состоянием (уровнем) обработки поверхности.In the manufacture of this bearing take into account the need for a gap between the rolling elements (balls or rollers) and raceways. The clearance value is assigned taking into account the enamel coating layer being sold, the thickness of which will be determined by the size of the bearing, the quality of the metal and the state (level) of surface treatment.

При нанесении эмалевого покрытия на рабочие поверхности металлических подшипников их себестоимость возрастает не более чем на 5%. К тому же это покрытие в 2-3 раза дешевле керамического.When applying an enamel coating on the working surfaces of metal bearings, their cost increases by no more than 5%. In addition, this coating is 2-3 times cheaper than ceramic.

Эмалирование дорожек качения подшипников не требует последующей термической обработки (закаливания).Enameling raceways of bearings does not require subsequent heat treatment (hardening).

Эмалевое покрытие реализуют следующим образом.Enamel coating is implemented as follows.

Перед сборкой подшипника на элементы подшипника наносят эмалевое покрытие. Эмалевое покрытие относится к составам силикатных эмалей, предназначенных для нанесения на стальные изделия для защиты от воздействия агрессивных сред, как антикоррозионное покрытие, с фракциями от 5 мкм до 15 мкм. Покрытие отличается высокой термической, химической и абразивной стойкостью, после обжига изделия покрытие заполняет микротрещины размером до 0,01 мкм на поверхности дорожек качения и колец подшипника, надежно работает при температурах от -60°С до +650°С.Before assembling the bearing, enamel coating is applied to the bearing elements. Enamel coating refers to compositions of silicate enamels intended for application to steel products to protect against aggressive environments, such as an anti-corrosion coating, with fractions from 5 microns to 15 microns. The coating is characterized by high thermal, chemical and abrasion resistance, after firing the product, the coating fills microcracks up to 0.01 μm in size on the surface of raceways and bearing rings, reliably works at temperatures from -60 ° C to + 650 ° C.

Существует несколько способов нанесения эмали на металлическую поверхность. Выбор соответствующего способа определяется как типом материала, конструкцией и требованиями к эмалированной поверхности, так и экономическими соображениями.There are several ways to apply enamel on a metal surface. The choice of the appropriate method is determined by both the type of material, the design and requirements for the enameled surface, and economic considerations.

При наружном диаметре подшипника до 150 мм рекомендуется электростатический метод нанесения.With an outer diameter of the bearing up to 150 mm, the electrostatic application method is recommended.

При электростатическом способе нанесения эмалевого покрытия изделие вводят в электростатическое поле. При использовании этого метода отходы очень малы, производительность высока. Шликер для нанесения эмали мокрым способом получают измельчением эмалевой фритты вместе с глиной и добавками, выбор которых определяется видом эмали. После нанесения шликера осуществляют сушку при комнатной температуре до полного испарения воды в течение порядка 25-ти минут. Затем производится однократный обжиг в муфельной печи при температуре 780°С-830°С в течение 2-6 минут, в зависимости от толщины эмалевого покрытия. Толщину эмалевого слоя варьируют в зависимости от назначения, типоразмера и качества (класса точности) металла подшипников от 20 мкм до 100 мкм. После обжига осуществляют охлаждение при комнатной температуре с последующими шлифованием и полированием.With the electrostatic method of applying enamel coating, the product is introduced into the electrostatic field. When using this method, the waste is very small, the productivity is high. Wet slip enamel is obtained by grinding enamel frit together with clay and additives, the choice of which is determined by the type of enamel. After applying the slip, drying is carried out at room temperature until the water evaporates completely for about 25 minutes. Then, a single firing is performed in a muffle furnace at a temperature of 780 ° C-830 ° C for 2-6 minutes, depending on the thickness of the enamel coating. The thickness of the enamel layer varies depending on the purpose, size and quality (accuracy class) of the bearing metal from 20 microns to 100 microns. After firing, cooling is carried out at room temperature, followed by grinding and polishing.

При наружном диаметре подшипника более 150 мм рекомендуется плазменный способ нанесения покрытия.If the outer diameter of the bearing is more than 150 mm, a plasma coating method is recommended.

Пример 1. На обезжиренные поверхности наружного и внутреннего колец, а также дорожек качения подшипника 6020 (маркировка ISO (аналог ГОСТ - 120)) с внутренним размером 100 мм, внешним размером 150 мм и шириной 24 мм, массой 1,27 кг с нормальным классом точности по ГОСТ 520-2002 с учтенным при проектировании зазором между телами качения и дорожками качения, который увеличится вследствие слоя эмалевого покрытия, электростатическим способом наносят шликер, полученный измельчением фритты силикатной эмали (по патенту SU1615159) с фракцией 5-15 мкм вместе с глиной и добавками (нитрит натрия, глина, вода), толщиной до 50 мкм. После нанесения шликера осуществляют сушку при комнатной температуре до полного испарения воды в течение 25-ти минут. После чего производится однократный обжиг в муфельной печи при температуре 820°С в течение 3-х минут; охлаждение при комнатной температуре, шлифование и полирование.Example 1. On the defatted surfaces of the outer and inner rings, as well as the raceways of bearing 6020 (ISO marking (analogue to GOST - 120)) with an internal size of 100 mm, an external size of 150 mm and a width of 24 mm, weight 1.27 kg with a normal class accuracy according to GOST 520-2002 with the gap between the rolling elements and raceways taken into account when designing, which will increase due to the enamel coating layer, the slip obtained by grinding the frit of silicate enamel (according to patent SU1615159) with a fraction of 5-15 microns together with clay and additives (sodium nitrite, clay, water), up to 50 microns thick. After applying the slip, drying is carried out at room temperature until the water has completely evaporated within 25 minutes. After that, a single firing is performed in a muffle furnace at a temperature of 820 ° C for 3 minutes; cooling at room temperature, grinding and polishing.

Пример 2. На подготовленную обезжиренную поверхность дорожек качения подшипника 30031/1060 (по ГОСТ) с внутренним размером 1060 мм, внешним размером 1500 мм и шириной 325 мм с учтенным при проектировании зазором между телами качения и дорожками качения, который увеличится вследствие слоя эмалевого покрытия, плазменным напылением наносится силикатная эмаль (по патенту SU 1615159) с фракцией 5-15 мкм толщиной до 80 мкм. После охлаждения при комнатной температуре в течение 30 минут производят шлифование и полирование поверхности напыления.Example 2. On the prepared fat-free surface of the raceways of the bearing 30031/1060 (according to GOST) with an internal dimension of 1060 mm, an external dimension of 1500 mm and a width of 325 mm, with the design clearance taken into account between the rolling elements and raceways, which will increase due to the enamel coating layer, silicate enamel (according to patent SU 1615159) with a fraction of 5-15 microns with a thickness of up to 80 microns is applied by plasma spraying. After cooling at room temperature for 30 minutes, grinding and polishing of the spraying surface is carried out.

Claims (1)

Подшипник качения, содержащий внутреннее кольцо, наружное кольцо и тела качения, отличающийся тем, что внутреннее кольцо и наружное кольцо оппозитно расположенных поверхностей покрыты эмалью, выполненной толщиной 20-100 мкм из силикатного порошка с фракциями от 5 до 15 мкм.A rolling bearing comprising an inner ring, an outer ring and rolling bodies, characterized in that the inner ring and the outer ring of the opposed surfaces are coated with enamel made of a thickness of 20-100 μm from silicate powder with fractions from 5 to 15 μm.