Подшипниковые узлы, работающие в вакууме

Главная / Технологии / Подшипники в вакууме

       В современном разнообразие вакуумной техники и технологий очень часто встречается необходимость организации вращающихся узлов, для которых требуются подшипниковые опоры, способные функционировать в условиях технологического процесса. Поэтому к подшипникам предъявляется ряд специфических требований:

  • отсутствие или малые потоки газовыделения, что делает невозможным использование подшипников с классическими смазочными материалами -  жидкими маслами или пластичными смазками;

  • сохранение работоспособности при высоких рабочих температурах в отсутствии возможности принудительного отвода тепла от подшипников;

  • обеспечение длительного ресурса при заданных нагрузках;

  • низкий коэффициент трения;

  • низкий поток частиц износа рабочих поверхностей подшипника.

         Для обеспечения требуемых условий работы подшипников используются твердые смазочные материалы. Наибольшее распространение получили дисульфид молибдена, фторопласт, графит, а также композиции на базе этих материалов. В качестве твердых смазочных материалов применяют также металлические покрытия серебром, свинцом, никелем, сплавом серебро-свинец. Наилучшие характеристики показывают покрытия на основе дисульфида молибдена.

    Одним из путей создания высокотемпературных подшипников качения без смазки является использование самосмазывающихся сепараторов. Разрабатывались [2] отечественные композиции на основе фторопласта с наполнителями марок МС-13 (медь с дисульфидом молибдена), металлополимерные материалы на основе капрона с дисульфидом молибдена. Были получены и исследованы материалы на основе фторопласта-4: металлофторопласт марки ФН-202, содержащий никель и дисульфид молибдена; графитофторопласт марки АФГ-80ВС, содержащий графит; группа материалов АМАН на основе арилатов с высоким содержанием дисульфида молибдена (АМАН-6, АМАН-24, ТЕСАН-2); бронзовая металлокерамика ВАМК-23 с дисульфидом молибдена. Из этих материалов изготавливались сепараторы шариковых подшипников качения. Такие подшипники показывали высокую долговечность при работе в вакууме и температурах до 300.

         Сейчас высокотемпературные вакуумноплотные сухие подшипники представлены только импортными производителями, отечественные же подшипники если и выпускаются, то только мелкими сериями для внутренних нужд авиационной и космической промышленности, приобрести которые на массовом рынке возможности не имеется. Так фирма Koyo/Jtekt (Япония) представляет [3] целый ряд сухих подшипников для применения в вакууме в различных исполнениях и типоразмерах - электроизоляционные (с керамическими телами вращения), диамагнитные, с низким потоком частиц износа (для чистых процессов), стойкие к коррозии в различных средах, высокотемпературные, а также комбинированные исполнения. Смазывание подшипников фирмы Koyo организованно различными способами - применение самосмазывающихся сепараторов, напыление покрытий на тела качения и поверхности колец. Фирма NSK (Япония) также представляет [4] серию подшипников SPACEA для использования в условиях вакуума и высоких температур. На рис. 1 представлены конструкции двух типов подшипников - с самосмазывающимся сепаратором (self-lubricating cage) и "разграничительными проставками" (spacer joints).

       На поверхностях сепаратора или проставок нанесено покрытие на основе дисульфида молибдена. Кольца и тела качения сделаны из нержавеющей стали. Подшипники способны работать при давлениях до 10E-10 Па, при температурах до 350, имеют низкие потоки газовыделения и частиц износа. Стоимость подобных импортных подшипников 607 типоразмера (7 мм и 19 мм - внутренний и внешний диаметр соответственно) составляет 12-18 тыс. руб (по ценам 2010 года).

         Технология изготовления любого подшипника качения отличается множеством операций обработки, в числе которых большое количество чистовых высокоточных операций. Для уменьшения себестоимости, выпуск подшипников организуется большими сериями с автоматизацией процессов обработки деталей. Вакуумные подшипники не пользуются таким спросом, как обычные подшипники, и организация поточной линии под их особенности изготовления не целесообразна. Поэтому такие подшипники, как результат "ручной" работы, имеют высокую стоимость.

Рис. 1. Конструкции подшипников NSK SPACEA.

          В стремлении уменьшения стоимости высокотемпературных сухих подшипников, способных работать в вакууме, появились технологии модификации поверхностей обычных подшипников качения. Такая модификация путем нанесения покрытий из материалов, обладающих требуемыми свойствами, превращает подшипник в товар с добавленной стоимостью. Некоторые покрытия наносятся очень тонкими слоями, иногда в несколько микрон, что позволяет использовать стандартные подшипники без необходимости дорогостоящей переналадки оборудования для изменения допусков. Для сравнения стоимость подшипника 607 типоразмера из обычной подшипниковой стали составляет порядка 50 руб., против 15 тыс. за вакуумный подшипник. Фирма SKF [5] вывела на рынок ряд продуктов под марками NoWear и INSOCOAT. Торговая марка SKF INSOCOAT была присвоена подшипникам с электроизолирующим покрытием Al2O3, наносимым плазменным газотермическим методом. Другая марка SKF NoWear представляет покрытия на основе MoS2, полученные ионно-плазменными методами.

        На сегодняшний день применение сухих подшипников, способных работать в условиях вакуума и высоких температур, очень велико и активно растет спрос на них. Такие подшипники используются в вакуумных установках и устройствах различного назначения: вакуумные печи, напылительные установки, установки по выращиванию полупроводниковых структур, безмасляные вакуумные насосы, рентгеновские трубки и пр.

            Существуют различные технологии получения покрытий на основе дисульфида молибдена:

  • Шаржирование [6];

  • Импульсно-динамический метод нанесения [7];

  • Газофазное химическое осаждение [8];

  • Вакуумное ионно-плазменное напыление [9] 

      Показано [10], что триботехнические покрытия на основе MoS2 , полученные ионно-плазменными методами обладают наилучшими характеристиками, по сравнению с другими методами нанесения. В табл. 1 представлены сравнительные характеристики узлов трения с покрытиями на основе MoS2 , полученные различными методами.  

Таблица 1 - Сравнительные характеристики узлов трения с покрытиями

                      на основе MoS2, полученные различными методами

         Кроме указанных в табл. 1 преимуществ покрытие на основе MoS2, полученное ионно-плазменным нанесением не разлагается при облучении электронами и ионами, а его антифрикционные свойства даже улучшаются, что позволяет использовать его в электрофизическом и вакуумном технологическом оборудовании. Такие покрытия имеют низкий коэффициент трения покоя (стоп - эффект), что позволяет его использовать в механизмах с высокой точностью и плавностью перемещения. Отсутствие в спектре газовыделения (даже при 973 C) серосодержащих соединений - SO2, H2S, CS2, и малый поток продуктов износа позволяет использовать покрытия при проведении сверхвысоковакуумных "чистых" технологических процессах.  

       Компания PVS предлагает Вакуумную установку PVS MoS2 - D1/130-01 для напыления триботехнических покрытий на основе дисульфида молибдена на детали узлов вращения. Установка предназначена для напыления многослойных антифрикционных покрытий на исследовательские образцы или детали узлов вращения. Установка оснащена следующими технологическими устройствами:

  • Ионным источником (типа УЗДУ), предназначенным для финишной очистки напыляемых поверхностей и ионного ассистирования в процессе роста тонких пленок;

  • Дуальной ВЧ магнетронной распылительной системой (МРС) для распыления мишени из дисульфида молибдена;

  • МРС постоянного тока для реактивного напыления износостойких слоев. 

        Технологические возможности установки позволяют формировать многослойные покрытия дисульфида молибдена и промежуточных слоев износостойких материалов - оксидов, карбидов, нитридов, боридов металлов. Безмаслянная вакуумная откачная система позволяет обеспечить чистоту процесса и высокое качество выходной продукции. Технологический цикл полностью автоматизирован и имеет возможность самостоятельного задания циклограммы процесса для управляемого напыления Вашего индивидуального покрытия.

Рис. 2. Вакуумная установка
PVS MoS2 - D1/130-01

     Рассмотрена зависимость себестоимости подшипника от числа изделий в обрабатываемой партии на примере однорядного радиального шарикового подшипника 607, соответствующего отечественному аналогу 17 ГОСТ 8338-75. Его рыночная стоимость от 15 руб. за отечественный и до 150 руб. за импортный. Себестоимость подшипника качения после модификации поверхностей его деталей складывается из его первичной стоимости до обработки, и добавленной стоимости, связанной с затратами на проведения процесса. В табл. 2 представлены себестоимости подшипников для различных обрабатываемых партий при производственной загрузке вакуумной установки в 50 процессов/год.

Таблица 2 - Себестоимость модифицированного 607 подшипника

       Экономический анализ технологии показывает, что полученные себестоимости на модифицированный подшипник существенно ниже цен аналогичных подшипников, что делает технологию конкурентоспособной. Особенно эффективно использование таких технологий на подшипниковых заводах, поскольку в этом случае первичная цена в себестоимости конечного товара будет минимальной. Рассчитанные минимальные годовые объемы проведения процессов, показывают, что технология очень перспективная с точки зрения экономической выгоды - она позволяет создать безубыточное производство при достаточно разгруженном рабочем графике. Так, при возможности проведения в год до 100 процессов достаточно всего 30 процессов модификации 607 подшипника при загрузке 10 подшипников в обрабатываемую партию и при реализации их по 5 000 руб./шт., чтобы покрыть годовые затраты на содержание производства. Большее число процессов будет приносить прибыль. Возможно создание дифференциального ценообразования на подшипник, в зависимости от объема загрузочной партии, - т.е. чем больше число подшипников в обрабатываемой партии, тем меньше его цена. Такой подход повысит рыночную привлекательность как технологии, так и конечного продукта.

Список использованной литературы

1. Подшипники качения: Справочник - каталог / Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. М.: Машиностроение, 1984, 280 с.

2. Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения. Л.: Машиностроение, 1979,  224 с.

3. Проспект фирмы Koyo/Jtekt (Япония)  - Ceramic bearings and EXSEV bearings for extreme special environment. - Cat. no. B2004E.

4. Проспект фирмы NSK (Япония) - SPACEA bearings, balls screws and NSK linear guides, for special environments. - Cat. no. E1258b.

5. Статья "Технология модификации поверхности подшипников"// Журнал Evolution (SKF). - 29 февраля 2008.

6. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963, 243 с.

7. Арзыматов Б.М. Технология нанесения твердосмазочных покрытий на деталях вакуумных подшипников импульсно-динамическим методом// Интернет ресурс Российского научно-технического Вакуумного Общества (РВО) http://www.rvs.itsoft.ru/.

8. Способ нанесения молибденового покрытия на металлические порошки [Текст]: пат. 2425909 Рос. Федерация: МПК С23С 16/16 / Козырева Л.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная академия». №2010118674/02; заявл. 11.05.2010.; опубл. 10.08.2011. Бюл. №22. – 4 с.

9. Сыркин В.Г. CVD-метод. Химическая парофазная металлизация. М.: Наука, 2000, 496 с.

10. Панфилов Ю.В., Беликов А.И. Тонкопленочные антифрикционные покрытия на основе // Труды научно-технического семинара "Электровакуумная техника и технология" Том 2. - 2003. - C. 72-79.

© 2016 ООО "ПИ ВИ ЭС" / PVS LLC

www.plasma-vacuum.com

Plasma &

Vacuum

Systems

  • LinkedIn - White Circle
  • Facebook - White Circle
  • Vkontakte - White Circle
  • Google+ - White Circle
  • YouTube - White Circle