專利名稱：一種整體梯度自潤滑軸承及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自潤滑軸承領(lǐng)域，特別提供了一種整體梯度自潤滑軸承及其制造方法。
背景技術(shù)：
軸承是工業(yè)中使用極為普遍又十分關(guān)鍵的一類零件，被譽為機器的“關(guān)節(jié)”。隨著機械儀器設(shè)備向精密化、微型化、長壽命、高性能化方向的發(fā)展，以及用于高溫、高速、重載、真空、要求無油潤滑等復(fù)雜和惡劣工況條件下，使得目前使用的傳統(tǒng)外注油潤滑軸承和普通自潤滑軸承已難以滿足要求。
于是人們開發(fā)出了一系列新型的自潤滑無油軸承(1)金屬基鑲嵌式固體自潤滑軸承是由金屬基體承受載荷，在基體上打孔鑲嵌入固體潤滑材料起潤滑作用，其不足之處在于金屬軸套需要打孔，對微型軸套加工難度大；潤滑劑為機械填充，工作時不易形成完整的潤滑面[張國興.現(xiàn)代滑動軸承的復(fù)合材料.機械工程師，2005，9114～115]。
(2)雙金屬軸承是以優(yōu)質(zhì)低碳鋼背為基體，表面燒結(jié)鉛錫青銅合金，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)和軋制而成銅、鋼一體的雙金屬板帶材，再將制得的雙金屬板卷制、焊接而成套圈。該方法的不足之處在于制造工藝復(fù)雜，套圈的組織、性能難以滿足使用要求[金卓仁等.梯度自潤滑滑動軸承的研制.機械工程學(xué)報，2001，37(3)81～84]。
(3)英國格拉西亞公司研制的三層復(fù)合軸承是把多孔青銅粉燒結(jié)在鋼基體(鋼背)上，將聚四氟乙烯和鉛的混合物浸透在青銅孔隙中作為潤滑劑。由于在工作時有鉛的粉末和氣體逸出，存在著對環(huán)境產(chǎn)生污染等問題[韓鳳麟，賈成廠.燒結(jié)金屬含油軸承.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004]。
(4)寧莉萍等設(shè)計和研究了層狀梯度自潤滑復(fù)合材料，由潤滑膜、自潤滑耐磨層、潤滑過渡層、連接層、電鍍層、承壓層及保護層等構(gòu)成，經(jīng)數(shù)次高溫?zé)Y(jié)和軋制而成。其工藝比上述雙金屬軸承更為復(fù)雜，而且存在著與雙金屬軸承相同的組織性能方面的問題，且不適用微型套圈的制造[寧莉萍等.梯度自潤滑復(fù)合材料在不同滑動摩擦下的摩擦學(xué)特性.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2004，22(2)289～291]。
(5)金卓仁等設(shè)計了整體燒結(jié)梯度自潤滑軸承，它通過向Fe基體粉末中添加PbCO3粉末，采用層鋪法形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布，通過燒結(jié)在基體形成空隙的梯度分布，向空隙浸漬固體潤滑劑維持軸承的自潤滑狀態(tài)。這種工藝的不足在于層鋪法效率太低，而且PbO的存在和燒結(jié)時氣體的逸出，不利于環(huán)保[金卓仁等.梯度自潤滑滑動軸承的研制.機械工程學(xué)報，2001，37(3)81～84]。
綜上所述，高承載低摩擦的自潤滑軸承應(yīng)用廣闊，是研制開發(fā)的熱點，但是目前存在著制造工藝繁瑣，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能難以滿足使用要求、不適合于微型自潤滑軸承制造等問題。因此，研究開發(fā)新型的高強度、低摩擦、長壽命整體梯度自潤滑軸承及其制造方法具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種整體梯度自潤滑軸承及其制造方法，采用高強度的金屬材料作為承壓層，由低摩擦系數(shù)固體潤滑劑和質(zhì)地軟、延展性好的金屬構(gòu)成的金屬基復(fù)合材料作為固體潤滑層，承壓層材料和固體潤滑層材料按一定比例混合而構(gòu)成的復(fù)合材料作為中間過渡層，開發(fā)比傳統(tǒng)的自潤滑軸承具有更高強度、更好減摩性以及更優(yōu)良的綜合性能的梯度自潤滑軸承，并開發(fā)特別適用于微型自潤滑軸承的制造方法。
本發(fā)明的整體梯度自潤滑軸承由由承壓層、潤滑層、中間過渡層組成。承壓層由碳素鋼、不銹鋼、軸承鋼等中的至少一種金屬材料組成；潤滑層的組成為以青銅、黃銅等中的至少一種金屬材料作為基體，以二硫化鉬、二硫化鎢、金屬錫、石墨等中的至少一種材料作為固體潤滑劑，將基體材料和固體潤滑劑混合構(gòu)成潤滑層；中間過渡層由承壓層材料和固體潤滑層材料按一定比例混合構(gòu)成。
本發(fā)明所述的承壓層所選用原材料可以是碳素鋼、不銹鋼、軸承鋼等中的至少一種金屬粉末，也可以是碳鋼、不銹鋼、軸承鋼等金屬的棒材或管材。
本發(fā)明所述的固體潤滑層基體所選用原材料是青銅、黃銅等中的至少一種金屬粉末，固體潤滑劑所選用原材料是二硫化鉬、二硫化鎢、金屬錫、石墨等中的至少一種粉末材料。
本發(fā)明所述的中間過渡層所選用原材料包括承壓層材料的粉末和固體潤滑層材料的粉末。
本發(fā)明采用多坯料擠壓技術(shù)一次成形具有3～5層梯度結(jié)構(gòu)的自潤滑軸承坯料。多坯料擠壓技術(shù)的基本原理如附圖1和附圖2所示，在擠壓筒1中開設(shè)3個或3個以上坯料孔2(圖1中所示為3個坯料孔的情形、圖2中所示為帶芯棒5的4個坯料孔的情形)，在各坯孔中放入不同成分的預(yù)擠壓坯(如圖1中的A、B、C，圖2中的A、B、C、D)，在一定溫度范圍內(nèi)(取決于多組元粘結(jié)劑的熔點)對其同時進行擠壓。特殊結(jié)構(gòu)的擠壓模3控制坯料的流動，不同成分的坯料最終在焊合腔4中焊合成一體被擠出，獲得多層梯度材料。各坯層間的結(jié)合強度由粘結(jié)劑保證，梯度坯體的層數(shù)由坯料孔的數(shù)量相應(yīng)地決定。各坯層間的厚度、直徑由擠壓模3的結(jié)構(gòu)與尺寸出口決定。采用多坯料擠壓技術(shù)能精確控制各層中材料成分的含量，可根據(jù)要求調(diào)整組分達到緩和熱應(yīng)力，提高層間材料結(jié)合強度等目的。
本發(fā)明的材料配比以體積百分比(下同)表示承壓層中金屬材料100％；固體潤滑層中基體材料99～0％，固體潤滑劑1～100％；過渡層中固體潤滑劑1～50％，固體潤滑層基體材料98～0％，承壓層金屬粉末1～50％。所選材料粉末的粒徑為0.01～500μm。
本發(fā)明所述整體梯度自潤滑軸承的制造工藝如下1、依照設(shè)計的成分比例配制各層混合粉末(以體積百分比表示)。承壓層中金屬材料100％或者直接采用金屬的棒材或管材；固體潤滑層中基體材料99～0％，固體潤滑劑1～100％；過渡層中固體潤滑劑1～50％，固體潤滑層基體材料98～0％，承壓層金屬粉末1～50％。
2、采用粉末冶金工藝，在混合粉末中加入粘結(jié)劑，混煉成粉末粘性體?；旌戏勰?0～99.9wt％，粘結(jié)劑10～0.1wt％。粘結(jié)劑由粉末狀水溶性羥炳基甲基纖維素HPMC(含量0.5～20wt％)和去離子水(含量99.5～80wt％)組成?；旌铣煞勰┱承泽w后用保鮮膜密封包扎，在室溫保存10～40h。
3、按照擠壓筒的尺寸對粉末粘性體進行預(yù)擠壓，一是為了獲得合適尺寸的預(yù)擠壓坯料；二是為了排除坯體內(nèi)的殘留氣體，提高坯體密度。
4、采用多坯料擠壓技術(shù)制備3～5層復(fù)合坯料。把各層的預(yù)擠壓坯料放入模具的擠壓筒內(nèi)，把模具裝配好，放在預(yù)制好的支座上進行擠壓。擠壓速度1～20mm/min，擠壓力為1～10kN，可連續(xù)得到各層包覆均勻的復(fù)合坯料，各層厚度由模孔的大小決定，其長度由擠壓筒內(nèi)的坯料的多少控制。
5、把擠壓出的3～5層復(fù)合坯料放在避光處陰干12～48h。
6、把干燥后的復(fù)合坯料放入加熱爐中在氫氣(或其他還原性氣體)氣氛下脫脂燒結(jié)以2～10℃/min的速度由室溫上升到200～300℃，以1～8℃/min的速度上升到350～400℃，然后保溫10～60min，以5～20℃/min的速度上升到900～1000℃，以1～15℃/min的速度上升到燒結(jié)溫度1030～1080℃，保溫1～3h，隨后隨爐冷卻到室溫，再關(guān)掉保護氣體。
7、燒結(jié)后的制品經(jīng)車削、精磨就可加工成整體梯度自潤滑軸承套圈。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、這種軸承的粉末成形坯密度不存在傳統(tǒng)鋪粉壓制的密度不均問題(離壓頭近的密度大，遠的密度小)，粉末成形坯密度均勻，而且長度不受限制，各層的厚度可以嚴格按照設(shè)計?？诘某叽绯尚?。
2、燒結(jié)后制品的最薄梯度層可到達0.10mm，可以滿足微型軸承套圈壁厚的梯度分層，是其他的制造方法無法實現(xiàn)的。
3、固體潤滑層的青銅、二硫化鉬等起到自潤滑作用；承壓層的金屬材料起到提高強度，提升承壓力的作用；中間過渡層材料由內(nèi)外兩層材料混合構(gòu)成，且可按要求調(diào)整，起到緩解熱應(yīng)力作用，克服了傳統(tǒng)雙金屬軸承由于內(nèi)外兩層因熱膨脹系數(shù)的差異而引起表面層脫落等缺點，充分發(fā)揮材料的整體性能。
4、這種軸承的徑向壓潰強度可大于948MPa，摩擦系數(shù)低于0.31，磨損率小于5.3×10-9m/(N·m)，與同類的金屬基固體自潤滑材料相比，其潤滑效果、使用壽命和整體力學(xué)性能等都得到了顯著提高。
5、這種軸承特別適合于高溫、重載荷、無油(或難以加油)、沖擊載荷、往復(fù)運動、防污、防蝕、強輻射，以及在水中或其他溶液浸潤而根本無法加油等工況條件下使用。廣泛應(yīng)用于交通工具、冶金、礦山、機械、船舶、醫(yī)療、微電機、航空航天、國防軍工以及民用生活等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的不帶芯棒的多坯料擠壓技術(shù)原理示意圖。其中擠壓筒1中可開設(shè)3～5個坯料孔2，擠壓模3和焊合腔4。各層材料預(yù)擠壓坯A、B、C。
圖2是本發(fā)明的帶芯棒5的多坯料擠壓技術(shù)原理示意圖。其中擠壓筒1中可開設(shè)2～4個坯料孔2，擠壓模3和焊合腔4。各層材料預(yù)擠壓坯A、B、C、D。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行具體描述，有必要在此指出的是本實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
實施例1材料配比以體積百分比表示承壓層中不銹鋼100％；固體潤滑層中二硫化鉬10％、錫青銅90％；過渡層中二硫化鉬8％、錫青銅60％、不銹鋼32％。二硫化鉬粉末的粒徑為3～5μm，錫青銅粉末的粒徑為30～40μm，不銹鋼粉末的粒徑為8～12μm。各層粉末按比例混合均勻后，加入粘結(jié)劑(混合粉末95wt％、粘結(jié)劑5wt％)。粘結(jié)劑由HPMC(含量10wt％)和去離子水(含量90wt％)組成?；旌铣煞勰┱承泽w后用保鮮膜密封包扎，在室溫保存10～24h。按照擠壓筒的尺寸將粉末粘性體制成預(yù)擠壓坯。把各層的預(yù)擠壓坯料放入模具的擠壓筒內(nèi)進行擠壓成形，可連續(xù)得到各層包覆均勻的3層復(fù)合棒坯。把3層復(fù)合棒坯放在避光處陰干20～30h。在氫氣氣氛的管式爐中進行燒結(jié)，由室溫上升到350～380℃，并保溫20～50min，然后上升到燒結(jié)溫度1040～1080℃，保溫2～3h。隨后隨爐冷卻到室溫，再關(guān)掉保護氣體。
實施例2材料配比以體積百分比表示承壓層不銹鋼100％；固體潤滑層中二硫化鉬15％、錫青銅85％；過渡層中二硫化鉬6％，錫青銅54％、不銹鋼40％。二硫化鉬粉末的粒徑為3～5μm，錫青銅粉末的粒徑為30～40μm，不銹鋼粉末的粒徑為8～12μm；承壓層直接采用不銹鋼棒材。固體潤滑層和過渡層粉末按比例混合均勻后，加入粘結(jié)劑(混合粉末97wt％、粘結(jié)劑3wt％)。粘結(jié)劑由HPMC(含量8wt％)和去離子水(含量92wt％)組成?；旌铣煞勰┱承泽w后用保鮮膜密封包扎，在室溫保存10～32h，按照擠壓筒的尺寸將粉末粘性體制成預(yù)擠壓坯。把承壓層的不銹鋼棒材以及固體潤滑層和過渡層的預(yù)擠壓坯料放入模具的擠壓筒內(nèi)進行擠壓成形，可連續(xù)得到各層包覆均勻的3層復(fù)合棒坯。把3層復(fù)合棒坯放在避光處陰干20～40h，然后在氫氣氣氛的管式爐中進行燒結(jié)，由室溫上升到350～380℃，并保溫30～60min，然后上升到燒結(jié)溫度1040～1080℃，保溫1.5～2.5h。隨后隨爐冷卻到室溫，再關(guān)掉保護氣體。
對上述實施實例所燒結(jié)制品作性能測試采用阿基米德排水法測密度，然后計算致密度(測試方法依照GB/T10421-2002進行)。
徑向壓潰強度測試在RG3000A微機控制電子萬能試驗機上進行(測試方法依照GB/T6804-2002進行)。
在型號為HXD-1000T的維氏硬度儀上測量材料的維氏硬度，采用200N載荷，保壓15s。
材料的摩擦磨損試驗采用德國Optimol公司生產(chǎn)的SRV高溫摩擦磨損試驗機。摩擦副為直徑15mm、長度22mm的GCr15圓棒，采用870℃油脆、180℃回火2h的熱處理工藝，硬度為55～60HRC。
試驗樣品為上述實施例中所燒結(jié)的外徑3.2mm、長度23mm的復(fù)合棒材。在溫度20℃、載荷200N、沖程1mm、頻率50Hz的試驗條件下作干摩擦往復(fù)運動，速度為0.05m/s，摩擦?xí)r間為20min。在1712MP8型精確度為萬分之一電子分析天平上稱出樣品摩擦前后的質(zhì)量，求得磨損率。
試驗結(jié)果如下表

權(quán)利要求
1.一種整體梯度自潤滑軸承，由承壓層、潤滑層、中間過渡層組成，其特征在于，承壓層由碳素鋼、不銹鋼、軸承鋼中的至少一種金屬材料構(gòu)成，潤滑層由固體潤滑層基體材料和固體潤滑劑混合構(gòu)成，固體潤滑層基體由青銅、黃銅中的至少一種金屬材料構(gòu)成，固體潤滑劑由二硫化鉬、二硫化鎢、金屬錫、石墨中的至少一種材料構(gòu)成，將固體潤滑層基體材料和固體潤滑劑混合構(gòu)成固體潤滑層，中間過渡層由承壓層材料和固體潤滑層材料按比例混合構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的自潤滑軸承，其特征在于，承壓層中金屬材料100％；固體潤滑層中基體材料99～0％，固體潤滑劑1～100％；過渡層中固體潤滑劑1～50％，固體潤滑層基體材料98～0％，承壓層金屬粉末1～50％；材料配比均為體積百分比；粉末的粒徑為0.01～500μm。
3.按照權(quán)利要求1所述的自潤滑軸承，其特征在于，承壓層為金屬的棒材或管材。
4.一種制造權(quán)利要求1所述整體梯度自潤滑軸承的方法，其特征在于，制造工藝為(1)依照設(shè)計的成分比例配制各層混合粉末，承壓層中金屬粉末100％或者直接采用金屬的棒材或管材；固體潤滑層中基體材料99～0％，固體潤滑劑1～100％；過渡層中固體潤滑劑1～50％，固體潤滑層基體材料98～0％，承壓層金屬粉末1～50％；(2)采用粉末冶金工藝，在混合粉末中加入粘結(jié)劑，混煉成粉末粘性體；混合粉末90～99.9wt％，粘結(jié)劑10～0.1wt％；粘結(jié)劑由粉末狀水溶性羥炳基甲基纖維素含量0.5～20wt％和去離子水含量99.5～80wt％組成；混合成粉末粘性體后用保鮮膜密封包扎，在室溫保存10～40h；(3)按照擠壓筒的尺寸對粉末粘性體進行預(yù)擠壓；(4)采用多坯料擠壓技術(shù)制備3～5層復(fù)合坯料，把各層的預(yù)擠壓坯料放入模具的擠壓筒內(nèi)，把模具裝配好，放在預(yù)制好的支座上進行擠壓成形，得到各層包覆均勻的復(fù)合坯料；(5)把擠壓出的3～5層復(fù)合坯料放在避光處陰干12～48h；(6)把干燥后的復(fù)合坯料放入加熱爐中在氫氣或其他還原性氣體氣氛下脫脂燒結(jié)；(7)燒結(jié)后的制品經(jīng)車削、精磨加工成整體梯度自潤滑軸承套圈。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，脫脂燒結(jié)工藝為由室溫上升到350～400℃，并保溫10～60min，然后上升到燒結(jié)溫度1030～1080℃，保溫1～3h，隨后隨爐冷卻到室溫，再關(guān)掉保護氣體。
全文摘要
一種整體梯度自潤滑軸承及其制造方法，屬于自潤滑軸承領(lǐng)域。自潤滑軸承，由承壓層、潤滑層、中間過渡層組成。承壓層由碳素鋼、不銹鋼、軸承鋼等中的至少一種金屬材料構(gòu)成，潤滑層由固體潤滑層基體材料和固體潤滑劑混合構(gòu)成，固體潤滑層基體由青銅、黃銅等中的至少一種金屬材料構(gòu)成，固體潤滑劑由二硫化鉬、二硫化鎢、金屬錫、石墨等中的至少一種材料作構(gòu)成，將固體潤滑層基體材料和固體潤滑劑混合構(gòu)成固體潤滑層，中間過渡層由承壓層材料和固體潤滑層材料按比例混合構(gòu)成。優(yōu)點在于，梯度自潤滑軸承具有更高的強度、更好的減摩性以及更優(yōu)的綜合性能；制造方法還特別適用于微型自潤滑軸承的生產(chǎn)。
文檔編號F16C33/12GK101092991SQ20071011926
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者劉雪峰, 謝建新, 趙勁松 申請人:北京科技大學(xué)