CN100343540C

CN100343540C - 高度非致密性含润滑剂的非金属轴承

Info

Publication number: CN100343540C
Application number: CNB2004100385693A
Authority: CN
Inventors: 侯春树; 黄隆伟
Original assignee: Newcera Tech Co Ltd
Current assignee: Newcera Tech Co Ltd
Priority date: 2004-05-09
Filing date: 2004-05-09
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2024-05-09
Also published as: CN1693727A

Abstract

本发明涉及一种高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其主要是利用添加活性催化剂于各型态的陶瓷粉体以达降低烧结温度有效控制不同孔隙率与轴承尺寸并强化组织结构的目的，且其所应用的催化剂包含偶联剂、纳米陶瓷粉体…等等；利用活性催化剂与基体粉体产生反应，做为连结基体粉体间的桥梁，而达降低烧结温度的目的，进而利用粉末颗粒与颗粒之间固相反应烧结产生适当的键结强度及适当的孔隙率，以达到支撑及含油后润滑轴心的功效。

Description

高度非致密性含润滑剂的非金属轴承

技术领域

本发明涉及一种高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其主要是利用添加活性催化剂于各型态的陶瓷粉体以达降低烧结温度有效控制不同孔隙率与轴承尺寸并强化组织结构，且利用粉末颗粒与颗粒之间固相反应烧结产生适当的键结强度及适当的孔隙率，以达到支撑及含油后润滑轴心的功效。

背景技术

传统的含油铜基轴承，因组装的尺寸精度要求问题必须于烧结后作孔径校正，而铜基合金延展性高，在校正内径时易因金属塑性变形而堵塞内径周围的空孔而降低含油率及其对主轴的润滑性，导致润滑效果不佳，因此，很多专家学者及业界针对有关储油槽的设计提出相当多的专利及报导(例如：中国专利CN-99207297号)，并进而寻找新的材料与工艺，期望能有效解决此轴承润滑问题，因此，纳米陶瓷轴承因其具有特殊的自润特性应运而生，经实验及实际应用测试结果：当风扇轴承设计适当时，陶瓷轴承其使用寿命比传统不锈钢滚珠轴承产品耐用5～15倍以上(耐热钢5～10倍，不锈钢5～15倍)。

虽然纳米级的陶瓷轴承具有自润特性，但未使用适当润滑剂的陶瓷轴承其摩擦系数约高于使用润滑剂的陶瓷轴承摩擦系数3～5倍，例如由文献资料显示：Si₃N₄-Si₃N₄滑动摩擦组(PAIR)在使用润滑剂条件下，摩擦系数由干摩擦时的0.8降为0.13～0.15；SiC-SiC滑动摩擦组(PAIR)在使用润滑剂条件下，摩擦系数由干摩擦时的0.53降为0.14～0.18，这说明适量的使用润滑剂将更有助于提高陶瓷轴承的使用寿命。

近年来针对轴承的储油问题亦提出很多的专利及文献资料，大部分是在轴心作各种几何形状变化的储油沟槽；或是在轴套表面作不同的回路设计(例如不同几何形状的沟槽设计，或是数条螺旋沟槽，抑或是封闭的润滑回路)，抑或是组合后预留一储油槽结构。然而，由于陶瓷的机械性质(例如：硬度)远高于金属，所以在实际轴承制造及加工沟槽方面有其技术层面及成本的考虑，也因此增加其量产化的困难度，然而，当风扇高速转动时需承受很大的扭力，且轴心因为润滑作用而降低其有效面积时，其能承受的扭力亦大幅降低，因此，上述的现行方式是值得商确的，所以如何在不降低主轴在高速、长时间转动时机械强度的要求下，能达到相同的功用是所有业者关心的问题，且在轴承中具有适当的孔隙率的储油机构是值得考虑的方法，除可以达到实际的润滑效果，同时又不影响主轴的机械强度且其技术上及加工上是可行且可有效控制的。

制作多孔隙陶瓷材料一般有下列所述的方法：

(1)添加适量低温高分子材料：以不同比例的低温高分子材料充填于试片中，当高温脱蜡或烧结处理时(600℃以上)会燃烧耗尽，抑或以溶剂溶解析出高分子，而残留较大的孔洞，再通过烧结致密化使大孔洞缩小成孔隙，以达到制作多孔率的目的，但，此种方式将产生较多的″闭孔″型态。

(2)添加可燃剂或发泡剂等形成多孔性材料，但可燃剂或发泡剂其收缩量大，尺寸变异性大，不易控制制成后的产品的稳定度。

(3)混合硅藻土等多孔性陶瓷原料与黏土等而烧成，以形成多孔材料，此方式所制成的产品强度及孔隙型态不易控制。

(4)其它相结构体的产生：以添加适当比例的粉体经烧结过程，该添加粉体与主要粉体或添加的粉体反应，产生新的结构(例如：Al₂O₃中添加La₂O₃会依烧结温度的增加及烧结时间的增长而分别产生La₁O₃及LaAl₁₁O₁₈)，然而，此结构体通常会成为柱状体或片状体，以阻隔主体结构的致密化而达到多孔的目的，其所得到的孔隙型态会依第二相产生的比例而有变化，粉体自行反应所造成的孔隙型态为不规则且无法有效确认其连通孔隙率。

多孔性陶瓷的制作专利很多，(例如：中国专利CN01134946号、CN02120374号、CN02108733号、CN99127196号、CN99258067号)，其使用的方法都是以上述(1)～(3)的方法为主，且其中大部分为用于陶瓷过滤材(例如以挤压方式制造的蜂巢状结构体)、耐火材料或高气孔率的泡沫陶瓷；极少部分用于轴承方面(如中国专利CN01134946号)，其制造方法是使用陶瓷注塑工艺，同时以添加大量低温的高分子或盐类作为填充物(13％～20％)，待高温烧结后所留下孔洞的方法，此方法的最大缺点有下列几点：

(一)废料问题：注塑浇道形成废料。

(二)料头问题：产品与进料口处有残留料头情形，增加加工困难度及成本。

(三)脱蜡烧结时间长：除烧结时间外，在脱蜡过程需56小时以上，有些更高达105小时，使产量受限。

(四)无法确认空孔是连通或是封闭的空孔。

(五)产品变异性大：因收缩量大而使变异性增加，使产品良率降低。

所以，上述现有技术的问题与缺失，即为从事此行业的相关厂商所亟欲研究改善的方向所在。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种经由材料特性及工艺参数控制两方面来有效控制连通空孔形成的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承，利用粉体的固相烧结扩散原理及粉体颗粒大小的表面活化能差异，经由工艺参数的控制(例如生坯密度、烧结温度)来制作多孔性非金属轴承元件。

为达上述目的，本发明提供一种高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其特征在于，于陶瓷粉体内添加活性催化剂，并经过造粒成1mm以下的球形颗粒分布，再施加压力将球形颗粒制成生坯，且生坯的密度会随着压力的增加而增加，再使生坯经由烧结而成陶瓷轴承，而陶瓷轴承的孔隙率会随着烧结温度及烧结时间而变化，其烧结温度越高或烧结时间愈长其孔隙率会相对的降低，且因活性催化剂的作用而可降低陶瓷轴承的烧结温度，通过上述便能以生坯密度及烧结温度来控制陶瓷轴承的孔隙率，最后经由含浸润滑油技术制成高度非致密性含润滑剂的非金属轴承。

附图说明

图1为本发明的相对密度与孔隙率对成型压力曲线图；

图2为本发明的相对密度与孔隙率对烧结温度曲线图；

图3为本发明的孔隙率对粉体颗粒尺寸曲线图。

具体实施方式

为进一步了解本发明所采用的技术手段及其功效，结合附图就本发明的较佳实施例详加说明其原理与功能如下，以利完全了解。

请参阅图1、2所示，为本发明的相对密度与孔隙率对成型压力曲线图及相对密度与孔隙率对烧结温度曲线图，由图中可得知，当使用商用ZrO₂陶瓷粉体，可添加0.001～5wt％的活性催化剂且经过造粒处理成50～100μm的球形颗粒分布，再添加1～3wt％PVA或PEG黏结剂并施加不同成型压力可得到不同的生坯密度，且生坯密度随着成型压力的增加而增加，相对地其孔隙率随着成型压力的增加而降低，当成型压力达到材料的成型临界压力时，其生坯相对密度为55％(孔隙率为45％)，再使用相同的生坯密度试片作不同烧结温度对孔隙率的关系曲线，并可由图中看出其孔隙率随着烧结温度的增加而降低，烧结温度在1000℃～1250℃为临界温度，其孔隙率由35％降至1％，如此即可通过生坯密度、升温速率与烧结时间的最佳化组合参数，便能控制烧结后陶瓷轴承的孔隙率，以利后续的研磨加工制成成品，再利用真空或加热熔渗等含浸润滑油技术，将润滑油填充于连通的孔隙内，进而制成高度非致密性含润滑剂的非金属轴承。

再请参阅图3所示，为本发明的孔隙率对粉体颗粒尺寸曲线图，由图中可得知，若使用经造粒过程处理后的不同粒径的ZrO₂陶瓷粉体，添加1～3wt％PVA或PEG黏结剂及添加0.001～5wt％的活性催化剂，并施加压力成型生坯2.7～3.5g/cm³密度，使用烧结条件为1400℃/2h而制成的陶瓷轴承，其孔隙率随着粉体颗粒尺寸的增加而增加，并形成粉体小颗粒与小颗粒间的微小间隙外，对于造粒的大颗粒间亦得到较大的孔隙，以增加其整体的孔隙率，且随着烧结温度的增加颗粒与颗粒间的固相反应遽增，其颈缩现象愈明显，因此其中间孔隙愈来愈小，而当粉体晶粒尺寸大于5μm时，其孔隙率急遽增加，因此，即可以通过调配不同粒径的粉体，来得到所要空孔率的陶瓷轴承。

又，本发明所使用的陶瓷粉体可为氧化物、碳化物或氮化物或硼化物，而活性催化剂可使用偶联剂、硅酸盐、纳米陶瓷粉体或高分子黏结剂(10vol％以下)，且其所制成的陶瓷轴承可运用于计算机的外围设备或事务机器。

上述详细说明为针对本发明一种较佳的可行实施例说明，惟该实施例并非用以限定本发明的权利要求，凡其它未脱离本发明所揭示的技术精神下所完成的均等变化与修饰变更，均应包含于本发明所涵盖的保护范围中。

Claims

1.一种高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其特征在于，于陶瓷粉体内添加活性催化剂，并经过造粒成1mm以下的球形颗粒分布，再施加压力将球形颗粒制成生坯，且生坯的密度会随着压力的增加而增加，再使生坯经由烧结而成陶瓷轴承，而陶瓷轴承的孔隙率会随着烧结温度及烧结时间而变化，其烧结温度越高或烧结时间愈长其孔隙率会相对的降低，且因活性催化剂的作用而可降低陶瓷轴承的烧结温度，通过上述便能以生坯密度及烧结温度来控制陶瓷轴承的孔隙率，最后经由含浸润滑油技术制成高度非致密性含润滑剂的非金属轴承。

2.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该活性催化剂为偶联剂。

3.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该活性催化剂可为硅酸盐。

4.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该活性催化剂为纳米陶瓷粉体。

5.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该陶瓷粉体为氧化物。

6.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该陶瓷粉体为氧化物、碳化物或氮化物或硼化物所制成。

7.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该非金属轴承应用于计算机的外围设备。

8.如权利要求1所述的高度非致密性含润滑剂的非金属轴承的制造方法，其中，该非金属轴承应用于事务机器。