CN101573543B

CN101573543B - 具有改良的耐磨损性能的轴承及其制造方法

Info

Publication number: CN101573543B
Application number: CN2007800428296A
Authority: CN
Inventors: 沈东燮; 李清来
Original assignee: Doosan Infracore Co Ltd
Current assignee: Hyundai Doosan Infracore Co Ltd
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: EP2087250B1; US8216338B2; EP2087250A1; KR20080045315A; CN101573543A; EP2087250A4; WO2008062987A1; KR101240051B1; US20090274403A1

Abstract

揭示了一种用于衬套类型的轴承的组合物，使用该组合物制造的衬套类型的轴承，以及制造衬套类型的轴承的方法。该轴承具有和由基于铁(Fe)的材料制成的轴之间的优秀的摩擦特性，并且因而能够延长润滑剂的润滑周期。进一步地，该轴承具有优秀的硬度，并且因而能够防止在高接触压力下的塑性变形。

Description

具有改良的耐磨损性能的轴承及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种衬套类型的轴承，该轴承围绕轴安装并允许安装有轴承的轴平滑地旋转。更特别地，本发明涉及一种耐磨损的衬套类型的轴承以及制造该轴承的方法，该轴承具有高度耐磨损性并能够延长润滑周期。

背景技术

通常，工业机器和建筑机器具有多个轴旋转部。这样的轴旋转部通常具有衬套类型的轴承(bush-type bearing)，该轴承位于轴和用于轴的孔(轴孔)之间从而降低轴和轴孔之间的摩擦力。

通常，作为这样的衬套类型的轴承的例子，主要使用基于黄铜或基于铁的轴承。近来，衬套类型的轴承已经被烧结，并被注入润滑剂。因此，衬套类型的轴承已经被用作无油轴承，这部需要经常加入润滑剂就能减小轴和轴孔之间的摩擦力。

详细地，轴承主要是由基于铁(Fe)或基于铜(Cu)的合金形成。在高接触压力和高温的滑动条件下润滑膜破裂的情况下，由于和轴(由基于Fe的合金形成的相对部)的摩擦力，该轴承引起焊合(burn-on)。

为了解决这个问题，试图使用各种润滑剂来注入轴承。作为一个例子，在韩国专利No.0261369中建议用具有从260cSt到950cSt范围的粘度的润滑剂注入轴承。

然而，在该轴承是用于高接触压力和低速率的条件的情况下，例如高接触压力从大约3kgf/mm²到大约8kgf/mm²并且低速率从大约1cm/sec到大约5cm/sec，当轴承及其周围暴露于由于摩擦热导致的高温时润滑剂的粘度变低。结果，在由基于Fe的材料形成的轴和在由与轴的材料相同的基于Fe的材料形成的轴承之间发生金属间接触，从而轴承的摩擦特性恶化。

为了避免这个问题，必须经常地向轴承注入润滑剂。然而，这导致另一个问题，即润滑周期被缩短。

以此方式，在高温和高接触压力的条件下，注入轴承的润滑剂容易恶化，从而不能施展原有的功能。在这种状态下，自然会发生金属间接触。

然而，如同由金属间接触导致的金属间磨损行为，由摩擦导致的高温引起的金属间焊合与由高接触压力引起的金属的塑性变形一起发生。因而，轴承以及其相对部(轴)受到异常磨损，从而轴和轴承的整个系统受损。

发明内容

本发明致力于解决现有技术中出现的问题。本发明的目的是开发一种耐磨损材料并使用该耐磨损材料制造衬套类型的轴承，该材料具有低摩擦和高接触压力特性，并且当发生轴承和轴摩擦时由于体现低摩擦特性所以也不会引起高接触压力下的塑性变形。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于轴承的组合物，包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的镍(Ni)；0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)；0.005wt％到0.4wt％的硼(B)；0.01wt％到1.0wt％的碳(C)；15wt％到25wt％的铜(Cu)；以及余下的Fe。根据本发明的实施例，基于组合物的总重量，该组成可以进一步包括0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)。

根据本发明的实施例，轴承包括衬套类型的轴承，该轴承包括具有内直径部的主体，轴可被旋转地安装进该主体。

这里，应用到轴承的轴并不特别限定于其类型。例如，轴可以包括由铁或钢制成的轴。

进一步地，本发明提供一种衬套类型的轴承，该轴承包括具有内直径部的主体，轴可被旋转地安装进该主体，并且该轴承由组合物形成，该组合物包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的镍(Ni)；0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)；0.005wt％到0.4wt％的硼(B)；0.01wt％到1.0wt％的碳(C)；15wt％到25wt％的铜(Cu)；以及余下的Fe。根据本发明的实施例，轴承可以由进一步包括基于组合物的总重量的0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)的组合物制造。

轴承优选地是通过烧结组合物形成的烧结体。根据本发明的实施例，轴承可以包括基于轴承的整个体积的15vol％到25vol％范围内的孔。在轴承是通过烧结形成的情况下，轴承有利地形成其中的孔。

在本发明的轴承中，将润滑剂注入孔中，并且因此能够减小当使用轴承时与轴之间的不必要的摩擦力。根据本发明的实施例，轴承可以包含基于轴承的整个体积的15vol％到25vol％范围内的润滑剂。

对于应用于本发明的轴承的润滑剂的类型没有特定的限制。因而，本领域普通技术人员应当理解根据需要可以选择和使用适当的润滑剂。自然地，能够使用商业可用的润滑剂。

根据本发明的实施例，能够使用具有在40℃时80cSt到1000cSt范围内的动粘度和150到280范围内的粘度指数的润滑剂。更优选地，可以向轴承的孔中注入具有在40℃时80cSt到240cSt范围内的动粘度和150到280范围内的粘度指数的润滑剂。

同时，根据需要可以向润滑剂中加入各种添加剂，从而可以改良物理特性以适用于应用于轴承的特定条件。

根据本发明的实施例，润滑剂可以进一步包括至少一种耐磨损的特压添加剂(extreme-pressure additive)，该耐磨损的特压添加剂从包括二硫磷酸锌、磷酸胺、二硫代氨基甲酸盐、硫化物、磷化物和硼化物的组中选择。耐磨损的特压添加剂可以在基于轴承的总重量的0.1wt％到1.0wt％的范围内添加。

根据本发明的实施例，润滑剂可以进一步包括至少一种固体润滑剂，该固体润滑剂从包括石墨、二硫化钼(MoS₂)、聚四氟乙烯(PTFE)和特氟纶的组中选择。固体润滑剂可以在基于轴承的总重量的0.1wt％到2.0wt％的范围内添加。

根据本发明的轴承能够被有利地应用到由铁或钢制成的轴，因为根据本发明的轴承具有相对于由铁或钢制成的元件的优秀的滑动性能。

进一步地，本发明提供了一种制造衬套类型的轴承的方法，该方法包括：粉末准备步骤(S10)，准备用于轴承的组合物，包括：0.7wt％到10wt％的镍(Ni)，0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)，0.005wt％到0.4wt％的硼(B)，0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)，0.01wt％到1.0wt％的碳(C)，15wt％到25wt％的铜(Cu)，以及余下的Fe；粉末混合步骤(S20)，混合准备好的粉末；预型形成步骤(S30)，挤压混合后的粉末以形成包括具有内直径部的衬套类型的轴承的预型，轴可被旋转地安装进的该衬套类型的轴承的预型；以及烧结步骤(S40)，在从1000℃到1150℃之间的温度烧结预型以形成烧结体。

通过使用本发明的组合物的本发明的制造方法制造的轴承能够在高接触压力下保持最优的摩擦特性。因而，轴承具有优秀的耐磨损能力并且能够提供长的润滑周期。进一步地，使用本发明的轴承允许和轴承接触的轴施展优秀的耐磨损能力，并且减小和相对部即轴之间的不适合性。

附图说明

图1是说明根据本发明的实施例的耐磨损的轴承的剖面图；

图2是说明形成根据本发明的耐磨损的轴承的烧结体的结构的示意图；以及

图3是说明根据本发明的制造耐磨损的轴承的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述根据本发明的耐磨损的轴承。

参考图1，根据本发明实施例的耐磨损的轴承10包括主体12，主体12具有作为用于轴20的孔的内直径部11。轴20可旋转地安装进主体12的内直径部11。

轴承主体12由根据本发明的用于轴承的组合物形成。该组合物包括铜(Cu)、镍(Ni)、碳(C)以及作为主要材料的铁(Fe)。组合物额外地包括硼(B)和硅(Si)。根据本发明的一个例子，组合物进一步包括铬(Cr)。组合物的每个成分都可以用粉末的形式准备。因而，能够通过将组合物形成为轴承主体并然后烧结轴承主体来制造根据本发明的轴承。换句话说，优选地通过烧结将根据本发明的轴承形成为烧结体。在烧结后，轴承被压配合到轴孔中。

更详细地，用于根据本发明的轴承的组合物包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的Ni，0.01wt％到0.5wt％的Si，0.005wt％到0.4wt％的B，0.01wt％到1.0wt％的C，15wt％到25wt％的Cu，以及余下的Fe。根据本发明的例子的组合物进一步包括0.03wt％到1.5wt％的Cr。

可以通过以重量比率准备用于轴承的组合物的各个成分，然后形成和烧结组合物来获得轴承10。本发明的轴承能够在高温和高接触压力下保持最优的摩擦特性，从而和现有轴承相比能够具有优秀的耐磨损能力和优秀的硬度。

在各个成分中，对于基于Fe的材料，Ni具有优秀的低摩擦特性，并因此能够改良轴承的低摩擦特性，而该轴承能够引起和基于Fe的合金或钢形成的轴之间的摩擦。然而，当Ni的含量低于0.7wt％时，Ni的量不足，并因而低摩擦特性不令人满意。同时，Ni具有和Fe之间的优秀的可湿性(wettability)，并且当Ni的含量多于10wt％时，由于Ni和基于Fe的材料之间的可湿性，难于形成轴承中的孔。

硅(Si)的效果是降低合金粉末形式的轴承的组合物的熔点。例如，在使用其中Ni具有1400℃或更高的熔点的本发明的组合物的情况下，烧结温度不可避免地需要增加。这样，烧结可能消耗大量的能量。然而，当使用0.01wt％到0.5wt％的Si时，整个组合物的烧结温度可以被降低到1150℃或更低。1150℃的烧结温度是在商用真空炉中可能的烧结温度。在本发明的轴承组合物的情况下，由于使用了Si，可以在通常的商用真空炉中执行烧结。

硼(B)是形成硼化物的成分，作为加固材料，特别是用于加固烧结体的硬度。当B的含量少于0.005wt％时，硼化物不能适当地形成。当B的含量多于0.4wt％时，材料本身脆化，因此最终烧结体的接触压力特性恶化。B成分能够以纯元素的状态包含在组合物中。然而，根据本发明的例子，B成分能够在例如碳化硼(B4C)或氮化硼(BN)的化合物的状态下被加入组合物，这些化合物在烧结处理中通过分解提供B。

碳(C)是添加到组合物中用于溶解于Fe以形成固溶性(solid-solutiion)并因而通过例如热加工使Fe硬化的元素。当C的含量低于0.1wt％时，由热加工等引起的固溶性硬化的效果就微不足道。当C的含量高于1.0wt％时，在烧结处理中形成例如碳化物的材料，并因此引起材料的脆化。

Cu被添加到烧结的基于Fe的合金中，从而不仅作为Fe粉末的粘合剂还用于保持低摩擦特性。当Cu的含量低于15wt％时，低摩擦特性恶化。当Cu的含量高于25wt％时，烧结体的硬度降低。

Cr也是形成良好碳化物的成分。当Cr的含量低于0.03wt％时，碳化物的形成就较轻。当Cr的含量高于1.5wt％时，这引起材料的脆化。

根据把本发明的例子，本发明的轴承是通过烧结具有这样的成分比率的用于轴承的组合物而形成的烧结体。

使用电子显微镜拍摄了通过烧结形成的轴承烧结体的内部结构，在图2中示出。如图2所示，烧结体30包括由具有优秀的摩擦特性的基于Ni的材料和作为相对部的轴的主要材料的基于Fe的合金形成的Ni-Fe合金31、形成高硬度的硼化物32、多个孔33以及Fe-Cu合金34。这里，硼化物32形成为针状结构，主要围绕孔33成群布置并形成在Ni-Fe合金31中。

在烧结体30中形成的多个孔33用作注入润滑剂的空间。这些孔在烧结粉末预型的处理中形成。润滑剂被注入孔33中，从而轴承具有润滑特性。可以向该润滑剂添加耐磨损的特压添加剂。进一步地，该润滑剂可以进一步包括固体润滑剂。耐磨损的特压添加剂和固体润滑剂能够改良轴承的润滑特性。

根据本发明的例子，轴承可以具有基于轴承的整个体积的15vol％到25vol％范围内的孔。结果，轴承可以包含基于轴承的整个体积的15vol％到25vol％范围内的润滑剂。

当孔低于轴承烧结体的体积的15vol％时，难于注入用于足够润滑的润滑剂。当孔高于25vol％时，轴承的强度降低，从而当摩擦磨损发生时轴承容易塑性变形，并因而受损。

根据本发明的例子，润滑剂可以在下述条件下使用：在40℃时动粘度具有从80cSt到1000cSt范围，优选地为从80cSt到240cSt范围；以及粘度指数的范围从150到280。当动粘度低于80cSt时，润滑剂太粘，并且因此当使用时不能很好地流向摩擦表面。当动粘度高于1000cSt时，润滑剂太稀，并且因此不能很好地保持在孔中。优选地，粘度是240cSt或更低。

同时，在本发明的轴承中，注入到轴承的润滑剂的粘度指数能够增加。因而，尽管在极端恶劣的条件下使用时注入了润滑剂的轴承10经历温度的急速增加，该极端恶劣的条件例如从大约3kgf/mm²到大约8kgf/mm²的高接触压力并且在从大约1cm/sec到大约5cm/sec的低速率，润滑剂能够一直保持稳定的粘度。

首先，如果在高温条件下润滑剂确实一直保持稳定的粘度，轴承10的摩擦特性和耐磨损特性不会恶化，尽管轴承10的温度急速上升。进一步地，由于在高温条件下润滑剂确实一直保持稳定的粘度，不仅能够在轴承10的温度急速上升的条件下防止润滑剂从轴承10的孔33泄漏，还能够即使当润滑剂暂时泄漏时将润滑剂再次注入孔33。以此方式，润滑剂的保持周期变长，并且因而润滑剂的润滑周期能够延长。

同时，能够和润滑剂一起使用的耐磨损的特压添加剂能够和金属表面起反应以形成薄膜。例如，作为耐磨损的特压添加剂，能够使用从包括二硫磷酸锌、磷酸胺、二硫代氨基甲酸盐、硫化物、磷化物和硼化物的组中选择的至少一种。根据本发明的例子，耐磨损的特压添加剂可以在基于轴承的总重量的0.1wt％到1.0wt％的范围内添加。

该耐磨损的特压添加剂和金属表面起反应以形成薄膜，并且因此防止轴20和轴承10直接接触。特别地，防止轴20和轴承10之间的直接接触显著地减小了轴20和轴承10之间的摩擦力。轴20和轴承10之间的摩擦力的显著减小改良了轴承10的耐磨损性能。

进一步地，固体润滑剂包括固体粉末或片状固体类型润滑剂，能够通过自身的粒子晶体的内部滑动、在粒子之间的滑动、和与粒子的摩擦表面的滑动等执行润滑。该固体润滑剂的例子包括石墨、例如二硫化钼(MoS₂)的基于硫化物的材料、以及例如聚四氟乙烯(PTFE)和特氟纶等的基于树脂的材料。该固体润滑剂可以在基于轴承10的总重量的0.1wt％到2.0wt％的范围内添加。

下面参考图3描述根据本发明的制造轴承的方法。首先，准备作为用于轴承的组合物Ni，Si，B，Cr，C，Cu和Fe(S10)。这些成分能够使用从市场上可获得的粉末类型的产品。这些粉末可以是其中各个成分独立的纯金属材料，或者其中成分全部或部分被合金的合金材料。

使用湿或干混合方法混合以此方式准备的粉末(S20)，然后通过挤压处理形成预型(S30)。对于预型的形状没有特别的限制，并且因此预型的形状只要被形成为适于执行滑动的相对部的形状。例如，在制造衬套类型的轴承的情况下，可以将预型的形状制造成环形衬套的形状。此时，可以将挤压压力设置在从10kg/cm²到300kg/cm²的范围。

接下来，在从1000℃到1150℃之间的温度在真空或空气中烧结预型，并且从而制造烧结体(S40)。

本发明以烧结体的形式制造的轴承不会塑性变形并且保持低摩擦特性，从而能够延长润滑周期。

同时，在混合用于轴承的组合物的各个成分制成的纯金属粉末的情况下，并且在混合全部或一些成分制成的合金粉末的情况下，都具有相同的效果。

进一步地，即使当由烧结体形成的轴承的内直径部和由基于Fe的合金中的主要金属形成的轴承的外直径部被结合到一起时，得到和前面相同的效果，因为接触销钉或轴的部分由相同的烧结体制成。

下面通过实施例和比较例更加详细地描述本发明。

实施例1和比较例1至6

准备了具有下表1中列出的组合物的粉末，使用基于硬脂酸用KenolubeTM的湿混合方法混合粉末，然后使用100kg/cm²的压力挤压粉末。从而，形成环形衬套类型的预型。接下来，在从1100℃到1400℃之间的温度(见表3)在真空或空气中烧结预型。从而制造烧结体。

此时，在以从1100℃到1400℃之间的温度烧结之前，实施例1和比较例1至6的样本被分为两组，一组接受在600℃的热处理，另一组不接受热处理。

表1

<测试例1>摩擦特性测试

对实施例1和比较例1至6中制造的衬套类型的轴承测试了摩擦特性。在摩擦特性测试中，使用专用测试机械测量了安装了轴的轴承的摩擦系数，并且摩擦系数达到0.3或之上的时间被设置为润滑周期。对实施例1和比较例1至6的两组中的一组执行摩擦特性测试，即接受在600℃的热处理的组。

至于详细的测试条件，首先，高接触压力被设置为10kg/mm²，这个值比应用到通常的衬套的2kg/mm²到5kg/mm²的常用值高。温度被设置到150℃或更高，这是润滑剂的粘度开始恶化时的温度。

在这个测试中，使用具有221cSt的动粘度的矿物油作为润滑剂，使用二硫磷酸锌作为耐磨损的特压添加剂，并且使用二硫化钼(MoS₂)作为固体润滑剂。

测试结果总结在表2中。这里，润滑剂的分数是基于由烧结体制成的轴承的体积的分数(vol％)，并且其他分数是基于重量的分数(wt％)。

表2

根据测试结果，相对于现有技术的比较例1至6，本发明实施例1的轴承显示出更长的润滑周期。这证明了本发明的轴承具有比现有轴承更优秀的耐磨损特性。比较实施例1和比较例1的测试结果，能够发现添加了润滑剂、耐磨损的特压添加剂和固体润滑剂的比较例1的轴承的润滑周期比没有添加润滑剂、耐磨损的特压添加剂和固体润滑剂的实施例1的轴承的润滑周期短。进一步地，在本发明实施例1中制造的轴承的情况下，能够发现当添加了润滑剂、耐磨损的特压添加剂和固体润滑剂时润滑周期被显著延长。

同时，很明显上述实施例和比较例中没有指明的其它成分具有效果。例如，合成油具有润滑剂的效果，磷酸胺、二硫代氨基甲酸盐和硫化物具有耐磨损的特压添加剂的效果，石墨具有固体润滑剂的效果。

<测试例2>硬度测量

对实施例1和比较例1至6中制造的衬套类型的轴承测试了硬度。在硬度测试中，使用了典型的硬度测试器。此时，对于实施例1和比较例1至6的两组中测量了硬度，即接受烧结前在600℃的热处理的组和不接受热处理的另一组。测试结果总结在表3中。

表3

根据测试结果，能够发现本发明的轴承具有优秀的硬度和优秀的负载支撑力，并且防止了在高接触压力下的塑性变形。

因而，使用本发明的组合物制造的轴承能够改良和由基于Fe的材料制成的轴之间的摩擦特性并且通过形成在基于Fe的材料中的高强度硼化物来防止在高接触压力下的塑性变形。

Claims

1.一种用于衬套类型的轴承的组合物，所述轴承包括具有内直径部的主体，轴被旋转地安装进该主体，所述组合物包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的镍(Ni)，0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)，0.005wt％到0.4wt％的硼(B)，0.1wt％到1.0wt％的碳(C)，15wt％到25wt％的铜(Cu)以及余下的Fe。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物进一步包括0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)。

3.一种衬套类型的轴承，所述轴承包括具有内直径部的主体，轴被旋转地安装进的该主体，并且通过烧结组合物形成所述轴承，所述组合物包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的镍(Ni)，0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)，0.005wt％到0.4wt％的硼(B)，0.1wt％到1.0wt％的碳(C)，15wt％到25wt％的铜(Cu)以及余下的Fe。

4.根据权利要求3所述的轴承，其中所述组合物进一步包括0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)。

5.根据权利要求3所述的轴承，其中所述轴承包括基于轴承的整个体积的15vol％到25vol％范围内的孔。

6.根据权利要求5所述的轴承，其中将润滑剂注入孔中，所述润滑剂具有在40℃时80cSt到240cSt范围内的动粘度和150到280范围内的粘度指数。

7.根据权利要求6所述的轴承，其中：

所述润滑剂包括至少一种耐磨损的特压添加剂，所述耐磨损的特压添加剂从包括二硫磷酸锌、磷酸胺、二硫代氨基甲酸盐、硫化物、磷化物和硼化物的组中选择，

所述耐磨损的特压添加剂在基于轴承的总重量的0.1wt％到1.0wt％的范围内添加。

8.根据权利要求6所述的轴承，其中：

所述润滑剂包括至少一种固体润滑剂，所述固体润滑剂从包括石墨、二硫化钼(MoS₂)、聚四氟乙烯(PTFE)和特氟纶的组中选择，

所述固体润滑剂在基于轴承的总重量的0.1wt％到2.0wt％的范围内添加。

9.根据权利要求3所述的轴承，其中，

轴承是通过烧结组合物形成的烧结体；

所述烧结体包括多个孔、Ni-Fe合金、Fe-Cu合金和硼化物；以及

硼化物形成为针状，并且围绕孔成群布置。

10.一种制造衬套类型的轴承的方法，包括：

粉末准备步骤(S10)，准备用于轴承的组合物；

粉末混合步骤(S20)，混合准备好的粉末；

预型形成步骤(S30)，挤压混合后的粉末以形成包括具有内直径部的衬套类型的轴承的预型，轴被旋转地安装进该衬套类型的轴承的预型；以及

烧结步骤(S40)，在从1000℃到1150℃之间的温度烧结预型以形成烧结体，

其中所述用于轴承的组合物包括：基于组合物的总重量，0.7wt％到10wt％的镍(Ni)，0.01wt％到0.5wt％的硅(Si)，0.005wt％到0.4wt％的硼(B)，0.03wt％到1.5wt％的铬(Cr)，0.1wt％到1.0wt％的碳(C)，15wt％到25wt％的铜(Cu)以及余下的Fe。