CN101634338B - 一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，它及一种制备自润滑层的方法。本发明解决了现有的润滑涂层的工艺方法很难在滚珠等球形表面制备均匀的自润滑涂层，致使在苛刻环境下服役的固体润滑滚珠轴承的使用寿命较短、摩擦特性较差的问题。本发明的步骤：步骤一、将待制备自润滑膜的滚珠、自润滑粉体按质量份数比为1∶1～10∶1的比例装入球磨罐内；步骤二、先将球磨罐内的真空抽至1×10-2Pa，然后设定球磨罐的转速在50-1000转/分钟以进行球磨，保持球磨时间为5-50小时；步骤三、在球磨结束后将滚珠取出，用超声将赘附在滚珠最外层的浮粉清洗掉，即可获得表面带有自润滑膜的滚珠。采用本发明方法获得的滚珠表面自润滑膜的摩擦系数小于0.15，完全符合自润滑的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备自润滑层的方法，具体涉及一种采用球磨法在滚珠表面制备自润滑层的方法。
背景技术
滚珠轴承是机械设备中最常见的运动部件，几乎用于所有的机械设备中，一般来说其润滑主要采用流体润滑或润滑脂润滑。但是随着技术的发展，需要滚珠轴承在一些苛刻的条件下服役，如：高负荷、高温、超低温、真空、强辐射和强腐蚀等，在这些苛刻的工作环境下，传统轴承的流体润滑和脂润滑都无法采用，固体润滑技术是唯一的选择。
滚珠轴承的固体润滑主要有三种方式：在轴承滚道上制备自润滑涂层；采用自润滑材料制成的保持架；在滚珠上制备自润滑涂层。在轴承滚道制备自润滑涂层的方法包括磁控溅射离子镀、物理气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积，电镀和干膜技术等。常用的滚道自润滑涂层材料有MoS2、DLC、Ag、Au等。自润滑保持架是将自润滑材料和粘结剂混合在一起进行烧结，进而制成多孔或者致密的保持架，自润滑保持架常用的自润滑材料包括PTFE、青铜、MoS2等。在滚珠轴承固体润滑技术中，以在滚珠表面制备自润滑涂层在技术上较为困难。因为滚珠表面为球形，因此要在滚珠表面完全均匀的制备一层自润滑材料，往往需要一套复制的工装机构以保证在涂层制备过程中滚珠随机转动，而且由于一套轴承中滚珠数量很多，因此相应的制备技术还需要满足批量生产的要求，目前较理想的轴承滚珠表面制备自润滑层的技术还未见报道。
自润滑材料主要是通过在运动的摩擦副之间形成转移膜来达到隔开运动部件，实现降低磨损和润滑的目的。对于滚珠轴承而言，需要在通过滚珠和滚道或保持架之间的摩擦和挤压，形成转移膜，实现固体润滑，自润滑保持架起到提供转移膜的作用。但是转移膜的形成需要一定的时间，因此对于固体润滑体系，在摩擦初期存在一段摩擦状态不稳定的区间。而且转移膜稳定性受摩擦副间运动状态的影响，如PTFE转移膜易在重载低速的条件下形成，而在高PV值条件下则容易遭到破坏。在滚珠表面制备自润滑涂层则可以直接实现滚珠和滚道之间的润滑，不需要转移膜的生成，而且不受摩擦副间运动状态的影响，更容易达到稳定润滑状态。对于在高温下工作的轴承和高速发动机无保持架满装轴承，保持架不能起到提供转移膜的作用，此时也需要在滚珠上制备自润滑涂层。因此在滚珠表面制备自润滑涂层对于提高在苛刻环境下服役的固体润滑滚珠轴承的使用寿命和其摩擦特性具有重要的工程适用价值。
发明内容
本发明为了解决现有的润滑涂层的工艺方法很难在滚珠等球形表面制备均匀的自润滑涂层，致使在苛刻环境下服役的固体润滑滚珠轴承的使用寿命较短、摩擦特性较差的问题，进而提供了一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的在滚珠表面制备自润滑膜的方法按照以下步骤来实现：步骤一、将待制备自润滑膜的滚珠、自润滑粉体按质量份数比为1:1～10:1的比例装入球磨罐内；步骤二、先将球磨罐内的真空抽至1×10-2Pa（球磨罐内的真空度达到1×10-2Pa），然后设定球磨罐的转速在50-1000转/分钟以进行球磨，保持球磨时间为5-50小时；步骤三、在球磨结束后将滚珠取出，用超声将赘附在滚珠最外层的浮粉清洗掉，即可获得表面带有自润滑膜的滚珠。在滚珠表面制备自润滑膜过程中，球磨罐的转速的确定极其关键，转速太高，由于磨擦作用自润滑粉体因发热会影响其成膜的润滑性，转速太低，产生的作用力不够，使自润滑粉体无法较结实地贴附到滚珠的外表面上形成有效的自润滑膜；经无数次实验得知，只有球磨罐的转速设定在50-1000转/分钟之间，才能实现滚珠表面自润滑膜的摩擦系数小于0.15（参见图1）。
本发明的有益效果是：采用本发明方法获得的滚珠表面自润滑膜的摩擦系数小于或等于0.15，完全符合自润滑的要求（在业内，一般认为摩擦系数小于0.2就视为自润滑）；滚珠表面上的自润滑膜贴附力较强，而且均匀。本发明主要特征是将轴承滚珠与自润滑粉体一同在保护气氛下进行球磨，通过滚珠与粉体之间的随机接触与碰撞来实现滚珠表面涂覆具有均匀厚度的自润滑层。所制备的自润滑层厚度均匀，与滚珠结合良好。具有良好的减磨效果。自润滑层的厚度可以通过调整球磨工艺参数来加以控制。
本方法的原理是将轴承滚珠、自润滑粉体混合装入球磨罐内，在保护气氛下进行球磨。球磨过程中，滚珠随机滚动，并与自润滑粉体相互接触碰撞，这一过程中，一部分润滑粉体材料就转移到滚珠表面，形成润滑膜。由于滚珠的滚动是随机的，并且滚珠和润滑粉体的接触是全方位的，通过这两方面保证在滚珠表面均匀制备自润滑膜。而在球磨过程中体系处于保护气氛下，同时在球磨过程中新鲜表面不断产生，因此润滑材料粉末表面活性很高，很容易和滚珠表面发生粘着形成具有自润滑特性的转移膜，而且随着球磨的进行，润滑材料粉末越来越细，由微米粉变成纳米粉，也大大增加了粉体的表面活性，促进转移膜的生成。其他自润滑涂层的工艺方法很难在滚珠等球形表面制备均匀的自润滑涂层，而采用本发明的技术能够较为方便地在滚珠表面形成均匀的自润滑涂层。与其他工艺相比，此法还具有工艺简单易行，易于批量化生产，设备简单，操作容易，适用性广泛，成本低廉，对滚珠材料和尺寸没有限制，对粉体材料无限制等优点。
附图说明
图1是本发明方法中球磨罐转速与获得的滚珠表面自润滑膜的摩擦系数的关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法按照以下步骤来实现：步骤一、将待制备自润滑膜的滚珠、自润滑粉体按质量份数比为1:1～10:1的比例装入球磨罐内；步骤二、先将球磨罐内的真空抽至1×10-2Pa（球磨罐内的真空度达到1×10-2Pa），然后设定球磨罐的转速在50-1000转/分钟以进行球磨，保持球磨时间为5-50小时；步骤三、在球磨结束后将滚珠取出，用超声将赘附在滚珠最外层的浮粉清洗掉，即可获得表面带有自润滑膜（自润滑涂层）的滚珠。
具体实施方式二：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为2:1；在步骤二中，球磨罐转速为200转/分钟，球磨时间为10小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.1。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，所述自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为5:1；在步骤二中，球磨罐转速为500转/分钟，球磨时间为20小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.1。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，所述自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为7:1；在步骤二中，球磨罐转速为800转/分钟，球磨时间为45小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.1。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE（聚四氟乙烯），所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为4:1；在步骤二中，球磨罐转速为300转/分钟，球磨时间为15小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.08。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE，所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为7:1；在步骤二中，球磨罐转速为500转/分钟，球磨时间为30小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.08。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE，所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为9:1；在步骤二中，球磨罐转速为900转/分钟，球磨时间为45小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.08。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为2:1；在步骤二中，球磨罐转速为400转/分钟，球磨时间为25小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.15。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为4:1；在步骤二中，球磨罐转速为600转/分钟，球磨时间为35小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.15。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为8:1；在步骤二中，球磨罐转速为800转/分钟，球磨时间为45小时。自润滑涂层与钢基体间摩擦系数为0.15。其它步骤与具体实施方式一相同。
实施例：
实施例1：将200g直径为5mm的GCr15滚珠与20g的MoS2粉末装入250ml球磨罐中，抽真空至10-2Pa，再冲入氩气，然后第二次抽真空至10-2Pa。在转速为200rpm下球磨10h。滚珠与GCr15钢盘摩擦系数为0.1。
实施例2：将200g直径为5mm和50g直径为10mm的GCr15滚珠与20g的MoS2粉末装入250ml球磨罐中，抽真空至10-2Pa，再冲入氩气，然后第二次抽真空至10-2Pa。在转速为200rpm下球磨10h。滚珠与GCr15钢盘摩擦系数为0.1。
实施例3：将200g直径为5mm的Si3N4滚珠与20g的MoS2粉末装入250ml球磨罐中，抽真空至10-2Pa，再冲入氩气，然后第二次抽真空至10-2Pa。在转速为200rpm下球磨15h。滚珠与GCr15钢盘摩擦系数为0.1。
实施例4：将200g直径为5mm的9Cr18滚珠与50g的MoS2粉末装入250ml球磨罐中，抽真空至10-2Pa，再冲入氩气，然后第二次抽真空至10-2Pa。在转速为200rpm下球磨10h。
实施例5：将200g直径为5mm的碳化钨滚珠与20g的聚四氟乙烯粉末装入250ml球磨罐中，抽真空至10-2Pa，再冲入氩气，然后第二次抽真空至10-2Pa。在转速为200rpm下球磨10h。滚珠与GCr15钢盘摩擦系数为0.08。
本发明提出的在滚珠表面制备自润滑涂层的方法可以用来在各种滚珠材料（如GCr15钢，9Cr18钢，不锈钢，E52100铬钢，316不锈钢，302不锈钢等各种钢珠，CDA260黄铜，碳化钨，Si3N4陶瓷，Al2O3陶瓷，碳化硅陶瓷，氧化锆等各种陶瓷滚珠）表面制备各种自润滑涂层（石墨，MoS2、氟化石墨，尼龙，聚甲醛，聚酰亚胺，聚对羟基苯甲酸脂，PTFE，Ag，Au，锡，镁，铟和Pb等）。
其中球磨参数范围如下：
滚珠尺寸：对滚珠尺寸没有限制。
转速：50-1000转/分钟
时间：0.1-50h
球料比：1:1～1:10
保护气氛：真空（10-3Pa～10Pa）、Ar气、N2气、H2气等不参与球磨反应的气氛。
此外，为了防止在球磨过程个罐壁对自润滑层的污染，还可以采用一个和自润滑粉体同样材质的薄壁内胆将滚珠、粉体和罐壁隔离开。
Claims (10)
1.一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤来实现：步骤一、将待制备自润滑膜的滚珠、自润滑粉体按质量份数比为1:1～10:1的比例装入球磨罐内；步骤二、先将球磨罐内的真空抽至1×10-2Pa，然后设定球磨罐的转速在50-1000转/分钟以进行球磨，保持球磨时间为5-50小时；步骤三、在球磨结束后将滚珠取出，用超声将赘附在滚珠最外层的浮粉清洗掉，即可获得表面带有自润滑膜的滚珠。
2.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为2:1；在步骤二中，球磨罐转速为200转/分钟，球磨时间为10小时。
3.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，所述自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为5:1；在步骤二中，球磨罐转速为500转/分钟，球磨时间为20小时。
4.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为MoS2，所述自润滑粉体的粒径为1-20μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为7:1；在步骤二中，球磨罐转速为800转/分钟，球磨时间为45小时。
5.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE（聚四氟乙烯），所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为4:1；在步骤二中，球磨罐转速为300转/分钟，球磨时间为15小时。
6.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE，所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为7:1；在步骤二中，球磨罐转速为500转/分钟，球磨时间为30小时。
7.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为PTFE，所述自润滑粉体的粒径为20-100 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为9:1；在步骤二中，球磨罐转速为900转/分钟，球磨时间为45小时。
8.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为2:1；在步骤二中，球磨罐转速为400转/分钟，球磨时间为25小时。
9.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为4:1；在步骤二中，球磨罐转速为600转/分钟，球磨时间为35小时。
10.根据权利要求1所述的一种在滚珠表面制备自润滑膜的方法，其特征在于：在步骤一中，所述待制备自润滑膜的滚珠为GCr15球、Si3N4球或Al2O3球，所述自润滑粉体为CaF2，所述自润滑粉体的粒径为20-50 μm，待制备自润滑膜的滚珠与自润滑粉体的质量份数比为8:1；在步骤二中，球磨罐转速为800转/分钟，球磨时间为45小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110504 Termination date: 20120730 |