CN102226459B

CN102226459B - 一种轴承的激光微造型自润滑处理方法

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Publication number: CN102226459B
Application number: CN 201110148420
Authority: CN
Inventors: 华希俊; 张培耘; 鲍培德; 杜志华
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: CN102226459A

Abstract

本发明公开了一种轴承的激光微造型自润滑处理方法。本发明先对轴承表面采用微凹腔或微凹槽的激光微加工技术，然后对轴承表面采用自润滑复合材料的成型粘结技术；自润滑复合材料按质量百分比配方组成为，聚酰亚胺（PI）：10～15％；石墨粉：8～13％；聚四氟乙烯：40～50％；MoS2：25～29％；添加剂：0～5％。本发明通过对轴承的激光微造型自润滑处理，在保证轴承承载能力和配合精度的同时，实现了润滑剂在轴承工作表面上的优化分布，提高了轴承在复杂工况条件下的减摩耐磨综合性能。

Description

一种轴承的激光微造型自润滑处理方法

技术领域

本发明涉及自润滑轴承技术，具体涉及一种轴承激光微造型自润滑复合处理技术，用于解决特殊复杂工况条件下的轴承润滑问题。

背景技术

目前冶金企业大多采用通过润滑油、脂润滑的传统机械轴承。由于长期处在高温、重载、受冲击、多粉尘等恶劣环境, 润滑油、脂很容易失效，其在使用过程中需要大量的冷却水和润滑油脂，不仅造成极大能源浪费、污染环境，而且轴承的使用稳定性差，经常损坏，很难满足生产的正常要求。同时在工程机械（如挖掘机等）中大量使用的脂润滑关节滑动轴承，由于承受重载作用，摩擦磨损严重，尽管每班次加注大量润滑脂，在钢质轴套之间也经常出现相互抱死形象，引起销轴窜动，带来重大安全隐患，造成巨大维修成本。另外水轮发电机对固体润滑轴承的性能也提出越来越高的要求。目前在航空航天、金属加工与成形、工程机械、机车车辆、水（风）力发电及核工业等领域，对新型自润滑轴承技术需求很大。固体自润滑突破了油膜润滑极限,已成为目前润滑技术的重要发展方向。因此，研究开发适应多种复杂特殊工况要求的自润滑技术就显得尤为迫切和重要。

1999年公开的专利（申请号：98122341.9）通过在金属底材上钻孔或开槽，并嵌入固体润滑膏剂，以实现材料的自润滑性能。由于设置的是宏观大尺度的孔和槽，因而在机械加工和整体承载、润滑性能方面存在不足。2006年公开的专利（申请号：200510042915.X）提出了一种高温自润滑涂层的制备方法。由于采用表面高温烧结，对底材机械强度影响较大，而且对涂层的后处理也较困难。2007年公开的专利（申请号：200610040660.8）提出了高温合金基自润滑复合材料及其表面图案化处理方法。自润滑合金材料采用高温烧结，成本高且后续加工困难。该专利中采用激光微加工的目的仅仅是为了增设一些储油（脂）槽，以改善润滑效果，并未在其中嵌入固体润滑材料。2008年公开的专利（申请号：200710071281.X）公开了一种自润滑轴承材料及其制备方法。采用了整层涂覆烧结方法，其润滑涂层的厚度达到0.5～2.5mm，因而影响到轴承的配合精度和支承刚度。2009年公开的专利（申请号：200810235590.0）公开了一种三层自润滑滑动轴承结构，由于增加了一层多孔铜粉烧结层，大大提高了工艺难度和成本，也限制了加工精度的提高。2009年公开的专利（申请号：200910029233.3）提出了一种带有表面微孔硬质模板的含银镍基润滑材料及其制备方法。该专利采用激光微加工小孔以形成银的扩散通道，但通道中没有预埋润滑剂，会影响润滑效果。2009年公开的专利（申请号：200910033454.8）提出了一种激光表面仿生结构及冲击强化方法，但没有涉及到表面自润滑处理问题。

金属基镶嵌型自润滑轴承由于其对基材及镶嵌自润滑材料选择范围较大，在一般工况下得到了较好的应用。但随着工业和科技的迅速发展，对自润滑性能、配合精度、承载能力和接触刚度都提出了更高要求。金属基镶嵌自润滑轴承（主要是铜基材料）由于承载能力较低，易高温软化，难于适应冶金、工程机械等高温、重载环境要求。

激光微造型自润滑技术与金属基镶嵌自润滑轴承技术有着本质的区别。由于在镶嵌孔或槽及其分布的尺度上，两者尺寸相差一个数量级以上，因而直接影响到轴承的基材和尺寸选择范围、润滑剂选择和嵌入量、凹腔（槽）加工工艺、粘结工艺和粘结力、表面特殊微结构设置、承载能力、均匀涂抹能力、配合精度及摩擦磨损性能等诸多方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与自润滑性能要求相匹配的轴承表面微形貌设置及激光微造型处理方法，以提高轴承减摩耐磨综合性能。

实现本发明目的的技术方案如下：

首先，对轴承表面激光微造型处理，采用二极管泵浦固体光源（DPSS）YAG激光器，聚焦透镜焦距为60～90mm，重复频率7.5～8.5Khz，激光波长532nm、1064nm，电流强度13～20A，光斑重叠系数0.8～0.9，光束倾角0～10^o，在轴承滑动部位形成微凹腔或微凹槽；微凹腔直径30～200μm，深度3～50μm，微凹槽宽度30～200μm，深度3～50μm，微凹腔或微凹槽的排列由数控程序控制，微凹腔或微凹槽的面积占有率为10%～45%，辅助气体采用99.9％N2、压强0.1～0.2Mpa。

然后，对轴承进行自润滑复合材料成型粘结加工处理，具体步骤为：

1）将自润滑复合材料在120～140^oC的温度下烘1～2h至干燥；

2) 将烘干的自润滑复合材料混合均匀；

3）表面预处理，清洗模具表面，可采用超声清洗、丙酮擦净；

4)将粉末状固体润滑剂滚压填料机械滚压压入激光微造型处理后的轴承表面；

5) 将轴承在365～385 ^oC的温度下、99.9％N2气保护、保温1～2h烧结成型，然后随炉冷却烧结成型；

6）对轴承表面后处理。

本发明自润滑复合材料按质量百分比配方以质量计组成为：

聚酰亚胺（PI）： 10～15％；

粒度为≤10μm的石墨粉：8～13％；

粒度为≤8μm的聚四氟乙烯：40～50％；

粒度为≤12μm的MoS2：25～29％；

添加剂：0～5％。

与现有金属基镶嵌型自润滑轴承技术相比,本发明显著优点在于:

1)通过对轴承工作表面进行激光微造型自润滑处理，既保证摩擦副的承载能力，利用既有机加工留下的相对光滑面，又保证润滑剂的稳定供给和均匀涂布，利用优化设置的微造型凹腔/槽及嵌入的自润滑材料）同时又对基体材料进行了激光强化，实现了零件表面承载、润滑与强化的有机统一，提高了轴承对复杂工况，如高温、重载、干摩擦、边界润滑、频繁起停、换向等的适应能力；

2）由于本技术采用激光微造型技术，在腔（槽）的尺寸尺度上比金属基镶嵌型自润滑轴承小一个数量级以上，因而可实现轴承表面微形貌的优化设计和制造；

3) 通过在滑动轴承宏观表面的左右旋微细螺旋槽的设置，以防止润滑剂的轴端流失；

4) 激光微造型技术可适合多重材料，如金属、陶瓷和气相沉积涂层等的微细加工，由于加工余量小，可实现不同规格零件的高效数控加工，有利于保证轴承的整体机械强度、刚度和配合精度；

5）由于激光加工没有切削力，可加工深度方向有一定倾角的微腔（槽），提高了固体润滑剂的机械嵌合力；

6）由于微腔（槽）的尺度较小，显著节省了润滑剂的用量，因而可选用高性能的固体润滑剂，如纳米材料、贵金属等；

7）本发明的固体润滑剂配方充分发挥了不同组分的协同润滑效应，成型粘结工艺简单可靠；

8）由于采用了微尺度激光加工，因而本技术不但适用于滑动轴承和滚动轴承，而且也适用于其它重要摩擦副表面自润滑处理，如硬质涂层TiN、TiC等。

附图说明

图1为激光微造型处理自润滑滚动轴承原理图。

图2为激光微造型处理自润滑滑动轴承原理图。

图3为滑动轴承轴端螺旋防流失结构示意图。

图4为滑动轴承体的局部展开示意图。

图5为滑动轴承激光微造型三维效果示意图。

图6为激光微造型端面加工试样图。

图7为微腔分布照片图。

图8为微槽分布照片图。

图9为微腔三维形貌图。

图10为微槽三维形貌图。

图中，1，强化承载区；2，储存槽；3，固体润滑剂；4，自润滑膜；5，钢球；6，轴承内圈；7，轴；8，滑动轴承套；9，左旋槽；10，右旋槽；11，微凹腔。

具体实施方式

结合图1，轴承在运动时由于热作用和摩擦,使固体润滑剂3不断渗出转移,起到润滑和减摩作用。通过激光对材料的去除，实现微凹腔11或微凹槽的加工。通过激光对金属材料的强化作用，实现对轴承承载区的强化。通过预留微凹腔11或微凹槽，实现运转过程中，对润滑油（脂）及磨粒的收集，提高了对复杂工况的适应能力。同时根据需要，也可对轴承外圈滚道进行激光微造型自润滑处理。

结合图2，由于轴7和滑动轴承套8之间始终处于滑动摩擦状态，采用固体润滑处理，减摩效果更为显著。

结合图3，对于单向转动轴承，可在轴套两端通过激光微造型，增设螺旋防流失结构。由于采用双向螺旋结构，两端分别设置左旋槽9和右旋槽10，利用其在转动时的螺杆泵送效应，防止轴—套之间的润滑油（脂）和固体润滑剂的流失。两端的螺旋方向取决于轴的转动方向.

结合图4，微凹腔11在运动方向上交错排列，以实现润滑剂的均匀涂抹。

下面以具体实施例进一步说明本发明。

1.激光表面微造型工艺。

采用的半导体泵浦YAG激光器脉冲稳定、光束质量好，能有效抑制金属熔化产生的不利影响，加工面光滑平整，且能显著提高表层材料机械力学性能。为了方便表面微形貌的检测，对试样端面进行了激光微加工，获得了理想的微腔和微槽，如图6所示。微造型微腔和微槽分布的照片分别如图7和图8所示，表明腔、槽排列整齐、尺寸均匀。利用Vyko形貌仪测得的微腔和微槽三维形貌分别如图9、图10所示，表明微造型加工质量良好，为固体润滑剂的压入创造良好的空间条件。

2.滑动轴承的自润滑处理工艺。

先按质量百分比称取：聚酰亚胺（PI）15%、石墨粉（≤10μm）12%、聚四氟乙烯（≤12μm）48%、MoS2（≤8μm）23%、添加剂2%配置好，然后在120^oC烘干1.5小时，通过机械充分搅拌混合。对滑动轴承内圈表面进行激光微造型加工（微腔直径100μm、深度35μm、面积占有率20％），经丙酮洗净后，通过机械滚压，置入粉末状固体润滑剂，最后在烧结炉中烧结成型（365～385 ^oC、99.9％N2气保护、保温1～2h），随炉冷却后并通过表面后处理，即可实现对滑动轴承轴套的激光微造型自润滑处理。

Claims

1.一种轴承的激光微造型自润滑处理方法，其特征在于，具体步骤为：

A）对轴承工作表面激光微造型处理，采用二极管泵浦固体光源（DPSS）YAG激光器，聚焦透镜焦距为60～90mm，重复频率7.5～8.5Khz，激光波长532nm、1064nm，电流强度13～20A，光斑重叠系数0.8～0.9，光束倾角0～10^o，在轴承滑动部位形成微凹腔（11）或微凹槽；微凹腔（11）直径30～200μm，深度3～50μm，微凹槽宽度30～200μm，深度3～50μm，微凹腔（11）或微凹槽的排列由数控程序控制，微凹腔（11）或微凹槽的面积占有率为10%～45%，辅助气体采用99.9％N2、压强0.1～0.2Mpa；

B）将自润滑复合材料在120～140^oC的温度下烘1～2h至干燥；

C) 将烘干的自润滑复合材料混合均匀；

D）表面预处理，清洗模具表面，采用超声清洗或丙酮擦净；

E) 用滚压填料机械将粉末状固体的所述自润滑复合材料滚压压入激光微造型处理后的轴承工作表面；

F) 将轴承在365～385 ^oC的温度下、99.9％N2气保护、保温1～2h烧结成型，然后随炉冷却烧结成型；

G）对轴承工作表面后处理。

2.根据权利要求1所述的一种轴承的激光微造型自润滑处理方法，其特征在于，所述自润滑复合材料按质量百分比配方组成：

聚酰亚胺（PI）：10～15％；

石墨粉：8～13％；

聚四氟乙烯：40～50％；

MoS2：25～29％；

添加剂：0～5％。

3.根据权利要求1或2所述的一种轴承的激光微造型自润滑处理方法，其特征在于，所述微凹腔（11）在运动方向上交错排列。

4.根据权利要求1或2所述的一种轴承的激光微造型自润滑处理方法，其特征在于，对于单向转动轴承，在滑动轴承套（8）内侧两端通过激光微造型，在滑动轴承套（8）两端分别增设左旋槽（9）和右旋槽（10）。