CN102348825B - 金属构件，尤其是滚动轴承构件、发动机构件或传动构件 - Google Patents

Abstract

金属构件，尤其是滚动轴承构件、发动机构件或传动构件的金属构件，所述金属构件具有构件体以及至少一个设置在所述构件体上的功能面，所述功能面与另一个元件互相作用，其中，仅功能面(7)由非晶态金属(6)构成。

Description

金属构件,尤其是滚动轴承构件、发动机构件或传动构件

发明领域

本发明涉及一种金属构件，尤其是滚动轴承构件、发动机构件或传动构件，所述金属构件具有构件体和至少一个设置在该构件体上的、与另一个元件相互作用的功能面。

发明背景

金属构件应用在各种极不相同的设计方案中，但示范性地仅提到滚动轴承构件(轴承环、套筒等)、发动机构件(如推杆、凸轮或轴)或者传动构件。机械特性，以及物理特性或化学特性，主要取决于所使用的构件材料，即所使用的金属，确切地说是钢。对所述材料的强度及硬度有特别的要求。示例性地通过将特别的合金元件加入到构件中或者将氮气引入到构件中等途径来实现考虑到具体使用目的的影响。尽管如此，仍然不可能总是实现所要求的材料特性，例如在功能面区域中的弹性模量相对较小(即在功能面区域中弹性相对较高)的同时，还实现了高强度。

发明概述

由此，本发明基于如下问题，即，说明一种相对于迄今公知的金属构件而具有新型材料特性的金属构件。

为解决该问题，在开头所述类型的金属构件中按照本发明作如下设置，即，仅功能面由非晶态金属构成。

按照本发明的金属构件特征在于材料组合。构件的关键部分是构件体，构件体由任意的钢构成，该构件体如此来满足构件的基本要求(强度、耐腐蚀性等)。构件体依旧是确定特性的关键构件元件。然而，按照本发明，构件还由第二种材料，即由非晶态金属构成，这种材料构造出功能面，或者说以这种材料构造出功能面。那么，在这里使用材料组合，其中，每种材料都具有其特有的材料特性，并且该材料特性可供使用。则这样的按照本发明的构件特征在于高强度，这由构件体的材料特性实现，并且特征还在于以及在功能面区域中足够高的弹性，这由非晶态材料的线性弹性特性实现。

尽管由DE 10 2004 034 547 A1公知，滚动轴承环或者滚动体由非晶态金属制成，但滚动轴承环或者滚动体还完全地由所述非晶态金属构成，也就是说，这样的构件仅提供非晶态金属的材料特性。在这方面同样适用于完全由任何类型的钢构成的金属构件。无论是在机械、物理或化学方面，这些金属构件都仅示出唯一的材料(即金属)所提供的材料特性。与之相反，按照本发明的金属构件特征在于极其宽泛的材料特性组合，这由两种原料的组合实现。

此外，在按照本发明的构件中仅功能面由非晶态金属构成的这种情况提供了如下优点，即，在带有非晶态金属功能面的可制造的金属构件的尺寸方面，不再给出尺寸限制，而在迄今公知的、仅由非晶态金属构成(例如由DE 10 2004 034 547 A1所公知)的构件中，基于制造条件而必须提供高的冷却速度，特别是在壁厚受限的情况下。也可以基本上更少非晶态的材料进行加工，这降低了制造成本。

有时也称作金属玻璃的非晶态金属是指如下合金，即，该合金在原子水平上具有非晶态结构，也就是没有适用于金属的晶体排列。这种对于金属而言非常不寻常的原子排列引起了特别的物理和机械特性。一般而言，这种非晶态金属要比通常的金属更耐腐蚀且更坚固。在对初始材料的制造确切地说加工方面，熔液的快速冷却阻止了自然的晶化，从而使得在原子可以形成晶体排列或者说金属晶格结构之前，原子已失去运动性。然而，这以如下为前提，即，原子结构确切地说存在于材料中的原子是大小不同的，从而使得在极快的冷却过程中达到“运动阻碍”并且不形成晶体排列，因此非晶态结构仅能在特殊的合金中实现。这些合金通常由多种不同的元素构成，其中，大多数情况下具有至少三种原则上不同的原子尺寸。

待使用的非晶态金属(初始材料)可通过适当的合金组合选择(“合金设计”)来确定，其中，作为选择参数应考虑：足够高的延展性及损伤容限(断裂韧性)、足够低的加工温度(例如适用于注塑)的实现、金属熔液在冷却过程中的足够小的结晶倾向以及成本低廉且可支配的初始材料。可使用的合金优选但不局限于此地由合金元素例如Fe、Ni、Al、Si、Zr、Ti、Cu、Cr、Sn、Co、Nb、Ce、Ca、Mg、B、C或N构成。然而，本发明并不限制于上述元素、各个合金元素中的特定的数量或者说特定的原子组成，元素组合同样可以是任意的，只要由此得出的非晶态金属满足对金属确切地说待制造的构件提出的所期望的加工和目标特性。

如已介绍的，非晶态金属展现出了突出的机械、物理及化学特性。非晶态金属一般而言要比通常的金属明显更硬，即，比通常用于制造外壳的钢更硬。与此相对地，非晶态金属也明显更耐腐蚀且更坚固。非晶态金属在宽广的范围内表现出了线性的弹性性能，也就是说，在交变载荷中，在阻尼最小和内摩擦最小的情况下压缩。这尤其对于在构件和与该构件相互作用的另一构件(例如轴承环和滚动体)之间的交变作用而言是值得追求的特性。不言而喻地，同时提供了足够高的耐热性。高的坚固性连同可达到的相对较小的视合金成分而定的厚度还允许了对非常高的转速的适应，以及可以找到突出的摩擦副。

尽管如已介绍的那样，极不相同的合金组成可示例性地由上面提到的合金元素构成，这些合金元素根据组合方式实现了可获得的非晶态金属的不同机械、化学及物理特性的调节，随后，说明了一些特别的合金组成及合金组成特性的例子。

第一个针对结构应用的非晶态玻璃或金属玻璃的例子是Zr61.7Al8Ni13Cu17Sn0.3，其中，各个合金元素后面的数字以在合金中的原子百分比说明了该合金元素的份额。该非晶态金属相比于其它非晶态金属明显延展性更好。在实践中，没有表现出断裂失效的易发性，这对作为功能面材料的按照本发明的应用具有重要意义。

特别适合的非晶态金属的第二个例子是Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3。该非晶态金属具有非常好的耐腐蚀性，连同很高的坚固性，以及与钢相比明显更高的在滚动摩擦方面的抵抗性。

组成为(Cu0.6Af0.25Ti0.15)90Nb10的非晶态金属在盐酸和NaCl溶液中在同时具有高抗压强度的情况下表现出了相对于常规青铜明显更高的耐腐蚀性以及对于非晶态金属而言非常高的约12％的塑性延伸率。

在Fe-Co-Ni-B-Si-Nb系统的非晶态金属中测得了更高的断裂强度(约为4000MPa)，在对于非晶态金属而言的约190Gpa的高弹性模量以及约1200HV的硬度中。

所提及的例子仅仅是示例性的，并表现为应能找出极不相同的、分别具有不同的特性侧重点的合金组合。由此，根据待制造构件的不同应用领域，可使用以下非晶态金属，即，该非晶态金属参照所追求的应用场合而具有最理想的机械、化学及物理特性，而迄今所使用的、针对使用目的而用于构成“单组分”构件的材料不具有或者不以按照本发明能实现的形式具有这些特性。

在这一点上需要指出的是，“非晶态金属”的概念在本发明的范围中可以理解为：非晶态金属或者金属玻璃既可以是完全的非晶态，或者也可存在为部分结晶(析出)的。仅为示例性地，举出如下作为用于可由非晶态金属构成的功能面的可能例子：滚动轴承的导轨、密封件的接触区域、套筒、直线引导件的嵌件、链引导机构的碰触面或者滑轨等。然而，列举不是封闭性的。

除了在前面已描述过的在高坚固性下的高弹性等优点，非晶态金属还展现出了突出的耐磨性和耐腐蚀性，这由相对较低的弹性模量决定，以及展示出了如下事实，即，金属玻璃不具有规则的金属结构，进而没有晶界。另一个突出的特性是，在金属熔液冷却成固体状态时，不产生结晶收缩，进而使最终轮廓尺度的成型成为可能。

为在构件体与金属玻璃的功能面之间提供足够牢固的连接，本发明的改进方案作如下设置，即，使在构件体的非晶态金属施布到其上的表面花纹化(profilieren)，特别是进行打毛或滚花，再或者覆以呈打底层或中间层形式的附着层。表面花纹化负责使构件体的表面扩大，进而使附着面扩大。附着面可提供改进的化学或物理粘着性。

在非晶态金属的施布方面，可考虑不同的可行性。按照第一设计方案，非晶态金属可浇铸。在这种情况下，将金属玻璃熔液浇铸到构件体的上面、四周或者内部，其中，一个或多个构件面同时作为成型工具而起作用，浇铸对着所述成型工具进行。针对被浇铸功能面的用于成型的工具表面通过其它与构件外形相匹配的工具成形面来补完整。构件和功能面以及工具的造型以如下方式实现，即，使得脱模由例如底切(Hinterschneidung)来确保。工具例如可配备以由注塑技术所公知的滑阀(Schiebern)。作为浇铸工艺可考虑无压力浇铸或压铸(金属玻璃注塑)。

作为浇铸的备选方案，可喷涂非晶态金属。在这种情况下，已相应预处理过的构件可通过热喷涂(在高温下喷涂熔液滴)或者低温喷涂(所谓的动力学金属化)覆以非晶态金属。喷涂的另一种形式是“喷射成形”，这可理解为：借助于将熔液滴喷涂到已相应预处理过的构件体上而具有相比于热喷涂更厚的横截面的成型。

第三种备选施布方案作如下设置，即，以PVD工艺施布非晶态金属，即从气相中沉积出，其中，在这种情况下必要时可实行中间步骤，以便示例性地借助于浇铸来制造出坚固的金属玻璃目标材料。在PVD过程中，金属玻璃目标物将被蒸发，并且该蒸气在必要时沉积在预处理过的功能面上。

除了金属构件，此外本发明还涉及一种用于制造这样的金属构件的方法，这种方法的特征在于，将构件体的表面区段覆以构成构件功能面的非晶态金属。

按照本发明，在施布非晶态金属之前，对表面区段进行花纹化加工尤其是打毛加工，或者设置以附着层。

为施布非晶态金属，可或者使用浇铸工艺，尤其是无压力浇铸、注塑或压铸，或者同样可考虑喷涂工艺(尤其是热喷涂或低温喷涂)或喷射成形，以及PVD沉积。

原则上重要的是，应通过合适的保护气体环境或者真空来最大程度上阻止金属玻璃熔液的氧化。

所施布的非晶态金属可在功能面区域中得到机械的再加工，以便实现最终轮廓，其中，基于非晶态金属在冷却时的最小程度的收缩，再加工量将非常少。再加工可考虑车削、钻孔、铣削、磨削或珩磨。

附图简短说明

在附图中表现出了本发明的实施例，并在随后加以进一步阐释。其中：

图1示出用于阐释金属构件制造流程的原理示图，所述金属构件呈角接触球轴承环的形式，并具有由非晶态金属经浇铸制成的功能面；

图2示出带有回转工具的圆柱滚动轴承环的制造原理示图，所述圆柱滚动轴承环具有由非晶态金属构成的功能面；

图3示出带有回转工具的圆柱滚动轴承环的制造原理示图，连同成形工具的横截面视图，所述圆柱滚动轴承环具有由非晶态金属构成的功能面；

图4示出用于制造第二实施形式的圆柱滚动轴承环的原理示图，所述圆柱滚动轴承环具有由非晶态金属构成的功能面；

图5示出按照第三备选方案制造成的圆柱滚动轴承环的原理示图，所述圆柱滚动轴承环具有由非晶态金属构成的功能面。

具体实施方式

图1以四个分步骤I-IV的形式示出了用于构成如图1中在部分图示IV中所示的角接触球轴承环2的原则性制造过程。呈角接触球轴承环2形式的金属构件1包括由参照使用目的而选择的钢构成的金属构件体3，其中，在此可使用任意的具有所期望的材料特性的钢。在接近最终轮廓地预制造成的构件体3上构造有空腔4，所述空腔在其自由面上具有例如表面花纹5。该表面花纹可通过打毛、滚花或类似方法实现，但也可考虑施布附着层或打底层。

如所示出的，空腔4以非晶态金属6填充。所述非晶态金属构成构件1的功能面7，在示出的例子中，待以构件1制造出的角接触球轴承环的球在所述功能面上滚动。

如在部分图示I中可见的，为施布非晶态金属6，将在下侧和侧向上得到推力支承(这里未详细示出)的构件体3对着具有输入流道9的成形工具8放置，熔化的非晶态金属6通过所述输入流道9输入。流道出口与空腔4相对，从而使得流出的液态非晶态金属可直接流入到空腔4中。

如在部分图示II中所示，在成形工具8上还可额外设置滑阀10，在有需要时，所述滑阀密封在液态金属与工具之间的区域，或者可利用所述滑阀呈现出底切。

在引入熔化的非晶态金属后，所述非晶态金属冷却，即转变为固体状态，其中，不出现结晶收缩。成形工具8自身提供快速的热量输出，所述成形工具例如由带有高热传导性的金属(例如铜)构成，或者由带有高热传导性的陶瓷(例如碳化硅)构成，而且，在必要时还配备有冷却装置。

部分图示III示出了在非晶态金属6冷却后的构件1。显然地，所述金属6还是大致上凸出。在这种情况下需要再加工，以便加工出如在部分图示IV中所示的最终轮廓。这可例如通过磨削实现。然而，不带凸出部的净形成型同样是可行的，从而可取消再加工。功能面7显然仅由非晶态金属构成，从而使得非晶态金属的材料特性存在于功能面7的区域内，确切地说在该区域中得到确定，而在其余情况下，构件体3确切地说构件体的材料确定所述特性。

图2示出了用于圆柱滚子轴承环的制造例子。这里示出了两个呈圆柱滚子轴承环形式的、分别具有空腔4的构件1。这些构件位于可绕转动轴线D转动的成形工具8的两侧。非晶态金属在熔化状态下通过中央输入流道9输入，在所示例子中，输入流道9分岔成四个横向流道11，所述横向流道分别引导向环绕的呈环形的空腔4。在引入非晶态金属期间，成形工具8转动，从而可确保将空腔4完全填满，因为横向流道11沿空腔4行进。这里，也可使空腔4的表面花纹化，例如将该表面打毛或者设置以底涂。

在空腔4完全填注并且金属6随后冷却后，重新取下轴承环，并且对各个金属玻璃层的表面进行再加工，以便构造出各自的功能面。

图3示出了作为备选的、实施成轴形式的、回转的成形工具8(上方为纵截面，下方为横截面)，所述成形工具相对固定的构件1围绕纵轴线旋转。该成形工具同样具有分岔成横向流道11的输入流道9，所述横向流道还是通到在这里也呈圆柱滚子轴承环形式的构件1的空腔4中，从而使得输入的非晶态金属可均匀分布在填满的空腔中。在随后的冷却后，可对轴承环进行再加工以构造出功能面，借助于成形工具显然可同时填注多个轴承环，仅需要相应地设置多个分布在工具长度上的横向流道11。

如图4所见，也可代替回转的成形工具8而使用停着的成形工具8，该成形工具可相对构件1运动，所述构件1在这里即为设有空腔4的轴承环。轴承环具有孔12，输入流道9通到这些孔中，并在此通过这些孔仅在环形周边的某个部位上输入金属，所述金属由于是熔化的而分布在整个呈环形的空腔中。

最后，图5示出了另一个用于制造呈圆柱滚子轴承环形式的金属构件1的例子，然而，所述圆柱滚子轴承环在这里是两件式的。该圆柱滚子轴承环由较大的构件体1和在施布非晶态金属6后旋拧到构件体1上的第二构件体1a构成。在这里，同样使用了带有输入流道9的成形工具8，所述输入流道9通在空腔4的区域中。在此横截面呈L形的构件体3的空腔4在底侧通过滑阀10封闭。在空腔4以非晶态金属6填注并且所述非晶态金属冷却后，形状重新打开且卸除滑阀10，据此实现金属玻璃6的再加工，并且以功能面的最终轮廓加工出功能面，据此，将在这里实施成环的第二构件体件3a置放上确切地说旋拧上。同样可考虑的是，插入或者嵌入所述环。

滚动轴承组件的所示例子，仅仅是针对不同构件的例子。不言而喻地，这些例子是不受限制的。更确切地说，构件可具有任意的性质。

通过非晶态金属的高弹性，可以例如参照之前介绍的滚动轴承构件的例子在功能面的区域中实现弹性，由此，滚动体的压缩是可行的，并且在滚动接触下产生更宽的负荷区，也就是说，轴承环的局部负荷将得以降低，轴承环寿命得以提高。此外，例如存在以下可能性，即，滚动体也或者完全由金属玻璃制造成，或者按照本发明由带有所施布的金属玻璃滚动层的金属的关键的构件体制造成。在这种情况下，也就是当不仅滚动体的滚动面(＝功能面)而且环的功能面也由非晶态金属构成时，与通常的例如由100Cr6构成的金属滚动体相比，可基于两侧的压缩来实现明显更小的能量吸收(更小的阻尼，更高的弹性)，也就是说，相比纯金属滚动体，由金属玻璃滚动体完成的变形加工更小。由轴承组件的完成的弹性变形加工产生的摩擦热也更少，运行温度得以降低，润滑脂使用寿命进而轴承寿命得以提高。

附图标记列表

1 构件

1a 构件体

2 角接触球轴承环

3 构件体

3a 构件体件

4 空腔

5 表面花纹

6 非晶态金属

7 功能面

8 成形工具

9 输入流道

10 滑阀

11 横向流道

12 孔

Claims (17)

1.金属构件，所述金属构件具有构件体和至少一个设置在所述构件体上的、与另一元件互相作用的功能面，其特征在于，仅所述功能面（7）由非晶态金属（6）构成，由所述构件体的材料特性实现所述金属构件的高强度，并且由所述非晶态材料的线性弹性特性实现所述金属构件在所述功能面（7）的区域中足够高的弹性，所述非晶态金属（6）是Zr61.7Al8Ni13Cu17Sn0.3，Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3或者(Cu0.6Af0.25Ti0.15)90Nb10，其中，各个合金元素后面的数字表示该合金元素在合金中的原子百分比。

2.按照权利要求1所述的金属构件，其特征在于，所述金属构件是滚动轴承构件、发动机构件或传动构件。

3.按照权利要求1所述的金属构件，其特征在于，所述构件体（2）的有所述非晶态金属（6）施布到其上的表面被花纹化或者被覆以附着层。

4.按照权利要求1所述的金属构件，其特征在于，所述构件体（2）的有所述非晶态金属（6）施布到其上的表面被打毛或滚花。

5.按照权利要求1至4之一所述的金属构件，其特征在于，浇注所述非晶态金属（6）。

6.按照权利要求1至4之一所述的金属构件，其特征在于，喷涂所述非晶态金属（6）。

7.按照权利要求1至4之一所述的金属构件，其特征在于，所述非晶态金属（6）以PVD工艺沉积。

8.用于制造按照权利要求1至7之一所述的金属构件的方法，其特征在于，将构件体的表面区段覆以构成构件的功能面的非晶态金属。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在施布所述非晶态金属之前，将所述表面区段进行花纹化加工或者设置以附着层或中间层。

10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在施布所述非晶态金属之前，将所述表面区段进行打毛加工。

11.按照权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，将所述非晶态金属以浇铸工艺来施布。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述非晶态金属通过无压力浇铸、通过注塑或通过压铸来施布。

13.按照权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，将所述非晶态金属以喷涂工艺来施布。

14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述非晶态金属以热喷涂、低温喷涂或喷射成形来施布。

15.按照权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，将所述非晶态金属以PVD工艺来沉积。

16.按照权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，在所述功能面的区域中对所施布的所述非晶态金属进行机械再加工。

17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述功能面的区域中对所施布的所述非晶态金属通过车削、钻孔、铣削、磨削或珩磨进行机械再加工。

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