CN102441933B - 由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法。将无纬炭布和网胎制成圆筒状炭纤维编织体，经过化学气相沉积炉的裂解、沉积以及石墨化处理得到炭/炭纤维编织体，此后经过酚醛树脂的浸渍→炭化→粗车和钻削→精加工→机械抛光和超声波清洗得到炭/炭复合材料保持架，最后经镀膜后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架。炭/炭复合材料具有较小的密度，因此所制作的保持架就轻质以利减轻轴承整体的重量，提高其转速，也能提高主机使用效果。此外炭/炭复合材料保持架具有较高的拉伸强度，尤其是在300℃时其拉伸强度更高。导热系数高，热膨胀系数小，摩擦系数小，自润滑性能高，炭/炭复合材料保持架的尺寸稳定、可靠。
Description
技术领域
本发明属于轴承保持架技术领域，尤其涉及到一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法。
背景技术
通常用于高温、高dn值的轴承保持架多由金属制作而成，如40CrNiMo、硅青铜、铝铁镍青铜等。dn表示轴承工况的高速性，其中d指轴承的内径，n指轴承的转速，dn值是指轴承内径与轴承转速的乘积。
金属制作的轴承保持架主要用在温度低于300℃或dn值小于250万的工况环境。随着轴承转速和工作温度的不断提高，对轴承精度及可靠性提出了更高的要求。对于工作温度大于300℃或dn值不小于300万时，现有金属轴承保持架由于其重量重，导致轴承运转失稳、高频率振动，所配置主机的效能得不到提升，而且金属轴承保持架的摩擦系数高、耐温性差致使轴承磨损严重，降低轴承的使用寿命，也直接影响到主机规定的使用寿命。
常规非金属保持架如酚醛胶木保持架、特种工程塑料保持架的高温力学强度和使用寿命也满足不了主机在环境温度大于300℃时的工作需求，且这些非金属保持架的微孔结构在润滑时不利于形成均匀分布的润滑油膜，影响使用效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法，该方法中的炭-炭复合材料属于一种新型耐高温材料，耐高温≥300℃，尤其在经表面润滑改性后所制作的轴承保持架具有轻质、低摩擦磨损之特点，能够提高轴承的转速和使用效果。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法，该方法先将无纬炭布和网胎制成圆筒状炭纤维编织体，经过化学气相沉积炉的裂解、沉积以及石墨化处理得到炭/炭纤维编织体，此后经过酚醛树脂的浸渍→炭化→粗车和钻削→精加工→机械抛光和超声波清洗得到炭/炭复合材料保持架，最后经镀膜后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架；设定成品轴承保持架具有外径D、内径d、高度H以及兜孔个数M和兜孔直径；本发明的特征是：
①在无纬炭布上铺上网胎形成复合炭布层，将所述复合炭布层卷绕成圆筒状炭纤维编织体，所述圆筒状炭纤维编织体的对接处用炭纤维线连接，所述圆筒状炭纤维编织体的外径与成品保持架外径D匹配。
②将所述圆筒状炭纤维编织体置于化学气相沉积炉内，然后升温到1000~1100℃，当化学气相沉积炉内温度达到1000~1100℃时通入C3H6气体，在通入C3H6气体时同时通入N2，C3H6与 N2的体积比控制在1：1~2，化学气相沉积炉内的压力控制在4.0~5.0Kpa，此时C3H6裂解出炭并沉积于所述筒状炭纤维编织体中形成炭/炭纤维编织体，沉积100h后取出所述炭/炭纤维编织体并置于石墨化炉内进行石墨化处理，石墨化炉的温度控制在2300~2500℃并保温3h；当所述炭/炭纤维编织体的体积密度达到1.20~1.30g/cm3时符合要求，当其体积密度达不到1.20~1.30g/cm3时需重复上述裂解、沉积和石墨化处理过程直至体积密度达到1.20~1.30g/cm3为止。
③将体积密度达到1.20~1.30g/cm3的所述炭/炭纤维编织体置于密闭的浸渍炉内的酚醛树脂槽中，酚醛树脂槽内的酚醛树脂重量百分比浓度控制在40wt%，酚醛树脂槽内的温度控制在80℃，当浸渍炉内压力达到1.6Mpa时保温、保压浸渍1h后取出并放在真空度为-0.1MPa的真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的温度保持在60℃，其保温时间控制在2h；最后经固化得到酚醛/炭材料，当所述固化温度在100℃时所需固化时间为1h ，升温至140℃时所需固化时间为6h。
④将所述酚醛/炭材料置于炭化炉内进行炭化，在炭化炉内通入N2作为保护性气体并在炭化炉内的温度达到900~ 1000℃时保温3h，取出所述酚醛/炭材料后置于石墨化炉内进行石墨化，石墨化炉的温度控制在2300~2500℃并保温3h。
经过所述炭化和所述石墨化的所述酚醛/炭材料的体积密度若达到1.7~1.8g/cm3时既得到炭/炭复合材料坯体，若达不到1.7~1.8g/cm3时需重复上述③和④的步骤直至其体积密度达到1.7~1.8g/cm3为止。
⑤粗车和钻削加工所述炭/炭复合材料坯体，粗车和钻削时对所述炭/炭复合材料坯体的加工参数控制如下：
在成品轴承保持架外径D和高度H的设计尺寸基础上各增大0.5mm以上进行粗车削加工；
在成品轴承保持架内径d的设计尺寸基础上减小0.5mm以上进行粗车削加工；
根据成品轴承保持架兜孔个数M并在成品轴承保持架兜孔直径的设计尺寸基础上减小0.5mm以上钻削出M个兜孔；
上述粗车和钻削后应对炭/炭复合材料坯体加工处去除毛刺得到炭/炭复合材料保持架毛坯。
⑥按成品轴承保持架的外径D、内径d、高度H以及兜孔直径将所述炭/炭复合材料保持架毛坯精加工成炭/炭复合材料保持架。
⑦对上述⑥中所述炭/炭复合材料保持架进行机械抛光和超声波清洗，超声波清洗功率控制在100W，超声波清洗时间控制在0.5h；然后用无水乙醇并在超声波协助下对其进行清洗，清洗时间控制在0.5h；最后将其放置在真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，干燥时间控制在3h。
⑧经过上述⑦步骤处理后，将所述炭/炭复合材料保持架在磁控溅射机上进行镀膜，镀膜时的控制参数如下：
溅射靶材：纯Ag，或是纯Ag+纯MoS2；
镀膜厚度：若采用纯Ag时镀膜厚度控制在3μm之内，若采用纯Ag+纯MoS2时镀膜厚度控制在5μm之内；
靶-炭/炭复合材料保持架的距离控制在70~80mm，溅射时真空度控制在5×10-5 Pa，所述炭/炭复合材料保持架的温度控制在70~80℃，溅射功率控制在150~200W，镀膜时间控制在90~150min；
上述镀膜结束后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1、本发明将无纬炭布和网胎制成圆筒状炭纤维编织体，经过化学气相沉积炉的裂解、沉积以及石墨化处理得到炭/炭纤维编织体，此后经过酚醛树脂的浸渍→炭化→粗车和钻削→精加工→机械抛光和超声波清洗得到炭/炭复合材料保持架，最后经镀膜后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架，前后归纳起来共经历了八个步骤过程，炭/炭复合材料保持架具有自润滑、高温力学强度高、导热系数大、热膨胀系数小等特点，炭/炭复合材料保持架的密度小、轻质，有利于减轻轴承整体的重量，提高轴承的转速和运作稳定性，同时也能显著提高主机的使用效果。
2、由于炭/炭复合材料保持架的基体是由炭纤维的连续结构构成，该炭纤维连续结构在制作过程中破坏较少使得其具有较高的高温力学强度，同时具有较低的摩擦系数。
3、经润滑改性后的炭/炭复合材料保持架，其使用温度范围宽、力学强度高、自润滑、耐辐射、尺寸稳定性好、高精度和高可靠性。
4、本发明的炭/炭复合材料保持架在300℃时拉伸强度不小于200MPa，导热系数不小于35 W/m.k，热膨胀系数不大于2.1×10-6/k，摩擦系数不大于0.15。
具体实施方式
本发明是一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法。该方法先将无纬炭布和网胎制成圆筒状炭纤维编织体，经过化学气相沉积炉的裂解、沉积以及石墨化处理得到炭/炭纤维编织体，此后经过酚醛树脂的浸渍→炭化→粗车和钻削→精加工→机械抛光和超声波清洗得到炭/炭复合材料保持架，最后经镀膜后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架。上述前后归纳起来共经历了八个步骤过程。
本发明炭/炭复合材料保持架依据某一成品轴承保持架加工而成，设定某一成品轴承保持架具有外径D=66.8mm、内径d=58.3mm、高度H=16.6mm以及兜孔个数M=11和兜孔直径=8.1mm。
在上述参数的设置下，本发明所述的八个步骤过程分述如下：
①无纬炭布使用的规格是T700 12K PANCF，网胎使用的规格是T700 12K PANCF。在无纬炭布上铺上网胎形成复合炭布层，将所述复合炭布层卷绕成圆筒状炭纤维编织体，所述圆筒状炭纤维编织体的卷绕外径可参照D=66.8mm制作，范围在67~68mm均可，在所述圆筒状炭纤维编织体的对接处用炭纤维线实施连接缝合。
②将所述圆筒状炭纤维编织体置于化学气相沉积炉内，化学气相沉积炉也称为CVD炉，然后升温到1000℃或是1100℃。需要说明的是：1000℃和1100℃是1000~1100℃区间范围的两个边界值，因此1000℃和1100℃两个边界值肯定包含在1000~1100℃区间范围内，取1000~1100℃区间范围内的任一值均可。下文若涉及到两个边界值则肯定属于该区间范围内，不再赘述。
当CVD炉内温度达到1000℃或是1100℃时通入C3H6气体，在通入C3H6气体时同时通入N2，C3H6与 N2的体积比控制在1：1或是1：2， CVD炉内的压力控制在4.0 Kpa或是5.0Kpa，此时C3H6裂解出炭并沉积于所述筒状炭纤维编织体中形成炭/炭纤维编织体，沉积100h后取出所述炭/炭纤维编织体并置于石墨化炉内进行石墨化处理，石墨化炉的温度控制在2300℃或是2500℃并保温3h。当所述炭/炭纤维编织体的体积密度达到1.20 g/cm3或是1.30g/cm3时符合要求，当其体积密度达不到1.20 g/cm3或是1.30g/cm3时需重复上述裂解、沉积和石墨化处理过程直至体积密度达到1.20 g/cm3或是1.30g/cm3为止。
③将体积密度达到1.20 g/cm3或是1.30g/cm3的所述炭/炭纤维编织体置于密闭的浸渍炉内的酚醛树脂槽中，酚醛树脂槽内的酚醛树脂重量百分比浓度控制在40wt%，酚醛树脂槽内的温度控制在80℃，当浸渍炉内压力达到1.6Mpa时保温、保压浸渍1h后取出并放在真空度为-0.1MPa的真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的温度保持在60℃，其保温时间控制在2h；最后经固化得到酚醛/炭材料，当所述固化温度在100℃时所需固化时间为1h ，升温至140℃时所需固化时间为6h。
④将所述酚醛/炭材料置于炭化炉内进行炭化，在炭化炉内通入N2作为保护性气体并在炭化炉内的温度达到900℃或是1000℃时保温3h，取出所述酚醛/炭材料后置于石墨化炉内进行石墨化，石墨化炉的温度控制在2300℃或是2500℃并保温3h。石墨化炉可从市场上直接购得。
经过所述炭化和所述石墨化的所述酚醛/炭材料的体积密度若达到1.7 g/cm3或是1.8g/cm3时既得到炭/炭复合材料坯体，若达不到1.7 g/cm3或是1.8g/cm3时需重复上述③和④的步骤直至其体积密度达到1.7 g/cm3或是1.8g/cm3为止。
⑤粗车和钻削加工所述炭/炭复合材料坯体，粗车和钻削时对所述炭/炭复合材料坯体的加工参数控制如下：
所述炭/炭复合材料坯体的粗车削加工外径=66.8+ 0.5=67.3mm，所述炭/炭复合材料坯体的粗车削加工高度=16.6+ 0.5= 17.1mm。
所述炭/炭复合材料坯体的粗车削加工内径=58.3-0.5= 57.8mm。
在所述炭/炭复合材料坯体的圆周上钻削出分布均匀的11个兜孔，每个所述兜孔的钻削直径=8.1-0.5= 7.6mm。
上述粗车和钻削后应对所述炭/炭复合材料坯体加工处去除毛刺得到炭/炭复合材料保持架毛坯。
⑥精加工后的炭/炭复合材料保持架结构尺寸如下：
外径=66.8mm，内径=58.3mm，高度=16.6mm，兜孔直径=8.1mm。
即便所述炭/炭复合材料保持架按上述尺寸加工也只能做出保持架的雏形，按上述尺寸加工的所述炭/炭复合材料保持架还需要进行更进一步的深加工，这种深加工对本领域普通技术人员是显而已知的，经①-⑥步骤所加工出的所述炭/炭复合材料保持架足以说明本发明的方法是能得到具体实施的。
⑦对上述⑥中所述炭/炭复合材料保持架进行机械抛光和超声波清洗，超声波清洗功率控制在100W，超声波清洗时间控制在0.5h；然后用无水乙醇并在超声波协助下对其进行清洗，清洗时间控制在0.5h；最后将其放置在真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，干燥时间控制在3h。
⑧经过上述⑦步骤处理后，将所述炭/炭复合材料保持架在磁控溅射机上进行镀膜，镀膜时的控制参数如下：
若溅射靶材使用纯Ag时其镀膜厚度控制在3μm之内；若溅射靶材使用纯Ag+纯MoS2时其镀膜厚度控制在5μm之内。
靶-炭/炭复合材料保持架的距离控制在70 mm 或是80mm，溅射时真空度控制在5×10-5 Pa，所述炭/炭复合材料保持架的温度控制在70℃或是80℃，溅射功率控制在150 W 或是200W，镀膜时间控制在90 min 或是150min。
上述镀膜结束后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架。
下表为润滑改性后炭/炭复合保持架材料的相关性能。这些相关性能是金属合金和常规非金属材料保持架所不能达到的，也不是通过整合现有技术所能达到的。
通过上表可以分析出：本发明的炭/炭复合材料保持架具有较小的密度，炭/炭复合材料保持架的密度小就使其具有轻质特点，有利于减轻轴承整体的重量，提高轴承的转速和运作稳定性，同时也能显著提高主机的使用效果。此外炭/炭复合材料保持架具有较高的拉伸强度，尤其是在300℃时其拉伸强度更高。导热系数高，热膨胀系数小，摩擦系数小则表示自润滑性能高。炭/炭复合材料保持架的尺寸稳定性好，具有可靠的运转性能。
Claims (1)
1.一种由炭/炭复合材料并经润滑改性后制作轴承保持架的方法，该方法先将无纬炭布和网胎制成圆筒状炭纤维编织体，经过化学气相沉积炉的裂解、沉积以及石墨化处理得到炭/炭纤维编织体，此后经过酚醛树脂的浸渍→炭化→粗车和钻削→精加工→机械抛光和超声波清洗得到炭/炭复合材料保持架，最后经镀膜后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架；设定成品轴承保持架具有外径D、内径d、高度H以及兜孔个数M和兜孔直径；其特征是：
①在无纬炭布上铺上网胎形成复合炭布层，将所述复合炭布层卷绕成圆筒状炭纤维编织体，所述圆筒状炭纤维编织体的对接处用炭纤维线连接，所述圆筒状炭纤维编织体的外径与成品保持架外径D匹配；
②将所述圆筒状炭纤维编织体置于化学气相沉积炉内，然后升温到1000～1100℃，当化学气相沉积炉内温度达到1000～1100℃时通入C3H6气体，在通入C3H6气体时同时通入N2，C3H6与N2的体积比控制在1：1～2，化学气相沉积炉内的压力控制在4.0～5.0Kpa，此时C3H6裂解出炭并沉积于所述筒状炭纤维编织体中形成炭/炭纤维编织体，沉积100h后取出所述炭/炭纤维编织体并置于石墨化炉内进行石墨化处理，石墨化炉的温度控制在2300～2500℃并保温3h；当所述炭/炭纤维编织体的体积密度达到1.20～1.30g/cm3时符合要求，当其体积密度达不到1.20～1.30g/cm3时需重复上述裂解、沉积和石墨化处理过程直至体积密度达到1.20～1.30g/cm3为止；
③将体积密度达到1.20～1.30g/cm3的所述炭/炭纤维编织体置于密闭的浸渍炉内的酚醛树脂槽中，酚醛树脂槽内的酚醛树脂重量百分比浓度控制在40wt%，酚醛树脂槽内的温度控制在80℃，当浸渍炉内压力达到1.6Mpa时保温、保压浸渍1h后取出并放在真空度为-0.1MPa的真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的温度保持在60℃，其保温时间控制在2h；最后经固化得到酚醛/炭材料，当所述固化温度在100℃时所需固化时间为1h，升温至140℃时所需固化时间为6h；
④将所述酚醛/炭材料置于炭化炉内进行炭化，在炭化炉内通入N2作为保护性气体并在炭化炉内的温度达到900～1000℃时保温3h，取出所述酚醛/炭材料后置于石墨化炉内进行石墨化，石墨化炉的温度控制在2300～2500℃并保温3h；
经过所述炭化和所述石墨化的所述酚醛/炭材料的体积密度若达到1.7～1.8g/cm3时即得到炭/炭复合材料坯体，若达不到1.7～1.8g/cm3时需重复上述③和④的步骤直至其体积密度达到1.7～1.8g/cm3为止；
⑤粗车和钻削加工所述炭/炭复合材料坯体，粗车和钻削时对所述炭/炭复合 材料坯体的加工参数控制如下：
在成品轴承保持架外径D和高度H的设计尺寸基础上各增大0.5mm以上进行粗车削加工；
在成品轴承保持架内径d的设计尺寸基础上减小0.5mm以上进行粗车削加工；
根据成品轴承保持架兜孔个数M并在成品轴承保持架兜孔直径的设计尺寸基础上减小0.5mm以上钻削出M个兜孔；
上述粗车和钻削后应对炭/炭复合材料坯体加工处去除毛刺得到炭/炭复合材料保持架毛坯；
⑥按成品轴承保持架的外径D、内径d、高度H以及兜孔直径将所述炭/炭复合材料保持架毛坯精加工成炭/炭复合材料保持架；
⑦对上述⑥中所述炭/炭复合材料保持架进行机械抛光和超声波清洗，超声波清洗功率控制在100W，超声波清洗时间控制在0.5h；然后用无水乙醇并在超声波协助下对其进行清洗，清洗时间控制在0.5h；最后将其放置在真空干燥箱内进行干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，干燥时间控制在3h；
⑧经过上述⑦步骤处理后，将所述炭/炭复合材料保持架在磁控溅射机上进行镀膜，镀膜时的控制参数如下：
溅射靶材：纯Ag，或是纯Ag+纯MoS2；
镀膜厚度：若采用纯Ag时镀膜厚度控制在3μm之内，若采用纯Ag+纯MoS2时镀膜厚度控制在5μm之内；
所述炭/炭复合材料保持架的距离控制在70～80mm，溅射时真空度控制在5×10-5Pa，所述炭/炭复合材料保持架的温度控制在70～80℃，溅射功率控制在150～200W，镀膜时间控制在90～150min；
上述镀膜结束后得到润滑改性的炭/炭复合材料保持架。
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