CN103339396A

CN103339396A - 轴承及抑制轴承组件中裂纹扩展的方法

Info

Publication number: CN103339396A
Application number: CN2010800711338A
Authority: CN
Inventors: X.B.周; A.理查希夫斯基; C.维拉德
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2013-10-02
Also published as: WO2012069065A1; EP2643602A1; US8967875B2; WO2012069065A8; US20130315520A1

Abstract

本发明涉及一种轴承，其包括液体润滑剂和至少一个陶瓷组件（105、115、125），轴承运转时，所述组件经受滚动接触载荷。根据本发明，所述至少一个陶瓷组件的摩擦表面（110、120、130）浸渍有密封剂，以使得防止所述液体润滑剂进入所述摩擦表面上的间断中。

Description

轴承及抑制轴承组件中裂纹扩展的方法

技术领域

本发明涉及一种轴承，其包括液体润滑剂和所述轴承运转时经受滚动接触载荷的陶瓷组件。本发明还涉及一种抑制经受滚动接触载荷的被润滑的轴承组件中裂纹扩展的方法。

背景技术

陶瓷材料具有轴承应用中有益的若干属性。例如，硅氮化物通常具有的硬度为轴承钢的两倍，且因此更耐磨损。陶瓷材料在重量上也更轻，并具有比轴承钢更低的表面粗糙度，这对于减少摩擦与能量损失是有利的。带有陶瓷组件的轴承因此在高速应用中比如在机床上是优异的。在一些示例中，轴承具有钢轴承套圈和一个或多个陶瓷滚动元件。这些轴承被称为混合轴承。在其他示例中，轴承套圈和滚动元件是由陶瓷材料制成的。例如，这种全陶瓷轴承被用在必须尽量减少重量的应用中。此外，陶瓷材料具有化学惰性，并且可以承受比轴承钢更高的工作温度，这使得全陶瓷轴承非常适合在恶劣的工作环境中。

陶瓷材料在轴承应用中的缺点是，他们很容易受到滚动接触疲劳引起的表面裂纹。制造完成后，例如陶瓷滚珠的摩擦表面可以表现出一定的孔隙度，并且可能还包含夹杂物和小的表面裂纹。毛孔和夹杂物可作为裂纹起始位置点，并且发展的表面裂纹或预先存在的表面裂纹可能会在滚动接触疲劳下扩展，从而导致轴承失效。

包括一个或多个陶瓷组件的轴承有时用固体润滑剂涂层比如二硫化钼或石墨润滑。还有其中轴承更适合用非固体润滑剂如油或油脂润滑的众多应用。人们已经发现，在这样的应用中，有防止或抑制裂纹扩展的特殊需要。

发明内容

在滚动元件轴承的组件中，裂纹将在裂纹尖端处的有效应力强度因子的总范围在一个滚动周期中超过特定材料的疲劳裂纹扩展阈值时在滚动接触载荷下开始扩展。本发明基于这样的理解，即裂纹扩展的可能性取决于裂纹面之间的滑动摩擦。具体而言，本发明人已发现，当裂纹面之间的摩擦系数增加时，总的有效应力强度因子降低。其结果是，裂纹扩展阈值将被超过变得更加不可能。

在用润滑脂润滑的轴承中，例如，隔开轴承组件摩擦表面的油膜将渗透到摩擦表面上的间断中。如果裂纹存在于轴承组件的表面中，则油将会有效地润滑裂纹面，从而降低摩擦且增加裂纹扩展的可能性。因此，本发明的目的是限定一种包括液体润滑剂和至少一个陶瓷组件的轴承，其具有改进的抗疲劳裂纹扩展性。

根据本发明，该目的是通过如在权利要求1中所定义的轴承来实现的。具体而言，所述至少一个陶瓷组件的摩擦表面浸渍有密封剂，以便防止液体润滑剂进入到摩擦表面上的间断中。

如前所述，陶瓷轴承组件的表面可以包括以小裂纹的形式的间断。这样的裂纹具有在表面上的开口，并且一般沿抛物线轨迹延伸到材料表面中。在根据本发明的轴承中，防止液体润滑剂渗透到裂纹中，这意味着在裂纹面之间的摩擦系数的减少不会发生。因此，裂纹难以扩展，从而增加轴承的使用寿命。

根据本发明的轴承可以用润滑脂进行润滑。润滑脂是包括增稠剂基质与基础油的半固体材料，从而基础油在轴承运转期间形成润滑膜。因此，构成液体润滑剂的基础油被防止进入到所述至少一个陶瓷组件的表面间断中。根据本发明的轴承中的液体润滑剂还可以是油或水，或者包括油与水的混合物。润滑剂的选择取决于应用的要求。

所述至少一个陶瓷组件的陶瓷材料的选择同样取决于应用的需求。在高载荷应用中，轴承级氮化硅是合适的材料。在低载荷、低速应用中，陶瓷组件可以包括氧化铝。其它合适的陶瓷材料包括碳化硅、碳化钨和氧化锆（PSZ）以及上述材料的合成物。

此外，根据本发明的轴承可以是径向轴承或直线轴承。在一些实施例中，轴承是一种包括钢轴承套圈与一个或多个陶瓷滚动元件的混合滚动元件轴承。合适地，至少一个滚动元件的摩擦表面浸渍有密封剂。在另一实施例中，轴承是一种包括陶瓷轴承套圈与陶瓷滚动元件的全陶瓷轴承，从而内滚道和/或外滚道和/或一个或多个滚动元件的摩擦表面浸渍有密封剂。在另一实施例中，轴承是一种以滚珠螺杆或滚柱丝杠的形式的线性轴承，从而滚珠/滚柱螺杆的滚动元件是由陶瓷材料制成的，并且至少一个滚动元件的摩擦表面浸渍有密封剂。

在所有的实施例中，如果每个陶瓷组件的摩擦表面浸渍有根据本发明的密封剂，则是有利的。这将最大限度地提高每个组件的抗疲劳裂纹扩展性，从而最大程度地提高轴承的使用寿命。

各种不同的材料可用于密封剂。合适地，密封剂可以包括聚合物材料，比如固化的环氧树脂或固化的酚醛树脂。优选地，使用具有低粘度的树脂，从而使密封剂在固化之前可以渗透到任何表面裂纹及其他间断的整个深度。

在本发明的进一步发展中，用于浸渍所述至少一个陶瓷组件的摩擦表面的密封剂具有防油性。防油性的材料也必须是防水性的，这意味着密封剂不仅用作被动的物理屏障，而且主动地防止上述的液体润滑剂进入表面间断。如果密封的间断的外表面将在滚动接触过程中被损坏，则这是特别有利的。液体润滑剂将被避开损坏的区域，从而向表面间断提供额外的保护。优选地，密封剂包括具有5与50mN/m之间的表面能量的材料。

防油密封剂可适当地包括固化的聚合物材料，比如聚四氟乙烯（PTFE）、全氟烷氧基（PFA）或聚硅氧烷。在比如陶瓷滚珠的滚动元件的情况下，滚珠可以浸泡在液体聚合物的溶液中，然后使之在例如80-250℃的温度固化。热固化促使聚合物分子交联，这向密封剂提供了防油性。当摩擦表面是滚道时，聚合物密封剂可能会被喷上，然后热固化。本领域中公知的任何合适的方法可应用于浸渍摩擦表面。

在聚合物密封剂已被应用和固化后，摩擦表面中的间断（裂纹、夹杂物和毛孔）将充满固化的密封剂。材料的薄膜也将保持在摩擦表面上。例如，当密封剂包括PFA时，厚度将是纳米级的。由于这种聚合物密封剂是防油性的，所以其在摩擦表面上的存在是不可取的。因此，在浸渍后，防油性的密封剂可以被擦掉，例如使用布。

或者，聚合物密封剂可以简单地被留在原处。固化的聚合物材料比如上述的树脂与防油性聚合物的额外的优点是，它们是柔软的材料。因此，保持在组件的摩擦表面上的密封剂在与其他部件滚动接触时将被迅速地擦掉。在短时间的运行之后，摩擦表面将具有良好的润湿性，以使得润滑膜可以形成在该表面上。当所使用的密封剂是防油性的时候，表面的间断保持为防油性的。

本发明还提供了一种抑制经受疲劳载荷的轴承组件中裂纹扩展的方法，从而该轴承组件具有在轴承的实际使用中被润滑剂润湿的摩擦表面。根据本发明，所述方法包括用密封剂浸渍摩擦表面的步骤，从而防止润滑剂进入摩擦表面上的间断中。

正如上文所述，陶瓷材料特别适合于根据本发明的处理。陶瓷表面中的残余孔隙度和预先存在的小裂纹允许表面被浸渍。然而，本发明的方法并不局限于陶瓷轴承组件。任何线性弹性材料中的裂纹在裂纹面之间的滑动摩擦由存在的液体润滑剂而被减少时将更迅速地扩展。

因此，本发明的方法还可以应用于由轴承钢制成的组件。在新的时候，轴承钢组件的摩擦表面不可能包含间断。但是在组件经历滚动接触疲劳后，摩擦表面可包括以表面裂纹的形式的间断。因此，例如当检修轴承时，本发明的方法可有利地应用于增加被检修的轴承的抗疲劳裂纹扩展性。

在本方法的优选实施例中，浸渍的步骤包括用防油性的材料浸渍摩擦表面。正如上文所述，然后主动地防止包括油和/或水的润滑剂进入间断。

因此，根据本发明的轴承或者根据本发明的方法已被处理的轴承改进了抗疲劳裂纹扩展性。其他的好处将从下面的详细描述和附图中变得更加清楚。

附图说明

图1a示出了根据本发明的全陶瓷滚珠轴承的侧视图;

图1b示出了通过图1的轴承中滚珠的外表面的放大的视图;

图2示出了对于在模拟的载荷条件下滚珠中的裂纹来说相对于裂纹面摩擦的总有效应力强度因子的图表;

具体实施方式

图1a示出了全陶瓷滚珠轴承的示例的侧视图。轴承100包括内圈105、外圈115和置于轴承套圈105、115之间的在内滚道110和外滚道120上的多个滚珠125。在该示例中，轴承套圈105、115以及每个滚珠125由氮化硅（Si₃N₄）制成。在其他示例中，轴承套圈可以由轴承钢制成。此外，轴承100是用油（未示出）润滑的。

根据本发明，至少一个氮化硅组件的摩擦表面用密封剂浸渍，从而防止油进入到摩擦表面上的间断中。术语“摩擦表面”应被理解为组件的表面，其在轴承运转时滚动接触另一组件的表面。因此，在所描述的示例中，所述摩擦表面包括内滚道110、外滚道120和每个滚珠125的外表面130。在图1a的示例中，摩擦表面110、120、130中的每一个已被浸渍。

一种制造陶瓷轴承组件的方法是通过热等静压（hot isostatic pressing）。例如，氮化硅粉末在高压力和温度下被致密若干个小时，直至已完全致密化。该致密组件有一些残余孔隙。一般而言，对于轴承级氮化硅来说，毛孔的体积分数不到0.1%。在例如氮化硅滚珠的组件表面，对于表面孔隙度来说，典型值是0.06％，据此，孔径可以从1微米变化至10微米。对于其它陶瓷材料来说，这些值可以是不同的。

在致密化后，对该组件的摩擦表面进行加工，以实现轴承应用中所需的精度公差。氮化硅是一种具有高硬度、但韧性低的材料。换句话说，它是一种脆性材料，且在加工过程中，有可能形成的小表面裂纹。这样的裂纹140的示例在图1b中示出，其是通过来自图1a的示例中氮化硅滚珠125的摩擦表面130的放大视图。

裂纹140具有裂缝口，其在摩擦表面130打开，并且以抛物线的方式延伸到滚珠的表面下。根据本发明，摩擦表面130已浸渍有密封剂150，以使得裂纹140被密封剂基本填满。因此，防止在摩擦表面130上存在的润滑油渗透到裂纹中。

在所描述的示例中，密封剂是固化的全氟烷氧基（PFA）聚合物，其具有10-15mN/m的表面能量。换句话说，密封剂材料是防油剂。这意味着密封剂150不仅用作相对于油的被动物理屏障，而且还主动地抑制其渗透到裂纹140中。浸渍硅氮化物滚珠125的摩擦表面130从而防止润滑油进入该表面上的间断140中的优点将参照图2进行说明。

本发明人已发现，线性弹性材料中的裂纹扩展速率取决于裂纹面之间的滑动摩擦。在三个不同水平的最大接触压力下，对于各种不同的摩擦系数，计算了在裂纹尖端处的有效应力强度因子（SIF）的总范围。

根据广义巴黎法，在疲劳应力下，裂纹扩展速率与一个载荷周期中SIF的总范围是成比例的：

dL/dN=C*[(ΔK_eff)^m-(K_th)^m]，其中

L是裂纹长度；N是滚动周期的数量；ΔK_eff是以混合模式的方式在有效SIF的最大与最小值之间的差值；K_th是材料的疲劳阈值；以及C和m是材料常数。

裂纹将在总的有效SIF范围ΔK_eff超过K_th时开始增长，由此所述速率与ΔK_eff是成比例的。因此，总的有效SIF范围ΔK_eff提供裂纹临界状态的测量。

对于直径为12.7mm的氮化硅滚珠来说进行混合模式疲劳分析，该滚珠具有抛物线式地延伸至一定深度的带有特定方向的表面裂纹。此外，假定轴承内圈在一个加载周期中越过裂纹，具有预定的摩擦接触系数。计算的结果示出在图2中，由此x-轴210表示裂纹面之间的滑动摩擦系数（无量纲），y-轴220表示在裂纹尖端处的总的有效SIF范围（MPa.m^1/2）。示出了三条曲线，由此第一曲线230表示对于最大接触压力为5.58GPa的所计算出的结果；第二曲线240表示对于最大接触压力为4GPa的所计算出的结果以及第三曲线250表示对于最大接触压力为2GPa的所计算出的结果。

在三个载荷条件中的每一个下，总的有效SIF范围在滑动摩擦系数增加时减小。换言之，就减少对于裂纹扩展所必需的氮化硅的疲劳阈值将被超过的可能性来说，高的摩擦系数是有利的。

在图1a的油润滑轴承中，示于图1b中的裂缝140中存在的润滑油将会大大减少裂纹面之间的滑动摩擦系数。这种减少得以防止，因为裂纹140由密封剂150密封，从而减少裂纹扩展的可能性。

在氮化硅滚珠或其它陶瓷轴承组件中，表面裂纹还可以在轴承运转过程中发展。这样的裂纹最有可能在类似毛孔的表面间断处开始。在根据本发明的轴承中，在组件的摩擦表面中的毛孔也浸渍有密封剂。同样，在毛孔处开始的裂纹的裂纹面不会变得被油润滑，这意味着没有增加裂纹扩展的可能性。

因此，根据本发明的轴承已改进了抗疲劳裂纹扩展性，从而导致轴承寿命更长。

已经对本发明的许多方面/实施例进行了描述。应当理解的是，每个方面/实施例可结合任何其它的方面/实施例。因此，本发明可在随附的专利权利要求的范围之内变化。

附图标记列表

100 滚珠轴承

105 内圈

110 内滚道

115 外圈

120 外滚道

125 滚动元件

130 滚动元件的外表面（摩擦表面）

140 摩擦表面中的裂纹

150 密封剂

210 x-轴（裂纹面之间的滑动摩擦系数）

220 y轴（裂纹尖端处的总的有效SIF范围）

230 第一曲线（最大接触压力=5.58GPA）

240 第二曲线（最大接触压力=4GPA）

250 第三曲线（最大接触压力=2GPA）

Claims

1.轴承（100），其包括液体润滑剂和至少一个陶瓷组件（105、115、125），轴承运转时，所述组件经受滚动接触载荷，

其特征在于，

所述至少一个陶瓷组件的摩擦表面（110、120、130）浸渍有密封剂，以使得防止所述液体润滑剂进入所述摩擦表面上的间断（140）中。

2.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述液体润滑剂包括润滑油和/或水。

3.根据权利要求1或2所述的轴承，其中，所述密封剂（150）包括防油性的材料。

4.根据权利要求3所述的轴承，其中，所述防油性的材料具有在5和50mN/m之间的表面能量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轴承，其中，所述密封剂包括固化的聚合物。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轴承，其中，所述至少一个陶瓷组件包括氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轴承，其中，所述轴承是滚动元件轴承（100），且所述摩擦表面是内滚道（110）、外滚道（120）以及滚动元件（130）的外表面中的至少其中之一。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的轴承，其中，所述轴承是滚珠螺杆或滚柱丝杠，且所述摩擦表面是滚动元件的外表面。

9.抑制经受疲劳载荷的轴承的组件中裂纹扩展的方法，所述轴承组件（105、115、125）具有摩擦表面（110、120、130），所述摩擦表面在轴承的运转使用中被润滑剂润湿，其特征在于，

所述方法包括用密封剂（150）浸渍所述摩擦表面的步骤，以使得摩擦表面上的间断（140）被密封，以防止所述润滑剂进入。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述浸渍步骤包括用防油性的材料浸渍所述摩擦表面。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述轴承组件包括轴承钢或轴承级陶瓷材料。