CN105387078A - 一种用于滚动轴承的复合材料及其应用 - Google Patents

一种用于滚动轴承的复合材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于滚动轴承的复合材料及其应用。将氮化硅、氧化锆、碳化硅和氧化铝中的任一一种与硫化钼70％-90％：5％-27％配比制成,并余量为粘合剂，硫化钼分子为MoSx，x＝0.1～2。本发明复合材料可用于制造滚动轴承及其部件，保证滚动轴承的高硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性，同时可以降低摩擦系数，起到自润滑的作用，无需另外使用润滑剂进行润滑，从而使滚动轴承的磨损率大大减少，可广泛应用于食品加工机械、制药机械、航空机械等不宜采用润滑剂的领域。

Description

一种用于滚动轴承的复合材料及其应用
技术领域
本发明涉及了一种复合材料，具体地说是涉及了一种用于滚动轴承的复合材料及其应用，具有自润滑性，高硬度耐磨。
背景技术
随着经济和科技的快速发展，对制造机械零部件材料的性能要求也越来越高。例如，滚动轴承是一种基础机械零件，用于制造滚动轴承的常规材料为高碳铬轴承钢、铬钼钢、镍铬钼钢等，在使用过程中根据不同的工作环境选择适合的润滑方式。常用滚动轴承的润滑方式可分为脂润滑和油润滑两种。润滑脂是一种半固体状润滑剂。相比润滑油，其特点是粘附力强，油膜强度较高；不易泄漏，密封简单；润滑脂的主要缺点是其摩擦阻力比润滑油略大，且不具有润滑油的冷却作用。
在食品加工机械、制药机械、航空机械等领域，润滑剂中含有大量对人体有害的重金属元素和油脂，真空环境内无法利用润滑剂进行润滑，故不宜使用润滑剂对滚动轴承进行润滑。所以在特殊工况下，如何对滚动轴承进行润滑成为一个亟待解决的问题。
中国专利(专利号CN104763749A)报道了“一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法”，是采用以铝黄铜作为轴承的金属基体材料，在基体材料的外周镶嵌固体润滑材料(如聚四氟乙烯等)。这种自润滑材料制成的轴承虽然可以在高温高压环境下作业，基体材料周围含有固体润滑材料，无需额外加入润滑剂，但是由于其材料的硬度低，很容易造成轴承的磨损，需要经常更换轴承；基体材料的外周镶嵌固体润滑材料容易脱落，无法进行自润滑，限制了其广泛应用。
近年来，用于制造滚动轴承的高性能材料不断涌现。例如，陶瓷轴承具有常规金属轴承所无法比拟的优良性能，抗高温、超强度、耐磨、耐腐蚀，在各个领域中得到了日益广泛的应用。陶瓷轴承的套圈及滚动体采用全陶瓷材料，有氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)等。保持器采用聚四氟乙烯、尼龙，聚醚酰亚氨，氧化锆、氮化硅，不锈钢或特种航空铝制造。不过在陶瓷轴承使用过程中仍需加入润滑剂进行润滑，无法应用于食品加工机械、制药加工机械、航空机械等领域。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于滚动轴承的复合材料及其应用，可以保证滚动轴承的高硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性，同时可以降低摩擦系数，起到自润滑的作用，无需另外使用润滑剂进行润滑。
本发明采用的技术方案是：
一、一种用于滚动轴承的复合材料：
将氮化硅、氧化锆、碳化硅和氧化铝中的任一一种与硫化钼、粘合剂按配比制成。其各种成分的主要配比为：所述的氮化硅、氧化锆、碳化硅和氧化铝中的任一一种所占的质量百分数为70％-90％，硫化钼的质量百分数为5％-27％，剩余的为粘合剂。
所述硫化钼分子为MoSx，x＝0.1～2。
所述复合材料具体成分可为：氮化硅(Si3N4)70％-90％，硫化钼(MoSx)5％-27％，余量为粘合剂；或氧化锆(ZrO2)70％-90％，硫化钼(MoSx)5％-27％，余量为粘合剂；或碳化硅(SiC)70％-90％，硫化钼(MoSx)5％-27％，余量为粘合剂；或氧化铝(Al2O3)70％-90％，硫化钼(MoSx)5％-27％，余量为粘合剂。
用于滚动轴承中内圈、外圈和滚动体的制造以及保持架的制造。
所述的粘合剂使用金属粉末粘合剂、无机粘合剂或者有机粘合剂。
所述的金属粉末粘合剂采用镍粉或者锑粉。
所述的无机粘合剂采用硅酸盐类粘合剂或者磷酸盐类粘合剂。
所述的有机粘合剂采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂或者丙烯酸体系粘合剂。
二、一种用于滚动轴承的复合材料的应用：所述复合材料在滚动轴承中内圈、外圈、滚动体和保持架制造的应用。
按上述的配比将硫化钼与氮化硅(或氧化锆，或碳化硅，或氧化铝，或它们的混合物)加以粘合剂，放入到球磨机中进行混合研磨2-10小时，制得混合粉末体状。将上述混合粉末在烘箱内以60℃左右温度的条件下慢慢烘干。将烘干后的复合材料装入模具放入压力机，加以30-100MPa的压强，将装入的粉末压实。下一步通过热压烧结法，将压实后的复合材料装入模具放入热压烧结炉内，以氩气作为烧结保护气体，以30℃-50℃/min的升温速率将炉温升值1350-1400℃，烧结1-2小时，然后以大约10℃/min的速率降温。热压烧结可以使上述烘干后的混合粉末状材料加速流动、重排与致密化，提高产品的致密度并得到所需的形状。在烧结过程中为了避免所述的复合材料与模具与垫片发生粘模的现象，在模具和垫片上喷涂氮化硼作为脱模剂。在热压烧结过程完成后，将所述的复合材料冷却至常温，经后期处理即得到所述的用于滚动轴承的复合材料。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明与其他滚动轴承用的复合材料显著不同，它不是通过在金属或其他基体材料的表面喷镀一层润滑膜，也不是通过金属间的化学反应产生润滑膜，而是通过运用新工艺产生一种全新的复合材料，可以起到自润滑效果。
2)本发明中所述的复合材料是采用陶瓷轴承常用的材料(氮化硅、氧化锆、碳化硅、氧化铝)和固体润滑剂(硫化钼)合成的，同时具备陶瓷材料的高硬度和固体润滑剂的低摩擦系数。
3)本发明中所述的复合材料，可以加工成但不限于块状材料，棒状材料，并且可以进行机械加工。
4)所述的复合材料还具有高硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性的特性。
5)所述的复合材料制造的滚动轴承可广泛应用于食品加工机械、制药机械、航空机械等不宜采用润滑剂的领域。使用寿命长，应用广泛。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的实施例如下：
实施例1、制作复合材料10Kg并制成滚动轴承
按配比称量原料氮化硅(Si3N4)7.8Kg(78％)，硫化钼(MoSx)1.8Kg(18％)，粘合剂0.4Kg(4％)。粘合剂可以金属粉末粘合剂、无机粘合剂、有机粘合剂。金属粉末粘合剂可以使用采用镍粉，铝粉。无机粘合剂可以采用硅酸盐类粘合剂，磷酸盐类粘合剂。有机粘合剂可以采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂，丙烯酸体系粘合剂。
将上述配比称量原料氮化硅、硫化钼与粘合剂放入到球磨机中进行混合研磨2-10小时制得混合粉末体状。将上述混合粉末在烘箱内以60℃左右温度的条件下慢慢烘干。将烘干后的复合材料装入模具放入压力机，加以30-100MPa的压强，将装入的粉末压实。然后将压实后的复合材料装入模具放入热压烧结炉内，以氩气作为烧结保护气体，以30℃-50℃/min的升温速率将炉温升值1350-1400℃，烧结1-2小时，然后以大约10℃/min的速率降温。最后冷却至常温，经后期处理得到所述的复合材料。利用得到的复合材料加工制造滚动轴承，深沟球轴承6210GB/T276-1994若干个。
实施例2、制作复合材料10Kg并制成滚动轴承
按配比称量原料氧化锆(ZrO2)7.8Kg(78％)，硫化钼(MoSx)1.8Kg(18％)，粘合剂0.4Kg(4％)。粘合剂可以金属粉末粘合剂、无机粘合剂、有机粘合剂。金属粉末粘合剂可以使用采用镍粉，铝粉。无机粘合剂可以采用硅酸盐类粘合剂，磷酸盐类粘合剂。有机粘合剂可以采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂，丙烯酸体系粘合剂。
将上述配比称量原料氮化硅、硫化钼与粘合剂放入到球磨机中进行混合研磨2-10小时制得混合粉末体状。将上述混合粉末在烘箱内以60℃左右温度的条件下慢慢烘干。将烘干后的复合材料装入模具放入压力机，加以30-100MPa的压强，将装入的粉末压实。然后将压实后的复合材料装入模具放入热压烧结炉内，以氩气作为烧结保护气体，以30℃-50℃/min的升温速率将炉温升值1350-1400℃，烧结1-2小时，然后以大约10℃/min的速率降温。最后冷却至常温，经后期处理得到所述的复合材料。利用得到的复合材料加工制造滚动轴承，深沟球轴承6210GB/T276-1994若干个。
实施例3、制作复合材料10Kg并制成滚动轴承
按配比称量原料碳化硅(SiC)7.8Kg(78％)，硫化钼(MoSx)1.8Kg(18％)，粘合剂0.4Kg(4％)。粘合剂可以金属粉末粘合剂、无机粘合剂、有机粘合剂。金属粉末粘合剂可以使用采用镍粉，铝粉。无机粘合剂可以采用硅酸盐类粘合剂，磷酸盐类粘合剂。有机粘合剂可以采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂，丙烯酸体系粘合剂。
将上述配比称量原料氮化硅、硫化钼与粘合剂放入到球磨机中进行混合研磨2-10小时制得混合粉末体状。将上述混合粉末在烘箱内以60℃左右温度的条件下慢慢烘干。将烘干后的复合材料装入模具放入压力机，加以30-100MPa的压强，将装入的粉末压实。然后将压实后的复合材料装入模具放入热压烧结炉内，以氩气作为烧结保护气体，以30℃-50℃/min的升温速率将炉温升值1350-1400℃，烧结1-2小时，然后以大约10℃/min的速率降温。最后冷却至常温，经后期处理得到本发明的复合材料。利用得到的复合材料加工制造滚动轴承，深沟球轴承6210GB/T276-1994若干个。
实施例4、制作复合材料10Kg并制成滚动轴承
按配比称量原料氧化铝(Al2O3)7.8Kg(78％)，硫化钼(MoSx)1.8Kg(18％)，粘合剂0.4Kg(4％)。粘合剂可以金属粉末粘合剂、无机粘合剂、有机粘合剂。金属粉末粘合剂可以使用采用镍粉，铝粉。无机粘合剂可以采用硅酸盐类粘合剂，磷酸盐类粘合剂。有机粘合剂可以采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂，丙烯酸体系粘合剂。
将上述配比称量原料氮化硅、硫化钼与粘合剂放入到球磨机中进行混合研磨2-10小时制得混合粉末体状。将上述混合粉末在烘箱内以60℃左右温度的条件下慢慢烘干。将烘干后的复合材料装入模具放入压力机，加以30-100MPa的压强，将装入的粉末压实。然后将压实后的复合材料装入模具放入热压烧结炉内，以氩气作为烧结保护气体，以30℃-50℃/min的升温速率将炉温升值1350-1400℃，烧结1-2小时，然后以大约10℃/min的速率降温。最后冷却至常温，经后期处理得到所述的复合材料。利用得到的复合材料加工制造滚动轴承，深沟球轴承6210GB/T276-1994若干个。
实施例实验测试比较：
1、利用维氏硬度测量仪，测量上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中得到的复合材料，陶瓷轴承材料氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)和金属轴承钢材料(M50钢)的硬度，结果如下表：
轴承材料 Si3N4 ZrO2 SiC Al2O3 M50钢
硬度HV 1800～2000 ～1300 ～2800 ～2000 ～800
复合材料 Si3N4+MoSx ZrO2+MoSx SiC+MoSx Al2O3+MoSx
硬度HV 1700～1800 ～1150 ～2550 ～1800
从硬度测试试验中可以看到，所述的复合材料的硬度性能虽然略低于陶瓷轴承材料氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)，但是远高于金属轴承钢材料(M50钢)。说明了本发明所述的复合材料继承了陶瓷材料的高硬度性能。
2、利用MRS-1J机械式四球长时抗磨损试验机测量上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中得到的复合材料的摩擦系数。已知陶瓷轴承材料氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)的摩擦系数在真空中接近0.8；MoS2具有低的摩擦系数,一般为0.03～0.15，在良好的条件下,摩擦系数可达到0.017。经测试所述复合材料的摩擦系数到达0.08左右，说明了所述的复合材料摩擦系数小，具有自润滑性。
3、利用ABLT-1滚动轴承疲劳寿命强化试验机对上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中制造的滚动轴承(深沟球轴承6210GB/T276-1994)和。陶瓷轴承材料氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)制造的滚动轴承(深沟球轴承6210GB/T276-1994)进行滚动轴承疲劳寿命测试。对上述利用复合材料制成的滚动轴承施加30KN的径向载荷，在5000r/min的转速，无润滑的情况下进行试验。
另外，对上述利用陶瓷材料制成的滚动轴承施加30KN的径向载荷，在5000r/min的转速，在轴承润滑脂润滑下进行试验。每种轴承试验若干组，得到的实验结果显示：利用本发明所述的复合材料制成的滚动轴承在无润滑剂的条件下与陶瓷轴承在润滑脂润滑下求出的试验寿命和可靠性参数基本相同。
上述实验结果可以说明本发明所述的复合材料具有高接触疲劳强度，并且具有良好的耐磨性和冲击韧性，有自润滑性，在工作过程中无需另外使用润滑剂进行润滑。

Claims (9)

1.一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：将氮化硅、氧化锆、碳化硅和氧化铝中的任一一种与硫化钼、粘合剂按配比制成。
2.根据权利要求1所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：其各种成分的主要配比为：所述的氮化硅、氧化锆、碳化硅和氧化铝中的任一一种所占的质量百分数为70％-90％，硫化钼的质量百分数为5％-27％，剩余的为粘合剂。
3.根据权利要求1所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：
所述硫化钼分子为MoSx，x＝0.1～2。
4.根据权利要求1所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：用于滚动轴承中内圈、外圈和滚动体的制造以及保持架的制造。
5.根据权利要求1所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：
所述的粘合剂使用金属粉末粘合剂、无机粘合剂或者有机粘合剂。
6.根据权利要求5所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：
所述的金属粉末粘合剂采用镍粉或者锑粉。
7.根据权利要求5所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：
所述的无机粘合剂采用硅酸盐类粘合剂或者磷酸盐类粘合剂。
8.根据权利要求5所述的一种用于滚动轴承的复合材料，其特征在于：
所述的有机粘合剂采用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂或者丙烯酸体系粘合剂。
9.一种用于滚动轴承的复合材料的应用，其特征在于：权利要求1～8任一所述的复合材料在滚动轴承中内圈、外圈、滚动体和保持架制造的应用。
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