CN111156255A - 一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，由滚动传动装置本体和镀覆在滚动接触面中一面或双面的a‑C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。本发明通过镀膜可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗，而且导电用螺纹孔的加入还能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电。

Description

一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置
技术领域
本发明属于轴承技术领域，涉及一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置。
背景技术
超润滑固体薄膜与传统固体润滑薄膜(如MoS2)相比，其摩擦系数(<0.005)低1-2个数量级，摩擦力矩波动大幅度降低，可大幅度提高活动机构的运转平稳性，降低摩擦力矩和能耗，对于提高空间航天器运转平稳性，降低摩擦带来的噪音和动力衰减等具有不可替代的重要作用。
尽管国内外多个高校和研究所对超润滑材料进行了大量研究，并尝试了宏观尺度的超润滑薄膜的制备，但截至目前，尚无一种超润滑薄膜可以成功应用于空间用固体润滑轴承。其中涉及的主要问题如下：(1)超润滑研究基本局限在微观尺度，而微观超润滑机制难以在宏观重现；(2)少数在宏观尺寸表现出超润滑特性的材料(如含氢非晶碳膜，a-C:H)，寿命较短，摩擦系数波动较大，无法满足空间应用需求；(3)大多数当前研究获得的超润滑材料，不具有空间环境适应性(如真空、辐照、原子氧等)。
含氢非晶碳(a-C:H)膜是目前唯一具有空间应用可行性的超润滑材料，归因于三个方面：(一)a-C:H膜是已报道文献中，唯一在宏观尺度(即“概念与内涵”中解释的“大尺度”)试样上、传统测试条件下表现出超润滑性能的材料；(二)a-C:H膜是非晶膜，不依赖完美的晶体结构，也不依赖超洁净表面，因此可以被有效镀覆于非平面的表面(如滚动球轴承内外圈等)，这些对于石墨单晶、h-BN单晶等材料很难实现；(三)与a-C:H膜成分、结构都类似的类金刚石碳(DLC)膜，已经多次成功应用于空间活动机构，获得了空间飞行验证，因此a-C:H膜具有很高的空间环境适应潜力，这是其他二维材料不具备的。
但是在制备a-C:H基超润滑固体薄膜时，薄膜材料会同时沉积到工件台上。由于薄膜材料本身导电性较差，使得工件台与镀膜部件之间导电性会随着镀膜过程的进行而逐渐变差。然而镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜的工艺需要被镀膜工件与工件台之间具有良好的导电性，以便于施加直流或脉冲电压，以保证超润滑薄膜的结构与性能。因此，要求工作台与镀膜部件之间导电性良好，因此薄膜材料覆盖工作台会导致工艺效果不好。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，通过镀膜可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗，而且导电用螺纹孔的加入还能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，由滚动传动装置本体和镀覆在滚动接触面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。
其中，所述滚动传动装置为滚动轴承；在滚动轴承的轴承内圈沟道表面和/或轴承外圈沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
其中，所述滚动传动装置为关节轴承；在关节轴承的外圈和/或内圈镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
其中，所述滚动传动装置为滚珠丝杠，在滚珠丝杠的螺杆沟道表面和/或螺帽沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜；或者，所述滚动传动装置为滚柱丝杠，在滚柱丝杠的螺杆沟道表面和螺帽沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
其中，所述滚珠丝杠的类型包括内循环式、外循环式、端塞循环式和端盖循环式。
其中，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为0.1～10μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1～3μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜中掺杂Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag中的一种或多种元素；所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构为非晶、纳米晶或两者复合。
所述镀膜部件制备时，使用导电螺钉与导电用螺纹孔相连，并采用导线带将待镀膜部件与工件台连通；通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。
其中a-C:H基超润滑固体薄膜的制备方法可以为物理气相沉积或化学气相沉积。
有益效果：
本发明在滚动传动装置的滚动接触面上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜，可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗。特别适用于具有长寿命、高精度、高稳定性等要求的空间活动机构，如展开机构、定位机构等。
同时，在镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通，能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电，不受溅射非导电材料的影响。
本发明不仅适用于航天器零部件，还适用于地面活动零部件，以及民用领域，如汽车工业、加工制造业、运输业、船舶工业等，对于民用产业活动零部件、机构的减摩降耗、提高能源利用效率，减少废气排放量等方面，都有巨大的应用价值。
附图说明
图1为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用球轴承的结构示意图；
图2为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用滚柱轴承的结构示意图；
图3为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用关节轴承的结构示意图；
图4为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用滚柱丝杠的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，由滚动传动装置本体和镀覆在滚动接触面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。a-C:H基超润滑固体薄膜的使用可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗；更重要的是，导电用螺纹孔的增加与使用能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电，不受所溅射的非导电材料的影响。
本发明中所用的a-C:H基超润滑固体薄膜可以采用现有的任意一种a-C:H基超润滑固体薄膜。a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为0.1～10μm，较优的可以选取范围为1～3μm。当a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm时，可以在达到较好效果的同时，减少制备时间，大大降低工艺成本。a-C:H基超润滑固体薄膜的组成成分可以仅包含C元素和H元素，也可以除C、H元素外，还可以另外包含Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag等一种或几种元素。而且所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构可以为非晶、纳米晶或两者复合。
该方案可以应用于各种滚动传动装置中，例如关节轴承、滚珠轴承、滚柱轴承、滚珠丝杠、滚柱丝杠等。
下面以航天器用球轴承、滚柱轴承、关节轴承、滚珠丝杠为例，举四个实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用球轴承，球轴承由外圈11、保持器12、滚珠13和内圈14组成；本实施例中，内圈14外表面和外圈11内表面上镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜。外圈11、内圈14上开设有导电用螺纹孔16和17。各部件材料为：外圈11为30CrMnSi，保持器12为PTFE，滚珠13为9Cr18不锈钢，内圈14为30CrMnSi。a-C:H基超润滑固体薄膜15的制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑固体薄膜采用反应磁控溅射技术制备，首先使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.5欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为1.5小时，获得薄膜总厚度约为1.2μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于250mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在内圈14和外圈11中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜。为了保证润滑效果，也可以在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。当内圈14和外圈11上都具有a-C:H基超润滑固体薄膜时，还可以在滚珠13上镀膜。镀膜可以是润滑薄膜也可以是a-C:H基超润滑固体薄膜。
实施例2
如图2所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用滚柱轴承，滚柱轴承由外圈21、保持器22、滚柱23和内圈24组成；本实施例中，外圈21内表面和内圈24外表面镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜25。外圈21、内圈24上开设有导电用螺纹孔26、27。其中，各部件材料为：外圈21为30CrMnSi，保持器22为PTFE，滚柱23为9Cr18不锈钢，内圈24为30CrMnSi。a-C:H基超润滑固体薄膜，制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑固体薄膜采用反应磁控溅射技术制备，首先使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.5欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为2小时，获得薄膜总厚度约为1.5μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于280mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在外圈21和内圈24中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜。为了保证润滑效果，也可以同时在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。当内圈24和外圈21上都具有a-C:H基超润滑固体薄膜时，还可以在滚柱23上镀膜。镀膜可以是润滑薄膜也可以是a-C:H基超润滑固体薄膜。
实施例3
如图3所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用关节轴承，关节轴承由外圈31和内圈32组成；本实施例中，外圈31和内圈32均镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜33。外圈31和内圈32上开设有导电用螺纹孔34和35。各部件材料为：外圈31为30CrMnSi，内圈32为9Cr18。a-C:H基超润滑固体薄膜的制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑固体薄膜采用反应磁控溅射技术制备，使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.4欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为2小时，所得薄膜总厚度约为1.5μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于250mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以仅在外圈31或内圈32的接触面上镀膜。
实施例4
如图4所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的固体润滑球滚珠丝杠，滑球滚珠丝杠由螺杆41、螺帽42和钢珠43组成；本实施例中，螺杆沟道表面和螺帽沟道表面镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜。螺杆41和螺帽42上开设有导电用螺纹孔45和46。其中，a-C:H基超润滑固体薄膜的制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑固体薄膜采用反应磁控溅射技术制备，使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.4欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为1.5小时，所得薄膜总厚度约为1.2μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于250mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在螺杆沟道、螺帽沟道中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜。为了保证润滑效果，也可以同时在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。当螺杆沟道、螺帽沟道上都具有a-C:H基超润滑固体薄膜时，还可以在钢球43上镀膜。镀膜可以是润滑薄膜也可以是a-C:H基超润滑固体薄膜。
上述具体实施方案中的四个示例，仅为举例说明本发明的实施方式，既不具有特殊性，也不具有排他性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，由滚动传动装置本体和镀覆在滚动接触面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。
2.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述滚动传动装置为滚动轴承；在滚动轴承的轴承内圈沟道表面和/或轴承外圈沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
3.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述滚动传动装置为关节轴承；在关节轴承的外圈和/或内圈镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
4.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述滚动传动装置为滚珠丝杠；在滚珠丝杠的螺杆沟道表面和/或螺帽沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜；
或者，所述滚动传动装置为滚柱丝杠；在滚柱丝杠的螺杆沟道表面和螺帽沟道表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
5.如权利要求4所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述滚珠丝杠的类型包括内循环式、外循环式、端塞循环式和端盖循环式。
6.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为0.1～10μm。
7.如权利要求6所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1～3μm。
8.如权利要求7所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm。
9.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述a-C:H基超润滑固体薄膜中掺杂Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag中的一种或多种元素；所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构为非晶、纳米晶或两者复合。
10.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的滚动传动装置，其特征在于，所述镀膜部件制备时，使用导电螺钉与导电用螺纹孔相连，并采用导线带将待镀膜部件与工件台连通；通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。
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