CN112483549A - 一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法，属于关节轴承设计制造领域。本发明的关节轴承内、外圈采用钛合金作为基体材料，首先在内圈外球面基体上依次沉积TiN过渡层、硬质涂层、软质涂层，然后在外圈内球面基体上依次沉积TiN过渡层、硬质涂层，再利用激光热效应在外圈内球面上加工出微凹坑织构，并在微凹坑织构内填充固体润滑剂。本发明能够满足航空、航天等特殊工况领域对关节轴承轻量化、抗磨损及自润滑的性能要求。

Description

一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法
技术领域
本发明涉及关节轴承设计制造领域，尤其涉及一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法。
背景技术
钛合金作为工业常用高性能材料，因其具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好、宽温使用范围等优点，被广泛用于各个工业领域，尤其在航空航天领域应用较多。随着生产技术的发展，为了将钛合金应用到更多工业技术领域，对其表面的保护显得尤为重要。关节轴承在航空装备中的使用十分广泛，大量应用于飞机的动力系统、传动系统、操纵系统以及执行系统等重要系统中。由于航空关节轴承的使用环境恶劣，寿命和可靠性要求均很高，对于基体材料的选用要求也越来越高。目前关节轴承常用材料有不锈钢、轴承钢、铜合金、玻璃钢等，由于钛合金的优良性能，其在关节轴承材料中的地位也越来越重要。
中国专利(CN102537037A)公开了一种应用于飞机起落架的自润滑关节轴承以及加工方法，该发明轴承内外圈材料选择TC4、TC10或TC11钛合金作为轴承基体材料，内外圈材料之间的自润滑层采用PTFE纺织复合材料，能够满足起落架对于关节轴承轻量化、抗冲击性、自润滑的特殊要求，但是此方法提供的关节轴承内外圈摩擦面易磨损划伤，承载能力低，使用寿命较短。
中国专利(CN106931036A)公开了一种钛合金关节轴承及其加工方法，该发明对轴承内圈进行加工成型，加工轴承外圈半成品，在所述轴承外圈半成品的内表面设置自润滑层，将轴承内圈设置于自润滑层的表面，通过挤压成型的方法使轴承外圈和轴承内圈相互贴合，得到所述钛合金关节轴承。该发明通过钛合金设计选材与应用，满足了产品的轻量化、耐蚀性要求，扩大了轴承的使用范围，但该发明方法提供的关节轴承易磨损，且自润滑层磨损后不能够得到进一步的有效补充。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法，解决航空、航天等特殊工况领域轴承零部件的轻量化、耐磨损、自润滑问题，显著提升关键零部件的服役寿命。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种轻量化自润滑耐磨关节轴承，包括：
轴承内圈，所述轴承内圈为环形件；
轴承外圈，所述轴承外圈为中空环形件且嵌套于所述轴承内圈的外侧，所述轴承外圈与所述轴承内圈活动连接；
第一润滑部，所述第一润滑部设于所述轴承外圈的内侧且与所述轴承内圈的外侧止抵；
第二润滑部，所述第二润滑部设于所述轴承内圈的外侧且与所述轴承外圈的内侧止抵。
所述第一润滑部包括：
膜基结合层，所述膜基结合层设于所述轴承外圈的内侧；
硬质涂层，所述硬质涂层设于所述膜基结合层的外侧。
所述第一润滑部具有：
凹槽，所述凹槽设于所述轴承外圈的内侧。
所述凹槽内填充固体润滑剂。
所述第二润滑部包括：
膜基结合层，所述膜基结合层设于所述轴承内圈的外侧；
硬质涂层，所述硬质涂层设于所述膜基结合层的外侧；
软质涂层，所述软质涂层设于所述硬质涂层的外侧。
所述轴承外圈采用TC4钛合金作为基体材料，所述轴承内圈采用TC11钛合金作为基体材料。
所述硬质涂层采用TiAlN或CrAlN或TiAlSiN或DLC。
所述软质涂层采用MoS2或WS2。
所述固体润滑剂为纳米MoS2或纳米WS2或纳米石墨或聚四氟乙烯或氟化石墨烯或石墨烯的一种或其组合。
一种制备轻量化自润滑耐磨关节轴承的方法，包括以下步骤：
S1、对轴承外圈和轴承内圈的基体表面进行抛光处理，再对轴承外圈和轴承内圈进行清洗和干燥；
S2、在轴承内圈外球面基体上沉积TiN过渡层作为膜基结合过渡层，在TiN过渡层上沉积硬质涂层二作为基体保护层，在硬质涂层二上沉积软质涂层作为自润滑层；
S3、在轴承外圈内球面基体上沉积TiN过渡层作为膜基结合过渡层，在TiN过渡层上沉积硬质涂层一作为基体保护层；
S4、在轴承外圈内球面上进行表面微织构加工，对加工后的试样进行表面磨抛处理，去除表面熔渣，清除凹槽内磨粒杂质，并在干燥机内进行充分烘干；
S5、在凹槽内填充固体润滑剂。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种轻量化自润滑耐磨关节轴承，内圈和外圈均采用钛合金作为基体材料，可有效减小关节轴承的重量，且比强度高、耐蚀性好、耐热性高。
(2)本发明关节轴承内外圈之间的涂层采用多种涂层技术复合，涂层包括外圈内球面基体上依次沉积的TiN过渡层、硬质涂层二，以及内圈外球面基体上依次沉积的TiN过渡层、硬质涂层一、软质涂层；硬质涂层可有效减小关节轴承摩擦面的磨损，保护基体材料，并有效支撑自润滑层，软质涂层可有效降低摩擦，减小摩擦阻力矩，实现关节轴承的自润滑。
(3)本发明利用激光热效应加工出微凹坑织构，并在微凹坑织构内填充固体润滑剂，可为后续摩擦补充固体润滑剂，微凹坑也可作为磨损磨粒的储存池，该工艺操作简单可靠，适合工业化推广。
(4)本发明主要用于解决航空、航天等特殊工况领域轴承零部件的轻量化、耐磨损、自润滑问题，显著提升关节轴承的服役寿命，进一步扩大关节轴承的使用范围。
附图说明
图1为本发明所述轻量化自润滑耐磨关节轴承结构示意图；
图2为本发明涂层沉积与微凹坑织构形貌微观示意图；
图中：1-外圈；2-内圈；3-涂层；4-固体润滑剂；31-TiN过渡层；32-硬质涂层一；33-软质涂层；34-硬质涂层二。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，一种轻量化自润滑耐磨关节轴承，包括外圈1、内圈2和涂层3，内圈2设置在外圈1内部，外圈1和内圈2之间为涂层3，涂层3包括外圈内球面基体上依次沉积的TiN(氮化钛)过渡层31、硬质涂层二34，以及内圈外球面基体上依次沉积的TiN过渡层31、硬质涂层一32、软质涂层33，外圈内球面上还加工有微凹坑织构，微凹坑织构内填充固体润滑剂4。外圈1、内圈2采用钛合金作为基体材料。
一种轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法，在内圈外球面基体上依次沉积TiN过渡层、硬质涂层和软质涂层，在外圈内球面基体上依次沉积TiN过渡层和硬质涂层，利用激光热效应在外圈内球面上加工出微凹坑织构，并在微凹坑织构内填充固体润滑剂。具体的过程如下：
步骤(1)，选用TC11钛合金作为内圈基体材料，TC4钛合金作为外圈基体材料，对基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra≤0.05μm。
步骤(2)，将关节轴承内圈进行超声波清洗，去除内圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；
采用多弧离子镀膜法在内圈外球面基体上沉积TiN涂层作为膜基结合过渡层，TiN过渡层厚度为1-3μm；在内圈外球面TiN过渡层上沉积一层硬质涂层作为基体保护层，并有效支撑自润滑层，硬质涂层采用TiAlN(氮化铝钛)、CrAlN(氮化铬铝)、TiAlSiN(氮化钛铝硅)、DLC(类金刚石薄膜)四种涂层之一，涂层厚度为3-5μm；采用磁控溅射镀膜法在硬质涂层上沉积一层软质涂层作为自润滑层，软质涂层采用MoS2(二硫化钼)、WS2(二硫化钨)两种涂层之一，涂层厚度为3-5μm。
步骤(3)，将关节轴承外圈进行超声波清洗，去除外圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；
采用多弧离子镀膜法在外圈内球面基体上沉积TiN涂层作为膜基结合过渡层，TiN过渡层厚度为1-3μm；在外圈内球面TiN过渡层上沉积一层硬质涂层作为基体保护层，硬质涂层采用TiAlN、CrAlN、TiAlSiN、DLC四种涂层之一，涂层厚度为3-5μm。
步骤(4)，采用皮秒激光器在外圈内球面上进行表面微织构加工，激光器的参数为：激光波长1064nm、激光器光束质量M2≤1.5、最大输出功率50W、最大单脉冲能量200μJ、脉冲频率范围0-1000KHZ、脉冲宽度9ps；采用单脉冲同点间隔多次方式加工，重复次数为3-10次；所加工织构形貌为微凹坑，织构密度为10％-30％、直径为50-150μm、深度为10-20μm。
步骤(5)，使用1400目金相砂纸对激光加工后试样进行表面磨抛处理，去除表面熔渣；待表面熔渣基本去除后，使用抛光机对试样表面进行抛光处理，保证表面粗糙度Ra≤0.05μm；使用超声波清洗机清洗试样，以清除凹坑内磨粒杂质，并放入干燥机进行充分烘干。
步骤(6)，在微凹坑织构里面填充固体润滑剂，固体润滑剂包括MoS2(纳米)或WS2(纳米)或石墨(纳米)或聚四氟乙烯或氟化石墨烯或石墨烯及其组合，填充率为90％-95％。
实施例1
步骤(1)，关节轴承选用TC11钛合金作为内圈基体材料，TC4钛合金作为外圈基体材料，对轴承基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra≤0.05μm。
步骤(2)，将关节轴承内圈进行超声波清洗15min，去除内圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；采用多弧离子镀膜法在内圈外球面基体上沉积TiN涂层，TiN过渡层厚度为1μm；接着在TiN过渡层上面沉积TiAlN硬质涂层，TiAlN硬质涂层厚度为3μm；采用磁控溅射镀膜法在TiAlN涂层上沉积MoS2软质涂层，MoS2软质涂层厚度为3μm。
步骤(3)，将关节轴承外圈进行超声波清洗15min，去除外圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；
采用多弧离子镀膜法在外圈内球面基体上沉积TiN涂层，TiN过渡层厚度为1μm；接着在TiN过渡层上面沉积TiAlN硬质涂层，TiAlN硬质涂层厚度为3μm。
步骤(4)，采用皮秒激光器在外圈内球面上进行表面微织构加工，激光参数为：功率10W、脉冲频率200KHZ、脉冲宽度9ps；采用单脉冲同点间隔多次方式加工，重复次数为5次；所加工织构形貌为微凹坑，织构密度为10％，直径为80μm，深度为10μm；对基体表面进行抛光后处理，去除织构表面熔渣。
步骤(5)，在微凹坑织构内填充纳米MoS2和纳米石墨固体润滑剂，质量比例1:1，填充率为92％。
实施例2
步骤(1)，关节轴承选用TC11钛合金作为内圈基体材料，TC4钛合金作为外圈基体材料，对轴承基体表面进行抛光处理，保证基体表面粗糙度Ra≤0.05μm。
步骤(2)，将关节轴承内圈进行超声波清洗20min，去除内圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；
采用多弧离子镀膜法在内圈外球面基体上沉积TiN涂层，TiN过渡层厚度为2μm；接着在TiN过渡层上面沉积TiAlSiN硬质涂层，TiAlSiN硬质涂层厚度为5μm；采用磁控溅射镀膜法在TiAlSiN涂层上沉积WS2软质涂层，WS2软质涂层厚度为4μm。
步骤(3)，将关节轴承外圈进行超声波清洗20min，去除外圈基体表面的毛刺及其它污渍，并将工件放入丙酮中进行脱水处理，对工件表面进行充分干燥后放入镀膜机真空室中准备镀膜；
采用多弧离子镀膜法在外圈内球面基体上沉积TiN涂层，TiN过渡层厚度为2μm；接着在上面沉积TiAlSiN硬质涂层，TiAlSiN硬质涂层厚度为5μm。
步骤(4)，采用皮秒激光器在外圈内球面上进行表面微织构加工，激光参数为：功率30W、脉冲频率300KHZ、脉冲宽度9ps；采用单脉冲同点间隔多次方式加工，重复次数为10次；所加工织构形貌为微凹坑，织构密度为30％，直径为90μm，深度为15μm；对基体表面进行抛光后处理，去除织构表面熔渣。
步骤(5)，在微凹坑织构内填充纳米二硫化钼及石墨烯固体润滑剂，质量比例2:1，填充率为94％。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻量化自润滑耐磨关节轴承，其特征在于，包括：
轴承内圈，所述轴承内圈为环形件；
轴承外圈，所述轴承外圈为中空环形件且嵌套于所述轴承内圈的外侧，所述轴承外圈与所述轴承内圈活动连接；
第一润滑部，所述第一润滑部设于所述轴承外圈的内侧且与所述轴承内圈的外侧止抵；
第二润滑部，所述第二润滑部设于所述轴承内圈的外侧且与所述轴承外圈的内侧止抵。
2.根据权利要求1所述的关节轴承，其特征在于，所述第一润滑部包括：
膜基结合层，所述膜基结合层设于所述轴承外圈的内侧；
硬质涂层，所述硬质涂层设于所述膜基结合层的外侧。
3.根据权利要求2所述的关节轴承，其特征在于，所述第一润滑部具有：
凹槽，所述凹槽设于所述轴承外圈的内侧。
4.根据权利要求3所述的关节轴承，其特征在于，所述凹槽内填充固体润滑剂(4)。
5.根据权利要求1所述的关节轴承，其特征在于，所述第二润滑部包括：
膜基结合层，所述膜基结合层设于所述轴承内圈的外侧；
硬质涂层，所述硬质涂层设于所述膜基结合层的外侧；
软质涂层，所述软质涂层设于所述硬质涂层的外侧。
6.根据权利要求1所述的关节轴承，其特征在于，所述轴承外圈采用TC4钛合金作为基体材料，所述轴承内圈采用TC11钛合金作为基体材料。
7.根据权利要求2或5所述的关节轴承，其特征在于，所述硬质涂层采用TiAlN或CrAlN或TiAlSiN或DLC。
8.根据权利要求5所述的关节轴承，其特征在于，所述软质涂层采用MoS2或WS2。
9.根据权利要求4所述的关节轴承，其特征在于，所述固体润滑剂(4)为纳米MoS2或纳米WS2或纳米石墨或聚四氟乙烯或氟化石墨烯或石墨烯的一种或其组合。
10.一种制备权利要求1-9所述的轻量化自润滑耐磨关节轴承的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对轴承外圈和轴承内圈的基体表面进行抛光处理，再对轴承外圈和轴承内圈进行清洗和干燥；
S2、在轴承内圈外球面基体上沉积TiN过渡层(31)作为膜基结合过渡层，在TiN过渡层(31)上沉积硬质涂层二(34)作为基体保护层，在硬质涂层二(34)上沉积软质涂层(33)作为自润滑层；
S3、在轴承外圈内球面基体上沉积TiN过渡层(31)作为膜基结合过渡层，在TiN过渡层(31)上沉积硬质涂层一(32)作为基体保护层；
S4、在轴承外圈内球面上进行表面微织构加工，对加工后的试样进行表面磨抛处理，去除表面熔渣，清除凹槽内磨粒杂质，并在干燥机内进行充分烘干；
S5、在凹槽内填充固体润滑剂。
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