CN113270305B - 液态金属轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，公开了一种液态金属轴承，包含：上轴套、下轴套，以及芯轴，其中，在所述芯轴的内表面、上轴套与芯轴的水平接触面，以及下轴套与芯轴的水平接触面上制备有碳化钛硅涂层。本发明的液态金属轴承能够有效减小或避免轴承磨损、延长轴承使用寿命，提高基体材料的力学性能，并且避免基体材料受到腐蚀。

Description

液态金属轴承

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及X射线球管技术领域。

背景技术

轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。

X球管的旋转阳极轴承通常采用液态金属轴承。液态金属轴承是一种流体动压滑动轴承，液态金属填充在阳极轴承的芯轴与轴套间隙中，具有导电、润滑作用。目前，为解决液态金属轴承在真空高压环境下使用存在的磨损问题、腐蚀问题以及液态金属泄漏问题，大多数厂商采用在轴承表面制备陶瓷涂层的方法。

然而，这种方式存在一些问题，具体地说，上述陶瓷涂层均不具备自润滑性。考虑到液态金属轴承在启动和停止时，由于液态金属无法产生足够的支撑力来分开芯轴和轴套，芯轴和轴套之间会出现干磨擦，不仅会导致液态金属轴承磨损，影响轴承使用寿命，而且若液态金属活性较高，在X射线管的高温环境下会与基体材料发生反应，生成硬脆的金属间化合物，降低基体材料的力学性能。另外，目前已有的陶瓷涂层脆性相对较高，在循环和冲击载荷作用下易开裂剥落，将导致液态金属从裂缝或剥落处腐蚀轴承基体材料，等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液态金属轴承及液态金属轴承的表面防护方法，能够有效减小或避免轴承磨损、延长轴承使用寿命，提高基体材料的力学性能，并且避免基体材料受到腐蚀。

本申请公开了一种液态金属轴承，包含：上轴套、下轴套，以及芯轴，在所述芯轴的内表面、上轴套与芯轴的水平接触面，以及下轴套与芯轴的水平接触面上制备有碳化钛硅涂层，

在一个优选例中，所述碳化钛硅涂层的厚度≤50μm。

在一个优选例中，所述碳化钛硅涂层是通过化学气相沉积的方法制备的。

在一个优选例中，所述芯轴包含一径向凸起部，用于轴向地限制所述上轴套和下轴套的运动或平移。

在一个优选例中，所述芯轴的内表面、上轴套与芯轴的水平接触面，以及下轴套与芯轴的水平接触面由液态金属包裹。

在一个优选例中，所述液态金属为镓基液态金属。

在一个优选例中，所述下轴套的内表面、上轴套与下轴套的接触面制备有碳化钛硅涂层。

在一个优选例中，所述碳化钛硅涂层的厚度≤50μm。

在一个优选例中，所述碳化钛硅涂层是通过化学气相沉积的方法制备的。

在一个优选例中，所述碳化钛硅涂层用于防止液态金属从所述液态金属轴承的缝隙处泄漏。

本发明的液态金属轴承提采用碳化钛硅导电陶瓷来替代目前已有的陶瓷涂层(TiN，TiO2，CrN，Cr2O3等材料)，使芯轴、轴套等与液态金属的接触面有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和高温强度以及良好的抗氧化、抗热震性能和耐腐蚀性能；并且，碳化钛硅陶瓷在常温下具有较高的热导率和电导率，可以像金属一样用高速钢刀具进行机械加工，高温下具有很好的塑性；并且，碳化钛硅陶瓷涂层可以在不损失液态金属轴承导电性的前提下，提升液态金属轴承的抗摩擦磨损性能；并且，更适用于循环和冲击载荷作用下的工况条件。并且，由于液态金属在该导电陶瓷涂层上不润湿，与液态金属接触面上的碳化钛硅涂层能有效防止液态金属从缝隙处泄漏。

本发明的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本发明所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的液态金属轴承的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101：上轴套

102：下轴套

103：芯轴

104：芯轴表面

105：上轴套101与芯轴103的水平接触面

106：下轴套102与芯轴103的水平接触面

107：下轴套内表面

108：接触面

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的发明人经过广泛而深入的研究，若液态金属的填充密封性差，或涂层磨损破裂，会使得液态金属泄露，从而对轴承基体材料产生腐蚀作用。液态金属轴承一旦发生磨损过大、或腐蚀严重、或泄露，就会失效卡死或打火失效，导致整个X射线管报废，无法替换维修。由此，创造性地提出采用碳化钛硅导电陶瓷来替代目前已有的TiN，TiO2，CrN，Cr2O3等材料的液态金属轴承的陶瓷涂层。首先，碳化钛硅是一种金属陶瓷，既具有陶瓷的优异性能，有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和高温强度以及良好的抗氧化、抗热震性能和耐腐蚀性能。进一步的，碳化钛硅又具有金属的性能，在常温下具有较高的热导率和电导率，可以像金属一样用高速钢刀具进行机械加工，高温下具有很好的塑性。进一步的，由于碳化钛硅材料具有与石墨一样的层状结构，其本身即自带润滑性。将碳化钛硅陶瓷作为涂层制备到液态金属轴承表面，可以在不损失液态金属轴承导电性的前提下，提升液态金属轴承的抗摩擦磨损性能。进一步的，碳化钛硅导电陶瓷材料兼具金属和陶瓷的性能，相对于陶瓷材料，其脆性相对较低，更适用于循环和冲击载荷作用下的工况条件。进一步的，碳化钛硅涂层材料不易被液态金属腐蚀，可以有效阻隔液态金属对轴承基体材料的腐蚀，而且碳化钛硅涂层也不被液态金属润湿，可以防止液态金属从液态金属轴承的缝隙处泄漏。

以下将结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明，以充分地了解本发明。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。

术语解释：

碳化钛硅陶瓷：碳化钛硅陶瓷的主要成分为碳化钛硅化合物(Ti₃SiC₂)的一种新型陶瓷材料，它具有极好的导电、导热能力，优良的可加工性。

液态金属，是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。

轴承，是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。

化学气相沉积，是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

参见图1，本实施例的液态金属轴承包含由上轴套101和下轴套102构成的轴承，以及芯轴103，其中，芯轴103包含一径向凸起部，用于轴向地限制上轴套101和下轴套102的运动或平移。

其中，在上轴套101、下轴套102和芯轴103的表面之间形成有缝隙，在缝隙间填充有起润滑作用的液态金属。

也就是说，液态金属轴承的工作表面由液态金属包裹，液态金属轴承的工作表面可包含：芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106。其中，芯轴103的内表面104包含上轴套101与芯轴103的水平接触面105和下轴套102与芯轴103的水平接触面106之间的径向接触面。

本领域技术人员可以理解，液态金属除了起到上述润滑作用，还能够导电。

优选的，液态金属可采用镓基液态金属。

优选的，在本申请的一些实施例中，液态金属也可以由镓、锡、铟等几种低熔点金属组成。

优选的，下轴套102的内表面107、上轴套101与下轴套102的接触面108是密封的，避免液态金属从运动的轴承中流出，其余表面不密封。

需指出，在上述芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106上制备有碳化钛硅涂层。

优选的，碳化钛硅涂层的厚度≤50μm。

例如，可通过化学气相沉积的方法，在上述芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106上制备一层厚度为10μm，或30μm的碳化钛硅涂层。

其中，上述化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

这样做的好处在于，能够显著地使芯轴103、上轴套101和下轴套103等与液态金属的接触面，即：芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106有更高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和高温强度以及良好的抗氧化、抗热震性能和耐腐蚀性能；并且，碳化钛硅陶瓷在常温下具有高热导率和高电导率，可以像金属一样用高速钢刀具进行机械加工，高温下具有很好的塑性；并且，碳化钛硅陶瓷涂层可以在不损失液态金属轴承导电性的前提下，提升液态金属轴承的抗摩擦磨损性能；并且，更适用于循环和冲击载荷作用下的工况条件。

进一步的，可在液态金属轴承的非工作密封表面，即：下轴套102的内表面107、上轴套101与下轴套102的接触面108，也通过化学气相沉积的方法制备一层厚度≤50μm的碳化钛硅涂层，即：Ti3SiC2导电陶瓷。

这样做的好处在于，由于液态金属在该导电陶瓷涂层上不润湿，与液态金属接触面上的碳化钛硅涂层能有效防止液态金属从缝隙处泄漏。

综上所述，本实施例的液态金属轴承提采用碳化钛硅Ti3SiC2导电陶瓷来替代陶瓷涂层，使芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和高温强度以及良好的抗氧化、抗热震性能和耐腐蚀性能；并且，碳化钛硅陶瓷在常温下具有较高的热导率和电导率，可以像金属一样用高速钢刀具进行机械加工，高温下具有很好的塑性；并且，碳化钛硅陶瓷涂层可以在不损失液态金属轴承导电性的前提下，提升液态金属轴承的抗摩擦磨损性能；并且，更适用于循环和冲击载荷作用下的工况条件。并且，由于液态金属在该导电陶瓷涂层上不润湿，与液态金属接触面上的碳化钛硅涂层能有效防止液态金属从缝隙处泄漏。需要说明的是，在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

第二实施例

本实施例的液态金属轴承与上述实施例基本相同，不再赘述，它们之间的区别如下：

碳化钛硅涂层的厚度不限于第一实施例中的数值，例如，碳化钛硅涂层的厚度可为大于50μm的数值。

举例来说，可通过化学气相沉积的方法，在上述芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106上制备一层厚度可以为55μm，或60μm的碳化钛硅涂层。

如上所述，本实施例的液态金属轴承提采用碳化钛硅Ti3SiC2导电陶瓷来替代陶瓷涂层，使芯轴103的内表面104、上轴套101与芯轴103的水平接触面105，以及下轴套102与芯轴103的水平接触面106有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和高温强度以及良好的抗氧化、抗热震性能和耐腐蚀性能；并且，碳化钛硅陶瓷在常温下具有较高的热导率和电导率，可以像金属一样用高速钢刀具进行机械加工，高温下具有很好的塑性；并且，碳化钛硅陶瓷涂层可以在不损失液态金属轴承导电性的前提下，提升液态金属轴承的抗摩擦磨损性能；并且，更适用于循环和冲击载荷作用下的工况条件。并且，由于液态金属在该导电陶瓷涂层上不润湿，与液态金属接触面上的碳化钛硅涂层能有效防止液态金属从缝隙处泄漏。需要说明的是，在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

并且，在本专利的权利要求书和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的权利要求书和说明书中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种液态金属轴承，包含：上轴套、下轴套，以及芯轴，其特征在于，

在所述芯轴的内表面、上轴套与芯轴的水平接触面，以及下轴套与芯轴的水平接触面上制备有碳化钛硅涂层，该碳化钛硅材料具有与石墨一样的层状结构；所述碳化钛硅涂层的厚度≤50μm。

2.如权利要求1所述的液态金属轴承，所述碳化钛硅涂层是通过化学气相沉积的方法制备的。

3.如权利要求1所述的液态金属轴承，所述芯轴包含一径向凸起部，用于轴向地限制所述上轴套和下轴套的运动。

4.如权利要求1所述的液态金属轴承，所述芯轴的内表面、上轴套与芯轴的水平接触面，以及下轴套与芯轴的水平接触面由液态金属包裹。

5.如权利要求1所述的液态金属轴承，所述液态金属为镓基液态金属。

6.如权利要求1所述的液态金属轴承，所述下轴套的内表面、所述上轴套与所述下轴套的水平接触面制备有碳化钛硅涂层。

7.如权利要求6所述的液态金属轴承，所述碳化钛硅涂层是通过化学气相沉积的方法制备的。

8.如权利要求6所述的液态金属轴承，所述碳化钛硅涂层用于防止液态金属从所述液态金属轴承的缝隙处泄漏。

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