CN1162075A - 润滑状态下的滚动接触装置及其润滑方法和润滑混合物 - Google Patents
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Abstract
润滑状态下的滚动接触装置，尤其是全陶瓷或半陶瓷滚动轴承，其中，陶瓷接触面或各个接触表面涂有锐钛矿相的二氧化钛薄膜。二氧化钛膜由含有二氧化钛颗粒的润滑脂或油的混合物构成。
Description
本发明涉及润滑状态下的滚动接触装置、用来对这些装置进行润滑的方法以及适用于润滑这些装置的混合物。本发明尤其涉及润滑装置，特别是全陶瓷或半陶瓷滚动轴承，其中陶瓷接触面或各个表面上涂有锐钛矿相的二氧化钛薄膜。
在滚动轴承中，对于钢轴承而言，普通的诸如润滑脂或油等液体润滑剂通常完全满足使用要求，但对于全陶瓷和半陶瓷滚动轴承来说却常常不完全令人满意。全陶瓷或半陶瓷滚动轴承中含有陶瓷滚动元件和钢隔离环，随着对轴承性能要求的提高以及高速重载和由于高温等其它参数的特殊使用环境下的高性能要求使得全陶瓷或半陶瓷滚动轴承应运而生。这些轴承用于机床、真空泵、燃气轮机等中，并且陶瓷材料主要是氮化硅材料，当然其它诸如碳化硅等陶瓷材料也有一定程度的使用。研究表明：在专用液体润滑剂中加入用来减小润滑剂热变的添加剂可以提高润滑剂中陶瓷的摩擦学性能，但主要研究涉及的是固体润滑。
对于滚动轴承中的陶瓷润滑来说，已经提出并使用了不同种类的固体润滑剂，这些润滑剂包括二硫化钼和铬氧化物(在美国专利号4,934,837中披露了这种铬氧化物)。这些润滑剂并不是在所有方面都是令人满意的。例如，二硫化钼在高转速使用条件下的化学稳定性较差， 因而不能完全满足环境要求。
按照本发明可见，如果使用一定金属氧化物，即锐钛矿相的二氧化钛(TiO2)来对完全由陶瓷材料或部分由陶瓷材料为基础材料的滚动接触装置进行润滑，那么就可以获得令人非常满意的摩擦学性能。本发明所包括的润滑状态下的滚动接触装置为滚动轴承和偏心滚柱衬圈。
下面的说明主要针对滚动轴承，但对于偏心滚柱衬圈(含有一个陶瓷滚动元件和一个钢偏心轴)而言，其工作原理和过程是相同的。按照本发明所用的锐钛矿相二氧化钛对于减小陶瓷接触表面的磨损来说是一种令人满意的润滑剂，其原因主要在于：由氧化物构成的膜与基底之间存在相当大的硬度差值；氧化物和基底间的良好粘附性。二氧化钛颗粒具有很高的化学稳定性，因而从环境角度来看也是有利的。
本发明涉及以上所述的润滑装置，尤其涉及分别含有陶瓷滚动元件和陶瓷或钢隔离环的全陶瓷或半陶瓷滚动轴承，装置中的陶瓷部件或其它部件的接触面上涂有如同所附权利要求中所述的锐钛矿相二氧化钛薄膜，本发明还涉及用来润滑这些装置的一种方法以及适用于对上述轴承进行润滑的一种混合物(在所附权利要求中也有描述)。
本发明包括的实际轴承是全陶瓷或半陶瓷滚动轴承，即滚珠轴承或滚柱轴承。其中，滚动元件和内外座圈均由陶瓷材料制成，或者只有滚动元件由陶瓷材料制成，而座圈由钢制成。滚动轴承中以及滚动元件或偏心滚柱衬圈的陶瓷材料通常为氮化硅，其原因在于：这种陶瓷材料适用于不同的性能要求，当然其它的工程陶瓷也可以加以使用，如碳化硅、氧化锆和氧化铝等。轴承部件的氮化硅通常含有氧化铝、氧化镁和/或氧化钇等添加剂以提高其烧结性。这些添加剂所占的重量百分比为10％。按照本发明的优选实施例所述，滚动轴承还为含有由陶瓷材料(氮化硅)构成并涂有锐钛矿相二氧化钛膜的滚动元件的混合轴承。
按照本发明所述，陶瓷接触表面、即轴承轨道和/或轴承的滚动元件或偏心滚柱衬圈的滚动元件均涂有一层用来减小磨擦的锐钛矿相二氧化钛润滑薄膜。润滑表面上的薄膜大体上是连续的，其厚度通常在0.01μm至10μm的范围内。对于全陶瓷轴承来说，氧化物可以同时涂在轨道和滚动元件上，或只涂在轨道上，或只涂在滚动元件上。如果滚动元件和轨道按照本发明所述那样加以润滑，那么通常要调节膜厚值以使两个接触膜的总厚度不大于10μm。如上所述，最好选用混合轴承，并且滚动元件上涂有给定厚度范围的二氧化钛膜。
可以采用CVD(化学蒸气沉淀)或PVD(物理蒸气沉淀)过程来把二氧化钛涂覆在所需表面上。二氧化钛也可以这样形成，即先沉淀上氮化钛，然后使氮化钛在空气中或温度约为800-1200℃的氧气中氧化。但最好利用润滑的液体或半固体材料作为固体二氧化钛颗粒的载体而把氧化物沉淀在表面上。载体通常为润滑油或润滑脂，诸如矿物油、植物油和二元酸酯润滑油等。在这些油通常还加入一般的增稠剂，诸如锂和/或钙皂等。虽然载体本身在减小摩擦、提高抗磨能力方面也有一定的长期润滑作用，但其性能的提高主要取决于二氧化钛颗粒，这些二氧化钛颗粒粘附在陶瓷表面上并且在表面上形成基本的粘附膜。
锐钛矿相二氧化钛具有良好的硬度特性，在薄膜和基底表面间形成了所需的硬度差值。进一步还发现：颗粒与陶瓷表面有着良好的亲合性，并且在这些表面上形成所需的软膜而减小了接触区域上的摩擦。
要形成锐钛矿的表面脱层，颗粒须在滚动元件和其它表面间的接触区内产生塑性变形。颗粒要产生塑性变形，其尺寸必须小于一临界值，即脆化延展变形尺寸。对于锐钛矿相二氧化钛颗粒，其临界尺寸的计算值小于约10μm。
二氧化钛和基底面及接触面内的硬度差值有助于获得令人满意的摩擦学效应。使用锐钛矿相二氧化钛尤其有助于增加材料内的硬度差值。金红石二氧化钛的硬度约为锐钛矿相二氧化钛硬度的两倍。此外，锐钛矿相二氧化钛的硬度小于轴承表面上所用的回火钢的硬度值，因而减小了混合轴承中表面间的磨损。锐钛矿相颗粒的相对较低的硬度值也使得涂覆的颗粒尺寸可以更大一些。
为了在压力接触时产生塑性变形，所涂覆的锐钛矿相颗粒的尺寸通常不大于10μm。事实上，可以使用更大一些的二氧化钛颗粒是十分有利的，其原因在于：如果颗粒尺寸太小，颗粒就会悬浮在润滑油或润滑脂膜中而不会粘附在陶瓷表面上。通常颗粒尺寸应不小于0.01μm，最好不小于0.1μm。优先选用的颗粒尺寸至少为1μm。
可以通过利用润滑枪、泵油润滑系统以及喷雾润滑系统等来把含有二氧化钛颗粒的润滑油或润滑脂涂覆在需要加以润滑的表面上。二氧化钛表面膜可以通过部件在颗粒悬浮液中滚动来形成，然后这些部件可以安装到使用普通脂润滑剂和油润滑剂的装置中，本发明中的润滑状态下的滚动轴承含有陶瓷滚动元件和陶瓷或钢的座圈，这些座圈的陶瓷轴承接触面上涂有锐钛矿相的二氧化钛薄膜，本发明的滚动轴承还含有普通类型的轴承壳体，并且这些轴承可以长期工作在密封润滑状态。对于某些应用场合也可以进行短期处理，即把颗粒直接加入到可能损坏的表面层上以重构表面而不用从滚动接触系统中取出轴承。如果需要的话，在通常的运行条件下可以使用不含有锐钛矿相颗粒的普通润滑剂。
本发明还涉及一种用来对滚动接触装置，即含有陶瓷滚动元件和陶瓷或钢的隔离环的全陶瓷或半陶瓷滚动轴承或者偏心滚柱衬圈的陶瓷滚动元件进行润滑的方法。其中，锐钛矿相二氧化钛涂覆在陶瓷接触面上以形成表面上含有二氧化钛的减小磨损的润滑薄膜。涂覆薄膜的可行方法请见下述。按照本发明的润滑可以在轴承安装前或安装时进行并可以作为永久润滑。
本发明还涉及一种适用于对上述滚动接触装置进行润滑的混合物。该混合物是由有机润滑脂或润滑油和锐钛矿相二氧化钛颗粒混合而成，其中，润滑脂或润滑油里的颗粒含量的体积百分比为0.25％-25％，最好为2％-10％。润滑脂或润滑油可以为任何已知的材料(如上述枚举的材料)。
本发明还涉及一种按照本发明加以润滑的滚动元件，尤其涉及处于摩擦学接触状态下的元件。
附图表示了一些不同类型的轴承。
图1为表示滚珠轴承的示意图，图2为表示滚柱轴承的示意图，图3为表示推力轴承的示意图。图4为表示带有锐钛矿薄层的滚珠的截面示意图。
图1中表示了一种滚珠轴承，其中涂有二氧化钛的滚珠(2)位于外座圈(1)和内座圈(4)之间，此外，该轴承还含有一个轴承隔离环(3)。图2中表示了一种滚柱轴承，其中涂有锐钛矿层的滚柱(2)位于外座圈(1)和内座圈(3)之间。该轴承也含有一个轴承隔离环(4)。图4中表示了一种带有轴承隔离环(4)的推力轴承，其中涂有锐钛矿层的滚珠(2)位于上座圈(1)和下座圈(3)之间。
在以下示例中对本发明进行了进一步说明，但本发明并不局限于所举的示例。
示例1
为了比较锐钛矿相二氧化钛(TiO2)在所有钢轴承和混合材料轴承中用作为润滑剂时的不同效应，按照表I对含有氮化硅滚柱的上述轴承进行了一系列的试验。试验的轴承类型为推力轴承(SKF#51036)，其中的轴承隔离钢环内通常含有10个滚珠。在这些试验中，轴承里的滚珠数量按每次5个递减，试验机器中的最大额定轴向载荷为3560牛顿(N)，以便达到边界润滑工作状态。所使用的载体/润滑剂(SKF LGmT3)是以矿物油作为基液并含有锂皂增稠剂的润滑脂。在试验3和试验4中还在润滑脂中加入了锐钛矿结构的二氧化钛颗粒。在每个试验中，加入隔离环中的润滑脂和脂-二氧化钛混合物的量均为5.1g，二氧化钛颗粒的尺寸范围为0.1至5μm，其中间尺寸为0.5μm。试验在2050转/分(rpm)至2070转/分(rpm)的转速下进行。轴承的磨损量利用重量的变化来加以测量。应该注意到，在试验过程中，主要为滚动接触，但在轴承的隔离环上也有滑动接触成份。在试验前后，轴承的所有部件均在丙酮中进行超声波清洗并在微量天平上称重。在试验前后，利用光学显微镜和扫描电镜对钢座圈、隔离环、钢滚珠和陶瓷滚珠的表面进行检测。试验中，座圈的温度在上座圈的背侧测量；座圈由电子计数器驱动转动。
表I用来对二氧化钛、锐钛矿用作为滚柱轴承中润滑剂时的性能进行测定的试验序列。
试验1所有的钢轴承均用边界条件下的润滑脂加以润滑，轴承转数为5,964,000转，或者试验总时间约为50小时。
试验2混合轴承(陶瓷滚珠)用边界条件下的润滑脂润滑，轴承转数为5,964,000转，或者试验总时间约为50小时。
试验3所有钢轴承均用边界条件下的润滑脂加以润滑，润滑脂中加入了2.5百分体积的二氧化钛，轴承转数为5,977,000转，或者试验总时间约为50小时。
试验4混合轴承(陶瓷滚珠)用边界条件下的润滑脂润滑，润滑脂中加入了2.5百分体积的二氧化钛，轴承转数为5,964,000转，或者试验总时间约为50小时。
试验给出了轴承部件的重量损失和增加的下列结果。
试验1钢座圈和隔离环-钢滚珠-润滑脂
| 部件 | 试验前〔g〕 | 试验后〔g 〕 | 差值〔mg〕 |
| 上座圈 | 97.2444 | 97.2452 | +0.8 |
| 下座圈 | 91.6684 | 91.6688 | +0.4 |
| 隔离环 | 16.9523 | 16.9496 | -2.7 |
| 滚珠(5) | 22.3537 | 22.3533 | -0.4 |
试验2钢座圈和隔离环-陶瓷滚珠-润滑脂
| 部件 | 试验前〔g〕 | 试验后〔g〕 | 差值〔mg〕 |
| 上座圈 | 97.4962 | 97.4968 | +0.6 |
| 下座圈 | 91.2834 | 91.2822 | -1.2 |
| 隔离环 | 16.9593 | 16.9497 | -9.6 |
| 滚珠(5) | 9.3098 | 9.3100 | +0.2 |
试验3钢座圈和隔离环-钢滚珠-含有二氧化钛的润滑脂
| 部件 | 试验前〔g〕 | 试验后〔g〕 | 差值〔mg〕 |
| 上座圈 | 97.6868 | 97.6868 | ±0 |
| 下座圈 | 91.6120 | 91.6112 | -0.8 |
| 隔离环 | 17.0973 | 17.0873 | -10.0 |
| 滚珠(5) | 22.3480 | 22.3464 | -1.6 |
试验4钢座圈和隔离环-陶瓷滚珠-含有二氧化钛的润滑脂
| 部件 | 试验前〔g〕 | 试验后〔g〕 | 差值〔mg〕 |
| 上座圈 | 96.6480 | 97.6496 | +1.6 |
| 下座圈 | 91.2482 | 91.2494 | +1.2 |
| 隔离环 | 16.9713 | 16.8697 | -1.6 |
| 滚珠(5) | 9.3131 | 9.3135 | +0.4 |
在试验4中可见，其磨损量低于试验1、2和3中的值。最大差值发生在隔离环的磨损量上：试验3中隔离环的磨损量是试验4中相应值的625％倍，试验2中隔离环的磨损量是试验4中相应值的600％；而试验1中隔离环的磨损量是试验4的168％。在试验4中，座圈或滚珠没有重量损失，由于其表面上附着有二氧化钛，这些部件的重量有些微增加。对于滚珠而言，由于这种增量形成了薄而软的固体膜，因此这种增量显得非常重要。
在各个试验中，对上座圈的温度进行记录，并且在系统获得初始稳定之后对所有试验中的上座圈的稳定温度值进行记录。混合轴承中座圈的温度从试验2中平均值82℃减小7℃至加有二氧化钛时的试验4中的75℃。试验4中的温度值低于所有的钢轴承试验(包括试验1和试验3)中的相应值。所有钢轴承中的二氧化钛的使用使得温度稍有增加，从试验1中的77℃至试验3中的79℃。
示例2
在本试验序列中，使用了与示例1中相同的推力轴承试验机、载荷和润滑脂。试验机的转速为1900转/分，同时对上座圈温度和室温的差值进行记录。在每个试验中，推力轴承均减少了5个氮化硅滚珠。隔离环和座圈部件均使用普通的轴承钢。每个试验中，均先运行90分钟，冷却至室温后再重新起动，总的运行时间为600分钟。在220分钟和600分钟后对上座圈的温度进行记录。在试验2a中，混合轴承采用不含有任何颗粒添加物的纯润滑脂润滑。在试验2b中，锐钛矿相的二氧化钛和2.5百分体积的TiO2(二氧化钛)与润滑脂混合。所添加的颗粒尺寸范围为0.1-5μm。在试验2C中，与金红石相的二氧化钛进行了比较。所使用的颗粒量和尺寸范围与试验2b中相同。结果见下表。
表
| 试验序列 | 220分钟后的差值温度(℃) | 600分钟后的差值温度(℃) |
| 2a-不含颗粒 | 60.3 | 59.5 |
| 2b-锐钛矿 | 55.5 | 54.8 |
| 2c-金红石 | 55.5 | 59.5 |
从表中可见，当使用锐钛矿相的二氧化钛(TiO2)时，轴承温度随着时间延长而减少。在只含有润滑脂且没有颗粒的相同条件下，在220分钟时，金红石相的二氧化钛(TiO2)具有与锐钛矿相二氧化钛(TiO2)相同的结果，但在600分钟时则有明显降低。
示例3
在本示例中研究了锐钛矿氧化钛颗粒的不同量值时的影响。
本示例中使用了与示例1和示例2中相同的推力轴承试验机、载荷和润滑脂。试验机转速为1900转/分，并且对上座圈温度和室温间的差值进行了记录。在每个试验中，推力轴承均减少了5个氮化硅滚珠。隔离环和座圈部件均使用普通的轴承钢。每个试验循环的运行时间间隙为在90分钟。
差值温度低于18℃时重新起动下一循环试验。每个试验共做六个循环，每个轴承的总试验时间为540分钟。每个试验的最后一次循环的末端差值温度被记录下来。所进行的成分组合试验如下：
3a)不含颗粒添加物的纯润滑脂
3b)润滑脂和1.0百分体积的锐钛矿相二氧化钛(TiO2)的混合物
3c)润滑脂和2.5百分体积的锐钛矿相二氧化钛(TiO2)的混合物。
3d)润滑脂和5.0百分体积的锐钛矿相二氧化钛(TiO2)的混合物
试验结果见下表。
表
| 试验序列 | 差值温度(℃) |
| 3a | 60.8 |
| 3b | 59.5 |
| 3c | 56.3 |
| 3d | 55.2 |
Claims (15)
1.润滑状态下的滚动接触装置，该装置是一种全陶瓷滚动轴承、或是一种半陶瓷滚动轴承或是一种含有陶瓷滚动元件的偏心滚柱衬圈，其特征在于：该装置的陶瓷接触表面上涂有一层由锐钛矿相二氧化钛构成的薄的减少磨损和摩擦的润滑膜。
2.按照权利要求1所述的滚动接触装置，其特征在于：二氧化钛膜由尺寸最大不超过约10μm的颗粒构成。
3.按照权利要求1或2所述的滚动接触装置，其特征在于：锐钛矿是具有0.01至约5μm尺寸范围的锐钛矿颗粒。
4.按照权利要求1至3中任一个所述的滚动接触装置，该装置是一种含有陶瓷滚动元件和钢隔离环的半陶瓷滚动轴承。
5.按照前述任一权利要求所述的滚动接触装置，其特征在于：该装置的陶瓷部件由Si3N4材料制成。
6.用来对滚动接触装置中陶瓷接触表面进行润滑的一种方法，上述装置是一种全陶瓷滚动轴承、或是一种半陶瓷滚动轴承或是一种偏心滚柱衬圈，其特征在于：在陶瓷接触表面上涂有锐钛矿相二氧化钛，从而在表面上形成可以减少摩擦的二氧化钛润滑薄膜。
7.按照权利要求6所述的一种方法，其特征在于：二氧化钛和普通的有机润滑脂或油一起涂在接触表面上。
8.按照权利要求6或7所述的一种方法，其特征在于：二氧化钛的涂覆量大体上可以构成厚度为0.01至10μm的连续膜。
9.按照权利要求6、7或8所述的一种方法，其特征在于：锐钛矿的颗粒尺寸最大约为5μm。
10.按照权利要求6至9中任一个所述的一种方法，其特征在于：滚动接触装置是一种含有陶瓷滚动元件和钢隔离环的半陶瓷滚动轴承。
11.适用于对滚动接触装置的陶瓷等部件进行润滑的混合物，其特征在于：该混合物由有机润滑脂或油和锐钛矿相二氧化钛颗粒组成，其中润滑脂或油中的颗粒量的体积百分比为0.25％至25％。
12.按照权利要求11所述的混合物，其特征在于：二氧化钛颗粒的尺寸为0.01μm至约5μm。
13.一种陶瓷滚动元件，其特征在于：该元件上涂有一层由锐钛矿相二氧化钛构成的减少磨损和摩擦的润滑薄膜。
14.按照权利要求13所述的一种陶瓷滚动元件，其特征在于：该元件已经用权利要求11或12中所述的混合物进行了润滑。
15.按照权利要求13或14所述的一种陶瓷滚动元件，上述滚动元件处在摩擦接触状态。
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