CN1165253A - 包含锆材料的滚动元件轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚动元件轴承，它包括封闭容纳滚动元件的轴承空间的外环和内环，这些滚动元件与两个环的座圈都处于滚动接触之中。至少环和/或滚动元件中一个的接触表面层是由锆材料构成的。环中至少有一个具有复合层状结构，它包括表面背离轴承空间的钢外层和锆材料的内层。

Description

包含锆材料的滚动元件轴承
本发明涉及滚动元件轴承，它包括封闭容纳滚动元件的轴承空间的外环和内环，这些滚动元件与两个环的座圈都处于滚动接触之中。
这样的滚动元件轴承是广为人知的，并可采取例如深槽滚珠轴承、球形或圆锥形滚柱轴承、针状滚柱轴承等形式。一般讲，这些类型轴承的性能是令人满意的；然而，在要求更高的条件下，诸如在临界润滑、极限温度和振动的情况，必须有进一步的改进。
对此，已有建议，对环和/或滚动元件应用陶瓷材料，诸如氮化硅、碳化硅、氧化铝或陶瓷合金。通常，那些材料是与常规钢部件结合应用的。
复合轴承(陶瓷滚珠和钢环)已被成功地应用于某些十分特定的应用中，特别是高速精密(立柱式)轴承的氮化硅滚珠。氮化硅的低密度和高刚度或刚性对减少作用于滚珠上的离心力和接触中的摩擦起着十分重要的作用，从而给出优异的性能，特别在临界润滑条件下。
这些具有由一些材料组合制成的环或滚动元件的轴承，即复合轴承的缺点是，应用于此的不同材料在负载和温度下以不同的方式进行运行。首先，它们的比重相差悬殊，造成滚动元件的动力不平衡和不均匀负载。更有甚者，由于不同的热膨胀系数，内轴承间隙不能维持在要求的范围内。结果，所讨论的轴承的有效使用寿命减少。
本发明的目的是提供出一种轴承，它在上述要求的条件下具有改进的性能及可接受的使用寿命。该目的是由此达到的，即至少环和/或滚动元件中的一个的接触表面是由锆材料构成的。
由于锆的比重与钢的比重相近，因此，即使在复合另件中有同心度误差时，也不会产生不平衡。此外，这些材料的热膨胀系数和杨氏模数特别的相似，这意味，在温度变化情况不会有裂缝发展。
发明提出，至少有一个环具有复合层状结构，它包括表面离开轴承空间的钢的外层和锆材料的内层。还有，至少有一个滚动元件具有包围钢芯的锆材料外壳。
在一个最佳实施例中，锆材料是部分消除内应力的二氧化锆陶瓷制品，它包括95％ZrO2，5％Y2O3和0.01％Al2O3。这样的二氧化锆陶瓷制品比通常的氮化硅具有更高的断裂韧性和弯曲强度，形成更高的抗滚动接触疲劳性(在滑动接触情况亦然)。
该解决办法的附加好处是制作二氧化锆陶瓷的原料的低价以及二氧化锆可能得到的良好的加工性能和可使用性。例如，具有进刀率为200-1200μm/min的研磨可作为可能的精加工(对钢而言，典型的精研磨进刀率约为1500μm/min)。相对氮化硅对比物的初始成本节约估计为五倍。
该发明的第二实施例是应用二氧化锆通过直接烧结或将二氧化锆陶瓷物压入配合在钢上，以生产复合轴承另件，诸如环或滚动元件。二氧化锆陶瓷和钢的弹性常数极为相近使这一工艺成为可能，即杨氏模数及热膨胀系数特别等于钢中的一种。此外，当这两个另件的同心度有误差时，质量不平衡也可避免，因为钢和二氧化锆材料之间的密度很为相近。
在使用中，当轴承的滚动元件在名义负载下滚动接触时，在紧接其座圈的环部分中产生剪切应力。发明提出，环的锆接触表面层的厚度最好与深度(a)同一量级，在此深度，所述剪切应力已基本减少至零。
在此实施例中，环的整体性能维持，因为锆材料与钢材料汇合的区域已处于高剪切应力的范围之外。
相类似，滚动元件的锆接触表面层厚度(a)与深度同一量级，在此深度所述剪切应力已基本减少至零。
根据另一实施例，在名义负载下，所述滚动元件与座圈间的接触区域变平，所述接触区域在滚动方向具有名义长度(b)，其中锆接触表面层的厚度与所述区域名义长度(b)同一量级。
总之，通过发明，下述轴承的优异实施例成为可能：
-采用复合滚动元件，具有改进的抗磨损/污染承载的轴承。
-用于润滑、热和环境条件为严峻的轴承(高速下的滑脂润滑、高温、腐蚀环境、氢腐蚀、真空等)。
-在正常运行条件下，用于超长概率寿命命的轴承。
以下问题也得以解决：
-复合滚动轴承中的质量不平衡。
-复合滚动元件轴承中由于温度改变引起的内轴承间隙的不均匀。
-大轴承另件中采用复合式的复合烧结工艺(钢和陶瓷连结)。
-采用压入配合或化学或机械结构工艺(在陶瓷和钢之间)制作轴承另件。
将参考图中所示实施例对发明作进一步说明。
图1是发明提出的深槽滚珠轴承的侧视图，局部以纵向截面表示。
图2是局部为横截面的球。
图3是图1所示轴承的部分内环的局部透视截面图。
图4是细节图。
图1所示的轴承包括外环1、内环2和滚珠3。如图3所示，内环包括钢的内层4和二氧化锆陶瓷材料的外层5。相类似，外环包括钢的外层6，以及二氧化锆材料的内层7。
如图2所示，滚珠由钢芯8构成，它被二氧化锆材料的壳9所包围。
在图中提出的轴承中，环1，2和滚珠3的所有接触表面都是由二氧化锆陶瓷材料构成的，它给出改进的使用寿命和较好的磨损特性。另一方面，二氧化锆陶瓷材料层和钢的机械性能，除它们的硬度外，几乎相同，这意味着，环和滚珠像整体似的行动。还有，在这些复合另件的层间不会产生裂缝，这意味着，环和滚珠像整体似的行动。还有，在这些复合另件的层间不会产生裂缝，这特别是由于这些材料的热膨胀系数几乎相同这一事实。
图4以放大比例表示了部分内环2以及滚珠3的细节。图中还表示了紧接座圈的环部件中的示意剪切力分布图(c)，该剪切应力起初从座圈表面向前增加，随后在某一深度逐渐减少至几乎为零。
根据发明，内环的二氧化锆接触表面层的厚度(a)大约与剪切应力约为零的这一深度相同，这意味着二氧化锆层5和钢层4之间的边界没有受这样剪切应力的很大影响。
此外，在使用中滚珠3和座圈的接触表面变平。变平接触区域在周边方向的名义长度尺寸用(b)表示。发明提出锆接触表面层的厚度与所述区域的名义长度(b)为同一量级。

Claims (10)

1、滚动元件轴承，它包括封闭容纳滚动元件(3)的轴承空间的外环(1)和内环(2)，这些滚动元件(3)与两个环的座圈都处于滚动接触之中，其特征在于，至少环(1，2)和/或滚动元件(滚珠或滚柱)(3)中一个的接触表面层(5，7，9)是由锆材料构成的。
2、如权利要求1的轴承，其中环(1，2)中至少有一个具有复合层状结构，它包括表面背离轴承空间的钢的外层(4，6)和锆材料的内层(5，7)。
3、如权利要求1或2的轴承，其中滚动元件(3)中至少有一个具有锆材料的外壳(9)，它包围钢芯(8)。
4、如前述权利要求中任一条的轴承，其中锆材料是部分消除内应力的二氧化锆陶瓷制品，它包含95％ZrO2，5％Y2O3和0.01％Al2O3.
5、如权利要求1-4中任一条的轴承，其中锆接触表面层的厚度，与钢层或钢芯同一量级。
6、如权利要求1-4中任一条的轴承，其中锆接触表面层是通过在钢层或钢芯上烧结而得到的。
7、如权利要求1-5中任一条的轴承，其中锆接触表面层是通过在钢层或钢芯上压入配合而得到的。
8、如权利要求1-7中任一条的轴承，其滚动元件在名义负载下滚动接触时，在紧接其座圈的环部分中产生剪切应力，其中环的锆接触表面层的厚度与深度(a)同一量级，在此深度处，所述剪切应力已基本减少至零。
9、如权利要求1-8中任一条的轴承，其滚动元件在名义负载下滚动接触时，在紧接其座圈的环部份中产生剪切应力，其中滚动元件的锆接触表面层的厚度(a)与深度同一量级，在此深度处，所述剪切应力已基本减少至零。
10、如权利要求1-9中任一条的轴承，其滚动元件在名义负载下滚动接触时，在紧接其座圈的环部分中产生剪切应力，而所述滚动元件与座圈间的接触区域在名义负载下变平，所述接触区域在滚动方向具有名义长度(b)，其中锆接触表面层的厚度与所述区域的名义长度(b)同一量级。
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