一种轻量化多材料滚动轴承的制作方法

1.本发明涉及滚动轴承(rolling bearings)技术领域，具体涉及一种轻量化多材料滚动轴承。


背景技术：

2.滚动轴承是机械转动结构中的基础零部件，应用极为广泛。滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和滚动体保持架四部分组成。其中内圈、外圈和位于内外圈之间的滚动体是滚动轴承关键部件，它们必需满足耐磨要求，因此通常是用耐磨性能好的钢材生产的。滚动体保持架的功能是保持滚动体彼此等距离分离，在内外圈之间均匀分布。滚动体保持架所受摩擦力和压力非常小，对耐磨性要求不高，通常可以用钢材、铜材或铝材等制备。
3.在航天、航空、移动设备、机器人等大量使用滚动轴承的许多应用中，滚动轴承的轻量化可以提高这些装置的性能。
4.为了滚动轴承轻量化，通常是设法使用轻量化材料取代钢材来生产滚动轴承的内圈、外圈和滚动体三大构件。但是，迄今没有关于能够完全替代钢材来制备滚动轴承的轻量化材料的报道。
5.现有技术中的一种方法是采用轻量化材料制备滚动轴承的部件，然后在部件上形成所谓的耐磨层以增强耐磨性。例如，美国专利申请us2002/0191878描述了使用几种钛合金制备内圈和外圈，使用不同陶瓷制备滚动体的钛合金-陶瓷滚动轴承；钛合金的比重约4.6g/cm3，所述各种陶瓷的比重3.9-5.8g/cm3，与比重约7.8g/cm3的轴承钢gcr15相比，这种钛合金-陶瓷滚动轴承减重约40％；但是钛合金的耐磨性能不如轴承钢，为提高耐磨性，其在钛合金内圈和外圈接触滚动体的表面加上tn、tic、ticn、tialn、crn、sic甚至类金刚石碳膜层，这不仅大幅增加生产成本，而且硬膜层使用的持久性也存在很大问题。例如，美国专利us7,798,724b2给出了一种使用轻金属和陶瓷制备滚动轴承的方法，具体是在钛合金、铝合金或镁合金内圈和外圈内镶上陶瓷滚道，滚动体是陶瓷的，这样内外圈的耐磨性提高了，但是这种方式不仅生产成本高，镶嵌的陶瓷滚道也容易在载荷下开裂。另外，也有用塑料和尼龙等低比重材料制备的轻量化滚动轴承，但它们承载能力很低，且非常不耐热。
6.到目前为止，还无有效的轻量化滚动轴承技术，因而需要开发出耐磨性能好的轻量化滚动轴承。
7.参考资料：
8.美国专利和专利申请：us2002/0191878、us7,798,724b2


技术实现要素：

9.研究表明，对滚动轴承进行轻量化，耐磨性能是技术难点。滚动轴承通常是使用耐磨性好的钢材，如高碳钢和铬钢，常用的有gcr15钢，也称为轴承钢；而铝合金、钛合金和镁合金等轻金属的耐磨性，以及它们与钢材之间相互摩擦的耐磨性都差，不能满足滚动轴承的要求。
10.研究发现，含有陶瓷颗粒、陶瓷晶须、陶瓷短纤维等耐磨材料强化相的铝基复合材料(简称amc)，通常具有好的耐磨性能。本发明人对铝基复合材料、铝合金、钛合金、陶瓷和钢材相互之间的摩擦性能进行了一系列的研究，出人意料地发现，在各种摩擦条件下，amc材料与钢材或陶瓷材料之间表现出优异的耐磨性能，甚至优于钢材与钢材之间的耐磨性能，由此非常适合于制备多材料轻量化的滚动轴承。
11.下面是根据标准astm g77《standard test method for ranking resistance of materials to sliding wear using block-on-ring wear test》和astm g99《standard test method for wear testing with apin-on-disk apparatus》进行4组摩擦试验的结果，分别列在表1至表4。
12.表1至表4分别有4种不同硬度的钢：硬度为28-33hrc的aisi 4340钢、硬度为59-60hrc的aisi 4620钢、硬度为41-42hrc的gb 40crnimoa钢和硬度为58-61hrc的gb gcr15钢。
13.各表中没有列出对摩擦材料a和材料b各自的磨损量，而是列出两种对摩材料的总磨损量。因为只要总磨损量高，这两种材料就不适合同时用于相互有压力摩擦的滚动轴承部件。
14.各表中的铝基复合材料的表示方法是按照美国国家标准ansi h35.5《nomenclature system for aluminum metal matrix composite materials》进行。其中，铝基复合材料2009/al2o3/25p-t4是25％体积比al2o3陶瓷颗粒(particle)强化2009铝合金，经过t4热处理；6092/sic/15w-t6铝基复合材料是15％体积比sic陶瓷晶须(whisker)强化6092铝合金；6092/al2o3/15c-t6是15％体积比al2o3陶瓷短纤维(chopped fiber)强化6092铝合金。
15.表1.33n压力下摩擦试验数据(astm g77)
[0016][0017]
表2.434n压力下摩擦试验数据(astm g77)
[0018][0019]
表3.300n压力下与gcr15钢摩擦试验数据(astm g99)
[0020][0021]
表4.300n压力下与40cr钢摩擦试验数据(astm g99)
[0022]
[0023]
由表1的数据可发现：在摩擦压力低的情况下，铝合金与铝合金、钛合金与钛合金相互摩擦的耐磨性能差；但amc与铝合金相互摩擦的耐磨性能更差；amc之间相互摩擦的耐磨性能和amc与钛合金相互摩擦的耐磨性基本相当；而amc与4340钢(硬度28-33hrc)之间，以及amc与氧化铝陶瓷之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢摩擦的耐磨性。表2中，在较高摩擦压力的情况下，amc之间的耐磨性大幅下降，但是各种amc与4620钢(硬度59-60hrc)之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢摩擦的耐磨性。表3和表4的结果进一步表明：即便在较大摩擦压力下，不论是对于高硬度(58-61hrc)gcr15钢(属于轴承钢的一种)和硬度稍低(41-42hrc)高韧性40crnimoa钢，amc与钢之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢之间摩擦的耐磨性。
[0024]
在表1所列的摩擦条件下，amc与硬度为27-33hrc钢材以及与陶瓷的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤25mg，满足本发明的需要；在表2所列的摩擦条件下，amc与硬度为58-61hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤15mg，满足本发明的需要；在表3所列的摩擦条件下，amc与硬度为57-62hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤1mg，满足本发明的需要；在表4所列的摩擦条件下，amc与硬度为40-43hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤2mg，满足本发明的需要。
[0025]
表1至表4中测试用钢材的屈服强度≥340mpa。表5列出了表1至表4中各种amc的材料技术参数。这些amc的比重在2.6-3.2g/cm3的范围内。不同载荷对轴承材料最低屈服强度要求不同。铝基复合材料的强度都比其铝合金基体的强度要高，表5中的amc的屈服强度在350mpa-670mpa的范围，能够满足本发明的需求。
[0026]
表5.铝基复合材料技术参数
[0027][0028]
基于上述研究结果，提出了本发明。
[0029]
更具体地，根据本发明的实施方案，提供一种轻量化多材料滚动轴承(10)，具体是使用amc至少制备内圈(11)或外圈(12)，滚动体(13)使用钢材或者陶瓷制作；另外，滚动体保持架(14)可使用钢材、铜材、铝材、amc或其它材料制作。这种多材料滚动轴承(10)耐磨性
优异，并且能够实现轻量化，例如amc的比重约为钢的35％。以深沟球轴承为例，内圈和外圈体积占滚动轴承的约70％，如内圈和外圈均为amc制，滚球为钢制，则多材料深沟球轴承比钢制轴承的减重约45％；陶瓷滚动体的比重在2.5-5.6g/cm3，如滚球为陶瓷制，这种多材料深沟球轴承比钢制轴承的减重约55％。
[0030]
根据本发明的实施方案，所述滚动体由钢材或者陶瓷材料制备，例如陶瓷材料可以为氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、碳化硼(b4c)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、二硼化钛(tib2)、碳化钛(tic)、氧化锆(zro2)等。
[0031]
根据本发明的实施方案，所述amc由铝合金基材和强化相组成。
[0032]
根据本发明的实施方案，所述强化相材料选自陶瓷颗粒、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
[0033]
根据本发明的实施方案，所述强化相体积占amc的体积比为10～35％，例如10～30％，例如10-25％。
[0034]
根据本发明的实施方案，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准aa中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。
附图说明
[0035]
图1为根据本发明的一个实施方案的轻量化多材料滚动轴承的一种深沟球轴承立体示意图；以及
[0036]
图2为图1滚动轴承10的爆炸图。
具体实施方式
[0037]
根据附图以及下述实施方式，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施方式所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制本发明。
[0038]
图1为根据本发明的一个实施方案的轻量化多材料滚动轴承的深沟球轴承10的立体示意图，图2为图1滚动轴承10的爆炸图。
[0039]
轻量化多材料深沟球轴承10是轻量化多材料滚动轴承的一个应用例。轻量化多材料滚动轴承10包括内圈11和外圈12，滚动体13通过滚动体保持架14安装在内圈11和外圈12之间，从而内圈11和外圈12可以相对转动；内圈11和外圈12至少之一由轻量化amc制备，另一个圈例如可以选择合适的材料制备例如钢材、钛合金或陶瓷，当然另一个圈也可以采用amc制备；滚动体13使用钢材或者陶瓷制备，滚动体保持架14可使用钢材、铜材、铝材、amc或其它材料制作。如上所述，由于采用轻量化的amc材料制备内圈11和/或外圈12，因此可以实现轻量化；另外，本发明出人意料地发现，amc材料不仅比重较低，而且amc圈与采用钢材或者陶瓷制备的滚动体13之间的耐磨性能优异，由此在轻量化的同时能够满足滚动轴承的耐磨性能的要求。
[0040]
根据图1所示本发明的实施方案，轻量化多材料滚动轴承10的铝基复合材料amc可以由在铝合金基材中加入强化相而制。其中铝合金基材可根据设计需要，选取不同的铝合金配方，如美国铝业协会(the aluminum association,aa)标准的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或8系铝合金等，优选2系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。而强化相可以是不同的陶瓷粉体材料，如氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、碳化硼
(b4c)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、二硼化钛(tib2)、碳化钛(tic)、氧化锆(zro2)等陶瓷微粉，也可以是一种以上不同陶瓷粉体的混合。陶瓷粉体的平均粒度可以在0.3-50微米之间，例如0.5-30微米。amc中的强化相也可以是陶瓷晶须，如碳化硅晶须(sic whisker)、硼化钛晶须(tib
2 whisker)、硼酸铝晶须(al
18
b4o
33 whisker)、钛酸钾晶须(k2ti6o
13 whisker)、硼酸镁晶须(mg2b2o
5 whisker)等，还可以是陶瓷短纤维，如氧化铝短纤维(al2o3chopped fiber)、碳化硅短纤维(sic chopped fiber)、氧化铝+二氧化硅短纤维(al2o3+sio chopped fiber)等；晶须和短纤维的平均直径可以在0.5～25微米之间，长径比可以在5～30范围内。强化相还可以是碳纳米管(carbon nano tube)和石墨烯(graphene)。amc中强化相体积含量可以在10～45％之间，例如10～30％，例如15-25％。上述amc可以通过粉末冶金法(其中包括粉末热压成型法、粉末等静压烧结法、粉末喷射成型法和等离子粉末喷射成型法等)以及搅拌熔铸法或原位自生法等来生产，可以优选以粉末冶金法生产。粉末冶金法中，铝合金基材的粉末平均粒径可以为1-60微米，例如2-50微米，例如5-40微米。研究表明，含有≥10％体积比上述强化相的amc的强度、弹性模量和耐磨等性能都比铝合金高。
[0041]
根据美国国家标准ansi h35.5，本发明实施方案的amc可以表达为：
[0042]
(1)aa-alloy/ceramic-particle/10～35p
[0043]
(2)aa-alloy/ceramic-whisker/10～35w
[0044]
(3)aa-alloy/ceramic-chopped-fiber/10～35c
[0045]
根据图1所示本发明的实施方案，轻量化多材料滚动轴承10的钢材的硬度可在25-70hrc范围内，例如40-65hrc。
[0046]
根据图1所示本发明的实施方案，轻量化多材料滚动轴承10的陶瓷材料例如滚动体13
，
可从氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、碳化硼(b4c)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、二硼化钛(tib2)、碳化钛(tic)和氧化锆(zro2)等陶瓷中选取，这些陶瓷比重在2.4-5.8g/cm3的范围。表6分别列出了这些陶瓷材料的比重。
[0047]
表6.陶瓷材料比重
[0048][0049]
使用本发明的轻量化多材料滚动轴承，不仅可有效减轻现有钢制滚动轴承的重量，还表现出比现有钢制滚动轴承更好的耐磨损性能。
[0050]
轻量化多材料滚动轴承除图1的深沟球轴承(deep groove ball bearings)结构
外，还有至少10种其它构造，例如但不局限于：角接触球轴承(angular contact bearings)、圆柱滚子轴承(cylindrical roller bearings)、针式滚子轴(needle bearings)、圆锥滚子轴承(tapered roller bearings)、球面滚子轴承(spherical roller bearing)、推力球轴承(thrust ball bearings)、调心轴承(self-aligning ball bearings)、单列轴承(single row bearings)、双列轴承(double row bearings)和多列轴承(multi-row bearings)等，本发明的轻量化多材料滚动轴承适合应用于这些滚动轴承。
[0051]
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型和参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种轻量化多材料滚动轴承(10)，包括内圈(11)、外圈(12)和滚动体(13)，其特征在于：内圈(11)和外圈(12)至少之一由轻量化铝基复合材料(amc)制备，所述滚动体(13)由钢材或者陶瓷制备。2.根据权利要求1所述的轻量化多材料滚动轴承(10)，其特征在于，所述铝基复合材料由铝合金基材和强化相组成。3.根据权利要求2所述的轻量化多材料滚动轴承(10)，其特征在于，所述强化相材料选自陶瓷粉体、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。4.根据权利要求2所述的轻量化多材料滚动轴承(10)，其特征在于，所述强化相体积占铝基复合材料的体积比为10～30％。5.根据权利要求2所述的轻量化多材料滚动轴承(10)，其特征在于，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准aa中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。6.根据权利要求1所述的轻量化多材料滚动轴承(10)，其特征在于，还包括滚动体保持架(14)。

技术总结
本发明公开了一种轻量化多材料滚动轴承，包括内圈(11)、外圈(12)和滚动体(13)，其特征在于：内圈(11)和外圈(12)至少之一由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，所述滚动体(13)由钢材或者陶瓷制备。本发明的轻量化多材料滚动轴承有优异的耐磨性能，并且比钢制滚动轴承减重效果明显。果明显。果明显。


技术研发人员：彭跃南 王丽娟 彭林涛 代凯月 刘培胜 于治
受保护的技术使用者：亚超特新材料技术有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/21