专利名称：一种整体梯度自润滑轴承及其制造方法
技术领域：
本发明涉及自润滑轴承领域，特别提供了一种整体梯度自润滑轴承及其制造方法。
背景技术：
轴承是工业中使用极为普遍又十分关键的一类零件，被誉为机器的“关节”。随着机械仪器设备向精密化、微型化、长寿命、高性能化方向的发展，以及用于高温、高速、重载、真空、要求无油润滑等复杂和恶劣工况条件下，使得目前使用的传统外注油润滑轴承和普通自润滑轴承已难以满足要求。
于是人们开发出了一系列新型的自润滑无油轴承(1)金属基镶嵌式固体自润滑轴承是由金属基体承受载荷，在基体上打孔镶嵌入固体润滑材料起润滑作用，其不足之处在于金属轴套需要打孔，对微型轴套加工难度大；润滑剂为机械填充，工作时不易形成完整的润滑面[张国兴.现代滑动轴承的复合材料.机械工程师，2005，9114～115]。
(2)双金属轴承是以优质低碳钢背为基体，表面烧结铅锡青铜合金，经高温烧结和轧制而成铜、钢一体的双金属板带材，再将制得的双金属板卷制、焊接而成套圈。该方法的不足之处在于制造工艺复杂，套圈的组织、性能难以满足使用要求[金卓仁等.梯度自润滑滑动轴承的研制.机械工程学报，2001，37(3)81～84]。
(3)英国格拉西亚公司研制的三层复合轴承是把多孔青铜粉烧结在钢基体(钢背)上，将聚四氟乙烯和铅的混合物浸透在青铜孔隙中作为润滑剂。由于在工作时有铅的粉末和气体逸出，存在着对环境产生污染等问题[韩凤麟，贾成厂.烧结金属含油轴承.北京化学工业出版社，2004]。
(4)宁莉萍等设计和研究了层状梯度自润滑复合材料，由润滑膜、自润滑耐磨层、润滑过渡层、连接层、电镀层、承压层及保护层等构成，经数次高温烧结和轧制而成。其工艺比上述双金属轴承更为复杂，而且存在着与双金属轴承相同的组织性能方面的问题，且不适用微型套圈的制造[宁莉萍等.梯度自润滑复合材料在不同滑动摩擦下的摩擦学特性.材料科学与工程学报，2004，22(2)289～291]。
(5)金卓仁等设计了整体烧结梯度自润滑轴承，它通过向Fe基体粉末中添加PbCO3粉末，采用层铺法形成PbCO3/Fe合金粉配比的梯度分布，通过烧结在基体形成空隙的梯度分布，向空隙浸渍固体润滑剂维持轴承的自润滑状态。这种工艺的不足在于层铺法效率太低，而且PbO的存在和烧结时气体的逸出，不利于环保[金卓仁等.梯度自润滑滑动轴承的研制.机械工程学报，2001，37(3)81～84]。
综上所述，高承载低摩擦的自润滑轴承应用广阔，是研制开发的热点，但是目前存在着制造工艺繁琐，产品的质量和性能难以满足使用要求、不适合于微型自润滑轴承制造等问题。因此，研究开发新型的高强度、低摩擦、长寿命整体梯度自润滑轴承及其制造方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种整体梯度自润滑轴承及其制造方法，采用高强度的金属材料作为承压层，由低摩擦系数固体润滑剂和质地软、延展性好的金属构成的金属基复合材料作为固体润滑层，承压层材料和固体润滑层材料按一定比例混合而构成的复合材料作为中间过渡层，开发比传统的自润滑轴承具有更高强度、更好减摩性以及更优良的综合性能的梯度自润滑轴承，并开发特别适用于微型自润滑轴承的制造方法。
本发明的整体梯度自润滑轴承由由承压层、润滑层、中间过渡层组成。承压层由碳素钢、不锈钢、轴承钢等中的至少一种金属材料组成；润滑层的组成为以青铜、黄铜等中的至少一种金属材料作为基体，以二硫化钼、二硫化钨、金属锡、石墨等中的至少一种材料作为固体润滑剂，将基体材料和固体润滑剂混合构成润滑层；中间过渡层由承压层材料和固体润滑层材料按一定比例混合构成。
本发明所述的承压层所选用原材料可以是碳素钢、不锈钢、轴承钢等中的至少一种金属粉末，也可以是碳钢、不锈钢、轴承钢等金属的棒材或管材。
本发明所述的固体润滑层基体所选用原材料是青铜、黄铜等中的至少一种金属粉末，固体润滑剂所选用原材料是二硫化钼、二硫化钨、金属锡、石墨等中的至少一种粉末材料。
本发明所述的中间过渡层所选用原材料包括承压层材料的粉末和固体润滑层材料的粉末。
本发明采用多坯料挤压技术一次成形具有3～5层梯度结构的自润滑轴承坯料。多坯料挤压技术的基本原理如附图1和附图2所示，在挤压筒1中开设3个或3个以上坯料孔2(图1中所示为3个坯料孔的情形、图2中所示为带芯棒5的4个坯料孔的情形)，在各坯孔中放入不同成分的预挤压坯(如图1中的A、B、C，图2中的A、B、C、D)，在一定温度范围内(取决于多组元粘结剂的熔点)对其同时进行挤压。特殊结构的挤压模3控制坯料的流动，不同成分的坯料最终在焊合腔4中焊合成一体被挤出，获得多层梯度材料。各坯层间的结合强度由粘结剂保证，梯度坯体的层数由坯料孔的数量相应地决定。各坯层间的厚度、直径由挤压模3的结构与尺寸出口决定。采用多坯料挤压技术能精确控制各层中材料成分的含量，可根据要求调整组分达到缓和热应力，提高层间材料结合强度等目的。
本发明的材料配比以体积百分比(下同)表示承压层中金属材料100％；固体润滑层中基体材料99～0％，固体润滑剂1～100％；过渡层中固体润滑剂1～50％，固体润滑层基体材料98～0％，承压层金属粉末1～50％。所选材料粉末的粒径为0.01～500μm。
本发明所述整体梯度自润滑轴承的制造工艺如下1、依照设计的成分比例配制各层混合粉末(以体积百分比表示)。承压层中金属材料100％或者直接采用金属的棒材或管材；固体润滑层中基体材料99～0％，固体润滑剂1～100％；过渡层中固体润滑剂1～50％，固体润滑层基体材料98～0％，承压层金属粉末1～50％。
2、采用粉末冶金工艺，在混合粉末中加入粘结剂，混炼成粉末粘性体。混合粉末90～99.9wt％，粘结剂10～0.1wt％。粘结剂由粉末状水溶性羟炳基甲基纤维素HPMC(含量0.5～20wt％)和去离子水(含量99.5～80wt％)组成。混合成粉末粘性体后用保鲜膜密封包扎，在室温保存10～40h。
3、按照挤压筒的尺寸对粉末粘性体进行预挤压，一是为了获得合适尺寸的预挤压坯料；二是为了排除坯体内的残留气体，提高坯体密度。
4、采用多坯料挤压技术制备3～5层复合坯料。把各层的预挤压坯料放入模具的挤压筒内，把模具装配好，放在预制好的支座上进行挤压。挤压速度1～20mm/min，挤压力为1～10kN，可连续得到各层包覆均匀的复合坯料，各层厚度由模孔的大小决定，其长度由挤压筒内的坯料的多少控制。
5、把挤压出的3～5层复合坯料放在避光处阴干12～48h。
6、把干燥后的复合坯料放入加热炉中在氢气(或其他还原性气体)气氛下脱脂烧结以2～10℃/min的速度由室温上升到200～300℃，以1～8℃/min的速度上升到350～400℃，然后保温10～60min，以5～20℃/min的速度上升到900～1000℃，以1～15℃/min的速度上升到烧结温度1030～1080℃，保温1～3h，随后随炉冷却到室温，再关掉保护气体。
7、烧结后的制品经车削、精磨就可加工成整体梯度自润滑轴承套圈。
本发明的优点在于1、这种轴承的粉末成形坯密度不存在传统铺粉压制的密度不均问题(离压头近的密度大，远的密度小)，粉末成形坯密度均匀，而且长度不受限制，各层的厚度可以严格按照设计模口的尺寸成形。
2、烧结后制品的最薄梯度层可到达0.10mm，可以满足微型轴承套圈壁厚的梯度分层，是其他的制造方法无法实现的。
3、固体润滑层的青铜、二硫化钼等起到自润滑作用；承压层的金属材料起到提高强度，提升承压力的作用；中间过渡层材料由内外两层材料混合构成，且可按要求调整，起到缓解热应力作用，克服了传统双金属轴承由于内外两层因热膨胀系数的差异而引起表面层脱落等缺点，充分发挥材料的整体性能。
4、这种轴承的径向压溃强度可大于948MPa，摩擦系数低于0.31，磨损率小于5.3×10-9m/(N·m)，与同类的金属基固体自润滑材料相比，其润滑效果、使用寿命和整体力学性能等都得到了显著提高。
5、这种轴承特别适合于高温、重载荷、无油(或难以加油)、冲击载荷、往复运动、防污、防蚀、强辐射，以及在水中或其他溶液浸润而根本无法加油等工况条件下使用。广泛应用于交通工具、冶金、矿山、机械、船舶、医疗、微电机、航空航天、国防军工以及民用生活等领域。
图1是本发明的不带芯棒的多坯料挤压技术原理示意图。其中挤压筒1中可开设3～5个坯料孔2，挤压模3和焊合腔4。各层材料预挤压坯A、B、C。
图2是本发明的带芯棒5的多坯料挤压技术原理示意图。其中挤压筒1中可开设2～4个坯料孔2，挤压模3和焊合腔4。各层材料预挤压坯A、B、C、D。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1材料配比以体积百分比表示承压层中不锈钢100％；固体润滑层中二硫化钼10％、锡青铜90％；过渡层中二硫化钼8％、锡青铜60％、不锈钢32％。二硫化钼粉末的粒径为3～5μm，锡青铜粉末的粒径为30～40μm，不锈钢粉末的粒径为8～12μm。各层粉末按比例混合均匀后，加入粘结剂(混合粉末95wt％、粘结剂5wt％)。粘结剂由HPMC(含量10wt％)和去离子水(含量90wt％)组成。混合成粉末粘性体后用保鲜膜密封包扎，在室温保存10～24h。按照挤压筒的尺寸将粉末粘性体制成预挤压坯。把各层的预挤压坯料放入模具的挤压筒内进行挤压成形，可连续得到各层包覆均匀的3层复合棒坯。把3层复合棒坯放在避光处阴干20～30h。在氢气气氛的管式炉中进行烧结，由室温上升到350～380℃，并保温20～50min，然后上升到烧结温度1040～1080℃，保温2～3h。随后随炉冷却到室温，再关掉保护气体。
实施例2材料配比以体积百分比表示承压层不锈钢100％；固体润滑层中二硫化钼15％、锡青铜85％；过渡层中二硫化钼6％，锡青铜54％、不锈钢40％。二硫化钼粉末的粒径为3～5μm，锡青铜粉末的粒径为30～40μm，不锈钢粉末的粒径为8～12μm；承压层直接采用不锈钢棒材。固体润滑层和过渡层粉末按比例混合均匀后，加入粘结剂(混合粉末97wt％、粘结剂3wt％)。粘结剂由HPMC(含量8wt％)和去离子水(含量92wt％)组成。混合成粉末粘性体后用保鲜膜密封包扎，在室温保存10～32h，按照挤压筒的尺寸将粉末粘性体制成预挤压坯。把承压层的不锈钢棒材以及固体润滑层和过渡层的预挤压坯料放入模具的挤压筒内进行挤压成形，可连续得到各层包覆均匀的3层复合棒坯。把3层复合棒坯放在避光处阴干20～40h，然后在氢气气氛的管式炉中进行烧结，由室温上升到350～380℃，并保温30～60min，然后上升到烧结温度1040～1080℃，保温1.5～2.5h。随后随炉冷却到室温，再关掉保护气体。
对上述实施实例所烧结制品作性能测试采用阿基米德排水法测密度，然后计算致密度(测试方法依照GB/T10421-2002进行)。
径向压溃强度测试在RG3000A微机控制电子万能试验机上进行(测试方法依照GB/T6804-2002进行)。
在型号为HXD-1000T的维氏硬度仪上测量材料的维氏硬度，采用200N载荷，保压15s。
材料的摩擦磨损试验采用德国Optimol公司生产的SRV高温摩擦磨损试验机。摩擦副为直径15mm、长度22mm的GCr15圆棒，采用870℃油脆、180℃回火2h的热处理工艺，硬度为55～60HRC。
试验样品为上述实施例中所烧结的外径3.2mm、长度23mm的复合棒材。在温度20℃、载荷200N、冲程1mm、频率50Hz的试验条件下作干摩擦往复运动，速度为0.05m/s，摩擦时间为20min。在1712MP8型精确度为万分之一电子分析天平上称出样品摩擦前后的质量，求得磨损率。
试验结果如下表
权利要求
1.一种整体梯度自润滑轴承，由承压层、润滑层、中间过渡层组成，其特征在于，承压层由碳素钢、不锈钢、轴承钢中的至少一种金属材料构成，润滑层由固体润滑层基体材料和固体润滑剂混合构成，固体润滑层基体由青铜、黄铜中的至少一种金属材料构成，固体润滑剂由二硫化钼、二硫化钨、金属锡、石墨中的至少一种材料构成，将固体润滑层基体材料和固体润滑剂混合构成固体润滑层，中间过渡层由承压层材料和固体润滑层材料按比例混合构成。
2.按照权利要求1所述的自润滑轴承，其特征在于，承压层中金属材料100％；固体润滑层中基体材料99～0％，固体润滑剂1～100％；过渡层中固体润滑剂1～50％，固体润滑层基体材料98～0％，承压层金属粉末1～50％；材料配比均为体积百分比；粉末的粒径为0.01～500μm。
3.按照权利要求1所述的自润滑轴承，其特征在于，承压层为金属的棒材或管材。
4.一种制造权利要求1所述整体梯度自润滑轴承的方法，其特征在于，制造工艺为(1)依照设计的成分比例配制各层混合粉末，承压层中金属粉末100％或者直接采用金属的棒材或管材；固体润滑层中基体材料99～0％，固体润滑剂1～100％；过渡层中固体润滑剂1～50％，固体润滑层基体材料98～0％，承压层金属粉末1～50％；(2)采用粉末冶金工艺，在混合粉末中加入粘结剂，混炼成粉末粘性体；混合粉末90～99.9wt％，粘结剂10～0.1wt％；粘结剂由粉末状水溶性羟炳基甲基纤维素含量0.5～20wt％和去离子水含量99.5～80wt％组成；混合成粉末粘性体后用保鲜膜密封包扎，在室温保存10～40h；(3)按照挤压筒的尺寸对粉末粘性体进行预挤压；(4)采用多坯料挤压技术制备3～5层复合坯料，把各层的预挤压坯料放入模具的挤压筒内，把模具装配好，放在预制好的支座上进行挤压成形，得到各层包覆均匀的复合坯料；(5)把挤压出的3～5层复合坯料放在避光处阴干12～48h；(6)把干燥后的复合坯料放入加热炉中在氢气或其他还原性气体气氛下脱脂烧结；(7)烧结后的制品经车削、精磨加工成整体梯度自润滑轴承套圈。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，脱脂烧结工艺为由室温上升到350～400℃，并保温10～60min，然后上升到烧结温度1030～1080℃，保温1～3h，随后随炉冷却到室温，再关掉保护气体。
全文摘要
一种整体梯度自润滑轴承及其制造方法，属于自润滑轴承领域。自润滑轴承，由承压层、润滑层、中间过渡层组成。承压层由碳素钢、不锈钢、轴承钢等中的至少一种金属材料构成，润滑层由固体润滑层基体材料和固体润滑剂混合构成，固体润滑层基体由青铜、黄铜等中的至少一种金属材料构成，固体润滑剂由二硫化钼、二硫化钨、金属锡、石墨等中的至少一种材料作构成，将固体润滑层基体材料和固体润滑剂混合构成固体润滑层，中间过渡层由承压层材料和固体润滑层材料按比例混合构成。优点在于，梯度自润滑轴承具有更高的强度、更好的减摩性以及更优的综合性能；制造方法还特别适用于微型自润滑轴承的生产。
文档编号F16C33/12GK101092991SQ20071011926
公开日2007年12月26日 申请日期2007年7月19日 优先权日2007年7月19日
发明者刘雪峰, 谢建新, 赵劲松 申请人:北京科技大学