用于滑动轴承或滚动轴承的轴承元件的制作方法

本发明涉及一种用于滑动轴承或滚动轴承的轴承元件，该轴承元件至少区段式地由包含金属粘结相和硬质相的粉末冶金复合材料形成，或者包括这样的复合材料。

背景技术：

用于滑动轴承或滚动轴承的尤其是形式为轴承圈的轴承元件在很大程度上是已公知的，并且通常由在机械上会有特别要求的材料，也就是说，尤其是传统的滚动轴承钢形成。此外，针对在腐蚀上有特别要求的应用还公知有用于构成相应的轴承元件的粉末冶金复合材料以及塑料材料和陶瓷材料。

尤其是在将相应的轴承元件用在非常规地润滑的运行状况下，也就是说，特别是用在将相应的轴承元件长期地沉浸其中并对轴承单元进行冲洗的、起腐蚀作用的(稀)液态的、尤其是含水的介质中的方面，存在对在机械还有腐蚀上有高要求的用于构造相应的轴承元件的材料的研发需求。这种尤其是基于对轴承元件的不能够有效实现的润滑而在机械还有腐蚀上有高要求的运行状况尤其发生在应用于至少一种海洋发电站、水闸那样的水利工程、或者咸水或淡水透平中、或者钻头轴承、压缩机轴承或泵轴承中的情况下。在这些应用中还存在有侵蚀(气蚀)的危险。

技术实现要素：

本发明所基于的任务是说明一种尤其是在机械还有腐蚀上能够满足高要求的轴承元件。

该任务根据本发明通过开头提到的类型的轴承元件解决，其突出之处在于，金属粘合相基于如下组中的至少一种元素：铬、钴、钼、镍、钛。

根据本发明提出了一种用于滑动轴承或滚动轴承的轴承元件，该轴承元件至少区段式地由包含金属粘结相和硬质相的粉末冶金复合材料形成或者更确切地说制成，或者至少区段式地包括这样的粉末冶金复合材料。根据本发明的轴承元件的特别之处尤其在于金属粘结相的(化学)组成。

金属粘结相根据本发明基于如下组中的至少一种元素：铬、钴、钼、镍、钛。这方面被理解为的是，金属粘结相由如下组中的至少一种元素形成：铬、钴、钼、镍、钛，或者包括如下组中的至少一种元素作为主要组成部分：铬、钴、钼、镍、钛。然而这方面也被理解为的是，金属粘结相由包含铬和/或钴和/或钼和/或镍和/或钛的金属化合物形成，或者包括至少一种这样的金属化合物。因此，所提到的元素可以以基本元素的方式或者以(化学)结合的方式存在。

粉末冶金复合材料的突出之处通常在于具有比较坚韧的金属粘结相和比较硬的硬质相。金属粘结相的韧性补偿硬质相的脆性，并且导致复合材料的足够的(总)冲击韧性。硬质相的硬度赋予复合材料高硬度。金属粘结相和硬质相都是极其耐腐蚀的。因此，粉末冶金复合材料尤其是相对于磨蚀、粘附和气蚀具有高的强度、韧性、硬度、抗碾压性和耐磨性以及高的耐腐蚀性。这同样适用于由该粉末冶金复合材料生产或制造的根据本发明的轴承元件。

复合材料的比较高的韧性也能够实现在机械还有腐蚀上能满足高要求的较大的轴承元件，也就是说，尤其是较大的轴承圈，亦即直径高达至大约1000mm的轴承圈。关于用在滑动轴承或滚动轴承或者用作滑动轴承或滚动轴承，复合材料的韧性同样减少了由于碾压杂质颗粒所导致的会增大的裂纹的形成和由于高的动态负荷所导致的故障的可能性。

根据复合材料的具体的化学和按份额的组成，尤其可以实现具有如下物理的或者机械的特性值的轴承元件：密度5～15g/cm³，抗压强度2000～8000MPa，弹性模量(E-Modul)400～700GPa，硬度1000～2000HV。所提到的数值是纯示例性的，并且可以像提及的那样依赖于复合材料的各自的化学还有按份额的组成发生改变，也就是说，尤其是也能够更高或更低。

因此，粉末冶金复合材料的特别的化学还有按份额的组成是针对根据本发明的轴承元件的特别的性能特征(Eigenschaftsprofil)的基础，该轴承元件尤其是在没有常规的润滑的情况下被预定用于在机械还有腐蚀上有高要求的使用领域中。相应的使用领域例如可以是在起腐蚀作用的环境中，也就是说例如是在非含水的或含水的、尤其是含氯的以及酸性或碱性的环境中，如例如在潮汐发电站或海洋发电站的领域中，也就是说尤其是海上风力透平、海上运输设施、一般的水利工程、或者是其他的海洋应用，如例如船舶，也就是说尤其是船舶驱动装置，以及在泵和压缩机的领域中。干式运转的应用或低润滑的应用领域也是重要的，例如在食品技术和医药技术的领域中。

根据本发明的轴承元件，或者更确切地说形成该轴承元件的复合材料通过粉末冶金法，也就是说，基于粉末状的原材料或者粉末状的原材料混合物制造。因此，使用粉末冶金法尤其有利的是，该粉末冶金法的使用能够构成具有(几乎)各向同性的特性的组织结构。粉末冶金法的使用通常同样能够实现对轴承元件的接近最终轮廓的制造或成形，这很大程度上减少了机械加工的，也就是说尤其是切削的再加工步骤的需求，并且因此在制造技术和进而经济方面是有利的。

这样的用于制造轴承元件的粉末冶金法例如可以是指热等静压(简称HIP)；因此是指来自成型领域的粉末冶金制造技术的原理，根据该原理，粉末状的原材料或者更确切地说粉末状的原材料混合物在压力和温度下被压缩或挤压和烧结。

另一可想到的用于制造根据本发明的轴承元件的粉末冶金法是喷射成形法(Sprühkompaktierverfahren)，其同样是来自成型领域的粉末冶金制造技术的原理，根据该原理，将粉末状的原材料或者更确切地说粉末状的原材料混合物喷射到载体材料上，并且通过分层施布来在载体材料上“构建”构件。喷射成形法相对于其他粉末冶金法的优点在于，在此不必强制性地完全压缩粉末状的原材料。喷射成形法的另外的优点是可以实现复合材料的“定制的”材料组成，复合材料因此可以以在方位或空间上分布的物质梯度或浓度梯度来构成。

在复合材料的粉末冶金制造的范围内可想到的是，形成金属粘结相的粉末状的材料或者材料混合体与形成硬质相的粉末状的材料或者材料混合体在粉末冶金法的框架内连接。替选于此地可想到的是，首先经由粉末冶金法制造金属粘结相，并且通过随后例如在复合材料的成型或热处理过程中有针对性地形成析出物来在金属粘结相中构成硬质相。

金属粘结相可以附加地含有铁和/或碳和/或氮的份额并且/或者含有至少一种含有铁和/或碳和/或氮的化合物的份额。按这种方式，在根据本发明的轴承元件的具体的使用领域方面可以有针对性地影响金属粘结相的多种特性。同样地，必要时也可以按这种方式改进金属粘结相与典型地由单硬质相晶粒形成的硬质相之间的连接。

像此外在上面提及的那样，金属粘结相也可以由含有铬和/或钴和/或钼和/或镍和/或钛的金属化合物形成，或者包括至少一种这样的金属化合物。因此例如可能的是，元素铬、钼、钛只要存在就处于已结合的形式，并且因此与金属粘结相的另外的组成部分，例如铁和/或碳和/或氮化学连接。因此例如可想到的是，金属粘结相包含有碳化铬和/或碳化钼和/或碳化钛作为含碳的化合物。

属于粉末冶金复合材料的硬质相可以由如下的硬质化合物中的至少一种形成，或者包括如下的硬质化合物中的至少一种：硼化物，碳化物、尤其是碳化钛和/或碳化钨，碳氮化物、尤其是碳氮化钛，氮化物、尤其是氮化钛，硅化物。因此，硬质相尤其是可以由硬金属，也就是说尤其是经烧结的硬金属碳化物，譬如碳化钨和/或金属陶瓷，也就是说包含在例如基于镍和/或钼的金属基体中的陶瓷颗粒，譬如碳化钛颗粒、碳氮化钛颗粒或氮化钛颗粒形成，或者包括这样的硬金属。显然能够想到(化学上)不同的硬质化合物的混合物。

此外，硬质相还可以积极影响复合材料的导热性，这尤其是在将热从根据本发明的轴承元件导出的可能性和进而对根据本发明的轴承元件的冷却能力方面是有利的。这尤其是适用于基于碳化物，尤其是碳化钨的硬质化合物的应用，其导热性是典型地被用于构造常规的轴承元件的非合金钢或不锈钢的导热性的数倍。

如所述，硬质相典型地由单硬质相晶粒形成或者包括单硬质相晶粒。粉末冶金复合材料也可以包含有中间相，中间相环绕硬质相晶粒地形成，并且经由中间相实现硬质相晶粒与金属粘结相的结合。针对由金属陶瓷，也就是说尤其是碳氮化钛或碳化钛形成的硬质相晶粒的示例证实存在κ相，也就是说复合碳化物结构，其环绕硬质相晶粒，并且确保了该硬质相晶粒牢固结合到金属粘结相上。

硬质相在粉末冶金复合材料中的体积份额尤其是在50至99体积百分比的范围内，优选地在85至95体积百分比之间的范围内。相应地，金属粘结相在粉末冶金复合材料中的体积份额尤其是在1至50体积百分比之间的范围内，优选地在15与5体积百分比之间的范围内。要注意的是，硬质相的体积份额不低于50体积百分比，以便确保复合材料进而是轴承元件的高硬度。但是硬质相的体积份额在例外情况下仍然也可以低于50体积百分比，或者金属粘结相的份额在例外情况下也可以在50体积百分比以上。

轴承元件的硬度至少在其表面或者边缘层的区域中，或者在靠近表面或靠近边缘层的区域中尤其是在1000～2000HV(维氏硬度)之间，典型地在1100HV以上。轴承元件的表面或边缘层可以具有特定的组织区域，该特定的组织区域与进一步靠内的组织区域在其特性，也就是说尤其是硬度方面有所不同，并且因此可以与进一步靠内的组织区域区分界。典型地，这种表面区域或边缘层区域是在轴承元件侧所设置的滑动面或滚动面，也就是说尤其是用于滑动体或滚动体的滚道面，或者是相应的滑动体面或滚动体面。显然，轴承元件也可以总体上具有一致的硬度。在例外情况下，轴承元件的硬度可以，必要时也可以仅区段式地，在1000HV以下或者2000HV以上。

对于复合材料的性能特征来说，除了化学和按份额的组成，也就是说金属粘结相和硬质相的按体积的份额以外，在被用作基体的金属粘结相中的形成硬质相的硬质相晶粒的形状、大小和分布也尤其是重要的。硬质相晶粒通常可以以粗晶粒和细晶粒的形式存在。硬质相晶粒优选是圆的或略带圆形的形态。在制造复合材料的范围内应该要注意到在被用作基体的金属粘结相中的形成硬质相的硬质相晶粒的尽量一致的分布。

对于形成硬质相的硬质相晶粒的形状、大小和分布来说具有表征性的特征表现为轴承元件在完成加工的状态下，也就是说在加工完以后的表面质量进而是粗糙度。原则上，与相应的轴承元件的粗糙度相关联地适用的是，在考虑技术经济的情况下，轴承元件的更大的外直径具有轴承元件的更大的粗糙度值。对粗糙度的研究得到的是，针对具有在大约200mm以上的外直径的轴承元件可以实现在0.1～1μm的范围内的平均粗糙度值R_a，针对具有在大约200mm以下的外直径的轴承元件可以实现在0.02～0.2μm的范围内的平均粗糙值R_a，这尤其是结合适当的制造工艺地归因于一致的且均匀的组织结构，也就是说硬质相晶粒在金属粘结相中的特别一致的且均匀的分布。

根据本发明的轴承元件例如可以是指滑动轴承或滚动轴承的轴承圈，也就是说外圈或内圈。轴承元件也可以是滑动体或滚动体，或者用于容纳滚动体的滚动体保持架。

本发明还涉及一种轴承，也就是说滑动轴承或滚动轴承，其包括至少一个如前所描述的根据本发明的轴承元件。如上述，一个或多个轴承元件可以尤其是指轴承圈和/或滑动体或滚动体和/或用于容纳滚动体的滚动体保持架。关于根据本发明的轴承元件的所有实施方案类似地适用于根据本发明的轴承。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出，并且在下面将详细描述。其中：

图1示出滚动轴承的原理图，滚动轴承包括根据本发明的实施例的轴承元件；

图2示出用于构造出根据本发明的实施例的轴承元件的粉末冶金复合材料的组织结构的片段；和

图3示出用于说明与由常规的耐腐蚀的滚动轴承钢形成的轴承元件相比根据本发明的轴承元件的耐腐蚀性的图表。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的轴承元件1的原理图。轴承元件1是滚动轴承2的一部分。轴承元件1是指滚动轴承2的外圈3。滚动轴承2的内圈4同样可以构造为相应的根据本发明的实施例的轴承元件1。这同样适用于在外圈3与内圈4之间滚动的滚动体5以及适用于容纳或引导滚动体5的滚动体保持架6。

轴承元件1也可以是指滑动轴承的相应的部件。

轴承元件1由粉末冶金复合材料，也就是说粉末冶金地制造的复合材料形成。粉末冶金复合材料包括金属粘结相和由至少一种硬材质形成的硬质相。该粉末冶金复合材料因此可以被称为或视为“金属基复合物(Metal Matrix Composite)”。

金属粘结相通常基于如下组中的至少一种元素：铬、钴、钼、镍、钛。这方面被理解为的是，金属粘结相由如下组中的至少一种元素形成：铬、钴、钼、镍、钛，或者包括如下组中的至少一种元素作为主要组成部分：铬、钴、钼、镍、钛。这方面也被理解为的是，金属粘结相由包含铬和/或钴和/或钼和/或镍和/或钛的金属化合物形成，或者包括至少一种这样的金属化合物。因此，所提到的元素可以以基本元素的方式或者以(化学)结合的方式存在。

金属粘结相附加地可以含有铁和/或碳和/或氮的份额并且/或者含有至少一种包含铁和/或碳和/或氮的化合物的份额。尤其是碳化铬和/或碳化钼和/或碳化钛被视为含碳的化合物。

硬质相通常由如下的硬质化合物中的至少一种形成，或者包括如下的硬质化合物中的至少一种：硼化物，碳化物、尤其是碳化钛和/或碳化钨，碳氮化物、尤其是碳氮化钛，氮化物、尤其是氮化钛，硅化物。硬质相典型地以单硬质相晶粒或多个连接的硬质相晶粒的形式存在。硬质相晶粒典型地具有大约0.5～10μm，尤其是0.9～6μm的晶粒大小。

因此，复合材料的组织尤其是由单硬质相晶粒或多个彼此连接的硬质相晶粒构成，其被金属粘结相包围。因此，金属粘结相在硬质相晶粒之间延伸，并且连接组织中的硬质相晶粒。复合材料的组织结构可以对照包括多个通过水泥连接的墙砖的墙体，其中，硬质相晶粒代表墙砖，而金属粘结相代表水泥。

硬质相在复合材料中具有50～99体积百分比的份额，尤其是在85至95体积百分比之间的份额。金属粘结相具有1～50体积百分比的份额，尤其是在15与5体积百分比之间的份额。

在具体的实施例中，复合材料可以包含镍和已结合的铬作为金属粘结相。硬质相在该具体的实施例中由碳化钨构成。硬质相的份额在85至95体积百分比之间。硬质相的高的份额确保了复合材料进而是轴承元件1的非常高的硬度，典型地为1150～1750HV1。金属粘结相的韧性补偿了硬质相的脆性，并且引起复合材料进而是轴承元件1的良好的冲击韧性，典型地K_1c为7～19MN/mm^3/2。复合材料进而是轴承元件1的抗压强度在3500至6300MPa之间，弹性模量在500至650GPa之间的范围内，泊松数位于0.21至0.22之间，并且密度位于13.0至15.0g/cm³之间的范围内。硬质相晶粒的晶粒大小位于0.5至5μm之间。

类似的特性也可以在复合材料的另外的具体的实施例中得到，其与之前的具体的实施例的不同之处基本上在于，金属粘结相由作为主要组成部分的钴构成。

在复合材料的另外的具体的实施例中，该复合材料可以主要包含有镍和钴作为金属粘结相。金属粘结相在此附加地包含有碳化合物或碳化物化合物，譬如尤其是碳化镍化合物或碳化钴化合物。硬质相在此由碳化钛或碳氮化钛形成。在此，在复合材料中，环绕硬质相晶粒地形成有中间相，经由中间相实现了硬质相晶粒牢固地结合到金属粘结相上。中间相是指所谓的κ相，也就是说复合碳化物结构。复合材料进而是轴承元件1的硬度位于1100至1650HV之间，冲击韧性在大约K_1c 8～14MN/mm^3/2中，弹性模量位于370至450GPa之间，密度位于5.8至6.9g/cm³之间。要强调的是，复合材料的比较小的密度导致构件重量比较小。

图2示出了用于构成根据本发明的实施例的轴承元件1的与之前描述的实施例类似的粉末冶金复合材料的组织结构的片段。在此主要含有镍和钼的金属粘结相以附图标记7说明，在此由碳氮化钛构成的硬质相晶粒以附图标记8说明，并且κ相以附图标记9说明。硬质相晶粒8到金属粘结相7上的结合经由直接包围硬质相晶粒8的中间相9来实现。

通过复合材料的所有的实施例，根据外直径而定地能够实现具有0.02μm至1.0μm之间的平均粗糙值R_a的轴承元件1，这意味着硬质相晶粒在金属粘结相中的一致的和均匀的分布，以及尤其是由于适当的制造参数的选定所造成的轴承元件1的高的表面质量。

总体上看，形成轴承元件1的复合材料进而也是轴承元件1的突出之处在于具有高的强度、高的韧性、高的硬度、高的抗碾压性和抗磨损性、高的导热性以及高的耐腐蚀性。

图3示出了用于说明与由常规的耐腐蚀的滚动轴承钢形成的轴承元件相比，根据本发明的轴承元件1的耐腐蚀性的图表。借助图3可以说明形成根据本发明的轴承元件1的复合材料的与由常规的滚动轴承钢相比改进的耐腐蚀性。

在图3所示的图表中描绘出关于电位(x轴线)的电流(y轴线)。示出了来自对孔蚀电位或再钝化电位的电化学研究(Ag/AgCl、3.5％NaCl、20℃)的试验结果。曲线10代表针对根据本发明的轴承元件1的测量结果，曲线11代表针对由常规的滚动轴承钢型材形成的、非根据本发明的轴承元件的测量结果。

可见，与在非根据本发明的轴承元件中相比，在根据本发明的轴承元件1中，通过曲线10的上升表明的材料溶解明显更晚地开始。与非根据本发明的轴承元件相比，在根据本发明的轴承元件1中，再钝化电位，也就是说其中曲线在上升后又回到x轴线上的电位明显更高。研究证明了根据本发明的轴承元件1的非常好的耐腐蚀性。

附图标记列表

1 轴承元件

2 滚动轴承

3 外圈

4 内圈

5 滚动体

6 滚动体保持架

7 包含镍和钼的金属粘结相

8 硬质相晶粒

9 κ相

10 曲线

11 曲线