固体润滑滚动轴承

本申请涉及滚动轴承及固体润滑涂层材料制备，特别是涉及一种固体润滑滚动轴承。

背景技术：

1、滚动轴承作为航空航天机构旋转关节的关键零部件，其故障直接影响机构的性能、使用寿命和可靠性，甚至导致机构失效。同时，滚动轴承的低摩擦稳定运行对于机构的高精度运行具有重要意义。因此，保障滚动轴承的低摩擦稳定运行，对整个航空航天装备至关重要。

2、滚动轴承在航空航天装备运行过程中受到低温的影响，油脂润滑不能正常使用，一般情况下当温度低于-40℃时，油脂润滑的摩擦性能会大大降低，造成轴承的摩擦力矩急剧上升。所以对于空间轴承的润滑常采用两种办法：第一，使用电控加热的方式使轴承内的油脂润滑处于正常工作状态，但是该方法会大大增加结构及系统的复杂程度，消耗大量能源，同时还存在断电造成润滑故障的风险；第二，使用在宽温域范围内润滑性能稳定的固体润滑材料，目前国际上的轴承公司及科研单位对于固体润滑滚动轴承的研究重点集中在提高轴承在真空环境中的摩擦性能，通常使用二硫化钼作为固体润滑涂层，并结合使用自润滑保持器进行润滑，但二硫化钼在大气中润滑性能差，承载性较低，机械性能相对较差，容易发生磨损失效。

3、因此，如何提高滚动轴承在低温下的摩擦性能是亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种固体润滑滚动轴承，在低温下具有优异的摩擦性能。

2、本申请的一个方面，提供了一种固体润滑滚动轴承，其包括：

3、具有外侧滚道面的外圈；

4、具有内侧滚道面的内圈；

5、配置在外侧滚道面与内侧滚道面之间的多个滚动体；以及

6、将所述滚动体保持并均匀分开在所述内圈和所述外圈之间的保持器；

7、所述外侧滚道面、所述内侧滚道面和所述滚动体的表面中的至少一个布置有润滑涂层；

8、所述润滑涂层包括至少一类金刚石碳基涂层，所述类金刚石碳基涂层的组成元素包括碳、氢和掺杂元素，所述掺杂元素包括弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素，在所述类金刚石碳基涂层中，以碳和掺杂元素的原子总量计，碳的原子百分比含量为70％～90％，以掺杂元素的原子总量计，弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～70％，以除弱碳化物形成金属元素外其余掺杂元素的原子总量计，强碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～80％。

9、在其中一个实施例中，所述弱碳化物形成金属元素选自以下情况中的任意一种：

10、(a)al；

11、(b)al和ag的组合；

12、(c)al和au的组合；

13、(d)al和cu的组合；

14、其中，(b)、(c)、(d)中al元素的原子百分比含量为70％～90％。

15、在其中一些实施例中，所述强碳化物形成金属元素选自cr、ti或w中的至少一种。

16、在其中一些实施例中，所述非金属元素选自si。

17、本申请的另一个方面，所述润滑涂层还包括依次层叠的基体结合层、硬质强化层和梯度层，所述基体结合层与所述外侧滚道面、所述内侧滚道面或所述滚动体的表面结合，所述类金刚石碳基涂层布置在所述梯度层上；

18、其中，所述硬质强化层材料为氮化物，所述梯度层材料为碳含量、氮含量呈梯度变化的碳氮化物。

19、在其中一些实施例中，所述固体润滑滚动轴承还包括下述技术特征中的至少一种：

20、所述基体结合层的材料为cr、ti、alcrsi或altisi中的任意一种；

21、所述硬质强化层的材料为cr、ti、alcrsi或altisi中的任意一种的氮化物。

22、在其中一些实施例中，自靠近所述硬质强化层端至靠近所述类金刚石碳基涂层端，所述梯度层材料的氮含量梯度降至零，碳含量梯度增至与所述类金刚石碳基涂层中的碳含量相同。

23、在其中一些实施例中，所述类金刚石碳基涂层的厚度为所述润滑涂层厚度的50％～80％。

24、在其中一些实施例中，所述的固体润滑滚动轴承还包括下述技术特征中的至少一种：

25、所述基体结合层厚度为300nm～800nm；

26、所述硬质强化层厚度为100nm～300nm；

27、所述梯度层厚度为100nm～300nm；

28、所述类金刚石碳基涂层厚度为500nm～2000nm；

29、所述润滑涂层厚度为800nm～3μm。

30、在其中一些实施例中，所述保持器的材料为聚醚醚酮基复合材料；

31、所述聚醚醚酮基复合材料包括聚醚醚酮基体材料和填充物，所述填充物包括润滑相和增强相，所述润滑相为聚四氟乙烯、石墨、石墨烯、二硫化钼或二硫化钨中的至少一种，所述增强相为碳纤维、玻璃纤维或金属材料中的至少一种；

32、以所述聚醚醚酮基复合材料的总质量计，其中，聚醚醚酮基体材料的质量分数为60％～90％，以填充物的总质量计，润滑相的质量分数为30％～70％。

33、在其中一些实施例中，所述保持器为外圈引导方式的保持器，引导间隙为0.2mm～0.4mm，所述保持器具有收纳所述滚动体的兜孔，兜孔间隙为(1.1～1.2)×滚动体直径。

34、在其中一些实施例中，所述固体润滑滚动轴承径向游隙为c3～c5级。

35、与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：

36、本申请提供的固体润滑滚动轴承中涉及滚动摩擦的至少一个表面上布置有类金刚石碳基涂层，该涂层中通过加入特定比例的弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素使得涂层兼具优异的摩擦和机械性能，能够在低温(低至-80℃)宽温域范围内实现稳定超滑。

37、类金刚石碳基涂层中弱碳化物形成金属元素可以诱导涂层加速石墨化，即诱导涂层中碳原子呈sp2杂化结构(石墨结构)，从而获得低的摩擦系数、降低涂层内应力和提高其韧性；而强碳化物形成金属元素可以诱导涂层中碳原子呈sp3杂化结构(金刚石结构)，从而获得高的硬度；进一步非金属元素可以与水分子结合形成低剪切的水合物，从而降低对潮湿大气环境的敏感性；通过特定比例的弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素的协同作用，可以使得类金刚石碳基涂层在低温宽温域范围、潮湿大气环境下的摩擦系数降低至超滑水平的同时还可以兼具高的硬度。

38、本申请提供的固体润滑滚动轴承的保持器采用peek基自润滑保持器，兼具低温高强度和自润滑性的特点；固体润滑滚动轴承所使用的游隙、保持器引导间隙和兜孔间隙均考虑了低温下材料收缩所带来的影响，保证轴承在低温下仍能较好工作。

技术特征：

1.一种固体润滑滚动轴承，其特征在于，其包括：

2.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述弱碳化物形成金属元素选自以下情况中的任意一种：

3.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述强碳化物形成金属元素选自cr、ti或w中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述非金属元素选自si。

5.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述润滑涂层还包括依次层叠的基体结合层、硬质强化层和梯度层，所述基体结合层与所述外侧滚道面、所述内侧滚道面或所述滚动体的表面结合，所述类金刚石碳基涂层布置在所述梯度层上；

6.根据权利要求5所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，还包括下述技术特征中的至少一种：

7.根据权利要求5所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，自靠近所述硬质强化层端至靠近所述类金刚石碳基涂层端，所述梯度层材料的氮含量梯度降至零，碳含量梯度增至与所述类金刚石碳基涂层中的碳含量相同。

8.根据权利要求5所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述类金刚石碳基涂层的厚度为所述润滑涂层厚度的50％～80％。

9.根据权利要求8所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，还包括下述技术特征中的至少一种：

10.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述保持器的材料为聚醚醚酮基复合材料；

11.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，所述保持器为外圈引导方式的保持器，引导间隙为0.2mm～0.4mm，所述保持器具有收纳所述滚动体的兜孔，兜孔间隙为(1.1～1.2)×滚动体直径。

12.根据权利要求1所述的固体润滑滚动轴承，其特征在于，其径向游隙为c3～c5级。

技术总结
本申请涉及一种固体润滑滚动轴承，其外侧滚道面、所述内侧滚道面和所述滚动体的表面中的至少一个布置有润滑涂层，所述润滑涂层包括至少一类金刚石碳基涂层，所述类金刚石碳基涂层包括碳、氢和掺杂元素，所述掺杂元素包括弱碳化物形成金属元素、强碳化物形成金属元素和非金属元素；其中，所述类金刚石碳基涂层中，以碳和掺杂元素的原子总量计，碳的原子百分比含量为70％～90％，以掺杂元素的原子总量计，弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～70％，以除弱碳化物形成金属元素外其余掺杂元素的原子总量计，强碳化物形成金属元素的原子百分比含量为50％～80％。该固体润滑滚动轴承能在低温宽温域范围、潮湿大气下实现超滑。

技术研发人员：马全胜,马天宝,陈宏展
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12