專利名稱：自潤(rùn)滑軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自潤(rùn)滑軸承，具體而言，涉及一種具有改進(jìn)的配合面(counterface)的自潤(rùn)滑軸承。
背景技術(shù)：
自潤(rùn)滑軸承一般包括具有襯的殼，所述襯與配合面滑動(dòng)接觸。在球面軸承的情況下，球的外表面提供配合面，并且殼設(shè)有提供自潤(rùn)滑襯，所述襯包含以樹脂充滿的編織或網(wǎng)狀(meshed)纖維以使一定量的PTFE或其它自潤(rùn)滑材料結(jié)合在一起。
用于球的常規(guī)材料包括不銹鋼和銅合金，選擇上述材料是由于其強(qiáng)度、硬度和抗腐蝕性。然而，上述材料較重，并因此已經(jīng)一直探尋使用更輕質(zhì)材料的方案。在這方面，基于強(qiáng)度的考慮而以重量輕約40％的鈦合金取代不銹鋼和銅合金是可能的。遺憾地是，鈦合金通常比不銹鋼和銅合金軟。因此，球的配合面更易受來自配合面和襯之間的碎片的影響而產(chǎn)生劃痕。另外，在加工球之后，配合面的表面光潔度或粗糙度通常比不銹鋼和銅合金可具有的差得多。配合面的任何不規(guī)則部分都會(huì)磨損并最終損害自潤(rùn)滑襯。因此，配合面具有較光滑的光潔度是很重要的。
US5,137,374描述了一種自潤(rùn)滑軸承，該軸承包括具有軸承表面的內(nèi)座圈、固定在軸承表面上的自潤(rùn)滑襯和具有配合面的外座圈，該配合面與襯滑動(dòng)接觸。外座圈包括鈦合金本體，該鈦合金本體具有置于配合面上的氮化鈦或氧化鉻硬涂層。雖然該硬涂層用來最小化隨后對(duì)配合面的刻痕，但是涂層的表面粗糙度基本與底層的鈦合金的表面粗糙度相應(yīng)。因此，配合面的表面粗糙度還是較差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種包括較輕質(zhì)軸承元件的自潤(rùn)滑軸承，所述軸承元件具有改進(jìn)的表面粗糙度的配合面。
在第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種制造自潤(rùn)滑軸承的方法，包括如下步驟提供鈦合金的軸承元件；硬化軸承元件表面的至少一部分以形成硬化層；加工該硬化層的表面以生產(chǎn)具有表面粗糙度小于18nm的配合面；提供自潤(rùn)滑襯；以及排布軸承元件和襯使得配合面與襯滑動(dòng)接觸。
優(yōu)選地，加工硬化層的表面以便生產(chǎn)具有表面粗糙度小于6nm的配合面。
有利地，硬化的步驟包括對(duì)軸承元件表面的至少一部分進(jìn)行滲氮，并且硬化層包括氮化物擴(kuò)散層。
便利地，硬化之前的軸承元件表面具有初始表面粗糙度，并且加工之前的硬化層延伸到的深度比該初始表面粗糙度的深度更深。
優(yōu)選地，加工之前的硬化層延伸到至少25μm的深度。
有利地，使用電解磨削加工硬化層。
便利地，在硬化過程中，將軸承元件的溫度保持在750℃以下。
優(yōu)選地，硬化持續(xù)不超過四小時(shí)。
有利地，該方法還包括加工之后涂敷硬化層的表面以產(chǎn)生配合面的步驟。
便利地，涂敷步驟包括在硬化層的表面上沉積材料層。
優(yōu)選地，涂層不超過4μm厚。
有利地，涂層的硬度大于加工后硬化層的表面硬度。
在第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種自潤(rùn)滑軸承，該軸承包括自潤(rùn)滑襯和具有配合面的軸承元件，該配合面與所述襯滑動(dòng)接觸，其中，軸承元件是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，且該配合面表面粗糙度小于18nm。
優(yōu)選地，配合面的表面粗糙度小于6nm。
便利地，軸承元件還包括置于氮化物擴(kuò)散層上的抗磨損材料層。
有利地，抗磨損材料的硬度大于氮化物擴(kuò)散層的表面硬度。
優(yōu)選地，抗磨損材料層不超過4μm厚。
便利地，配合面的硬度至少為75Rc。
有利地，配合面是球面彎曲的。
優(yōu)選地，軸承元件為球。
在第三個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于自潤(rùn)滑軸承的軸承元件，該軸承元件是鈦合金的，并且其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，該配合面具有小于18nm的表面粗糙度。
在第四個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種自潤(rùn)滑球面軸承，包括具有球面軸承表面的殼、固定在軸承表面的自潤(rùn)滑襯和殼內(nèi)容納的球，該球具有與所述襯滑動(dòng)接觸的配合面，其中，球是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，該配合面表面粗糙度小于18nm。
附圖簡(jiǎn)述為了可以更容易地理解本發(fā)明，現(xiàn)在通過實(shí)施例的方式參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中

圖1是實(shí)施本發(fā)明的自潤(rùn)滑軸承的橫截面圖；圖2是圖1的自潤(rùn)滑軸承的一個(gè)區(qū)域的分解橫截面圖；并且圖3是實(shí)施本發(fā)明的另一自潤(rùn)滑軸承的一個(gè)區(qū)域的分解橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中的自潤(rùn)滑軸承1包括具有軸承表面3的殼2、固定到軸承表面3的自潤(rùn)滑襯4和軸承元件5，該軸承元件5容納在殼2內(nèi)并具有與襯4緊密滑動(dòng)接觸的配合面6。
在圖1中示出的實(shí)施方案中，自潤(rùn)滑軸承1為一球面軸承，其中軸承表面3和配合面6為球面的。雖然繼續(xù)參照球面自潤(rùn)滑軸承1，可以理解的是，本發(fā)明并不限制于球面軸承，而是同樣適用于其他形式的自潤(rùn)滑軸承，包括但不限制于圓柱軸頸軸承(cylindricaljournal bearings)和平面接觸軸承(flat-contact bearings)。
現(xiàn)在參考圖2，軸承元件5是鈦合金的，其在配合面6上具有氮化物擴(kuò)散層7。配合面6具有小于18nm平均高度(centerline average)(CLA)的表面粗糙度，并優(yōu)選小于6nm。在具有小于18nm的表面粗糙度時(shí)，配合面6對(duì)自潤(rùn)滑襯4的潛在磨損和損壞顯著降低。因而，軸承1的使用壽命得到提高。
配合面6的硬度優(yōu)選地大于75Rc，以在隨后使用自潤(rùn)滑軸承1的過程中最小化配合面6的擦痕。
圖3示出了本發(fā)明的可選實(shí)施方案，其中軸承元件5包括置于氮化物擴(kuò)散層7上的抗磨損材料層8?？鼓p材料層8用來提供硬度提高的配合面6。因此，在隨后的使用過程中，配合面6的劃痕進(jìn)一步最小化。抗磨損材料8的硬度大于氮化物擴(kuò)散層7的表面9的硬度，并優(yōu)選地大于80Rc。適合的抗磨損材料包括，但不限于碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦、氮化鈦鋁、氮化鉻、碳化鉻和碳化鎢以及碳化鎢-石墨?？鼓p材料層8的厚度優(yōu)選在1和4μm之間，并且更優(yōu)選在2μm左右。
由于抗磨損材料層8在氮化物擴(kuò)散層7的表面9上成形的厚度和方式的緣故，配合面6的表面粗糙度與底層的氮化物擴(kuò)散層7的表面9相當(dāng)。因此，有效地保持了具有表面粗糙度小于18nm、并且優(yōu)選地小于6nm的配合面6。
現(xiàn)在描述一種制造圖1到3中的自潤(rùn)滑軸承1的方法。
首先提供鈦合金的軸承元件5，其外表面提供配合面6。由于鈦合金較軟(一般在30-40Rc之間)，所以此時(shí)的配合面6一般具有50nmCLA左右的表面粗糙度。
然后對(duì)軸承元件5的配合面6滲氮以在配合面6處形成氮化物擴(kuò)散層7。優(yōu)選地通過使用三極管構(gòu)造的等離子體滲氮方法進(jìn)行滲氮。三極管等離子體滲氮(triodic plasma nitriding)的具體細(xì)節(jié)已在別處有述，例如在E.I.Meletis和S.Yan的“經(jīng)由強(qiáng)化等離子滲氮的氮化鋁的形成”，J.Vac.Sci.Technol.A9，2279(1991)中。
現(xiàn)在雖參考對(duì)軸承元件5使用三極管等離子滲氮進(jìn)行滲氮所使用的一般條件，但也可同樣地使用滲氮的其他形式，例如二極管等離子滲氮和氣體滲氮。然而，更愿采用三極管等離子滲氮是因其在較短的時(shí)間范圍內(nèi)、較低的溫度下形成較厚的氮化物擴(kuò)散層的能力。因此，軸承元件5的疲勞強(qiáng)度在滲氮過程之后的降低比使用二極管等離子或氣體滲氮時(shí)疲勞強(qiáng)度的降低小得多。另外，制造時(shí)間顯著減少了。
滲氮由將軸承元件5插入滲氮室開始，然后將該滲氮室抽空并用惰性氣體(例如，氬)洗氣數(shù)次以從所述室除去所有氧氣。接著使用常規(guī)濺射技術(shù)清洗軸承元件5的配合面6，例如將該軸承元件5保持在2kV并用氬濺射清洗十分鐘左右。
將氮?dú)庖朐撌?，并在滲氮過程中將滲氮室內(nèi)壓力維持在1×10-3到1×10-1兆巴之間，優(yōu)選為1×10-2兆巴左右。然后將500V到5kV之間的偏壓、優(yōu)選約1kV的偏壓施加到軸承元件5。
將電流施加到熱離子發(fā)射源(例如，鎢絲)以便在軸承元件5處產(chǎn)生0.2到4mA/cm2之間的電流密度、優(yōu)選為大約0.5到2mA/cm2之間的電流密度。離子收集器優(yōu)選地保持在0到150V之間，更優(yōu)選為100V左右。
在優(yōu)選的0.5到2mA/cm2的電流密度范圍內(nèi)，軸承元件的溫度一般升高到650到700℃之間，但不超過750℃。
滲氮過程持續(xù)進(jìn)行直到配合面6處形成的氮化物擴(kuò)散層7優(yōu)選地至少為10μm、更優(yōu)選地至少為25μm厚。氮化物擴(kuò)散層7的深度根據(jù)配合面6的初始表面粗糙度和所需的、最終的表面粗糙度而定。優(yōu)選地，氮化物擴(kuò)散層7至少和造成配合面6的初始表面粗糙度的特征一樣深。因而，配合面6的最終表面粗糙度僅由加工方法(下文有述)確定，即，配合面6的初始表面粗糙度不影響最終表面粗糙度。更優(yōu)選地，氮化物擴(kuò)散層7至少比配合面6的初始表面粗糙度的深度深5μm，以便加工氮化物擴(kuò)散層7之后，在配合面6處至少保留5μm的氮化物擴(kuò)散層7。
為了得到厚度在10-25μm之間的氮化物擴(kuò)散層，滲氮過程在以上概括的優(yōu)選條件下一般持續(xù)1到3小時(shí)。處理時(shí)間自然根據(jù)氮化物擴(kuò)散層7的深度和使用的滲氮條件而定，特別是根據(jù)偏壓、陰極電流密度、離子收集器電壓、氮?dú)鈮毫吞幚頃r(shí)間而定。自然可使用更長(zhǎng)的處理時(shí)間和/或更高的電流密度得到更深的氮化物擴(kuò)散層3。然而，軸承元件5的疲勞強(qiáng)度會(huì)隨電流密度(即元件5的溫度)和處理時(shí)間的增加而削弱。因而，軸承元件5的溫度優(yōu)選地不超過750℃，并且處理時(shí)間優(yōu)選地不超過4小時(shí)。
氮化物擴(kuò)散層7形成后，將軸承元件5從滲氮室取出，并加工氮化物擴(kuò)散層7的表面(即軸承元件5的配合面6)以得到小于18nm CLA、并且優(yōu)選地小于6nm CLA的表面粗糙度。優(yōu)選地使用例如EP-A-1078714中描述的電解磨削加工表面。
加工之后，優(yōu)選地在配合面6處保留至少5μm的氮化物擴(kuò)散層7。氮化物擴(kuò)散層7比鈦合金硬，因此提供更硬的配合面6。此外，氮化物擴(kuò)散層7提供更好的表面，用于粘合在軸承元件5上形成的抗磨損材料層8。特別地，與粘合到鈦合金表面相比，抗磨損材料層8能更好地粘合到氮化物擴(kuò)散層7。
在制造圖3的自潤(rùn)滑軸承1的過程中，抗磨損材料層8沉積在氮化物擴(kuò)散層7的已加工表面9上。根據(jù)待沉積的材料，可使用常規(guī)的沉積方法，例如電鍍、物理和化學(xué)氣相沉積。將抗磨損材料層5優(yōu)選地沉積1到4μm之間的厚度，更優(yōu)選地沉積2μm左右的厚度?？鼓p材料層8的表面粗糙度與底層的氮化物擴(kuò)散層7的已加工表面9的表面粗糙度基本相應(yīng)。
由于在沉積抗磨損材料層8之前加工氮化物擴(kuò)散層7，所以不需要為獲得表面粗糙度小于18nm的配合面6而對(duì)抗磨損材料層8進(jìn)行加工。這一點(diǎn)與形成圖3中的自潤(rùn)滑軸承1的其它方法相比提供了顯著的好處，所述其它方法將厚的(～30μm)抗磨損材料層8沉積在軸承元件5(帶有或不帶有氮化物擴(kuò)散層7)上，并且接下來對(duì)其進(jìn)行加工。由于底層的鈦合金較軟，所以加工抗磨損材料層8會(huì)引起層8破裂并/或與軸承元件5分離。
采用本發(fā)明的方法，可制造用于自潤(rùn)滑軸承的具有較光滑配合面的、較輕質(zhì)的軸承元件。特別地，鈦合金軸承元件可制造成配合面的表面粗糙度小于18nm CLA。
由于鈦合金較軟，所以將該合金加工以獲得期望的表面光潔度是困難的。本發(fā)明通過提供可更容易加工的硬化層(例如，氮化物擴(kuò)散層)克服了這個(gè)問題。從而，使得可實(shí)現(xiàn)更光滑的表面光潔度，并因此增加了自潤(rùn)滑軸承的使用壽命。
此外，可制造具有置于配合面上的硬涂層的軸承元件，其同樣具有小于18nm CLA的最終表面粗糙度，且不需要加工涂層。因此，與加工沉積于金屬本體上的薄硬涂層通常相關(guān)的問題(例如破裂、涂層從金屬本體上剝落和/或分離)不再是問題。
當(dāng)術(shù)語“包括”和“包含”以及其變形使用于本說明書和權(quán)利要求中時(shí)，它們指的是包括特定特征、步驟或整體。該術(shù)語不得解釋為排除其他特征、步驟或組分的存在。
在前面的描述、下列權(quán)利要求、或附圖中公開的、以他們具體的形式或以用于執(zhí)行所公開的功能的裝置、或以用于獲得公開結(jié)果的方法或工藝的形式所表現(xiàn)的特征，可適當(dāng)?shù)貑为?dú)或任意組合，來以其多種形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制造自潤(rùn)滑軸承的方法，包括以下步驟提供鈦合金的軸承元件；硬化軸承元件表面的至少一部分以形成硬化層；加工該硬化層的表面以生產(chǎn)具有表面粗糙度小于18nm的配合面；提供自潤(rùn)滑襯；以及排布軸承元件和襯，使得該配合面與襯滑動(dòng)接觸。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，加工硬化層的表面以便生產(chǎn)具有表面粗糙度小于6nm的配合面。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，硬化的步驟包括對(duì)軸承元件表面的至少一部分進(jìn)行滲氮，并且該硬化層包括氮化物擴(kuò)散層。
4.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，硬化之前的軸承元件表面具有初始表面粗糙度，并且加工之前的硬化層延伸到的深度比該初始表面粗糙度的深度更深。
5.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，加工之前的硬化層延伸到至少25μm的深度。
6.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，使用電解磨削加工硬化層。
7.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，在硬化過程中，將軸承元件的溫度保持在750℃以下。
8.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，硬化持續(xù)不超過4小時(shí)。
9.前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，該方法還包括加工之后對(duì)硬化層的表面涂敷的步驟以產(chǎn)生配合面。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于，涂敷的步驟包括在硬化層表面上沉積材料層。
11.權(quán)利要求9或10的方法，其特征在于，涂層不超過4μm厚。
12.權(quán)利要求9到11任一項(xiàng)中的方法，其特征在于，涂層的硬度大于加工之后硬化層的表面硬度。
13.一種自潤(rùn)滑軸承，包括自潤(rùn)滑襯和具有配合面的軸承，該配合面與所述襯滑動(dòng)接觸，其中，軸承元件是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，并且該配合面表面粗糙度小于18nm。
14.權(quán)利要求13的軸承，其特征在于，配合面的表面粗糙度小于6nm。
15.權(quán)利要求13或14的軸承，其特征在于，軸承元件還包括置于氮化物擴(kuò)散層上的抗磨損材料層。
16.權(quán)利要求15的軸承，其特征在于，抗磨損材料的硬度大于氮化物擴(kuò)散層表面的硬度。
17.權(quán)利要求15或16的軸承，其特征在于，抗磨損材料層不超過4μm厚。
18.權(quán)利要求13到17任一項(xiàng)中的軸承，其特征在于，配合面的硬度至少為75Rc。
19.權(quán)利要求13到18任一項(xiàng)中的軸承，其特征在于，配合面是球面彎曲的。
20.權(quán)利要求13到19任一項(xiàng)中的軸承，其特征在于，軸承元件為球。
21.一種用于自潤(rùn)滑軸承的軸承元件，該軸承元件是鈦合金的，且其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，并且該配合面具有小于18nm的表面粗糙度。
22.一種自潤(rùn)滑球面軸承，包括具有球面軸承表面的殼、固定在軸承表面的自潤(rùn)滑襯和殼內(nèi)容納的球，該球具有與所述襯滑動(dòng)接觸的配合面，其中，球是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，并且配合面表面粗糙度小于18nm。
23.一種基本如在此描述的并參照和顯示在附圖中的自潤(rùn)滑球面軸承。
24.任何新穎特征或在此公開的特征的組合。
全文摘要
一種自潤(rùn)滑軸承，包括自潤(rùn)滑襯和具有配合面的軸承元件，該配合面與所述襯滑動(dòng)接觸。該軸承元件是鈦合金的，在配合面處具有氮化物擴(kuò)散層，并且該配合面的表面粗糙度小于18nm。
文檔編號(hào)F16C23/00GK1782453SQ20051012743
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月3日
發(fā)明者P·史密斯 申請(qǐng)人:美蓓亞株式會(huì)社