專利名稱：：潤滑狀態(tài)下的滾動接觸裝置及其潤滑方法和潤滑混合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及潤滑狀態(tài)下的滾動接觸裝置、用來對這些裝置進(jìn)行潤滑的方法以及適用于潤滑這些裝置的混合物。本發(fā)明尤其涉及潤滑裝置，特別是全陶瓷或半陶瓷滾動軸承，其中陶瓷接觸面或各個表面上涂有銳鈦礦相的二氧化鈦薄膜。在滾動軸承中，對于鋼軸承而言，普通的諸如潤滑脂或油等液體潤滑劑通常完全滿足使用要求，但對于全陶瓷和半陶瓷滾動軸承來說卻常常不完全令人滿意。全陶瓷或半陶瓷滾動軸承中含有陶瓷滾動元件和鋼隔離環(huán)，隨著對軸承性能要求的提高以及高速重載和由于高溫等其它參數(shù)的特殊使用環(huán)境下的高性能要求使得全陶瓷或半陶瓷滾動軸承應(yīng)運(yùn)而生。這些軸承用于機(jī)床、真空泵、燃?xì)廨啓C(jī)等中，并且陶瓷材料主要是氮化硅材料，當(dāng)然其它諸如碳化硅等陶瓷材料也有一定程度的使用。研究表明在專用液體潤滑劑中加入用來減小潤滑劑熱變的添加劑可以提高潤滑劑中陶瓷的摩擦學(xué)性能，但主要研究涉及的是固體潤滑。對于滾動軸承中的陶瓷潤滑來說，已經(jīng)提出并使用了不同種類的固體潤滑劑，這些潤滑劑包括二硫化鉬和鉻氧化物(在美國專利號4,934,837中披露了這種鉻氧化物)。這些潤滑劑并不是在所有方面都是令人滿意的。例如，二硫化鉬在高轉(zhuǎn)速使用條件下的化學(xué)穩(wěn)定性較差，因而不能完全滿足環(huán)境要求。按照本發(fā)明可見，如果使用一定金屬氧化物，即銳鈦礦相的二氧化鈦(TiO2)來對完全由陶瓷材料或部分由陶瓷材料為基礎(chǔ)材料的滾動接觸裝置進(jìn)行潤滑，那么就可以獲得令人非常滿意的摩擦學(xué)性能。本發(fā)明所包括的潤滑狀態(tài)下的滾動接觸裝置為滾動軸承和偏心滾柱襯圈。下面的說明主要針對滾動軸承，但對于偏心滾柱襯圈(含有一個陶瓷滾動元件和一個鋼偏心軸)而言，其工作原理和過程是相同的。按照本發(fā)明所用的銳鈦礦相二氧化鈦對于減小陶瓷接觸表面的磨損來說是一種令人滿意的潤滑劑，其原因主要在于由氧化物構(gòu)成的膜與基底之間存在相當(dāng)大的硬度差值；氧化物和基底間的良好粘附性。二氧化鈦顆粒具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，因而從環(huán)境角度來看也是有利的。本發(fā)明涉及以上所述的潤滑裝置，尤其涉及分別含有陶瓷滾動元件和陶瓷或鋼隔離環(huán)的全陶瓷或半陶瓷滾動軸承，裝置中的陶瓷部件或其它部件的接觸面上涂有如同所附權(quán)利要求中所述的銳鈦礦相二氧化鈦薄膜，本發(fā)明還涉及用來潤滑這些裝置的一種方法以及適用于對上述軸承進(jìn)行潤滑的一種混合物(在所附權(quán)利要求中也有描述)。本發(fā)明包括的實際軸承是全陶瓷或半陶瓷滾動軸承，即滾珠軸承或滾柱軸承。其中，滾動元件和內(nèi)外座圈均由陶瓷材料制成，或者只有滾動元件由陶瓷材料制成，而座圈由鋼制成。滾動軸承中以及滾動元件或偏心滾柱襯圈的陶瓷材料通常為氮化硅，其原因在于這種陶瓷材料適用于不同的性能要求，當(dāng)然其它的工程陶瓷也可以加以使用，如碳化硅、氧化鋯和氧化鋁等。軸承部件的氮化硅通常含有氧化鋁、氧化鎂和/或氧化釔等添加劑以提高其燒結(jié)性。這些添加劑所占的重量百分比為10％。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例所述，滾動軸承還為含有由陶瓷材料(氮化硅)構(gòu)成并涂有銳鈦礦相二氧化鈦膜的滾動元件的混合軸承。按照本發(fā)明所述，陶瓷接觸表面、即軸承軌道和/或軸承的滾動元件或偏心滾柱襯圈的滾動元件均涂有一層用來減小磨擦的銳鈦礦相二氧化鈦潤滑薄膜。潤滑表面上的薄膜大體上是連續(xù)的，其厚度通常在0.01μm至10μm的范圍內(nèi)。對于全陶瓷軸承來說，氧化物可以同時涂在軌道和滾動元件上，或只涂在軌道上，或只涂在滾動元件上。如果滾動元件和軌道按照本發(fā)明所述那樣加以潤滑，那么通常要調(diào)節(jié)膜厚值以使兩個接觸膜的總厚度不大于10μm。如上所述，最好選用混合軸承，并且滾動元件上涂有給定厚度范圍的二氧化鈦膜?？梢圆捎肅VD(化學(xué)蒸氣沉淀)或PVD(物理蒸氣沉淀)過程來把二氧化鈦涂覆在所需表面上。二氧化鈦也可以這樣形成，即先沉淀上氮化鈦，然后使氮化鈦在空氣中或溫度約為800-1200℃的氧氣中氧化。但最好利用潤滑的液體或半固體材料作為固體二氧化鈦顆粒的載體而把氧化物沉淀在表面上。載體通常為潤滑油或潤滑脂，諸如礦物油、植物油和二元酸酯潤滑油等。在這些油通常還加入一般的增稠劑，諸如鋰和/或鈣皂等。雖然載體本身在減小摩擦、提高抗磨能力方面也有一定的長期潤滑作用，但其性能的提高主要取決于二氧化鈦顆粒，這些二氧化鈦顆粒粘附在陶瓷表面上并且在表面上形成基本的粘附膜。銳鈦礦相二氧化鈦具有良好的硬度特性，在薄膜和基底表面間形成了所需的硬度差值。進(jìn)一步還發(fā)現(xiàn)顆粒與陶瓷表面有著良好的親合性，并且在這些表面上形成所需的軟膜而減小了接觸區(qū)域上的摩擦。要形成銳鈦礦的表面脫層，顆粒須在滾動元件和其它表面間的接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生塑性變形。顆粒要產(chǎn)生塑性變形，其尺寸必須小于一臨界值，即脆化延展變形尺寸。對于銳鈦礦相二氧化鈦顆粒，其臨界尺寸的計算值小于約10μm。二氧化鈦和基底面及接觸面內(nèi)的硬度差值有助于獲得令人滿意的摩擦學(xué)效應(yīng)。使用銳鈦礦相二氧化鈦尤其有助于增加材料內(nèi)的硬度差值。金紅石二氧化鈦的硬度約為銳鈦礦相二氧化鈦硬度的兩倍。此外，銳鈦礦相二氧化鈦的硬度小于軸承表面上所用的回火鋼的硬度值，因而減小了混合軸承中表面間的磨損。銳鈦礦相顆粒的相對較低的硬度值也使得涂覆的顆粒尺寸可以更大一些。為了在壓力接觸時產(chǎn)生塑性變形，所涂覆的銳鈦礦相顆粒的尺寸通常不大于10μm。事實上，可以使用更大一些的二氧化鈦顆粒是十分有利的，其原因在于如果顆粒尺寸太小，顆粒就會懸浮在潤滑油或潤滑脂膜中而不會粘附在陶瓷表面上。通常顆粒尺寸應(yīng)不小于0.01μm，最好不小于0.1μm。優(yōu)先選用的顆粒尺寸至少為1μm。可以通過利用潤滑槍、泵油潤滑系統(tǒng)以及噴霧潤滑系統(tǒng)等來把含有二氧化鈦顆粒的潤滑油或潤滑脂涂覆在需要加以潤滑的表面上。二氧化鈦表面膜可以通過部件在顆粒懸浮液中滾動來形成，然后這些部件可以安裝到使用普通脂潤滑劑和油潤滑劑的裝置中，本發(fā)明中的潤滑狀態(tài)下的滾動軸承含有陶瓷滾動元件和陶瓷或鋼的座圈，這些座圈的陶瓷軸承接觸面上涂有銳鈦礦相的二氧化鈦薄膜，本發(fā)明的滾動軸承還含有普通類型的軸承殼體，并且這些軸承可以長期工作在密封潤滑狀態(tài)。對于某些應(yīng)用場合也可以進(jìn)行短期處理，即把顆粒直接加入到可能損壞的表面層上以重構(gòu)表面而不用從滾動接觸系統(tǒng)中取出軸承。如果需要的話，在通常的運(yùn)行條件下可以使用不含有銳鈦礦相顆粒的普通潤滑劑。本發(fā)明還涉及一種用來對滾動接觸裝置，即含有陶瓷滾動元件和陶瓷或鋼的隔離環(huán)的全陶瓷或半陶瓷滾動軸承或者偏心滾柱襯圈的陶瓷滾動元件進(jìn)行潤滑的方法。其中，銳鈦礦相二氧化鈦涂覆在陶瓷接觸面上以形成表面上含有二氧化鈦的減小磨損的潤滑薄膜。涂覆薄膜的可行方法請見下述。按照本發(fā)明的潤滑可以在軸承安裝前或安裝時進(jìn)行并可以作為永久潤滑。本發(fā)明還涉及一種適用于對上述滾動接觸裝置進(jìn)行潤滑的混合物。該混合物是由有機(jī)潤滑脂或潤滑油和銳鈦礦相二氧化鈦顆?；旌隙?，其中，潤滑脂或潤滑油里的顆粒含量的體積百分比為0.25％-25％，最好為2％-10％。潤滑脂或潤滑油可以為任何已知的材料(如上述枚舉的材料)。本發(fā)明還涉及一種按照本發(fā)明加以潤滑的滾動元件，尤其涉及處于摩擦學(xué)接觸狀態(tài)下的元件。附圖表示了一些不同類型的軸承。圖1為表示滾珠軸承的示意圖，圖2為表示滾柱軸承的示意圖，圖3為表示推力軸承的示意圖。圖4為表示帶有銳鈦礦薄層的滾珠的截面示意圖。圖1中表示了一種滾珠軸承，其中涂有二氧化鈦的滾珠(2)位于外座圈(1)和內(nèi)座圈(4)之間，此外，該軸承還含有一個軸承隔離環(huán)(3)。圖2中表示了一種滾柱軸承，其中涂有銳鈦礦層的滾柱(2)位于外座圈(1)和內(nèi)座圈(3)之間。該軸承也含有一個軸承隔離環(huán)(4)。圖4中表示了一種帶有軸承隔離環(huán)(4)的推力軸承，其中涂有銳鈦礦層的滾珠(2)位于上座圈(1)和下座圈(3)之間。在以下示例中對本發(fā)明進(jìn)行了進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于所舉的示例。示例1為了比較銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)在所有鋼軸承和混合材料軸承中用作為潤滑劑時的不同效應(yīng)，按照表I對含有氮化硅滾柱的上述軸承進(jìn)行了一系列的試驗。試驗的軸承類型為推力軸承(SKF#51036)，其中的軸承隔離鋼環(huán)內(nèi)通常含有10個滾珠。在這些試驗中，軸承里的滾珠數(shù)量按每次5個遞減，試驗機(jī)器中的最大額定軸向載荷為3560牛頓(N)，以便達(dá)到邊界潤滑工作狀態(tài)。所使用的載體/潤滑劑(SKFLGmT3)是以礦物油作為基液并含有鋰皂增稠劑的潤滑脂。在試驗3和試驗4中還在潤滑脂中加入了銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦顆粒。在每個試驗中，加入隔離環(huán)中的潤滑脂和脂-二氧化鈦混合物的量均為5.1g，二氧化鈦顆粒的尺寸范圍為0.1至5μm，其中間尺寸為0.5μm。試驗在2050轉(zhuǎn)/分(rpm)至2070轉(zhuǎn)/分(rpm)的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。軸承的磨損量利用重量的變化來加以測量。應(yīng)該注意到，在試驗過程中，主要為滾動接觸，但在軸承的隔離環(huán)上也有滑動接觸成份。在試驗前后，軸承的所有部件均在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗并在微量天平上稱重。在試驗前后，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對鋼座圈、隔離環(huán)、鋼滾珠和陶瓷滾珠的表面進(jìn)行檢測。試驗中，座圈的溫度在上座圈的背側(cè)測量；座圈由電子計數(shù)器驅(qū)動轉(zhuǎn)動。表I用來對二氧化鈦、銳鈦礦用作為滾柱軸承中潤滑劑時的性能進(jìn)行測定的試驗序列。試驗1所有的鋼軸承均用邊界條件下的潤滑脂加以潤滑，軸承轉(zhuǎn)數(shù)為5,964,000轉(zhuǎn)，或者試驗總時間約為50小時。試驗2混合軸承(陶瓷滾珠)用邊界條件下的潤滑脂潤滑，軸承轉(zhuǎn)數(shù)為5,964,000轉(zhuǎn)，或者試驗總時間約為50小時。試驗3所有鋼軸承均用邊界條件下的潤滑脂加以潤滑，潤滑脂中加入了2.5百分體積的二氧化鈦，軸承轉(zhuǎn)數(shù)為5,977,000轉(zhuǎn)，或者試驗總時間約為50小時。試驗4混合軸承(陶瓷滾珠)用邊界條件下的潤滑脂潤滑，潤滑脂中加入了2.5百分體積的二氧化鈦，軸承轉(zhuǎn)數(shù)為5,964,000轉(zhuǎn)，或者試驗總時間約為50小時。試驗給出了軸承部件的重量損失和增加的下列結(jié)果。試驗1鋼座圈和隔離環(huán)-鋼滾珠-潤滑脂<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="877">部件試驗前〔g〕試驗后〔g〕差值〔mg〕上座圈97.244497.2452+0.8下座圈91.668491.6688+0.4隔離環(huán)16.952316.9496-2.7滾珠(5)22.353722.3533-0.4</table></tables>試驗2鋼座圈和隔離環(huán)-陶瓷滾珠-潤滑脂<tablesid="table2"num="002"><tablewidth="877">部件試驗前〔g〕試驗后〔g〕差值〔mg〕上座圈97.496297.4968+0.6下座圈91.283491.2822-1.2隔離環(huán)16.959316.9497-9.6滾珠(5)9.30989.3100+0.2</table></tables>試驗3鋼座圈和隔離環(huán)-鋼滾珠-含有二氧化鈦的潤滑脂<tablesid="table3"num="003"><tablewidth="877">部件試驗前〔g〕試驗后〔g〕差值〔mg〕上座圈97.686897.6868±0下座圈91.612091.6112-0.8隔離環(huán)17.097317.0873-10.0滾珠(5)22.348022.3464-1.6</table></tables>試驗4鋼座圈和隔離環(huán)-陶瓷滾珠-含有二氧化鈦的潤滑脂</tables>在試驗4中可見，其磨損量低于試驗1、2和3中的值。最大差值發(fā)生在隔離環(huán)的磨損量上試驗3中隔離環(huán)的磨損量是試驗4中相應(yīng)值的625％倍，試驗2中隔離環(huán)的磨損量是試驗4中相應(yīng)值的600％；而試驗1中隔離環(huán)的磨損量是試驗4的168％。在試驗4中，座圈或滾珠沒有重量損失，由于其表面上附著有二氧化鈦，這些部件的重量有些微增加。對于滾珠而言，由于這種增量形成了薄而軟的固體膜，因此這種增量顯得非常重要。在各個試驗中，對上座圈的溫度進(jìn)行記錄，并且在系統(tǒng)獲得初始穩(wěn)定之后對所有試驗中的上座圈的穩(wěn)定溫度值進(jìn)行記錄。混合軸承中座圈的溫度從試驗2中平均值82℃減小7℃至加有二氧化鈦時的試驗4中的75℃。試驗4中的溫度值低于所有的鋼軸承試驗(包括試驗1和試驗3)中的相應(yīng)值。所有鋼軸承中的二氧化鈦的使用使得溫度稍有增加，從試驗1中的77℃至試驗3中的79℃。示例2在本試驗序列中，使用了與示例1中相同的推力軸承試驗機(jī)、載荷和潤滑脂。試驗機(jī)的轉(zhuǎn)速為1900轉(zhuǎn)/分，同時對上座圈溫度和室溫的差值進(jìn)行記錄。在每個試驗中，推力軸承均減少了5個氮化硅滾珠。隔離環(huán)和座圈部件均使用普通的軸承鋼。每個試驗中，均先運(yùn)行90分鐘，冷卻至室溫后再重新起動，總的運(yùn)行時間為600分鐘。在220分鐘和600分鐘后對上座圈的溫度進(jìn)行記錄。在試驗2a中，混合軸承采用不含有任何顆粒添加物的純潤滑脂潤滑。在試驗2b中，銳鈦礦相的二氧化鈦和2.5百分體積的TiO2(二氧化鈦)與潤滑脂混合。所添加的顆粒尺寸范圍為0.1-5μm。在試驗2C中，與金紅石相的二氧化鈦進(jìn)行了比較。所使用的顆粒量和尺寸范圍與試驗2b中相同。結(jié)果見下表。表</tables>從表中可見，當(dāng)使用銳鈦礦相的二氧化鈦(TiO2)時，軸承溫度隨著時間延長而減少。在只含有潤滑脂且沒有顆粒的相同條件下，在220分鐘時，金紅石相的二氧化鈦(TiO2)具有與銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)相同的結(jié)果，但在600分鐘時則有明顯降低。示例3在本示例中研究了銳鈦礦氧化鈦顆粒的不同量值時的影響。本示例中使用了與示例1和示例2中相同的推力軸承試驗機(jī)、載荷和潤滑脂。試驗機(jī)轉(zhuǎn)速為1900轉(zhuǎn)/分，并且對上座圈溫度和室溫間的差值進(jìn)行了記錄。在每個試驗中，推力軸承均減少了5個氮化硅滾珠。隔離環(huán)和座圈部件均使用普通的軸承鋼。每個試驗循環(huán)的運(yùn)行時間間隙為在90分鐘。差值溫度低于18℃時重新起動下一循環(huán)試驗。每個試驗共做六個循環(huán)，每個軸承的總試驗時間為540分鐘。每個試驗的最后一次循環(huán)的末端差值溫度被記錄下來。所進(jìn)行的成分組合試驗如下3a)不含顆粒添加物的純潤滑脂3b)潤滑脂和1.0百分體積的銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)的混合物3c)潤滑脂和2.5百分體積的銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)的混合物。3d)潤滑脂和5.0百分體積的銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)的混合物試驗結(jié)果見下表。權(quán)利要求1.潤滑狀態(tài)下的滾動接觸裝置，該裝置是一種全陶瓷滾動軸承、或是一種半陶瓷滾動軸承或是一種含有陶瓷滾動元件的偏心滾柱襯圈，其特征在于該裝置的陶瓷接觸表面上涂有一層由銳鈦礦相二氧化鈦構(gòu)成的薄的減少磨損和摩擦的潤滑膜。2.按照權(quán)利要求1所述的滾動接觸裝置，其特征在于二氧化鈦膜由尺寸最大不超過約10μm的顆粒構(gòu)成。3.按照權(quán)利要求1或2所述的滾動接觸裝置，其特征在于銳鈦礦是具有0.01至約5μm尺寸范圍的銳鈦礦顆粒。4.按照權(quán)利要求1至3中任一個所述的滾動接觸裝置，該裝置是一種含有陶瓷滾動元件和鋼隔離環(huán)的半陶瓷滾動軸承。5.按照前述任一權(quán)利要求所述的滾動接觸裝置，其特征在于該裝置的陶瓷部件由Si3N4材料制成。6.用來對滾動接觸裝置中陶瓷接觸表面進(jìn)行潤滑的一種方法，上述裝置是一種全陶瓷滾動軸承、或是一種半陶瓷滾動軸承或是一種偏心滾柱襯圈，其特征在于在陶瓷接觸表面上涂有銳鈦礦相二氧化鈦，從而在表面上形成可以減少摩擦的二氧化鈦潤滑薄膜。7.按照權(quán)利要求6所述的一種方法，其特征在于二氧化鈦和普通的有機(jī)潤滑脂或油一起涂在接觸表面上。8.按照權(quán)利要求6或7所述的一種方法，其特征在于二氧化鈦的涂覆量大體上可以構(gòu)成厚度為0.01至10μm的連續(xù)膜。9.按照權(quán)利要求6、7或8所述的一種方法，其特征在于銳鈦礦的顆粒尺寸最大約為5μm。10.按照權(quán)利要求6至9中任一個所述的一種方法，其特征在于滾動接觸裝置是一種含有陶瓷滾動元件和鋼隔離環(huán)的半陶瓷滾動軸承。11.適用于對滾動接觸裝置的陶瓷等部件進(jìn)行潤滑的混合物，其特征在于該混合物由有機(jī)潤滑脂或油和銳鈦礦相二氧化鈦顆粒組成，其中潤滑脂或油中的顆粒量的體積百分比為0.25％至25％。12.按照權(quán)利要求11所述的混合物，其特征在于二氧化鈦顆粒的尺寸為0.01μm至約5μm。13.一種陶瓷滾動元件，其特征在于該元件上涂有一層由銳鈦礦相二氧化鈦構(gòu)成的減少磨損和摩擦的潤滑薄膜。14.按照權(quán)利要求13所述的一種陶瓷滾動元件，其特征在于該元件已經(jīng)用權(quán)利要求11或12中所述的混合物進(jìn)行了潤滑。15.按照權(quán)利要求13或14所述的一種陶瓷滾動元件，上述滾動元件處在摩擦接觸狀態(tài)。全文摘要潤滑狀態(tài)下的滾動接觸裝置，尤其是全陶瓷或半陶瓷滾動軸承，其中，陶瓷接觸面或各個接觸表面涂有銳鈦礦相的二氧化鈦薄膜。二氧化鈦膜由含有二氧化鈦顆粒的潤滑脂或油的混合物構(gòu)成。文檔編號F16C33/04GK1162075SQ97102598公開日1997年10月15日申請日期1997年3月6日優(yōu)先權(quán)日1996年3月7日發(fā)明者拉斯·卡爾曼申請人:斯克弗·諾瓦公司