專利名稱：包含鋯材料的滾動元件軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及滾動元件軸承，它包括封閉容納滾動元件的軸承空間的外環(huán)和內(nèi)環(huán)，這些滾動元件與兩個環(huán)的座圈都處于滾動接觸之中。
這樣的滾動元件軸承是廣為人知的，并可采取例如深槽滾珠軸承、球形或圓錐形滾柱軸承、針狀滾柱軸承等形式。一般講，這些類型軸承的性能是令人滿意的；然而，在要求更高的條件下，諸如在臨界潤滑、極限溫度和振動的情況，必須有進一步的改進。
對此，已有建議，對環(huán)和/或滾動元件應用陶瓷材料，諸如氮化硅、碳化硅、氧化鋁或陶瓷合金。通常，那些材料是與常規(guī)鋼部件結(jié)合應用的。
復合軸承(陶瓷滾珠和鋼環(huán))已被成功地應用于某些十分特定的應用中，特別是高速精密(立柱式)軸承的氮化硅滾珠。氮化硅的低密度和高剛度或剛性對減少作用于滾珠上的離心力和接觸中的摩擦起著十分重要的作用，從而給出優(yōu)異的性能，特別在臨界潤滑條件下。
這些具有由一些材料組合制成的環(huán)或滾動元件的軸承，即復合軸承的缺點是，應用于此的不同材料在負載和溫度下以不同的方式進行運行。首先，它們的比重相差懸殊，造成滾動元件的動力不平衡和不均勻負載。更有甚者，由于不同的熱膨脹系數(shù)，內(nèi)軸承間隙不能維持在要求的范圍內(nèi)。結(jié)果，所討論的軸承的有效使用壽命減少。
本發(fā)明的目的是提供出一種軸承，它在上述要求的條件下具有改進的性能及可接受的使用壽命。該目的是由此達到的，即至少環(huán)和/或滾動元件中的一個的接觸表面是由鋯材料構(gòu)成的。
由于鋯的比重與鋼的比重相近，因此，即使在復合另件中有同心度誤差時，也不會產(chǎn)生不平衡。此外，這些材料的熱膨脹系數(shù)和楊氏模數(shù)特別的相似，這意味，在溫度變化情況不會有裂縫發(fā)展。
發(fā)明提出，至少有一個環(huán)具有復合層狀結(jié)構(gòu)，它包括表面離開軸承空間的鋼的外層和鋯材料的內(nèi)層。還有，至少有一個滾動元件具有包圍鋼芯的鋯材料外殼。
在一個最佳實施例中，鋯材料是部分消除內(nèi)應力的二氧化鋯陶瓷制品，它包括95％ZrO2，5％Y2O3和0.01％Al2O3。這樣的二氧化鋯陶瓷制品比通常的氮化硅具有更高的斷裂韌性和彎曲強度，形成更高的抗?jié)L動接觸疲勞性(在滑動接觸情況亦然)。
該解決辦法的附加好處是制作二氧化鋯陶瓷的原料的低價以及二氧化鋯可能得到的良好的加工性能和可使用性。例如，具有進刀率為200-1200μm/min的研磨可作為可能的精加工(對鋼而言，典型的精研磨進刀率約為1500μm/min)。相對氮化硅對比物的初始成本節(jié)約估計為五倍。
該發(fā)明的第二實施例是應用二氧化鋯通過直接燒結(jié)或?qū)⒍趸喬沾晌飰喝肱浜显阡撋希陨a(chǎn)復合軸承另件，諸如環(huán)或滾動元件。二氧化鋯陶瓷和鋼的彈性常數(shù)極為相近使這一工藝成為可能，即楊氏模數(shù)及熱膨脹系數(shù)特別等于鋼中的一種。此外，當這兩個另件的同心度有誤差時，質(zhì)量不平衡也可避免，因為鋼和二氧化鋯材料之間的密度很為相近。
在使用中，當軸承的滾動元件在名義負載下滾動接觸時，在緊接其座圈的環(huán)部分中產(chǎn)生剪切應力。發(fā)明提出，環(huán)的鋯接觸表面層的厚度最好與深度(a)同一量級，在此深度，所述剪切應力已基本減少至零。
在此實施例中，環(huán)的整體性能維持，因為鋯材料與鋼材料匯合的區(qū)域已處于高剪切應力的范圍之外。
相類似，滾動元件的鋯接觸表面層厚度(a)與深度同一量級，在此深度所述剪切應力已基本減少至零。
根據(jù)另一實施例，在名義負載下，所述滾動元件與座圈間的接觸區(qū)域變平，所述接觸區(qū)域在滾動方向具有名義長度(b)，其中鋯接觸表面層的厚度與所述區(qū)域名義長度(b)同一量級。
總之，通過發(fā)明，下述軸承的優(yōu)異實施例成為可能-采用復合滾動元件，具有改進的抗磨損/污染承載的軸承。
-用于潤滑、熱和環(huán)境條件為嚴峻的軸承(高速下的滑脂潤滑、高溫、腐蝕環(huán)境、氫腐蝕、真空等)。
-在正常運行條件下，用于超長概率壽命命的軸承。
以下問題也得以解決-復合滾動軸承中的質(zhì)量不平衡。
-復合滾動元件軸承中由于溫度改變引起的內(nèi)軸承間隙的不均勻。
-大軸承另件中采用復合式的復合燒結(jié)工藝(鋼和陶瓷連結(jié))。
-采用壓入配合或化學或機械結(jié)構(gòu)工藝(在陶瓷和鋼之間)制作軸承另件。
將參考圖中所示實施例對發(fā)明作進一步說明。


圖1是發(fā)明提出的深槽滾珠軸承的側(cè)視圖，局部以縱向截面表示。
圖2是局部為橫截面的球。
圖3是圖1所示軸承的部分內(nèi)環(huán)的局部透視截面圖。
圖4是細節(jié)圖。
圖1所示的軸承包括外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾珠3。如圖3所示，內(nèi)環(huán)包括鋼的內(nèi)層4和二氧化鋯陶瓷材料的外層5。相類似，外環(huán)包括鋼的外層6，以及二氧化鋯材料的內(nèi)層7。
如圖2所示，滾珠由鋼芯8構(gòu)成，它被二氧化鋯材料的殼9所包圍。
在圖中提出的軸承中，環(huán)1，2和滾珠3的所有接觸表面都是由二氧化鋯陶瓷材料構(gòu)成的，它給出改進的使用壽命和較好的磨損特性。另一方面，二氧化鋯陶瓷材料層和鋼的機械性能，除它們的硬度外，幾乎相同，這意味著，環(huán)和滾珠像整體似的行動。還有，在這些復合另件的層間不會產(chǎn)生裂縫，這意味著，環(huán)和滾珠像整體似的行動。還有，在這些復合另件的層間不會產(chǎn)生裂縫，這特別是由于這些材料的熱膨脹系數(shù)幾乎相同這一事實。
圖4以放大比例表示了部分內(nèi)環(huán)2以及滾珠3的細節(jié)。圖中還表示了緊接座圈的環(huán)部件中的示意剪切力分布圖(c)，該剪切應力起初從座圈表面向前增加，隨后在某一深度逐漸減少至幾乎為零。
根據(jù)發(fā)明，內(nèi)環(huán)的二氧化鋯接觸表面層的厚度(a)大約與剪切應力約為零的這一深度相同，這意味著二氧化鋯層5和鋼層4之間的邊界沒有受這樣剪切應力的很大影響。
此外，在使用中滾珠3和座圈的接觸表面變平。變平接觸區(qū)域在周邊方向的名義長度尺寸用(b)表示。發(fā)明提出鋯接觸表面層的厚度與所述區(qū)域的名義長度(b)為同一量級。
權(quán)利要求
1.滾動元件軸承，它包括封閉容納滾動元件(3)的軸承空間的外環(huán)(1)和內(nèi)環(huán)(2)，這些滾動元件(3)與兩個環(huán)的座圈都處于滾動接觸之中，其特征在于，至少環(huán)(1，2)和/或滾動元件(滾珠或滾柱)(3)中一個的接觸表面層(5，7，9)是由鋯材料構(gòu)成的。
2.如權(quán)利要求1的軸承，其中環(huán)(1，2)中至少有一個具有復合層狀結(jié)構(gòu)，它包括表面背離軸承空間的鋼的外層(4，6)和鋯材料的內(nèi)層(5，7)。
3.如權(quán)利要求1或2的軸承，其中滾動元件(3)中至少有一個具有鋯材料的外殼(9)，它包圍鋼芯(8)。
4.如前述權(quán)利要求中任一條的軸承，其中鋯材料是部分消除內(nèi)應力的二氧化鋯陶瓷制品，它包含95％ZrO2，5％Y2O3和0.01％Al2O3.
5.如權(quán)利要求1-4中任一條的軸承，其中鋯接觸表面層的厚度，與鋼層或鋼芯同一量級。
6.如權(quán)利要求1-4中任一條的軸承，其中鋯接觸表面層是通過在鋼層或鋼芯上燒結(jié)而得到的。
7.如權(quán)利要求1-5中任一條的軸承，其中鋯接觸表面層是通過在鋼層或鋼芯上壓入配合而得到的。
8.如權(quán)利要求1-7中任一條的軸承，其滾動元件在名義負載下滾動接觸時，在緊接其座圈的環(huán)部分中產(chǎn)生剪切應力，其中環(huán)的鋯接觸表面層的厚度與深度(a)同一量級，在此深度處，所述剪切應力已基本減少至零。
9.如權(quán)利要求1-8中任一條的軸承，其滾動元件在名義負載下滾動接觸時，在緊接其座圈的環(huán)部份中產(chǎn)生剪切應力，其中滾動元件的鋯接觸表面層的厚度(a)與深度同一量級，在此深度處，所述剪切應力已基本減少至零。
10.如權(quán)利要求1-9中任一條的軸承，其滾動元件在名義負載下滾動接觸時，在緊接其座圈的環(huán)部分中產(chǎn)生剪切應力，而所述滾動元件與座圈間的接觸區(qū)域在名義負載下變平，所述接觸區(qū)域在滾動方向具有名義長度(b)，其中鋯接觸表面層的厚度與所述區(qū)域的名義長度(b)同一量級。
全文摘要
一種滾動元件軸承，它包括封閉容納滾動元件的軸承空間的外環(huán)和內(nèi)環(huán)，這些滾動元件與兩個環(huán)的座圈都處于滾動接觸之中。至少環(huán)和/或滾動元件中一個的接觸表面層是由鋯材料構(gòu)成的。環(huán)中至少有一個具有復合層狀結(jié)構(gòu)，它包括表面背離軸承空間的鋼外層和鋯材料的內(nèi)層。
文檔編號F16C33/62GK1165253SQ97104279
公開日1997年11月19日 申請日期1997年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月15日
發(fā)明者安東尼奧·加貝利, 萬庭耀 申請人:Skf工業(yè)貿(mào)易發(fā)展公司