專利名稱：自潤滑軸承的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自潤滑軸承，具體而言，涉及一種具有改進的配合面(counterface)的自潤滑軸承。
背景技術：
自潤滑軸承一般包括具有襯的殼，所述襯與配合面滑動接觸。在球面軸承的情況下，球的外表面提供配合面，并且殼設有提供自潤滑襯，所述襯包含以樹脂充滿的編織或網狀(meshed)纖維以使一定量的PTFE或其它自潤滑材料結合在一起。
用于球的常規材料包括不銹鋼和銅合金，選擇上述材料是由于其強度、硬度和抗腐蝕性。然而，上述材料較重，并因此已經一直探尋使用更輕質材料的方案。在這方面，基于強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。配合面的任何不規則部分都會磨損并最終損害自潤滑襯。因此，配合面具有較光滑的光潔度是很重要的。
US5,137,374描述了一種自潤滑軸承，該軸承包括具有軸承表面的內座圈、固定在軸承表面上的自潤滑襯和具有配合面的外座圈，該配合面與襯滑動接觸。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。因此，配合面的表面粗糙度還是較差。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種包括較輕質軸承元件的自潤滑軸承，所述軸承元件具有改進的表面粗糙度的配合面。
在第一個方面，本發明提供一種制造自潤滑軸承的方法，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具有表面粗糙度小于18nm的配合面；提供自潤滑襯；以及排布軸承元件和襯使得配合面與襯滑動接觸。
優選地，加工硬化層的表面以便生產具有表面粗糙度小于6nm的配合面。
有利地，硬化的步驟包括對軸承元件表面的至少一部分進行滲氮，并且硬化層包括氮化物擴散層。
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。
優選地，硬化持續不超過四小時。
有利地，該方法還包括加工之后涂敷硬化層的表面以產生配合面的步驟。
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。
在第二個方面，本發明提供了一種自潤滑軸承，該軸承包括自潤滑襯和具有配合面的軸承元件，該配合面與所述襯滑動接觸，其中，軸承元件是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴散層，且該配合面表面粗糙度小于18nm。
優選地，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散層的表面硬度。
優選地，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。
優選地，軸承元件為球。
在第三個方面，本發明提供了一種用于自潤滑軸承的軸承元件，該軸承元件是鈦合金的，并且其在配合面處具有氮化物擴散層，該配合面具有小于18nm的表面粗糙度。
在第四個方面，本發明提供了一種自潤滑球面軸承，包括具有球面軸承表面的殼、固定在軸承表面的自潤滑襯和殼內容納的球，該球具有與所述襯滑動接觸的配合面，其中，球是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴散層，該配合面表面粗糙度小于18nm。
附圖簡述為了可以更容易地理解本發明，現在通過實施例的方式參照附圖描述本發明的實施方案，其中
圖1是實施本發明的自潤滑軸承的橫截面圖；圖2是圖1的自潤滑軸承的一個區域的分解橫截面圖；并且圖3是實施本發明的另一自潤滑軸承的一個區域的分解橫截面圖。
具體實施例方式
圖1中的自潤滑軸承1包括具有軸承表面3的殼2、固定到軸承表面3的自潤滑襯4和軸承元件5，該軸承元件5容納在殼2內并具有與襯4緊密滑動接觸的配合面6。
在圖1中示出的實施方案中，自潤滑軸承1為一球面軸承，其中軸承表面3和配合面6為球面的。雖然繼續參照球面自潤滑軸承1，可以理解的是，本發明并不限制于球面軸承，而是同樣適用于其他形式的自潤滑軸承，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，并優選小于6nm。在具有小于18nm的表面粗糙度時，配合面6對自潤滑襯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的硬度優選地大于75Rc，以在隨后使用自潤滑軸承1的過程中最小化配合面6的擦痕。
圖3示出了本發明的可選實施方案，其中軸承元件5包括置于氮化物擴散層7上的抗磨損材料層8。抗磨損材料層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的劃痕進一步最小化。抗磨損材料8的硬度大于氮化物擴散層7的表面9的硬度，并優選地大于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。抗磨損材料層8的厚度優選在1和4μm之間，并且更優選在2μm左右。
由于抗磨損材料層8在氮化物擴散層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散層7的表面9相當。因此，有效地保持了具有表面粗糙度小于18nm、并且優選地小于6nm的配合面6。
現在描述一種制造圖1到3中的自潤滑軸承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)，所以此時的配合面6一般具有50nmCLA左右的表面粗糙度。
然后對軸承元件5的配合面6滲氮以在配合面6處形成氮化物擴散層7。優選地通過使用三極管構造的等離子體滲氮方法進行滲氮。三極管等離子體滲氮(triodic plasma nitriding)的具體細節已在別處有述，例如在E.I.Meletis和S.Yan的“經由強化等離子滲氮的氮化鋁的形成”，J.Vac.Sci.Technol.A9，2279(1991)中。
現在雖參考對軸承元件5使用三極管等離子滲氮進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間范圍內、較低的溫度下形成較厚的氮化物擴散層的能力。因此，軸承元件5的疲勞強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疲勞強度的降低小得多。另外，制造時間顯著減少了。
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)洗氣數次以從所述室除去所有氧氣。接著使用常規濺射技術清洗軸承元件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。
將氮氣引入該室，并在滲氮過程中將滲氮室內壓力維持在1×10-3到1×10-1兆巴之間，優選為1×10-2兆巴左右。然后將500V到5kV之間的偏壓、優選約1kV的偏壓施加到軸承元件5。
將電流施加到熱離子發射源(例如，鎢絲)以便在軸承元件5處產生0.2到4mA/cm2之間的電流密度、優選為大約0.5到2mA/cm2之間的電流密度。離子收集器優選地保持在0到150V之間，更優選為100V左右。
在優選的0.5到2mA/cm2的電流密度范圍內，軸承元件的溫度一般升高到650到700℃之間，但不超過750℃。
滲氮過程持續進行直到配合面6處形成的氮化物擴散層7優選地至少為10μm、更優選地至少為25μm厚。氮化物擴散層7的深度根據配合面6的初始表面粗糙度和所需的、最終的表面粗糙度而定。優選地，氮化物擴散層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。更優選地，氮化物擴散層7至少比配合面6的初始表面粗糙度的深度深5μm，以便加工氮化物擴散層7之后，在配合面6處至少保留5μm的氮化物擴散層7。
為了得到厚度在10-25μm之間的氮化物擴散層，滲氮過程在以上概括的優選條件下一般持續1到3小時。處理時間自然根據氮化物擴散層7的深度和使用的滲氮條件而定，特別是根據偏壓、陰極電流密度、離子收集器電壓、氮氣壓力和處理時間而定。自然可使用更長的處理時間和/或更高的電流密度得到更深的氮化物擴散層3。然而，軸承元件5的疲勞強度會隨電流密度(即元件5的溫度)和處理時間的增加而削弱。因而，軸承元件5的溫度優選地不超過750℃，并且處理時間優選地不超過4小時。
氮化物擴散層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、并且優選地小于6nm CLA的表面粗糙度。優選地使用例如EP-A-1078714中描述的電解磨削加工表面。
加工之后，優選地在配合面6處保留至少5μm的氮化物擴散層7。氮化物擴散層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散層7。
在制造圖3的自潤滑軸承1的過程中，抗磨損材料層8沉積在氮化物擴散層7的已加工表面9上。根據待沉積的材料，可使用常規的沉積方法，例如電鍍、物理和化學氣相沉積。將抗磨損材料層5優選地沉積1到4μm之間的厚度，更優選地沉積2μm左右的厚度。抗磨損材料層8的表面粗糙度與底層的氮化物擴散層7的已加工表面9的表面粗糙度基本相應。
由于在沉積抗磨損材料層8之前加工氮化物擴散層7，所以不需要為獲得表面粗糙度小于18nm的配合面6而對抗磨損材料層8進行加工。這一點與形成圖3中的自潤滑軸承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散層7)上，并且接下來對其進行加工。由于底層的鈦合金較軟，所以加工抗磨損材料層8會引起層8破裂并/或與軸承元件5分離。
采用本發明的方法，可制造用于自潤滑軸承的具有較光滑配合面的、較輕質的軸承元件。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。本發明通過提供可更容易加工的硬化層(例如，氮化物擴散層)克服了這個問題。從而，使得可實現更光滑的表面光潔度，并因此增加了自潤滑軸承的使用壽命。
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。
當術語“包括”和“包含”以及其變形使用于本說明書和權利要求中時，它們指的是包括特定特征、步驟或整體。該術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、下列權利要求、或附圖中公開的、以他們具體的形式或以用于執行所公開的功能的裝置、或以用于獲得公開結果的方法或工藝的形式所表現的特征，可適當地單獨或任意組合，來以其多種形式實現本發明。
權利要求
1.一種制造自潤滑軸承的方法，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具有表面粗糙度小于18nm的配合面；提供自潤滑襯；以及排布軸承元件和襯，使得該配合面與襯滑動接觸。
2.權利要求1的方法，其特征在于，加工硬化層的表面以便生產具有表面粗糙度小于6nm的配合面。
3.權利要求1或2的方法，其特征在于，硬化的步驟包括對軸承元件表面的至少一部分進行滲氮，并且該硬化層包括氮化物擴散層。
4.前述權利要求任一項中的方法，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.前述權利要求任一項中的方法，其特征在于，加工之前的硬化層延伸到至少25μm的深度。
6.前述權利要求任一項中的方法，其特征在于，使用電解磨削加工硬化層。
7.前述權利要求任一項中的方法，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.前述權利要求任一項中的方法，其特征在于，硬化持續不超過4小時。
9.前述權利要求任一項中的方法，其特征在于，該方法還包括加工之后對硬化層的表面涂敷的步驟以產生配合面。
10.權利要求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.權利要求9或10的方法，其特征在于，涂層不超過4μm厚。
12.權利要求9到11任一項中的方法，其特征在于，涂層的硬度大于加工之后硬化層的表面硬度。
13.一種自潤滑軸承，包括自潤滑襯和具有配合面的軸承，該配合面與所述襯滑動接觸，其中，軸承元件是鈦合金的，其在配合面處具有氮化物擴散層，并且該配合面表面粗糙度小于18nm。
14.權利要求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散層上的抗磨損材料層。
16.權利要求15的軸承，其特征在于，抗磨損材料的硬度大于氮化物擴散層表面的硬度。
17.權利要求15或16的軸承，其特征在于，抗磨損材料層不超過4μm厚。
18.權利要求13到17任一項中的軸承，其特征在于，配合面的硬度至少為75Rc。
19.權利要求13到18任一項中的軸承，其特征在于，配合面是球面彎曲的。
20.權利要求13到19任一項中的軸承，其特征在于，軸承元件為球。
21.一種用于自潤滑軸承的軸承元件，該軸承元件是鈦合金的，且其在配合面處具有氮化物擴散層，并且該配合面具有小于18nm的表面粗糙度。
22.一種自潤滑球面軸承，包括具有球面軸承表面的殼、固定在軸承表面的自潤滑襯和殼內容納的球，該球具有與所述襯滑動接觸的配合面，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
一種自潤滑軸承，包括自潤滑襯和具有配合面的軸承元件，該配合面與所述襯滑動接觸。該軸承元件是鈦合金的，在配合面處具有氮化物擴散層，并且該配合面的表面粗糙度小于18nm。
文檔編號F16C23/00GK1782453SQ20051012743
公開日2006年6月7日 申請日期2005年12月2日 優先權日2004年12月3日
發明者P·史密斯 申請人:美蓓亞株式會社