CN108070856A - 轴承圈的涂覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滚动轴承的轴承圈(10)的生产方法，其中所述轴承圈的外表面(12a、12b)设置有电绝缘涂层(15)，所述方法包括以下步骤：(i)提供由轴承钢制成的预成品的轴承圈，其中所述轴承圈具有用于容纳滚动体的至少一个列的硬化并机加工的滚道表面(11a)；(ii)在所述轴承圈(10)的所有表面(11a、11b、12a、12b)上设置第一涂层(16)；(iii)从所述轴承圈的外表面(12a、12b)去除所述第一涂层；以及(iv)在所述外表面上设置所述电绝缘涂层(15)。

Description

轴承圈的涂覆方法
技术领域
本发明涉及一种轴承圈的制造方法，该轴承圈包括位于所述轴承圈的不同表面上的不同涂层。
背景技术
可以将广泛范围的单个涂层涂布于轴承圈的选定表面，以提供针对特定轴承应用的需求的功能(性)。例如，电动机、发电机和相关联的设备在电流通过轴承时处于危险之中。这可能会损害轴承中的滚动体与滚道的接触表面。防止电流通过轴承的一个解决方案是为一个或两个轴承圈的外表面提供电绝缘涂层。US 3924906中公开了这种方法的(一个)示例。
还可能有益的是，在滚动轴承的圈的滚道表面上设置涂层。由于滚道与滚动体之间的滚动接触，因此滚道在轴承运行期间经受摩擦。如果轴承被重载，则产生的摩擦可能会导致滚道过早磨损。在这种应用中使用的润滑剂通常包含有抗磨耗添加剂和抗摩擦添加剂，这些添加剂可能有化学侵蚀性(chemically aggressive)并侵蚀(attack)轴承钢。据认为，这种添加剂容易使氢扩散(diffusion)到滚道表面内，导致氢脆(hydrogenembrittlement)、裂纹和过早损坏(early failure)。已经提出的用于防止或延缓(retarding)氢扩散到滚道表面内的一个解决方案是在滚道上形成氧化物层，例如在US5150974中公开的。
在轴承圈的不同表面上设置不同的涂层使得能够赋予不同的性能，但是涂覆方法(process)可能是复杂的。US5122256中描述了双重(dual)涂覆方法的示例。在一个实施方式中，轴承圈的滚道表面被用铬电镀。然后用与铬相容的(chromium-compatible)溶液清洗所述圈，并且，轴承圈的其余表面(使用不与滚道上的铬层发生反应的具有足够低的酸度水平的镀液配方(bath formulation)而)被设置有磷酸锌涂层(zinc phosphate coating)。
仍存在改进的余地。
发明内容
本发明涉及一种轴承圈的生产方法，所述轴承圈包括设置在该轴承圈的外表面上的电绝缘涂层。所述方法包括以下步骤：
(i)提供由轴承钢制成的轴承圈，其中所述轴承圈具有用于容纳至少一列滚动体的硬化的并机加工的滚道表面；
(ii)在所述轴承圈的所有表面上设置第一涂层；
(iii)从所述轴承圈的外表面去除所述第一涂层；以及
(iv)在所述外表面上设置所述电绝缘涂层。
在硬化之后，通常通过研磨来完成(/精加工)(finished)轴承圈的滚道表面，以达到所期望的表面粗糙度和尺寸公差。用于完成(/精加工)滚道的其它(机)加工方法包括硬车削(turning)和珩磨(honing)。适当的是，在步骤(i)中提供的轴承圈的外表面也受到(诸如研磨的)机加工处理(machining process)，由此将材料去除了与将随后设置的电绝缘涂层的厚度大致相等的深度。
在步骤(i)中提供的轴承圈可以是滚动轴承的轴承内圈或轴承外圈。轴承圈的外表面是指，当轴承圈组装形成轴承时不形成(在内、外轴承圈的相对表面之间形成的)轴承容腔的部分的表面。因此内圈的外表面由该圈的侧表面和孔表面形成。当使用本发明的方法来生产轴承外圈时，外表面由侧表面和外圆柱表面形成。轴承圈可以是径向轴承的圈，所述径向轴承诸如为深沟球轴承、角接触球轴承、双列球面或圆锥滚子轴承。在步骤(i)中提供的轴承圈还可以是推力轴承的圈。
在下一步骤(ii)中，将第一涂层设置在轴承圈的所有表面上。优选的是，第一涂层被选择成使得增强滚道在磨耗、摩擦和/或滚动接触疲劳寿命方面的性能。第一涂层还可以被选择成提供腐蚀保护或者提供润滑层。
在一个实施方式中，第一涂层为厚度小于2μm的转化涂层。在优选的示例中，转化涂层为黑色氧化物表面层，其通过浸入高温(at elevated temperature)碱性溶液的浴锅中而形成在轴承圈(的)表面上。该第一涂层还可以是包括磷酸锌、磷酸锰或磷酸钙锌的磷酸盐转化涂层。
第一涂层还可以是以物理气相沉积工艺(physical vapor deposition process)提供的PVD涂层。在一个示例中，第一涂层是类金刚石碳涂层(diamond-like carboncoating)。
在另一实施方式中，第一涂层是以化学气相沉积工艺提供的CVD涂层，诸如碳氮化物(CNx)涂层。
还在另一示例中，第一涂层为电镀涂层(galvanic coating)。
在第一涂层已经被设置在所有表面上之后，从轴承圈的外表面去除第一涂层。在优选的实施方式中，去除的步骤为机械去除工艺(process)(诸如喷丸)，其使得轴承圈的外表面粗糙化。这为在下一方法步骤中设置的电绝缘涂层的提高的粘附性(promotingadhesion)产生了优异的基材(substrate)。
在优选的实施方式中，电绝缘涂层包括以等离子喷涂工艺提供的厚度为2-3000μm的氧化物陶瓷涂层。用于氧化物陶瓷涂层的合适的材料的示例包括氧化铝(Al2O3)，其可以以纯的形式提供或与各种质量分数的氧化钛(TiO2)和/或氧化铬(Cr2O3)组合提供。氧化物陶瓷涂层还可以包括氧化锆(ZrO2)。
适当的是，在氧化物陶瓷涂层的顶部设置有机密封剂(organic sealant)的层，以密封孔隙并防止潮湿的运行环境中的湿气侵入。合适的密封剂材料的示例包括甲基丙烯酸酯(methacrylates)、环氧树脂、聚氨酯(urethanes)、酚醛树脂、蜡和油。
在已经施加了有机密封剂之后，外表面通常受到进一步的机加工处理(诸如研磨)，以达到所需的尺寸公差。
在其它的实施方式中，在所述方法的步骤(iv)中设置的电绝缘涂层为有机涂层，诸如聚合物涂层或树脂涂层。
本发明还涉及使用本发明的方法生产的轴承圈以及涉及包括这种轴承圈的轴承。
优选的是，轴承具有第一轴承圈，第一轴承圈具有位于其外表面上的电绝缘涂层和位于其滚道表面上的第一涂层，并且轴承具有第二轴承圈，第二轴承圈在其滚道表面上设置有第一涂层。另外，轴承的滚动体可以设置有第一涂层或硬度比第一涂层高的第二涂层。
因此，不仅能够保护成品的轴承免受(可能会引起轴承滚道的电蚀的)杂散电流(stray electrical currents)(之害)，而且通过在滚道上设置功能性涂层而进一步提高了轴承寿命。本发明的其它优点将从以下详细说明和附图中变得明显。
附图说明
现将参考接下来的附图出于解释的目的而绝不是限制的目的来更详细地说明本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的方法(process)提供的包括了第一和第二涂层的轴承外圈的截面；
图2是用于制造图1的轴承外圈的方法的流程图；以及
图3是根据本发明的方法提供的具有包括了第一和第二涂层的内圈的轴承的截面。
具体实施方式
图1中示出了在不同的表面上设置有两个不同的涂层的轴承圈的示例。在所示的示例中，圈10为深沟球轴承的外圈，并且由轴承级钢制成。圈10具有面向该圈的中心轴线13的内表面。该内表面包括：滚道表面11a，其被适配成接纳轴承的球的列；和肩部表面11b，其位于滚道表面11a的任一轴向侧。此外，圈10具有外表面，该外表面包括：外圆柱表面12a和位于该圈的任一轴向侧的侧面12b。该圈的外表面12a、12b设置有厚度为大致100μm的氧化铝Al2O3的电绝缘涂层15。因此，当(所述圈)被例如用于将存在电流通过轴承的风险(而这可能会损害轴承滚道并减少轴承寿命)的发电机轴承时，该圈提高了轴承寿命。
轴承的使用寿命被进一步提高的原因在于，至少滚道表面11a设置有厚度为大致1.0μm的黑色氧化物转化涂层(black oxide conversion coating)17。该黑色氧化物层为轴承运行增加了有益的特性，诸如改善的试运行(running-in)阶段，并且导致了试运行之后的同样改善的表面特性、在不良的润滑机制(regimes)下(具有)更好的性能和更好的润滑剂粘附性(adhesion)以及增强的耐脏性(smearing resistance)。还可以减少微动磨损(fretting)、微剥落(microspalling)和裂纹形成(crack formation)的风险。此外，与未处理的表面相比，黑色氧化物层提供了基本的(elementary)耐腐蚀性和增强的耐化学性(chemical resistance)。
这两种不同的涂层15、17被以本发明的方法/过程(process)涂布(applied)，其由图2的流程图概述。在第一步骤201中，提供由轴承钢制成的预成品的(pre-finished)轴承圈。该预成品的圈具有硬化的(hardened)滚道表面11a，该滚道表面11a还被研磨以实现必要的表面粗糙度(roughness)和尺寸公差。适当的是，该预成品的圈的外表面12a、12b被预先(机)加工，即，去除材料以补偿将设置在成品的(finished)轴承圈10上的100微米厚的电绝缘涂层15。
在第二步骤202中，预成品的圈的所有表面11a、11b、12a、12b被设置有黑色氧化物涂层。
黑色氧化物涂层17通常将由磁铁(magnetite)(Fe3O4)构成或者包括磁铁(magnetite)(Fe3O4)。该层可以通过本领域的常规手段形成，诸如DIN50938中所述的那样。在本示例中，应用热黑化工艺(hot blackening process)以形成黑色氧化物转化涂层，由此将预成品的圈浸入温度为大致130℃的碱水盐溶液(alkaline aqueous salt solution)(例如苛性钠和/或亚硝酸钠)的浴(锅)。暴露(exposure)(浸入)的持续时间取决于所需的涂层厚度。黑色氧化物涂层的厚度的典型值为0.5-2.0μm，优选为大致1.0μm，如图1中的示例(所示)。
在第三步骤203中，从预成品的圈的外表面12a、12b机械地去除黑色氧化物涂层17。这种机械(上的)去除可以包括研磨。在优选的实施方式中，喷丸(shot blasting)被应用。这具有使预成品的圈的外表面粗糙化的优点(这促进了电绝缘涂层15的粘附性)。如此，机械去除的步骤准备(好)了基材(substrate)，而无需进一步的(further)工艺步骤。
在第四步骤204中，以等离子喷涂工艺(plasma spraying process)将Al2O3的层涂布于预成品的圈的外表面12a、12b。在本示例中，该涂层具有大致100μm的厚度，尽管(也)可以达到3000μm厚，这取决于在DC或AC工作电压下所需的阻抗(resistance)。
在第三和第四步骤203、204期间，预成品的轴承圈可以经由轴承圈的肩部表面11b而支撑在轴状元件上，使得至少滚道表面11a保持被覆盖和受到保护。如果所述圈在小于其全部轴向宽度上被支撑在轴状元件上，则肩部表面11b的一部分也可以以与外表面12a、12b相同的方式设置有电绝缘涂层。
在该方法(process)的后续步骤中，在氧化铝涂层的顶部设置有机密封剂(organic sealant)的层，以密封孔隙(pores)并防止潮湿的运行环境中的湿气(moisture)侵入。适当的是，然后圈的外表面12a、12b受到进一步的机加工(诸如研磨)，以达到所需的尺寸公差。
当成品的轴承外圈10与合适的内圈配对时，有益的是，内圈的至少滚道表面设置有相同的黑色氧化物涂层。球也可以被黑色氧化(black oxidised)。
如前面提到的，在组装好的轴承被用包括了侵蚀性化学添加剂(诸如抗磨耗添加剂和/或极压添加剂)的油脂来润滑的应用场合下，轴承的滚动接触表面上的黑色氧化物涂层在抑制氢扩散到钢内以及相关联的氢脆(性)的方面是有益的。产生氢的化学反应将通过流过轴承的电流而加快(accelerated)。因此，在内滚道表面和外滚道表面上具有黑色氧化物涂层以及在轴承圈中的至少一者的外表面上具有电绝缘涂层的轴承对氢脆(性)的问题和相关联的效应(诸如表面下的裂纹)提供了增强的抗性。这种轴承的一个有利的应用是在风力涡轮机中，以提供对白蚀刻裂纹(white etching cracks)更好的抗性。
图3示出了这种轴承的一部分的示例，其中(whereby)该轴承具有使用本发明的方法(process)制造的内圈。轴承50的滚动体25在外圈20的外滚道21a上和内圈30的内滚道31a上运转(run)。外圈20的整个表面区域例如使用上述方法设置有黑色氧化物转化涂层16。内圈30在其内表面上(即，在内滚道31a上和在轴向相邻的肩部表面31b上)具有黑色氧化物涂层16。内圈的外表面(即，孔32a和侧面32b)设置有电绝缘涂层15。可以应用参照图2说明的方法(process)来制造内圈30。
在其它实施方式中，(涂布于轴承圈的所有表面然后在涂布电绝缘涂层之前被从外表面去除的)第一涂层为类金刚石(diamond-like)碳涂层或碳氮化物涂层。
因而应当理解，本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种滚动轴承的轴承圈(10、30)的生产方法，其中所述轴承圈的外表面(12a、12b；32a、32b)设置有电绝缘涂层(15)，所述方法包括以下步骤：
(i)提供由轴承钢制成的预成品的轴承圈，其中所述轴承圈具有用于容纳滚动体(25)的至少一个列的硬化并机加工的滚道表面(11a、21a)；
(ii)在所述轴承圈(10、30)的所有表面(11a、11b、12a、12b；31a、31b、32a、32b)上设置第一涂层(16)；
(iii)从所述轴承圈的外表面(12a、12b；32a、32b)去除所述第一涂层；以及
(iv)在所述轴承圈的外表面上设置所述电绝缘涂层(15)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，去除的步骤(iii)为机械去除程序，其使得所述轴承圈的外表面粗糙化，以使得形成步骤(iv)中设置的所述电绝缘涂层用的准备好的基材。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一涂层(16)为转化涂层、物理气相沉积涂层、化学气相沉积涂层或电镀涂层中的一者。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一涂层(16)为厚度小于2μm的黑色氧化物表面层，其通过浸入高温碱性溶液的浴锅中而形成在所述轴承圈的表面上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一涂层为类金刚石碳涂层。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电绝缘涂层(15)为诸如聚合物涂层的有机涂层，或者为诸如热喷涂涂层的无机涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电绝缘涂层(15)为厚度为2-3000μm的氧化物陶瓷涂层，所述氧化物陶瓷涂层包括选自Al2O3、TiO2、Cr2O3和ZrO2中的一种或多种材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(v)在所述氧化物陶瓷涂层的顶部设置有机密封剂的层；以及
(vi)机加工所述轴承圈的外表面以达到所需的尺寸。
9.一种轴承圈(10、30)，包括位于所述轴承圈的滚道表面(11a、31a)上的第一涂层(16)，还包括位于所述轴承圈的外表面(12a、12b；32a、32b)上的电绝缘涂层。
10.一种滚动轴承(50)，包括根据权利要求9所述的轴承圈(10、30)。
11.根据权利要求10所述的滚动轴承，其特征在于，还包括第二轴承圈(20)，其中所述第二轴承圈的滚道表面(21a)设置有所述第一涂层(16)。
12.根据权利要求10或11所述的滚动轴承，其特征在于，还包括滚动体的至少一个列，其中所述滚动体的外表面设置有所述第一涂层，或者设置有与所述第一涂层不同的第二涂层。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述第一涂层为厚度小于2μm的黑色氧化物表面层。
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