CN110343991A - 一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法。该轴承基体材料为轴承钢，基体表面依次有硬质合金层、氮化硅陶瓷层、立方氮化硼层组成的梯度涂层，该梯度涂层具有自润滑功效。所述梯度涂层采用等离子体喷涂方法制备。该轴承综合了轴承钢、硬质合金、氮化硅陶瓷、立方氮化硼及梯度涂层的优点，碳纳米管(CNTs)和氮化硼纳米管(BNNTs)的加入提高了涂层硬度、耐磨性及韧性；轴承整体既具有良好的韧性，又具有非常高的硬度和耐磨性能。工作过程中，温度较低时，石墨烯能够起到润滑效果，高温时PbO、Mo和TiB2会发生原位反应，生成具有润滑效应的PbMoO4、TiO2和B2O3，从而减小轴承摩擦磨损，提高轴承寿命。
Description
技术领域
本发明属于轴承制造技术领域，特别涉及了一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种重要零部件，目前使用较多的轴承材料多为金属，金属材料表面硬度相对较低，摩擦系数较大，承载能力较低，磨损比较严重，通常工作过程中需要使用润滑剂；为减小摩擦磨损，近几年开发出一系列新型的自润滑轴承。自润滑轴承是指轴承材料本身具有润滑、减摩功能，可在无润滑液的条件下实现自润滑功效，从而减小轴承表面摩擦与磨损。
中国专利“申请号：CN201710541381.8”报道了一种自润滑轴承及其制备方法，通过激光熔覆方法在含铬合金钢轴承基体表面制备出石墨烯/氟化钙/陶瓷自润滑涂层，从而实现轴承本身的自润滑功能。中国专利“申请号：CN201810655679.6”报道了一种填充固化固体润滑材料自润滑轴承及其制备方法，通过在轴承基体表面预先加工出孔，在孔中填充固体润滑剂，经过时效及固化处理，将二者结合成为一个整体作为自润滑轴承。中国专利“申请号：201811564231.X”报道了一种粉末冶金自润滑轴承的制备方法，通过将粉末润滑剂添加至轴承混合粉中，通过冶金烧结制备出自润滑轴承。
发明内容
发明目的：本发明公开了一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法，该轴承既具有良好的韧性、高的硬度，又具有自润滑功效，能够减小工作过程中轴承摩擦磨损，提高轴承寿命。
技术方案：本发明的一种减摩抗磨自润滑涂层轴承通过以下方式实现：
轴承基体材料为轴承钢，基体表面具有硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层组成的梯度自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术在轴承基体表面依次熔覆硬质合金混合粉、氮化硅陶瓷混合粉和立方氮化硼混合粉制得。硬质合金混合粉中各成分重量百分比为：55-65％WC、5-8％TiC、5-8％Co、1-2％TaN、15-25％Ni60A、2-4％PbO、2-4％Mo、2-4％TiB2、0.5-1.5％BNNTs、0.5-1.5％CNTs、0.5-1.5％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；氮化硅陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：40-60％Si3N4、10-20％ZrO2、15-25％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；立方氮化硼混合粉中各成分重量百分比为：50-60％CBN、20-30％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％。
本发明的一种减摩抗磨自润滑涂层轴承，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将轴承基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理。
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，其主要成分(重量百分比)：55-65％WC、5-8％TiC、5-8％Co、1-2％TaN、15-25％Ni60A、2-4％PbO、2-4％Mo、2-4％TiB2、0.5-1.5％BNNTs、0.5-1.5％CNTs、0.5-1.5％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将硬质合金混合粉料熔覆在轴承基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s。
(3)熔覆氮化硅陶瓷层：配置氮化硅陶瓷混合粉料，其主要成分(重量百分比)：40-60％Si3N4、10-20％ZrO2、15-25％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的氮化硅陶瓷混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将氮化硅陶瓷混合粉料熔覆在硬质合金层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s。
(4)熔覆立方氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，其主要成分(重量百分比)：50-60％CBN、20-30％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的立方氮化硼混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将立方氮化硼混合粉料熔覆在氮化硅陶瓷层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s。
(5)后处理：熔覆完成后对轴承表面进行修整，使得涂层总厚度为100-3000μm，得到所述自润滑涂层轴承。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该轴承兼顾轴承钢、硬质合金、氮化硅基陶瓷、立方氮化硼、CNTs和BNNTs的优点，具有良好的韧性和高的硬度；2、工作过程中，温度较低时，石墨烯能够起到润滑效果，高温时PbO、Mo和TiB2会发生原位反应，生成具有润滑效应的PbMoO4、TiO2和B2O3，使得该轴承能够在较高的温度下具有良好的自润滑作用，从而能够减小轴承摩擦磨损，提高轴承寿命；3、本发明涂层采用等离子体喷涂方法制备，该方法制备效率高，涂层与基体间具有较强的结合强度；同时，涂层可以达到很大的厚度，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种减摩抗磨自润滑涂层轴承结构示意图，图2为本发明的深沟球轴承的剖面示意图；其中：1为轴承基体材料，2为硬质合金层，3为氮化硅陶瓷层，4为立方氮化硼层，5为内圈基体，6为外圈基体，7为滚珠。
具体实施方式
实施例1：
轴承基体材料为GCr15轴承钢，基体表面具有硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层组成的梯度自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术在轴承基体表面依次熔覆硬质合金混合粉、氮化硅陶瓷混合粉和立方氮化硼混合粉制得。硬质合金混合粉中各成分重量百分比为：55％WC、8％TiC、8％Co、1％TaN、20％Ni60A、2％PbO、2％Mo、2％TiB2、0.5％BNNTs、0.5％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；氮化硅陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：45％Si3N4、20％ZrO2、20％Ni60A、4％PbO、4％Mo、2％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；立方氮化硼混合粉中各成分重量百分比为：55％CBN、30％Ni60A、4％PbO、4％Mo、2％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％。
本发明的一种减摩抗磨自润滑涂层轴承，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将轴承基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理。
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，其主要成分(重量百分比)：55％WC、8％TiC、8％Co、1％TaN、20％Ni60A、2％PbO、2％Mo、2％TiB2、0.5％BNNTs、0.5％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/cm3；采用等离子体喷涂技术将硬质合金混合粉料熔覆在轴承基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20kW，Ar气流量20L/min，H2气流量20L/min，扫描速度2mm/s。
(3)熔覆氮化硅陶瓷层：配置氮化硅陶瓷混合粉料，其主要成分(重量百分比)：45％Si3N4、20％ZrO2、20％Ni60A、4％PbO、4％Mo、2％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的氮化硅陶瓷混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/cm3；采用等离子体喷涂技术将氮化硅陶瓷混合粉料熔覆在硬质合金层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20kW，Ar气流量20L/min，H2气流量20L/min，扫描速度2mm/s。
(4)熔覆立方氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，其主要成分(重量百分比)：55％CBN、30％Ni60A、4％PbO、4％Mo、2％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的立方氮化硼混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/cm3；采用等离子体喷涂技术将立方氮化硼混合粉料熔覆在氮化硅陶瓷层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20kW，Ar气流量20L/min，H2气流量20L/min，扫描速度2mm/s。
(5)后处理：熔覆完成后对轴承表面进行修整，使得涂层总厚度为500μm，得到所述自润滑涂层轴承。
实施例2：
轴承基体材料为9Cr18轴承钢，基体表面具有硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层组成的梯度自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术在轴承基体表面依次熔覆硬质合金混合粉、氮化硅陶瓷混合粉和立方氮化硼混合粉制得。硬质合金混合粉中各成分重量百分比为：60％WC、5％TiC、5％Co、2％TaN、16％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、1％BNNTs、1％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；氮化硅陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：55％Si3N4、15％ZrO2、16％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；立方氮化硼混合粉中各成分重量百分比为：60％CBN、25％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％。
本发明的一种减摩抗磨自润滑涂层轴承，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将轴承基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各30min，进行去油污处理。
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，其主要成分(重量百分比)：60％WC、5％TiC、5％Co、2％TaN、16％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、1％BNNTs、1％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将硬质合金混合粉料熔覆在轴承基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率80kW，Ar气流量80L/min，H2气流量60L/min，扫描速度50mm/s。
(3)熔覆氮化硅陶瓷层：配置氮化硅陶瓷混合粉料，其主要成分(重量百分比)：55％Si3N4、15％ZrO2、16％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、1％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的氮化硅陶瓷混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将氮化硅陶瓷混合粉料熔覆在硬质合金层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率80kW，Ar气流量80L/min，H2气流量60L/min，扫描速度50mm/s。
(4)熔覆立方氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，其主要成分(重量百分比)：60％CBN、25％Ni60A、3％PbO、3％Mo、3％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的立方氮化硼混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将立方氮化硼混合粉料熔覆在氮化硅陶瓷层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率80kW，Ar气流量80L/min，H2气流量60L/min，扫描速度50mm/s。
(5)后处理：熔覆完成后对轴承表面进行修整，使得涂层总厚度为3000μm，得到所述自润滑涂层轴承。
Claims (3)
1.一种减摩抗磨自润滑涂层轴承，其特征在于：轴承基体材料为轴承钢，基体表面具有硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层组成的梯度自润滑涂层，所述涂层采用等离子喷涂方法制备。
2.一种减摩抗磨自润滑涂层轴承的制备方法，其特征在于：其制备方法采用等离子体喷涂技术在轴承基体表面依次熔覆硬质合金混合粉、氮化硅陶瓷混合粉和立方氮化硼混合粉制备出梯度自润滑涂层。硬质合金混合粉中各成分重量百分比为：55-65％WC、5-8％TiC、5-8％Co、1-2％TaN、15-25％Ni60A、2-4％PbO、2-4％Mo、2-4％TiB2、0.5-1.5％BNNTs、0.5-1.5％CNTs、0.5-1.5％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；氮化硅陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：40-60％Si3N4、10-20％ZrO2、15-25％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；立方氮化硼混合粉中各成分重量百分比为：50-60％CBN、20-30％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％。
3.根据权利要求2所述的减摩抗磨自润滑涂层轴承的制备方法，其特征在于，其具体制备步骤为：
(1)前处理：将轴承基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
(2)熔覆硬质合金层：配置硬质合金混合粉料，其主要成分(重量百分比)：55-65％WC、5-8％TiC、5-8％Co、1-2％TaN、15-25％Ni60A、2-4％PbO、2-4％Mo、2-4％TiB2、0.5-1.5％BNNTs、0.5-1.5％CNTs、0.5-1.5％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的硬质合金混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将硬质合金混合粉料熔覆在轴承基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s；
(3)熔覆氮化硅陶瓷层：配置氮化硅陶瓷混合粉料，其主要成分(重量百分比)：40-60％Si3N4、10-20％ZrO2、15-25％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的氮化硅陶瓷混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将氮化硅陶瓷混合粉料熔覆在硬质合金层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s；
(4)熔覆立方氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，其主要成分(重量百分比)：50-60％CBN、20-30％Ni60A、2-5％PbO、2-5％Mo、2-5％TiB2、0.5-2％BNNTs、0.5-2％CNTs、0.5-2％石墨烯，各材料的重量百分比之和为100％；将配制好的立方氮化硼混合粉料装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10-80g/cm3；采用等离子体喷涂技术将立方氮化硼混合粉料熔覆在氮化硅陶瓷层表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；等离子体加工参数如下：功率20-80kW，Ar气流量20-80L/min，H2气流量10-60L/min，扫描速度2-50mm/s；
(5)后处理：熔覆完成后对轴承表面进行修整，使得涂层总厚度为100-3000μm，得到所述自润滑涂层轴承。
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