CN112610608B - 一种宽温域自润滑轴承及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽温域自润滑轴承及其制备方法，该轴承在宽温域及交变温度范围内具有良好的自润滑能力，可实现轴承工作过程中的润滑，减小轴承磨损，提高轴承寿命。本发明实施例的宽温域自润滑轴承，包括轴承基体、微织构和复合涂层，微织构设置在轴承基体的表面，复合涂层沉积在微织构的表面；复合涂层包括第一涂层和第二涂层，第一涂层和第二涂层交替叠加。工作温度较低时，第二涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，第一涂层、第二涂层发生反应，生成具有高温润滑作用的化合物，从而能够起到润滑作用。该轴承在宽温度范围或交变温度条件下，均具有良好的自润滑功效，可减小轴承磨损，提高寿命。
Description
技术领域
本发明涉及轴承制造技术领域，具体来说，涉及一种宽温域自润滑轴承及其制备方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种重要零部件，轴承工作过程中存在较大的摩擦磨损，使用过程通常需要使用润滑剂；自润滑技术能够实现轴承无油润滑，突破润滑油或润滑脂等使用的局限性，自润滑轴承已成为绿色制造的一个研究热点。因此，开发新型的高强度、低摩擦、低磨损及长寿命的自润滑轴承对先进制造业具有重要意义！
中国专利申请号201910511263.1公开了一种减摩抗磨自润滑涂层轴承及其制备方法，该轴承通过等离子体喷涂方法，在基体表面制备硬质合金层、氮化硅陶瓷层和立方氮化硼层复合润滑涂层，实现工作过程中的润滑功效。中国专利申请号201320341799.1公开了一种镶嵌式固体自润滑轴承，轴承本体侧部设有环形凹槽及储存固体润滑剂的通孔，可实现工作过程的自润滑，降低摩擦系数，延长轴承寿命。中国专利申请号CN201710547274.6公开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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽温域自润滑轴承及其制备方法，该轴承在宽温域及交变温度范围内具有良好的润滑功效，可实现轴承工作过程中的润滑，减小轴承磨损，提高轴承寿命。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种宽温域自润滑轴承，包括轴承基体、微织构和复合涂层，所述微织构设置在轴承基体的表面，所述复合涂层沉积在所述微织构的表面；所述复合涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加；所述复合涂层包括至少10层第一涂层和至少10层第二涂层。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第一涂层为TiVZnN层，所述第二涂层为MoTeHfC层，第一涂层和第二涂层的单层厚度均小于等于500nm。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第一涂层中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，N元素原子百分比为20-40％，Ti元素原子百分比、V元素原子百分比、Zn元素原子百分比和N元素原子百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第二涂层中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Hf元素原子百分比为8-12％，C元素原子百分比为10-20％，Mo元素原子百分比、Te元素原子百分比、Hf元素原子百分比和C元素原子百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述轴承基体由轴承钢制成。
另一方面，本发明实施例还提供一种制备上述宽温域自润滑轴承的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用激光加工技术在轴承基体的表面制备微织构，激光功率为10-50W，频率为10-20kHz，扫描速度为5-300mm/s；微织构的宽度为10-200μm，深度为5-200μm；
步骤2、采用多弧离子镀与中频磁控溅射共沉积的方法，在微织构的表面制备复合涂层，得到宽温域自润滑轴承。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤2具体包括：
步骤21、打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，调整Ti靶电流为50-160A，VZnN靶电流调至50-100A，沉积TiVZnN层2-5min；
步骤22、开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，调整MoTe2靶电流为80-120A，Hf靶电流为30-50A，C靶电流为50-80A，沉积MoTeHfC层3-8min；
步骤23、重复步骤21和步骤22，交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，使得复合涂层总厚度为预设厚度，得到宽温域自润滑轴承。
作为本发明实施例的进一步改进，所述预设厚度为1-10μm。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例的轴承在宽温域工作范围内具有良好的自润滑作用，工作温度较低时，MoTeHfC涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，TiVZnN、MoTeHfC及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够在高温条件下起到良好的润滑作用。本发明实施例的轴承，无需润滑油和复杂的润滑系统，结构简单，使用方便；TiVZnN层和MoTeHfC层交错叠加提高了单一涂层的性能，增加了轴承适用范围。本实施例的轴承表面的微织构能够提高轴承基体与复合涂层之间的结合强度，且能够收集磨屑及高温润滑相，起到减小磨粒磨损及提供二次润滑作用，从而提高轴承寿命。本实施例轴承在宽温度范围或交变温度条件下均具有良好的润滑功效，可减小工作过程中轴承摩擦磨损，提高轴承寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的宽温域自润滑轴承的结构示意图；
图2为本发明实施例的宽温域自润滑轴承的剖视图。
图中：轴承基体1、微织构2、第一涂层31、第二涂层32、内圈6、外圈7、滚珠8。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种宽温域自润滑轴承，如图1和图2所示，包括含有内圈6和外圈7的轴承基体1，滚珠8位于内圈6和外圈7之间。本实施例的宽温域自润滑轴承还包括微织构和复合涂层，微织构2设在内圈6的外表面以及外圈7的内表面，复合涂层沉积在微织构2的表面。复合涂层包括第一涂层31和第二涂层32，第一涂层31和第二涂层32交替叠加。复合涂层中，第一涂层31至少有10层，第二涂层32至少有10层。
所述第一涂层31为TiVZnN层，第二涂层32为MoTeHfC层，第一涂层31和第二涂层32的单层厚度均小于等于500nm。
优选的，第一涂层31中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，N元素原子百分比为20-40％，Ti元素原子百分比、V元素原子百分比、Zn元素原子百分比和N元素原子百分比之和为100％。
优选的，第二涂层32中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Hf元素原子百分比为8-12％，C元素原子百分比为10-20％，Mo元素原子百分比、Te元素原子百分比、Hf元素原子百分比和C元素原子百分比之和为100％。
优选的，轴承基体1由轴承钢制成。
本发明实施例还提供一种制备上述宽温域自润滑轴承的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用激光加工技术在轴承基体1的表面制备微织构2，激光功率为10-50W，频率为10-20kHz，扫描速度为5-300mm/s；微织构2的宽度为10-200μm，深度为5-200μm；
步骤2、采用多弧离子镀与中频磁控溅射共沉积的方法，在微织构2的表面制备复合涂层，得到宽温域自润滑轴承。
本发明实施例方法，采用多弧离子镀与中频磁控溅射共沉积的方法在轴承基体的表面制备复合涂层，制备方法简单。
优选的，步骤2具体包括：
步骤21、打开Zr靶和VZnN靶，调整工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，调整Zr靶电流为50-160A，VZnN靶电流调至50-100A，沉积TiVZnN层2-5min；
步骤22、开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，调整MoTe2靶电流为80-120A，Hf靶电流为30-50A，C靶电流为50-80A，沉积MoTeHfC层3-8min；
步骤23、重复步骤21和步骤22，直至复合涂层总厚度为预设厚度，得到宽温域自润滑轴承。
优选的，预设厚度为1-10μm。
本发明实施例的轴承在宽温域工作范围内具有良好的自润滑作用，工作温度较低时，MoTeHfC涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，TiVZnN、MoTeHfC及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够在高温条件下起到良好的润滑作用。本发明实施例的轴承，无需润滑油和复杂的润滑系统，结构简单，使用方便；TiVZnN+MoTeHfC叠层涂层提高了单一涂层的性能，增加了轴承适用范围。本实施例方法制备得到的轴承基体表面的微织构能够提高轴承基体与复合涂层之间的结合强度，且能够收集磨屑及高温润滑相，起到减小磨粒磨损及提供二次润滑作用，从而提高轴承寿命。
实施例1
采用激光加工技术在轴承基体的表面制备微织构，激光功率为12W，频率为20kHz，扫描速度为10mm/s，微织构宽度为50μm，织构深度为100μm；打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为150V，调整Ti靶电流为50A，VZnN靶电流调至60A，沉积TiVZnN层5min；开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为100V，调整MoTe2靶电流为90A，Hf靶电流为30A，C靶电流为60A，沉积MoTeHfC层8min；交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，直至复合涂层总厚度为10μm，得到宽温域自润滑轴承。
制备得到的宽温域自润滑轴承，轴承基体的材料为GCr15轴承钢，轴承基体的表面具有微织构，微织构的表面具有复合涂层。该复合涂层包括交替叠加的10层TiVZnN层和10层MoTeHfC层，且TiVZnN层与MoTeHfC层的单个层的厚度为500nm。TiVZnN层中，Ti元素原子百分比为30％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为15％，N元素原子百分比为35％。MoTeHfC层中，Mo元素原子百分比为30％，Te元素原子百分比为40％，Hf元素原子百分比为10％，C元素原子百分比为20％。
实施例2
采用激光加工技术在轴承基体的表面制备微织构，激光功率为30W，频率为10kHz，扫描速度为300mm/s，微织构宽度为100μm，微织构深度为50μm；打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为300V，调整Ti靶电流为150A，VZnN靶电流调至80A，沉积TiVZnN层3min；开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为120V，调整MoTe2靶电流为100A，Hf靶电流为50A，C靶电流为50A，沉积MoTeHfC层3min；交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，直至复合涂层总厚度为4μm，得到宽温域自润滑轴承。
制备得到的宽温域自润滑轴承，轴承基体的材料为G8Cr4M04V轴承钢，轴承基体的表面具有微织构，微织构的表面具有复合涂层。该复合涂层包括交替叠加的20层TiVZnN层和20层MoTeHfC层，且TiVZnN层与MoTeHfC层的单个层的厚度为100nm。TiVZnN层中，Ti元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为10％，Zn元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为30％。MoTeHfC层中，Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为40％，Hf元素原子百分比为8％，C元素原子百分比为12％。
实施例3
采用激光加工技术在轴承基体的表面制备微织构，激光功率为50W，频率为25kHz，扫描速度为100mm/s，微织构宽度为200μm，织构深度为200μm；打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为150V，调整Ti靶电流为50A，VZnN靶电流调至60A，沉积TiVZnN层5min；开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为100V，调整MoTe2靶电流为90A，Hf靶电流为30A，C靶电流为60A，沉积MoTeHfC层8min；交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，直至复合涂层总厚度为10μm，得到宽温域自润滑轴承。
制备得到的宽温域自润滑轴承，轴承基体的材料为GCr15轴承钢，轴承基体的表面具有微织构，微织构的表面具有复合涂层。该复合涂层包括交替叠加的10层TiVZnN层和10层MoTeHfC层，且TiVZnN层与MoTeHfC层的单个层的厚度为500nm。TiVZnN层中，Ti元素原子百分比为40％，V元素原子百分比为15％，Zn元素原子百分比为5％，N元素原子百分比为40％。MoTeHfC层中，Mo元素原子百分比为38％，Te元素原子百分比为30％，Hf元素原子百分比为12％，C元素原子百分比为20％。
实施例4
采用激光加工技术在轴承基体的表面制备微织构，激光功率为1W，频率为10kHz，扫描速度为5mm/s，微织构宽度为10μm，微织构深度为5μm；打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为300V，调整Ti靶电流为150A，VZnN靶电流调至80A，沉积TiVZnN层3min；开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为120V，调整MoTe2靶电流为100A，Hf靶电流为50A，C靶电流为50A，沉积MoTeHfC层3min；交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，直至复合涂层总厚度为4μm，得到宽温域自润滑轴承。
制备得到的宽温域自润滑轴承，轴承基体的材料为G8Cr4M04V轴承钢，轴承基体的表面具有微织构，微织构的表面具有复合涂层。该复合涂层包括交替叠加的20层TiVZnN层和20层MoTeHfC层，且TiVZnN层与MoTeHfC层的单个层的厚度为100nm。TiVZnN层中，Ti元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为20％。MoTeHfC层中，Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为38％，Hf元素原子百分比为12％，C元素原子百分比为10％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种宽温域自润滑轴承，其特征在于，包括轴承基体(1)、微织构(2)和复合涂层，所述微织构(2)设置在轴承基体(1)的表面，所述复合涂层沉积在所述微织构(2)的表面；所述复合涂层包括第一涂层(31)和第二涂层(32)，所述第一涂层(31)和第二涂层(32)交替叠加；所述复合涂层包括至少10层第一涂层(31)和至少10层第二涂层(32)；
所述第一涂层(31)为TiVZnN层，所述第二涂层(32)为MoTeHfC层，第一涂层(31)和第二涂层(32)的单层厚度均小于等于500nm；
所述第一涂层(31)中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，N元素原子百分比为20-40％，Ti元素原子百分比、V元素原子百分比、Zn元素原子百分比和N元素原子百分比之和为100％；
所述第二涂层(32)中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Hf元素原子百分比为8-12％，C元素原子百分比为10-20％，Mo元素原子百分比、Te元素原子百分比、Hf元素原子百分比和C元素原子百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的宽温域自润滑轴承，其特征在于，所述轴承基体(1)由轴承钢制成。
3.一种制备权利要求1-2任意一项所述的宽温域自润滑轴承的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用激光加工技术在轴承基体(1)的表面制备微织构(2)，激光功率为10-50W，频率为10-20kHz，扫描速度为5-300mm/s；微织构(2)的宽度为10-200μm，深度为5-200μm；
步骤2、采用多弧离子镀与中频磁控溅射共沉积的方法，在微织构(2)的表面制备复合涂层，得到宽温域自润滑轴承。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21、打开Ti靶和VZnN靶，调整工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，调整Ti靶电流为50-160A，VZnN靶电流调至50-100A，沉积TiVZnN层2-5min；
步骤22、开启MoTe2靶、Hf靶和C靶，调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，调整MoTe2靶电流为80-120A，Hf靶电流为30-50A，C靶电流为50-80A，沉积MoTeHfC层3-8min；
步骤23、重复步骤21和步骤22，交替沉积TiVZnN层和MoTeHfC层，使复合涂层总厚度为预设厚度，得到宽温域自润滑轴承。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述预设厚度为1-10μm。
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