[发明专利]一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构

说明书

技术领域

本发明属于润滑及轴承技术领域，涉及一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构，即在不脆的轻金属合金轴承表面，通过微弧氧化技术形成硬的氧化陶瓷薄膜结构，能满足高速水润滑工况下，具有良好的抗空蚀与减阻性能。

背景技术

随着工业旋转机械高速、高精度、高刚度和长寿命等的发展需求，传统的电主轴支承技术已远不能满足新一代高速电主轴性能的要求。由于水具有良好的粘-温特性，近年来，高速水轴承成为学术界竞相研究的热点之一，瑞士FISCHER公司与美国IBAG公司已成功研发高速水静压轴承，并应用于高速机床主轴、挤压油膜阻尼器等产品。然而，与传统油轴承相比，高速水轴承更容易发生空蚀破坏，且仍具有大的湍流摩擦功耗，如果长期工作将产生振动噪音、材料破坏和寿命降低等不利因素，甚至造成严重的事故。当前，空蚀破坏机制仍然是一个国际难题，有效预测和抑制高速轴承空蚀的理论及试验研究还不成熟；各种减阻方法已取得广泛应用，但对于高速流体轴承，现有的减阻理论和试验技术，还无法达到真正有效且实用的减阻效果。

目前，国内外专利中已经公开了一些水轴承材料：CN2916240Y专利公开一种水润滑碳化硅径向轴承，轴瓦采用全陶瓷材料；US6431758B1专利公开一种由衬底、Cu-Ni-Ag过渡层、含宝石颗粒的金属层组成复合涂层的滑动轴承，实验证明在高速、大载荷、高热和循环压力下，具有良好的耐磨、抗空蚀性能；CN1166576A与US6176619B1专利中也公开了一种具有极好的抗热冲击和抗机械冲击性的水润滑轴承及水润滑密封件，采用动态离子混合法在轴基底上形成氮化钛薄膜，轴瓦采用不脆材料表面形成硬材料薄膜，包括陶瓷薄膜、硬铬电镀膜、工程塑料、硬碳等，试验证明氮化钛膜具有优异的抗空蚀性能。然而分析表明，全陶瓷水轴承结构面临高昂的成本，而现有的这些水轴承陶瓷涂层还处于试制阶段，面临一系列的问题：能否适用于高速水润滑轴承结构？制备的陶瓷膜与水膜能否很好亲和？长期使用中抗空蚀与减阻效果怎样？寿命如何？是否还有其他涂层工艺更适合于高速水轴承？

近年来,表面涂层技术飞速发展，包括热喷涂技术、电镀法、激光表面改性技术、渗氮、阳极氧化技术、气相沉积等。传统热喷涂法所得陶瓷层存在均匀性差、脆性大和易于剥落等缺点；电镀法的前处理工艺复杂，且易污染环境；激光熔覆法易形成脆性相和裂纹，存在精度低、工件尺寸限制和成本高等问题；而阳极氧化法得到的氧化膜表现为硬度较低、致密性差、膜层较薄等特点。另外，还有通过PVD法在铝合金表面沉积获得高硬度的TiN, CrN或DLC膜，但由于膜层较薄，不宜承受高的接触载荷。由于有上述缺点，它们无法满足高速水轴承材料抗空蚀和减阻等性能的需求，因此急待开发一种简便、低廉、性能更优异的高速水轴承结构。

发明内容

本发明克服了上述涂层技术存在的缺陷，提供了一种抗空蚀与低摩擦功耗的带微弧氧化膜层的高速水轴承结构，即利用先进的微弧氧化工艺在轴瓦表面制备性能优异的微弧氧化膜层，以及采用粉末冶金工艺制备全陶瓷轴颈。

本发明采用的技术方案为：一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构,包括水轴承和主轴，所述主轴外面套有水轴承，水轴承内设有小孔节流器；

所述水轴承轴颈采用全陶瓷材料制成；

所述水轴承轴瓦采用不脆的轻金属材料制成，其滑动表面上制备微弧氧化膜层。

作为优选，所述的全陶瓷材料，是由陶瓷粉末原料（如Al₂O₃、Si₃N₄等），经干压或等静压等方法加压成型后烧结而成，优点是全陶瓷轴颈比重轻，惯性小，热膨胀系数低，化学稳定性好，具有减摩、抗磨、抗空蚀腐蚀、抗冲击性能等优良特性，更适宜高速水轴承的润滑。

作为优选，所述的微弧氧化膜层，是在不脆的轻金属材料（如铝合金、钛合金等）的表面，通过微弧氧化工艺原位生长出高耐磨性、抗空蚀腐蚀的Al₂O₃ 或TiO₂的多孔陶瓷膜层，即利用微弧氧化装置，将轻金属材料的轴瓦连接脉冲电源的阳极，在轴瓦中心插入不锈钢电极连接脉冲电源的阴极，且轴瓦与不锈钢电极一起浸没于碱性盐溶液中，在脉冲电压或电流的作用下，轻金属材料轴瓦的基底表面上将原位生长出氧化陶瓷膜层，膜厚达到100-250um，维氏硬度达到2000。此涂层结构及工艺过程可以保证只在轴瓦内壁面形成较厚的多孔氧化陶瓷膜，而轴瓦端面与外圆柱面仅是形成了几微米的氧化陶瓷膜，满足了高速水轴承抗空蚀与低摩擦功耗的工程需求。