[发明专利]全碳石墨/混合碳石墨滚动轴承及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及特种滚动轴承技术领域，特别涉及一种用碳石墨（碳/石墨/碳石墨—Carbon/Graphite/Carbon Graphite）制造滚动轴承四大件（外圈、内圈、滚动体和保持器）中的其中部分或全部四件的滚动轴承及其制作方法。

 

背景技术

滚动轴承的工作环境有时非常苛刻—高温、超高温、低温、超低温、酸碱腐蚀、射线辐射等等，在这种情况下，用钢材制造轴承并采用流体润滑显然不能满足使用要求，于是就出现了全陶瓷滚动轴承以及混合陶瓷滚动轴承，以期在这些工况下滚动轴承仍能可靠履行减摩和支撑功能。需要说明的是，全陶瓷滚动轴承是指外圈、内圈和滚动体全部由陶瓷制成，混合陶瓷滚动轴承是指外圈、内圈和滚动体不全由陶瓷制成。

虽然全陶瓷滚动轴承/混合陶瓷滚动轴承存在减摩的功效，但是，全陶瓷滚动轴承/混合陶瓷滚动轴承存在下列问题：

（1）陶瓷材料虽然有一定的自润滑性，但其自润滑性与石墨等相比，差距很大，且不具备石墨的转移膜润滑功能，因此在高温、超高温等所有流体润滑剂都无法胜任的工况下，“干”陶瓷轴承的寿命满足不了主机的要求；

（2）陶瓷质脆且坚硬，机加工性能很差，对形状比较复杂的轴承保持器，基本无法用陶瓷材料制造加工，因此，通常所说的全陶瓷轴承也并非四大件均用陶瓷材料制造的滚动轴承；

（3）陶瓷材料的加工制造成本仍然很高。因此，在某些苛刻工况下，陶瓷轴承还不是最佳的选择，甚至可以说陶瓷轴承根本满足不了该工况下对轴承运行可靠度和寿命的要求。

随着碳石墨技术的发展，使得用碳石墨制造滚动轴承成为可能。

以下先介绍一下碳石墨。碳石墨又称机械用碳，它的基础材料可分为：（1）碳质材料：主要由非结晶质（低规则性）的炭素原料构成，质硬、硬度高、流体润滑下耐磨性好，在大气中的氧化开始温度约300 度；（2）石墨质材料：主要由结晶质的炭素原料构成，质软硬度低，自润滑性能好，有良好的耐高温性能，在大气中的氧化开始温度约450度；（3）碳石墨质材料，主要由非结晶炭与结晶炭原料构成，质硬硬度高，自润滑性能较好，机械强度高，耐磨性能好，耐温性略低于石墨质材料，在大气中的氧化开始温度约400度。采用这些基础材料，选择不同的粘结原料、浸渍材料等便可进一步提高碳石墨的机械强度、耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性、不透性和成膜性，通常的浸渍材料有树脂、盐和金属。由于碳石墨良好的耐高温性、耐低温性、自润滑性、耐酸碱腐蚀性和可获得的高的机械强度，碳石墨已经被广泛地用来制造滑动轴承（仅包含轴瓦和轴套），获得了良好的技术效果和经济效益。

但是因为碳石墨的特性，迄今尚未见到用碳石墨制造滚动轴承的报道。本领域的技术人员虽然知道碳石墨能够适应非常苛刻的环境，比如，高温、超高温、低温、超低温、酸碱腐蚀、射线辐射等环境，也一直都希望能用碳石墨制成全碳石墨滚动轴承或混合碳石墨滚动轴承，这样，该些滚动轴承就能克服用钢材制造轴承并采用流体润滑不能适用以上苛刻的环境的缺陷。但是，由于存在以下的技术问题，使得本领域的技术人员认定用碳石墨制造滚动轴承不具有可实施性：

首先，现有的滚动轴承一般包括外圈、内圈、保持器和若干个滚动体，为保证轴承在装配过程中滚动体不散落和尽可能地提高承载能力，其设计填球角一般均大于180度，这就使得最后1~2粒滚动体的填入需要借助外圈的径向弹性变形才能实现，这对弹性比较好的钢制套圈没有问题，但碳石墨材料较脆，如对对碳石墨外圈整体施加同样的径向变形力，就有发生脆断的危险，因此对碳石墨外圈，无法采用套圈变形装填最后1~2粒滚动体法制作滚动轴承。

接着，现有的钢制滚动轴承往主机中安装时，一般，外圈与壳体孔过渡或过盈配合，内圈与支撑轴过盈配合。由于钢材具有一定的弹性，使得现有钢制滚动轴承与其它部件在径向上的过盈配合成为可能，但是，用碳石墨制成外圈或内圈时，由于碳石墨的脆性，不宜直接进行径向过盈安装。

随后，由于钢材具有比较强的热胀冷缩的特征，因此利用钢材制成滚动轴承的外圈、内圈和滚动体时，需要在滚动体与内外圈之间具有一个相应的游隙，这些游隙的选择均有标准可依。而利用碳石墨制成外圈、内圈和滚动体时，轴承游隙的选择无标准可查，需要进行专业的针对性计算方能选得适宜的游隙。

最后，现行滚动轴承保持器由金属材料制成时，一般采取冲压变形法（塑形变形）进行装配，由工程塑料制成时，采用弹性变形进行装配。但碳石墨具有脆性，无法采用现行的塑形变形和弹性变形法进行装配。