[发明专利]液态金属滑动轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种液态金属滑动轴承。

背景技术

液态金属滑动轴承几乎无摩擦式工作，在发出低噪声的同时高度平静地运转，以及保证极为有效的散热。因此这种液态金属滑动轴承例如使用在旋转式阳极的X射线管内，尤其大功率X射线管内。

为此，液态金属滑动轴承的滑动支承面必须有高的耐热性和良好的热导率。此外，滑动支承面还必须有良好的润湿能力。通常液态金属滑动轴承的材料使用钼基材料。特种钢和陶瓷也用作液态金属滑动轴承的材料。

液态金属滑动轴承包括多个构件，它们必须非常精确地相互磨合。在旋转式阳极的X射线管中，液态金属滑动轴承包括例如构成轴的内部支承、衬套和至少一个盖。为了使起润滑剂作用的液态金属保留在液态金属滑动轴承内部以及不漏泄到X射线管内，滑动轴承的构件必须持续保持牢固接合。为此通常使用连接元件，例如螺钉，它们有与轴承材料相适应的热膨胀，为的是即使在高的使用温度下也能保持预紧力。

因为对旋转式阳极的X射线管的要求不断提高，所以尤其试图通过增大阳极转速来应对焦点区内越来越高的热负荷。在旋转式阳极中可实现每分钟至少12000转(200Hz)。

基于高的阳极转速，在液态金属滑动轴承内形成一种流体静压力，这种流体静压力与几何尺寸和实际旋转速度有关，在液态金属滑动轴承的密封部位可以等于和大于15bar。在不利的情况下，这种高压会导致液态金属滑动轴承不密封并泄出液态金属。液态金属的这种泄出使X射线管损坏并因而导致X射线放射源产生故障。故障的原因可以是基于轴承构件之间润滑缺失使液态金属滑动轴承阻塞。此外，X射线管还会通过液态金属进入真空外壳内而丧失耐高电压的能力。除此之外会对X射线照片的质量带来负面影响。

为了在液态金属滑动轴承中确保必要的密封性已知一些不同的措施。

一种已知的措施是焊接所述连接部位。因为钼不能用传统的焊接方法焊接，所以必须在要焊接的钼构件上钎焊一些焊接环。然而由于液态金属在高温下侵蚀许多金属(例如焊料和/或焊接环)，因而涉及的构件必须施加抗润湿层。因此这种措施一方面在技术上非常复杂，而且另一方面比较容易出故障。

已知的另一种实现液态金属滑动轴承有足够密封性的措施在于，在构件之间保持尽可能小的密封间隙。这便要求高精度机械加工面对面的密封面，为的是能造成尽可能低的表面粗糙度以及进而高的平面度。在这里所使用的方法例如是精磨、精车或研磨(切削加工方法)。不过仅仅高精度的加工并不足以保证足够的密封性。而且这种方法还有一个缺点是，可达到的表面质量与构件的材料性质、与所使用的工具(质量和磨损程度)以及与磨料和加工者有密切的关系。这种已知的措施因而在可达到的质量方面遭受比较强烈的波动。

最后，已知通过优化螺钉连接来改善液态金属滑动轴承的密封性。这例如可以借助提高在要连接的构件中的单位面积压力实现，例如通过增加螺钉数量或加大螺钉尺寸，或通过用耐真空润滑剂减小螺钉与在要连接的构件中对应孔之间的摩擦系数。

在DE19523162A1中介绍了一种液态金属滑动轴承，其中在钼制轴承构件的表面上施加一种抗润湿的金属氧化物镀层，尤其铝(III)-氧化物(Al₂O₃)或钛(IV)-氧化物(TiO₂)镀层。密封面的镀层借助PVD方法进行(Physical Vapour Deposition，物理气相沉积)。

在这里能实现的层厚在约0.1μm与约1μm之间。即使在最大可能的层厚的情况下，仍然不可能完全覆盖轴承构件由加工造成的粗糙表面(平均粗糙度R_a约2μm)。借助PVD方法也不可能使粗糙的钼表面平面化。

施加在轴承构件表面上的氧化铝或氧化钛镀层比较硬，所以互相压紧的表面不可能“契合”。这导致，当液态金属滑动轴承的负荷增大时(例如更高的转速、更高的温度)必须遵照越来越小的加工公差(小于2μm)，为的是使施加的PVD镀层能承受住液态金属更大的压力，亦即防止液态金属泄出。

由于在镀层时高的蒸发速率(短的过程时间)和蒸发材料的“粒度”(例如直径约1mm的Al₂O₃颗粒或小球)，引起在蒸发时借助电子束从蒸发物料中释出小“球体”，它们然后保持粘附在轴承构件的表面上。即使当轴承构件压紧时，也看不到这种小球体有任何变化。这一方面在于轴承构件之间实际存在的间隙(大于大多数小球体的直径)，以及另一方面在于氧化铝的硬度，从而以不利的方式在密封面形成比轴承构件的平面度给定的更大的间隙。