在机械组件的摩擦面上制备保护层的方法
【专利摘要】本发明提供一种在机械组件的摩擦面上制备保护层的方法，其中所述层包含具有抗磨损和/或抗微动磨损性能的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且该方法包括使所述组件的摩擦面经历用处于或沿着摩擦面移动的工具实施的机械处理，在所述机械处理期间，提供固体形式的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且通过沉积金属磷酸盐和/或金属硫酸盐化合物的方法在所述机械组件的表面形成所述层。
【专利说明】在机械组件的摩擦面上制备保护层的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在机械组件的摩擦面（tribological surface)上制备保护层的 方法。该方法特别适用于在滚动元件轴承（rolling element bearing)的摩擦面上制备保 护层。
【背景技术】
[0002] 轴承是一种实现两个组件之间的受约束的相对运动的装置。在许多不同类型的机 械装置中可以用轴承来保持和支撑例如车辆上的轮子、风车上的叶片或洗衣机中的滚筒这 样的旋转组件。滚动元件轴承包括内圈和外圈以及多个滚动元件（滚珠或滚子）。当轴承 转动时，内圈和外圈的座圈（raceway)接触滚动元件。这导致在滚动元件和座圈两者上的 磨损路径。出于各种各样的原因，有时会出现轴承没有达到其计算出的额定寿命。滚动疲 劳能够例如作为磨损和微动磨损（fretting)的结果发生。
[0003] 因此，最小化磨损和微动磨损的对延长轴承的疲劳寿命来说是重要的。延长轴承 的疲劳寿命的方法之一是使用润滑，其以油膜的方式减少了各轴承组件的接触区域中的摩 擦和磨损。
[0004] 此外，已知的是通过使用例如硬质涂层来尝试减少磨损。然而，这些硬质涂层往往 是本质脆性的陶瓷，并因此易于开裂和破碎，从而会形成碎片。该碎片进而又导致磨损的增 力口。因此，这些涂层实际上在一些环境下会增加磨损和微动磨损，而不是起减轻磨损和微动 磨损的效果。
[0005] 目前，抵抗轴承上的微动磨损和磨损效应的最成功的方法是使用包含一种或多种 具有抗磨损和/或抗微动磨损性能的添加剂的润滑油、润滑脂、糊剂（paste)以减轻轴承组 件之间的摩擦。随着时间的推移，这些添加剂形成了阻止滚动元件和座圈之间的金属对金 属的接触（metal-to-metal contact)的层。这些添加剂的缺点是需要化学活性的化合物 以提供用于化学反应的特定酸度。化学反应发生在金属基体和活性化合物之间，这会破坏 金属基体。该应用的进一步缺点在于以下事实：从开始使用轴承时该层并不存在，而只有当 已经达到特定温度时层的形成才发生。
[0006] JP3271378中已经描述了处于动态状态的滑动元件或滚动元件的表面上的保护层 的形成。该层通过摩擦化学反应的方式形成，在该反应中使用例如有机硫化合物、有机磷化 合物或有机氯化合物的化学活性化合物。使用这些化合物意味着接触表面受到化学侵蚀， 这可能导致腐蚀、微动磨损和磨损问题。
[0007] 此外，在W02009/071674A2中，通过摩擦化学沉积的过程用二硫化钨层覆盖低摩 擦的机械元件的弯曲表面，在该过程中具有碳化钨表面的工具和含有硫的工艺流体之间的 化学反应的结果是形成二硫化钨。
【发明内容】
[0008] 本发明旨在提供对抗轴承组件之间的磨损和微动磨损效应的新方法，并且该方法 克服能以上讨论的缺点。具体地，本发明提供用于轴承应用中的机械组件，其中机械组件的 摩擦面设有具抗磨损和/或抗微动磨损性能的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐的保护层，将 该金属磷酸盐和/或金属硫酸盐物理沉积于机械组件的摩擦面。因此，在运行轴承之前保 护层已经存在，从而导致改进了轴承的疲劳寿命。此外，该保护层的应用还允许使用不含抗 磨损的和抗微动磨损的添加剂，或者其中这样的添加剂的含量经减少的润滑油，，从而使得 所述轴承的使用更符合成本效益。
[0009] 相应地，本发明涉及在机械组件的摩擦面上制备保护层的方法，其中该层包含具 有抗磨损和/或抗微动磨损性能的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且该方法包括使该组 件的表面经历用处于或沿着摩擦面移动的工具实施的机械处理，该处理期间以固体形式提 供金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且通过物理沉积金属磷酸盐和/或金属硫酸盐的方式 在机械组件的摩擦面上形成所述层。
【具体实施方式】
[0010] 本发明使用金属磷酸盐和/或金属硫酸盐。优选仅使用金属磷酸盐。优选地，本 发明中要使用的金属选自钙、锌、锑、铅、铋和钡。最优选地，金属磷酸盐包括磷酸钙。
[0011] 本发明中要使用的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐为固体形式，例如以粉末形式或 者以糊剂形式。当所使用的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐为糊剂形式时，能够存在少量的 润滑油或润滑脂。合适的是，该润滑油或润滑脂以小于5重量％的含量存在，优选小于2重 量％，并且最优选小于1重量％ (基于糊剂的总重量）。有关润滑油或润滑脂，可以使用任 何公知的润滑油或润滑脂。
[0012] 优选地，以粉末形式提供固体形式的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐。合适的是，可 将金属磷酸盐和/或金属硫酸盐与固体载体材料例如陶瓷材料一起压制成块（block)。优 选地，所述块包含至少50重量％的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，更优选包含70?80重 量％的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐（基于所述块的总重量）。
[0013] 本发明的方法中，在20?150°C的范围的温度、优选在40?120°C的范围的温度 进行机械处理。该机械处理能够适当地进行在1秒至10分钟的范围的时间段，优选在1秒 至2分钟的范围的时间段。适于在0. 01?2GPa的范围的压力、优选在0. 01?lGPa的范 围的压力进行机械处理。
[0014] 根据本发明的方法，待制备的保护层适当地具有在1纳米至2 μ m、优选1纳米至 Ιμπι的范围的厚度。
[0015] 根据本发明，通过物理沉积金属磷酸盐和/或金属硫酸盐的方式在机械组件的摩 擦面上形成保护层。因此，本方法是非化学沉积的方法。
[0016] 根据本发明，能够使用各种各样的机械组件。优选地，机械组件包括轴承组件、变 速器组件（gear box component)、转轴或机床。更优选地，机械组件包括轴承的内圈或外 圈，其中在轴承套圈（bearing ring)的座圈上设置保护层。优选地，根据本发明，在机械 处理之前，使该机械组件经历一种或多种选自研磨（grinding)和?行磨（honing)、硬车削、 ECM(electro chemical machining,电化学加工）、压延、磨光、振动精整（vibrofinishing) 和激光处理的精加工技术（finishing techniques)。
[0017] 用位于或沿着摩擦面的工具实施本发明方法中的机械处理。优选地，借助珩磨类 工艺（hone-like process)实施机械处理。因此，机械处理中待使用的工具适合为?行磨工 具。该珩磨工具能够是本领域已知的任何珩磨工具。合适的是，该可以工具可以包括具有 与珩磨块（hone stone)相似的几何形状的载体。该载体可以是规则的珩磨块，其中外表面 设有金属磷酸盐和/或金属硫酸盐糊剂的层。可替换地，如上面所描述的，该载体可以由已 与陶瓷材料压制在一起的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐粉末的块形成。该载体可以是珩磨 工具或者?行磨工具的组成部分。
[0018] 在该方法中，于圈旋转的同时，将载体压在例如轴承内圈的座圈上。优选地，使轴 承外圈的座圈也经历本发明的方法，以便于在组装轴承时，它能够承受启动时的高负荷，而 没有磨损的风险。因此，根据本发明，能够制造"经精加工"的机械组件，其易于操作并且从 使用初始就表现出优异的抗磨损和/或抗微动磨损性能。
【权利要求】
1. 一种在机械组件的摩擦面上制备保护层的方法，其中所述层包含具有抗磨损和/或 抗微动磨损性能的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且所述方法包括使所述组件的表面经 历用处于或沿着摩擦面移动的工具实施的机械处理，在所述机械处理期间，提供固体形式 的所述金属磷酸盐和/或金属硫酸盐，并且通过物理沉积所述金属磷酸盐和/或金属硫酸 盐的方式在所述机械组件上形成所述层。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述金属选自钙、锌、锑、铅、铋和钡。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中所述金属磷酸盐为磷酸钙。
4. 根据权利要求1?3中任一项的方法，其中所述的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐以 粉末或糊剂的形式提供。
5. 根据权利要求4的方法，其中所述金属磷酸盐和/或金属硫酸盐以粉末的形式提供。
6. 根据权利要求1?5中任一项的方法，其中所述机械处理在20?150°C的范围的温 度，优选在40?120°C的范围的温度实施。
7. 根据权利要求1?6中任一项的方法，其中所述机械处理实施1秒至10分钟的范围 的时间段、优选1秒至2分钟的范围的时间段。
8. 根据权利要求1?7中任一项的方法，其中所述机械处理在0. 01?2GPa的范围的 压力、优选在〇· 01?lGPa的范围的压力实施。
9. 根据权利要求1?8中任一项的方法，其中所述保护层具有在1纳米至2μπι的范 围、优选在1纳米至1 μ m的范围的厚度。
10. 根据权利要求1?9中任一项的方法，其中所述机械组件包括轴承组件、变速器组 件、转轴或机床。
11. 根据权利要求10的方法，其中所述机械组件包括轴承套圈。
12. 根据权利要求1?11中任一项的方法，其中在所述机械处理之前，使所述机械组件 经历一个或多个选自研磨和珩磨、硬车削、ECM (电化学加工）、压延、磨光、振动精整和激光 处理的精加工技术。
13. 根据权利要求1?12中任一项的方法，其中所述机械处理借助于珩磨工具实施。
14. 根据权利要求13的方法，其中在所述珩磨类方法中，使用浸渍有所述的金属磷酸 盐和/或金属硫酸盐的载体或者设有所述的金属磷酸盐和/或金属硫酸盐的层的载体。
【文档编号】C04B41/45GK104160065SQ201280061333
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】M.诺尔德曼, D.马勒, D.梅杰, J.桑登范德 申请人:Skf公司