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1、(10)申请公布号 CN 102748380 A (43)申请公布日 2012.10.24 C N 1 0 2 7 4 8 3 8 0 A *CN102748380A* (21)申请号 201210235583.7 (22)申请日 2012.07.06 F16C 17/00(2006.01) F16C 33/04(2006.01) F16C 33/12(2006.01) F16C 33/14(2006.01) (71)申请人东南大学 地址 210096 江苏省南京市四牌楼2号 (72)发明人蒋书运 程峰 (74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人柏尚春 (54。
2、) 发明名称 一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构 (57) 摘要 本发明公开了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。本发明高速水轴承结构，具有绿色环 保、工艺简便、性价比高、适宜批量生产等特点，制 备的陶瓷薄膜与基底金属结合力强，适用于高速 水轴承结构，能与水润滑介质很好的亲和，其具有 微形貌特征的多孔陶瓷层皆有良好的抗空蚀与减 阻性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (19)中华人民共。
3、和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一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；其特征在于： 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。 2.根据权利要求1所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于：所述 的全陶瓷材料，通过粉末冶金工艺制备得到。 3.根据权利要求1或2所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于： 所述全陶瓷材料为Al 2 O 3 、Si 3 N 4 等。 4。
4、.根据权利要求2所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于：所述 粉末冶金工艺为用陶瓷粉末作为原料，经过干压或等静压等压制成型后再烧结的过程。 5.根据权利要求1所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于：所述 不脆的轻金属材料为铝合金或钛合金。 6.根据权利要求5所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于：所 述的微弧氧化膜层是在不脆的轻金属材料的表面，通过微弧氧化工艺原位生长出Al 2 O 3 或 TiO 2 的多孔陶瓷膜层。 7.根据权利要求1所述的一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构, 其特征在于：所述 的微弧氧化膜层膜厚达到100-250um。 权 。
5、利 要 求 书CN 102748380 A 1/3页 3 一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构 技术领域 0001 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 0002 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，。
6、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。 0003 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-A。
7、g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。
8、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。
9、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 0004 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 说 明 书CN 102748380 A 2/3页 4 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。 0005 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。 0006。
10、 作为优选，所述的全陶瓷材料，是由陶瓷粉末原料（如Al 2 O 3 、Si 3 N 4 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。 0007 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Al 2 O 3 或TiO 2 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。
11、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。 0008 有益效果：本发明高速水轴承结构，具有绿色环保、工艺简便、性价比高、适宜批量 生产等特点，制备的陶瓷薄膜与基底金属结合力强， 适用于高速水轴承结构，能与水润滑 介质很好的亲和，其具有微形貌特征的多孔陶瓷层皆有良好的抗空蚀与减阻性能，能突破 高速水轴承发热严重的技术难题，满足新一。
12、代高速电主轴支撑部件的设计要求。 附图说明 0009 图1为本发明水轴承结构示意图； 图2为图1的A-A面剖视图。 具体实施方式 0010 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。 0011 如图1和2所示：一种带微弧氧化膜层的高速水轴承结构,包括水轴承1和主轴 3，所述主轴3外面套有水轴承1，水轴承1内设有小孔节流器4； 所述水轴承1轴颈采用全陶瓷材料制成； 所述水轴承1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2。 0012 所述的全陶瓷材料，是采用化学法制备微米级的Si 3 N 4 粉末颗粒原料，通过等静压 成型工艺压制成型，最后经过高温烧结工艺制备得到全陶瓷轴颈。 0013 所述的微弧氧化膜层2，是在硬铝合金材料LY12的内孔圆柱表面上通过微弧氧化 工艺生长出高耐磨性、抗空蚀腐蚀的-Al 2 O 3 多孔陶瓷膜层，致密层膜厚200um，HV硬度高 于2000。 0014 应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下， 说 明 书CN 102748380 A 3/3页 5 还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未 明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 说 明 书CN 102748380 A 1/1页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102748380 A 。