一种钛合金自润滑关节轴承制备工艺

技术领域

本发明涉及轴承领域，具体是一种自润滑关节轴承制备工艺。

技术背景

自润滑关节轴承是一种球面滑动轴承，主要由外圈、内圈和自润滑层组成，外圈和内圈材料为金属材料，自润滑层多采用PTFE/芳纶纤维织物等固体润滑材料，内圈外表面和自润滑层构成轴承的摩擦副，自润滑关节轴承具有结构简单、承载能力强、自润滑性能好等优点，广泛应用于航空航天等领域。

随着技术的发展，钢制自润滑关节轴承质量大、耐腐蚀性差的缺点逐渐显现，限制了自润滑关节轴承在航空飞行器的进一步应用，钛合金具有质量轻、比强度大、耐腐蚀性好的优点，广泛应用于航空航天和海洋设备领域，采用钛合金制备自润滑关节轴承能够显著降低轴承重量、提高轴承耐腐蚀性，逐渐受到人们的关注，中国专利(CN103357810B)公开了一种钛合金关节轴承内圈挤压成型制造方法，但该发明只适于加工钛合金外圈-铜合金内圈自润滑关节轴承。中国专利(CN112483549A)提供了一种钛合金轻量化自润滑耐磨关节轴承及其制备方法，该方法需要在外圈内球面上加工出微凹坑织构，并在微凹坑织构内填充固体润滑剂，但该方法未说明固体润滑剂的填充方式。中国专利(CN102537037A)公开的自润滑关节轴承加工方法采用PTFE纺织复合材料为自润滑层，不适合聚合物基自润滑层的关节轴承制备。中国专利(CN106931036A)提供了一种钛合金关节轴承及其加工方法，该专利未具体说明轴承外圈上自润滑层制备方式。中国专利(ZL200520100957X)提供了以球形青铜粉为过渡层的铝基合金复合自润滑轴承，但该专利未说明在钛合金基体上的应用，不适合采用挤压成形工艺制备钛合金自润滑关节轴承。

综上所述，目前钛合金关节轴承研究在轴承设计和制造方法方面取得一定进展，但在以聚合物为自润滑层的钛合金自润滑关节轴承制备工艺方面还有少有研究，由于在服役过程中轴承经常处于重载、高摆动频率、高温等恶劣工况环境，自润滑层的磨损会导致关节轴承内外圈间隙增大和摩擦系数急剧增加，因此自润滑层的磨损失效被认为是降低关节轴承使用寿命的最主要原因。采用摩擦磨损性能更为优异的自润滑材料作为钛合金自润滑关节轴承的自润滑层能够有效的提高轴承使用性能和服役寿命，但许多摩擦磨损性能优异的聚合物存在难以与金属粘结，可塑性差不适合挤压成形的问题，因此以高性能改性聚合物自润滑材料为自润滑层的钛合金自润滑关节轴承制备工艺需要进一步研究。

发明内容

本发明提供一种钛合金自润滑关节轴承制备工艺，其目的在于满足轴承轻质化、高耐腐蚀性的需求下，以高性能自润滑材料为自润滑层，制备出承载能力强、摩擦磨损性能优异的钛合金自润滑关节轴承。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钛合金自润滑关节轴承的制备工艺，所述制备工艺包括以下步骤：

步骤1：采用TC4钛合金加工TC4钛合金轴承外圈和TC4钛合金轴承内圈；

步骤2：在所述TC4钛合金轴承内圈表面采用磁控溅射镀膜技术制备TiN硬质薄膜，制备前先将TC4钛合金轴承内圈清洗干净后装入磁控溅射镀膜设备腔体，将设备腔体内气压抽至2×10-3Pa，通入Ar气，流量为20sccm，偏压-400V，轰击TC4钛合金轴承内圈20min，去除基体表面的杂质；

步骤3：所述TiN硬质薄膜制备过程中磁控溅射镀膜设备腔体气压为0.6Pa，通入氮气流量为30sccm，Ti靶电流3A，基体偏压-70V，沉积时间120min；

步骤4：高性能自润滑层材料为改性PTFE，改性材料包括PTFE、二硫化钼；制备高性能自润滑层采用浸渍烧结的方法需要将高浓度PTFE乳液和粒度≥200目、质量百分比＜45％二硫化钼充分混合，将金属基体浸入混合乳液中后取出，对高性能自润滑层进行高温固化，固化温度350-500℃，固化时间30min-2h，浸渍-固化过程根据轴承要求重复6-10次，固化完成将高性能自润滑层从金属基体上剥离出；

步骤5：所述TC4钛合金轴承外圈处理工艺包括：在TC4钛合金轴承外圈内表面进行喷砂，清洗之后采用酚醛树脂将制备好的高性能自润滑层粘结在外圈内表面上，对酚醛树脂进行固化，固化温度180℃，固化时间2h；

步骤6：所述钛合金自润滑关节轴承成形工艺为两步挤压成形工艺：首先，采用定位芯轴固定成形前TC4钛合金轴承外圈和TC4钛合金轴承内圈位置，上模具按照指定成形距离上下移动实现第一次成形；其次，将成形前TC4钛合金轴承外圈翻转180°重新放置在下模具上，上模具再次上下移动实现第二次成形；最后，将TC4钛合金轴承外圈机加工为所需尺寸。

本发明的有益效果是：结合钛合金质量轻、耐腐蚀性好的优点，将浸渍固化工艺应用于制备自润滑层，保证自润滑关节轴承能够采用挤压成形工艺，实现高性能改性聚合物基体自润滑层的钛合金外圈成形过程，将PVD技术应用于制备钛合金轴承内圈外表面硬质薄膜，改善钛合金耐磨性差的缺点，制备出高性能的钛合金自润滑关节轴承。

附图说明

图1是钛合金轴承挤压成形工艺示意图；

图2是钛合金自润滑关节轴承示意图。

在上述附图中：1.定位芯轴，2.下模具，3.上模具，4.成型前TC4钛合金轴承外圈，5.TC4钛合金轴承内圈，6.TiN硬质薄膜，7.高性能自润滑层，8.加工后TC4钛合金轴承外圈。

具体实施方式

实施例

为了更清楚地说明本发明的技术方案，结合具体实施例，对本发明进行更详细的说明。将高浓度PTFE乳液和二硫化钼(粒度≥200目，质量百分比＜45％)充分混合，将金属基体浸入混合乳液中后取出，对自润滑层进行高温固化，固化温度350-500℃，固化时间30min-2h，浸渍-固化过程根据轴承耐磨要求重复6-10次，固化完成将自润滑层从金属基体上剥离出。根据轴承型号，将TC4钛合金加工成圆环形状，在钛合金轴承外圈4内表面进行喷砂，清洗之后采用酚醛树脂将制备好的自润滑层粘结在外圈内表面上，对酚醛树脂进行固化，固化温度180℃，固化时间2h。所述钛合金自润滑关节轴承成形工艺为挤压成形工艺。将加工成的TC4钛合金轴承内圈5外表面进行抛光，抛光后表面光洁度小于0.2，采用PVD工艺在内圈外表面制备TiN硬质薄膜6，采用两步挤压成形工艺，将轴承内外圈进行成形，如图1所示，所述工艺采用定位芯轴1固定成形前TC4钛合金轴承外圈4和TC4钛合金轴承内圈5位置，上模具3按照指定成形距离上下移动实现第一次成形；其次，将成形前TC4钛合金轴承外圈4翻转180°重新放置在下模具2上，上模具3再次上下移动实现第二次成形；最后，将TC4钛合金轴承外圈4机加工为所需尺寸，如图2所示，制备的钛合金自润滑关节轴承包括：TC4钛合金轴承内圈5，TiN硬质薄膜6，高性能自润滑层7以及加工后TC4钛合金轴承外圈8。

以上实施例为本发明示范性的阐述说明，本发明不局限于以上实施案例，本领域技术人员可以将上述发明的技术内容、具体实施案例和附图所示的各部分任意组合，且均应算入本发明的保护范围之内。