[發明專利]一種超高速軸承滾珠制造方法與設備

有效

• 申請號: 201510313287.8
• 申請日: 2015-06-05
• 公開（公告）號: CN105081287A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 劉南林
• 申請（專利權）人: 劉南林
• 主分類號: B22D27/00
• 分類號: B22D27/00;C22C1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1、技術領域

本發明采用高頻快速熔煉、失重成型等技術，設計了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經高頻熔煉為合金液體，在均勻阻力場作用下，使合金液體在失重狀態下滴落，快速冷卻，依靠液體表面張力自然成型的超高速軸承滾珠制造方法與設備。這種方法制造的軸承滾珠，其內部金屬原子分布均勻、致密、沒有金屬晶體結構、也不存在晶格缺陷，與現有金屬合金材料及現有加工工藝制造的超高速軸承滾珠相比，具有更佳的剛性、彈性、韌性和耐高溫、耐疲勞性、耐磨損性，并且可以一次成型。既簡化了制造工藝，降低了制造成本，又提高了軸承使用壽命。適用于飛行器、高速離心機等超高速軸承制造行業。本發明屬于新材料應用和金屬材料加工工藝領域。

2、背景技術

非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態的金屬液體在極速(百萬分之一秒)冷卻狀況下，金屬液體中的原子來不及移動形成有序晶格就以無序狀態凝固成固體。這種固體被稱之為非晶金屬。由于非晶金屬固體內部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態特征，所以，非晶金屬內部的微觀結構與普通金屬內部原子有序排列構成晶格的微觀結構迥異。這種金屬內部原子分布狀態的改變，直接導致金屬性能發生了令人吃驚的變異。譬如，非晶金屬不存在晶格，也就沒有晶格之間的滑動和晶格缺陷，因而非晶金屬沒有普通金屬的延展性。正因為非晶金屬質地緊密、均勻、無結構性缺陷的玻璃態特性，決定了非晶金屬具有普通金屬難以媲美的剛性、韌性、彈性和化學穩定性。此外，非晶金屬在受熱融化時，沒有固定的熔點，像玻璃一樣，先軟化，再由稠變稀，經過一個溫度上升區間后，才能完全液化。并且，非晶金屬在液化過程中具有較好的流動性和填充性，經冷卻固化后、因沒有晶體形成，故原子排列狀態仍然與液態時相同，所以，體積保持不變。這種特性使得非晶金屬可以在一定溫度區間內，像玻璃、塑料一樣，利用模具精確成型。

由于采用極速冷卻方法獲得的非晶金屬，不但成本高昂且很難獲得大體積的非晶金屬。通常這種方法只能用于制造薄片狀或粉末狀的非晶金屬。

大體積的非晶金屬又稱大塊非晶金屬合金。現有的大塊非晶金屬合金制造技術是利用幾種原子體積相差較大的金屬，按照一定的配比混合，在加熱熔融為液態時，由于金屬原子體積相差較大，形成相互粘滯狀態，定向移動困難，所以在凝固時難以組合形成有序晶格。因此，通過設計恰當的金屬組分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無序狀態的大塊非晶金屬合金。

現有超高速軸承滾珠主要制造材料有鈦、鎳、錳、鎢、鉻等超硬金屬，或其合金。由于這些材料以金屬晶體狀態存在，其內部不可避免存在著一定量的晶格缺陷，會產生疲勞、斷裂、磨損現象，限制了超高速軸承滾珠的力學性能和使用壽命進一步提高。而采用大塊非晶金屬合金材料制造超高速軸承滾珠可以解決金屬晶體合金的缺陷，大幅度提高其使用性能。

大塊非晶金屬合金液體在地球重力場、及液態粘稠均勻介質阻力場共同作用形成的失重環境中，下落時的形狀受表面張力作用，由流線體轉變為較完美的球體，經冷卻凝固后，可以一次成型為用于軸承的滾珠。解決了大塊非晶金屬合金這種超硬合金不容易機械加工的問題。采用這種方法制造的超高速軸承滾珠不僅省去了機械加工過程，而且表面光潔度高于機械拋光工藝。此外，處于液態介質環境中，大塊非晶金屬合金液體在固化成型過程中，完全與空氣隔絕，可以避免內部存在孔隙或表面發生氧化反應。

3、發明內容

為進一步提高超高速軸承滾珠力學、化學、熱學性能，延長使用壽命、簡化加工工藝、降低制造成本，本發明提出的制造方法與設備解決方案如下：

采用以鋁、鈦、鋯、鎳、銅、鋅、鉻、錳等金屬元素為主要成分的大塊非晶金屬合金材料為原料提高超高速軸承滾珠的使用性能，降低比重。

采用具有較強粘滯性的淀粉類有機高分子溶液作為均勻阻力場，調整控制其粘度與大塊非晶金屬合金材料比重相互匹配，使大塊非晶金屬合金液體在有機高分子溶液中，重力與阻力接近，以勻速運動下落，在凝固過程中形成完美的球體。既解決了硬度極高的大塊非晶金屬合金加工成型問題，又解決了大塊非晶金屬合金液體固化過程中可能發生的氧化反應和內部出現孔隙等影響質量的問題。

采用高頻爐熔融大塊非晶金屬合金原料，既操作方便，又可以提高大塊非晶金屬合金液化速度。

采用導熱性能優良的并具有循環熱油調控恒溫功能的金屬容器保持有機高分子溶液處于恒溫狀態。既可以起到散熱冷卻作用又可以使有機高分子溶液粘度保持穩定。