阅读说明：本技术 一种基于结构赋能材料的向心关节轴承及制备方法 (Radial spherical plain bearing based on structure enabling material and preparation method ) 是由 许旸 刘保建 蒋百铃 颜国君 杜玉洲 王旭 翟瑞锋 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于结构赋能材料的向心关节轴承,包括关节球和外套圈,关节球和外套圈均由结构赋能材料制备而成,关节球和外套圈内部的金相组织中,基体为奥铁体,石墨形态为：石墨球径≤25μm、球化率为100％、石墨球密度达到300-600个/mm<Sup>2</Sup>。本发明制备方法中,通过观察拉拔出一个步距的型材的颜色,及时将铁水的成分调控至共晶成分的微小范围内,显著增大球化率,获得100％球化的共晶石墨,且石墨球径≤25μm,避免出现大块的初生石墨；通过粗加工和磨削加工,制备具有自润滑性的关节球以及制备外套圈,组装得到向心关节轴承,具有吸音减震,良导热,且结构简单紧凑,对各种复杂的实际工况有较好的适应性。(The invention discloses a centripetal joint bearing based on a structure enabling material, which comprises a joint ball and an outer ring, wherein the joint ball and the outer ring are both prepared from the structure enabling material, and in the metallographic structure in the joint ball and the outer ring, a substrate is austeniteThe iron body and the graphite form are as follows: the diameter of the graphite sphere is less than or equal to 25 mu m, the spheroidization rate is 100 percent, and the density of the graphite sphere reaches 300-600 spheres/mm 2 . In the preparation method, the color of the section bar drawn by one step is observed, the components of the molten iron are timely regulated and controlled to be within a tiny range of the eutectic components, the spheroidization rate is obviously increased, 100 percent spheroidized eutectic graphite is obtained, the sphere diameter of the graphite is less than or equal to 25 mu m, and the occurrence of large blocks of primary graphite is avoided; through rough machining and abrasive machining, prepare the joint ball that has self-lubricating nature and prepare outer ferrule, assemble and obtain radial spherical plain bearing, have the sound absorption shock attenuation, good heat conduction, and simple structure is compact, has better adaptability to various complicated operating condition.)

一种基于结构赋能材料的向心关节轴承及制备方法

技术领域

本发明属于向心关节轴承技术领域，具体涉及一种基于结构赋能材料的向心关节轴承，本发明还涉及一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的制备方法。

背景技术

向心关节轴承是关节轴承中的一种，其滑动接触表面是一个铰接的内球面和外球面，运动时可以在任意角度旋转、在0-45°角度范围内倾斜摆动，具有自动调心作用，当支承轴与轴壳孔的不同心度较大时，仍能正常工作，对机械装配和运动精度的容差性较强，承载能力大。向心关节轴承具有结构紧凑、重量轻、耐冲击、自润滑、使用及维修方便、安全可靠性强等优点，因而广泛应用于工程机械、自动化设备、液压油缸、锻压机床、军工机械上。

向心关节轴承的上述结构特点，使得其难以实施油脂润滑。为了降低内外球面间的摩擦，出现了衬垫式自润滑关节轴承。这类轴承是在卡套的内球面上粘贴一层自润滑衬垫，和/或在内套的球面上喷涂一层固体润滑剂，用其内、外球面间的滑动摩擦来代替摩擦副表面的直接摩擦。目前常见的衬垫和喷涂材料为聚四氟乙烯。然而聚四氟乙烯对粘接剂和粘接工艺有严格要求，存在脱落和撕裂隐患；质地较软，在轴承摆动中，会被逐渐挤出受力面间隙；硬度较低，在刮蹭磨损中逐渐减薄，耐磨寿命有限。也有采用高强度、高硬度、减摩耐磨特性较好的陶瓷作为内圈材料。但是陶瓷材料无韧性，脆性大，限制了它的普遍应用，只能在冲击载荷不大的场合下使用。

另外，用在飞机上的关节轴承需要在零下几十度至零上百十度服役，为了减少热应力，材料的导热性能要好。

由此可知，向心关节轴承除了需具备一般结构材料所应具备的力学性能(抗拉强度、屈服强度、硬度、韧性、弹性模量、疲劳强度等等)之外，还应具备自润滑等其它性能。本发明把这种在具有良好力学性能的同时，兼具一种或多种其他物理化学性能(吸音、减震、良导热、低温升等)的材料，称为“结构赋能材料”。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于结构赋能材料的向心关节轴承，解决了传统向心关节轴承粘接润滑膜易脱落、撕裂、使用寿命和可靠性差的问题。

本发明的另一个目的是提供一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于结构赋能材料的向心关节轴承，包括关节球和外套圈，关节球和外套圈均由结构赋能材料制备而成；

关节球由以下组分组成：C：3.5％-3.7％、Si：2.6-2.9％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.2％和余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％；

外套圈由以下组分组成：C：3.3％-3.5％、Si：2.9-3.2％、Mn：≤0.15％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.1％和余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％。

本发明的特征还在于，

关节球和外套圈的内部微观结构均为：石墨球径≤25μm；型材中的球化率为100％；型材中的石墨球密度达到300-600个/mm²。

本发明所采用另一个技术方案是，一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，用垂直连铸方法拉制关节球所用的球铁管材或实心棒材时，将预设成分物料在感应电炉中熔化成铁水，预设成分物料由以下组分组成：C：3.5-3.7％、Si：1.6-1.8％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.2％、余量Fe；

用垂直连铸方法拉制外套圈所用的球铁管材或实心棒材时，将预设成分物料在感应电炉中熔化成铁水，预设成分物料由以下组分组成：C：3.3-3.5％、Si：1.8-2.1％、Mn：≤0.15％、≤≤0.015％、Cr：≤0.1％、余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％；

步骤2，把熔化好的铁水静置不少于20min，使用垂直连铸方法拉制型材，将步骤1中的铁水倒入吊包，向铁水加入球化剂和孕育剂，使铁水经孕育和球化处理后的硅含量为2.6-2.9％，残镁含量为0.035-0.045％；

步骤3，将步骤2中经孕育和球化处理后的铁水注入连铸炉的炉膛，随后流入结晶器中冷凝成管材或棒材，与伸入结晶器的引晶杆前端相嵌套，此时启动拉拔机通过提拉引晶杆，对管材或棒材进行步进式提拉，得到型材；

对从结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察，若一个步距的型材为均匀橘红色，将经步骤2孕育和球化处理后的铁水持续向连铸炉的炉膛内注入，使其充满所述结晶器，以使拉拔工艺连续进行；若一个步距的型材呈条带状黑白相间分布，则需向连铸炉的炉膛中加入步骤2的孕育剂1-2次，向步骤1的电炉中加入增碳剂，继续拉拔，观察颜色直至为均匀的橘红色结束；

步骤4，待步骤3拉拔工艺结束，对得到的型材进行金相检测和电镜检测；

步骤5，待步骤4金相检测和电镜检测结束后，对型材进行正火处理；

步骤6，对经步骤5处理后的型材粗加工为关节球，并预留0.2-0.3mm的磨量，随后进行等温淬火处理和磨削加工，得到所需关节球；

步骤7，重复步骤1至步骤5，得到外套圈；

步骤8，将步骤6的关节球和步骤7的外套圈装配，得到所需的向心关节轴承。

本发明的特征还在于，

步骤4的金相检测和电镜检测标准是：

石墨球径≤25μm；型材中的球化率为100％；型材中的石墨球密度达到300-600个/mm²，具体的距型材表层15mm内的石墨球密度≥400个/mm²；距表面15mm以外的石墨球密度≥300个/mm²。

步骤5的正火处理具体为：

经步骤3金相检测和电镜检测合格的型材在875-885℃下，保温90-120min，并在出炉后空冷至室温。

步骤6等温淬火处理的步骤：在890-910℃下，保温40-60min，随后浸入温度范围为255-265℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

步骤7中，外套圈等温淬火处理的步骤：在890-910℃下，保温30-60min，随后浸入温度范围为325-335℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

步骤2中孕育剂为75#硅铁或含锶硅铁、或含钡硅铁、或含锆硅铁或硅钡合金；

球化剂为稀土镁、或钇重稀土、或镁合金；

步骤2中增碳剂为石墨、或焦炭、或木质碳。

本发明的有益效果是：本发明一种自润滑向心关节轴承的制备方法，通过观察刚拉拔出一个步距的型材的颜色是否为均匀橘红色，及时将铁水的成分调控至共晶成分的微小范围内，显著增大球化率，获得近100％球化的共晶石墨，且石墨球径≤25μm，避免出现大块的初生石墨，从而造成力学性能损伤的情况发生，最终通过粗加工和磨削加工，制备具有自润滑性的关节球以及制备外套圈，组装得到自润滑向心关节轴承，该自润滑向心关节轴承使用结构赋能材料，具有自润滑性，且结构简单紧凑，有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的结构示意图；

图2是本发明一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的剖视图；

图3是本发明向心关节轴承制备方法中的制备关节球和外套圈时在共晶成分下颜色示意图；

图4是本发明向心关节轴承制备方法中的制备关节球和外套圈时在非共晶成分下颜色示意图；

图5是本发明向心关节轴承制备方法中的制备关节球和外套圈时扫描电镜的表面形貌图；

图6是本发明向心关节轴承制备方法中的制备关节球和外套圈时金相检测的表面形貌图；

图7是本发明向心关节轴承制备方法中的制备关节球时等温淬火曲线图；

图8是本发明向心关节轴承制备方法中的制备外套圈时的等温淬火曲线图；

图9是本发明向心关节轴承制备方法中的关节球与外圈套在压制前的结构示意图；

图10是本发明向心关节轴承制备方法中的关节球与外圈套在压制完成结构示意图；

图11是本发明向心关节轴承制备方法中的另一种外圈套的结构示意图；

图12是图11中A-A剖面的剖视图。

图中，1.向心关节轴承，2.关节球，

3.外套圈，31.外套圈上体，32.外套圈下体，

4.销钉，5.螺栓，6.上压模具，7.下垫模具，8.约束套筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

向心关节轴承1主要用于一定角度范围内做倾斜旋转运动，是一种能够依靠自身结构材料润滑的重要零部件。如图1和图2所示，自润滑向心关节轴承1包括关节球2和外套圈3。关节球2的外球面与外套圈3的内球面可滑动地接触，关节球2可以在任意角度内转动和一定角度范围内摆动，且具有自动调心的作用，对机械装配和运动精度的容差性较强，承载能力大。

向心关节轴承1有两种：一种关节球2外径≤60mm，记为小型向心关节轴承；另一种关节球2外径>60mm的为大型向心关节轴承。区别主要在于：小型向心关节轴承的外套圈3是整体式的，而大型向心关节轴承的外套是分体式的。

一种基于结构赋能材料的向心关节轴承，包括关节球2和外套圈3，关节球2和外套圈3均由结构赋能材料制备而成；

关节球2由以下组分组成：C：3.5％-3.7％、Si：2.6-2.9％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.2％和余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％；

外套圈3由以下组分组成：C：3.3％-3.5％、Si：2.9-3.2％、Mn：≤0.15％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.1％和余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％。

关节球2和外套圈3的内部微观结构均为：石墨球径≤25μm；型材中的球化率为100％；型材中的石墨球密度达到300-600个/mm²。细密圆整的石墨球分散了零件受力变形时作用于石墨球与基体组织间的应力应变，故其疲劳强度和疲劳寿命也将显著提高，达到或超过普通淬火钢的水平。

关节球2与外套圈3相接触的球面上无需依靠衬垫，只依靠材料表面裸露的石墨作为固体润滑剂，石墨直到325℃才开始氧化，使用温度较高，该自润滑向心关节轴承1可在230℃以下温度服役。

本发明一种基于结构赋能材料的向心关节轴承的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，用垂直连铸方法拉制关节球所用的球铁管材或实心棒材时，将预设成分物料在感应电炉中熔化成铁水，预设成分物料由以下组分组成：C：3.5-3.7％、Si：1.6-1.8％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.2％、余量Fe；

用垂直连铸方法拉制外套圈所用的球铁管材或实心棒材时，将预设成分物料在感应电炉中熔化成铁水，预设成分物料由以下组分组成：C：3.3-3.5％、Si：1.8-2.1％、Mn：≤0.15％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：≤0.1％、余量Fe，上述各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95％-100％的理论碳当量；

步骤2，把熔化好的铁水静置不少于20min，使用垂直连铸方法拉制型材，将步骤1中的铁水倒入吊包，向铁水加入球化剂和孕育剂，使铁水经孕育和球化处理后的残镁含量为0.035-0.045％；

孕育剂可促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织，一般孕育5-8min。球化剂采用于将铁水中的石墨结晶成为球状。孕育剂为75#硅铁或含锶硅铁、或含钡硅铁合金；球化剂为稀土镁、或钇重稀土、或镁合金。

把铁水配置为共晶成分有四个优势：一、只有在共晶成分范围内的铁水凝固，才能获得100％的共晶石墨，避免出现初生石墨(初生石墨球的体积较大或很大)，从而保证所有石墨球的直径≤25μm；二、只有在共晶成分和共晶温度下结晶的石墨球，才会因过冷度最大、石墨晶体棱边与{1000}基面上的结晶潜热差别最大，基面快速生长，从而有最高的圆整度，亦即最高的球化率(近100％)，而球化率的高低和球径大小对材料性能有决定性影响；三、共晶反应时与石墨球同时结晶的奥氏体枝晶，阻挡和紊乱了铁水的微区流动，使随着铁水微区流动而漂浮的石墨球不再成串排列分布，避免了材料力学性能的各向异性；四、从铁水实际温度直接到共晶温度的冷却，避免与液相线相交，提高了过冷度，有利于加大相变动力、增加形核率，提高石墨球的密度，减小石墨球体积。

步骤3，将步骤2中经孕育和球化处理后的铁水注入连铸炉的炉膛，随后流入结晶器中冷凝成管材或棒材，与伸入结晶器的引晶杆前端相嵌套，此时启动拉拔机通过提拉引晶杆，对管材或棒材进行步进式提拉，得到型材；

对从结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察，如图3所示，若一个步距的型材为均匀橘红色，将经孕育和球化处理后的铁水持续向连铸炉的炉膛内注入，使其充满结晶器，以使拉拔工艺连续进行；如图4所示，若一个步距的型材呈条带状黑白相间分布，铁水成分即偏离共晶成分，则需向连铸炉的炉膛中加入步骤1的孕育剂1-2次，向步骤1的电炉中加入增碳剂，直到颜色变为均匀橘红色即可，此过程一般需要3-5min，若铁水成分处于过共晶成分区，需及时降低后续铁水的碳硅当量。

若电炉中的铁水静置时间过长，铁水会发生脱碳情况，还需向电炉中加入增碳剂。增碳剂为石墨、或焦炭、或木质碳。

连铸炉优选垂直连铸炉，同样根据型材的不同，还可以选择平行连铸炉。其中，拉拔出的空心管材(外径≥80mm)或实心棒材(外径＜80mm)。

步骤4，待步骤3拉拔工艺结束，对得到的型材进行金相检测和电镜检测。步骤4所述的金相检测和电镜检测标准是：石墨球径≤25μm；型材中的球化率为100％；型材中的石墨球密度达到300-600个/mm²，具体的距型材表层15mm内的石墨球密度≥400个/mm²；距表面15mm以外的石墨球密度≥300个/mm²。

如图5所示，可看出石墨球形态大小均匀且一致，球化率近100％。若各项指标均不符合检测标准，则需重新进行制备该材料。金相检测作为扫描电镜之前的一个预判检测，如图6所示，可以看出石墨球化率近100％，分布均匀，石墨球形态大小均匀且一致。

步骤5，待步骤4金相检测和电镜检测结束后，对型材进行正火处理。步骤5正火处理具体为：经步骤3金相检测和电镜检测合格的型材在875-885℃下，保温90-120min，并在出炉后空冷至室温。

步骤6，对经步骤5处理后的型材粗加工为关节球，并预留0.2-0.3mm的磨量，随后进行等温淬火处理和磨削加工，得到所需关节球。步骤6等温淬火处理的步骤：在890-910℃下，保温40-60min，随后浸入温度范围为255-265℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

如图7所示，其中当关节球2有效厚度大于15mm时，t为超厚部分所需延长的时间，即t＝0.5×超厚部分(mm)，t单位为min。将关节球2在890-910℃下，保温30min以上；将关节球2浸入温度范围为255-265℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；将淬火后的关节球2取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。经过等温淬火处理后，关节球2硬度为HRC46-50，这个硬度范围保证了关节球2具有较高强度和耐磨性。

需要说明的是，由于材料中的石墨细密，曲率半径小，溶解速度快，故在本发明中等温淬火工艺中：奥氏体化时间和等温淬火时间短，比传统ADI淬火的奥氏体化保温时间和等温淬火时间缩短了约1/3。

步骤7，重复步骤1至步骤5，得到外套圈；步骤7中外套圈等温淬火处理的步骤：在890-910℃下，保温30-60min，随后浸入温度范围为325-335℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。

在制备外套圈时，拉拔出的空心管材(外径≥60mm)或实心棒材(外径＜60mm)。

对粗加工后的外套圈3进行等温淬火处理。等温淬火处理工艺曲线，如图8所示，将外套圈3在890-910℃下，保温30min以上；将外套圈3浸入温度范围为325-335℃的硝盐槽中进行淬火，保温40-60min；将淬火后的外套圈3取出空冷至室温，并用清水去除盐渍。经过等温淬火处理后，外套圈3硬度为HRC38-42，外套圈3处于这个硬度范围，具有中等强度，也有塑性变形的能力，保证了在进行后续组装工艺时，例如“炸口”或“抱圆”(即外套圈3卡住球形的关节球2)，有足够的塑性变形量但又不产生裂纹。

步骤8，将步骤6的关节球和步骤7的外套圈装配，得到所需的向心关节轴承。

主要通过如下方法进行组装：在关节球2和外套圈3的表面涂抹石墨粉；将下垫模具7装入约束套筒8；将关节球2放入下垫模具7中；将外套圈3装入约束套筒8中；通过压力机和上压模具6将外套圈3压下，使其下部塑性变形，抱住关节球2，内外球面相贴合；将抱住了关节球2的外套圈3放在三点式滚轮压力机上旋转，调整其椭圆度和内外套圈3的间隙，使两者呈现动配合精度。如图9所示，箭头方向为下压方向，如图10所示，为装配完成的装填。

压力机可是液压机，还可是螺旋压力机或曲柄压力机。压力机主要通过对坯件施加强大的压力使金属发生塑性变形，以便抱住关节球。

而对于尺寸较大的向心关节轴承，若要使整体式的外套圈3抱住关节球2，需要大尺寸的塑性变形，容易产生裂纹，另外，大变形所带来的材料弹性回复较大，也给配合间隙的控制带来困难，故采用组合式的结构，即把外套圈3分成上下两体，分别是外套圈上体31和外套圈下体32，用两个销钉4固定其精确位置，保证上下体不致错位，用四个螺栓5紧固成一体，具体如图11和图12所示。

自润滑向心关节轴承1在工作时，依靠石墨作为润滑剂。结构赋能材料的坯材为球墨铸铁，内含大量石墨球(300-600个/mm²)，石墨晶体容易发生层间解理，而同层原子间不易分离，所以石墨呈现出“片状结构”，具有润滑的性质。本发明制作的关节球2和外套圈3，按行业标准对配合间隙进行加工与装配的自润滑向心关节轴承1，在服役过程的初期，外套圈3与关节球2接触摩擦，球面上裸露的石墨(以及装配时涂抹的石墨)被对磨面上的微凸体刮蹭下来，以微小片层状蔓布吸附在整个摩擦面上，形成了石墨层膜。从微观看，内外套圈表面的凹坑处，填充着较厚的石墨，而微凸体所接触的区域，只有数层石墨晶体片层。石墨膜的内摩擦系数很小，起到润滑作用，而且隔离了对偶摩擦面，避免了低速重载滑动摩擦时容易发生的焊合，从而避免了粘着磨损。由于石墨性质稳定，在325℃以上才发生氧化，故在常温情况下，可以长期存在。显然，诸如PTFE衬垫式关节轴承的一系列缺点和局限性(被挤出、磨损快、脱落和撕裂等)，自润滑向心关节轴承1中均都不会存在，使用可靠性和寿命将得到延长。