一種超高速軸承滾珠制造方法與設(shè)備的制造方法
【專利說(shuō)明】
1、
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明采用高頻快速熔煉、失重成型等技術(shù)，設(shè)計(jì)了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經(jīng)高頻熔煉為合金液體，在均勻阻力場(chǎng)作用下，使合金液體在失重狀態(tài)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(shè)備。這種方法制造的軸承滾珠，其內(nèi)部金屬原子分布均勻、致密、沒(méi)有金屬晶體結(jié)構(gòu)、也不存在晶格缺陷，與現(xiàn)有金屬合金材料及現(xiàn)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(jiǎn)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(jī)等超高速軸承制造行業(yè)。本發(fā)明屬于新材料應(yīng)用和金屬材料加工工藝領(lǐng)域。
2、
【背景技術(shù)】
[0002]非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態(tài)的金屬液體在極速(百萬(wàn)分之一秒)冷卻狀況下，金屬液體中的原子來(lái)不及移動(dòng)形成有序晶格就以無(wú)序狀態(tài)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(nèi)部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態(tài)特征，所以，非晶金屬內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與普通金屬內(nèi)部原子有序排列構(gòu)成晶格的微觀結(jié)構(gòu)迥異。這種金屬內(nèi)部原子分布狀態(tài)的改變，直接導(dǎo)致金屬性能發(fā)生了令人吃驚的變異。譬如，非晶金屬不存在晶格，也就沒(méi)有晶格之間的滑動(dòng)和晶格缺陷，因而非晶金屬?zèng)]有普通金屬的延展性。正因?yàn)榉蔷Ы饘儋|(zhì)地緊密、均勻、無(wú)結(jié)構(gòu)性缺陷的玻璃態(tài)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(xué)穩(wěn)定性。此外，非晶金屬在受熱融化時(shí)，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，像玻璃一樣，先軟化，再由稠變稀，經(jīng)過(guò)一個(gè)溫度上升區(qū)間后，才能完全液化。并且，非晶金屬在液化過(guò)程中具有較好的流動(dòng)性和填充性，經(jīng)冷卻固化后、因沒(méi)有晶體形成，故原子排列狀態(tài)仍然與液態(tài)時(shí)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(qū)間內(nèi)，像玻璃、塑料一樣，利用模具精確成型。
[0003]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。
[0004]大體積的非晶金屬又稱大塊非晶金屬合金。現(xiàn)有的大塊非晶金屬合金制造技術(shù)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(tài)時(shí)，由于金屬原子體積相差較大，形成相互粘滯狀態(tài)，定向移動(dòng)困難，所以在凝固時(shí)難以組合形成有序晶格。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)慕饘俳M分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無(wú)序狀態(tài)的大塊非晶金屬合金。
[0005]現(xiàn)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(tài)存在，其內(nèi)部不可避免存在著一定量的晶格缺陷，會(huì)產(chǎn)生疲勞、斷裂、磨損現(xiàn)象，限制了超高速軸承滾珠的力學(xué)性能和使用壽命進(jìn)一步提高。而采用大塊非晶金屬合金材料制造超尚速軸承滾珠可以解決金屬晶體合金的缺陷，大幅度提尚其使用性會(huì)K。
[0006]大塊非晶金屬合金液體在地球重力場(chǎng)、及液態(tài)粘稠均勻介質(zhì)阻力場(chǎng)共同作用形成的失重環(huán)境中，下落時(shí)的形狀受表面張力作用，由流線體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^完美的球體，經(jīng)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(jī)械加工的問(wèn)題。采用這種方法制造的超高速軸承滾珠不僅省去了機(jī)械加工過(guò)程，而且表面光潔度高于機(jī)械拋光工藝。此外，處于液態(tài)介質(zhì)環(huán)境中，大塊非晶金屬合金液體在固化成型過(guò)程中，完全與空氣隔絕，可以避免內(nèi)部存在孔隙或表面發(fā)生氧化反應(yīng)。
3、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為進(jìn)一步提高超高速軸承滾珠力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)性能，延長(zhǎng)使用壽命、簡(jiǎn)化加工工藝、降低制造成本，本發(fā)明提出的制造方法與設(shè)備解決方案如下:
[0008]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。
[0009]采用具有較強(qiáng)粘滯性的淀粉類有機(jī)高分子溶液作為均勻阻力場(chǎng)，調(diào)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(jī)高分子溶液中，重力與阻力接近，以勻速運(yùn)動(dòng)下落，在凝固過(guò)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(wèn)題，又解決了大塊非晶金屬合金液體固化過(guò)程中可能發(fā)生的氧化反應(yīng)和內(nèi)部出現(xiàn)孔隙等影響質(zhì)量的問(wèn)題。
[0010]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。
[0011]采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的并具有循環(huán)熱油調(diào)控恒溫功能的金屬容器保持有機(jī)高分子溶液處于恒溫狀態(tài)。既可以起到散熱冷卻作用又可以使有機(jī)高分子溶液粘度保持穩(wěn)定。
[0012]采用具有旋轉(zhuǎn)閥門(mén)功能的密封原料罐，既避免原料高溫氧化，又可以解決大塊非晶金屬合金液體定量問(wèn)題。只有每次下落的大塊非晶金屬合金液體體積相同，才能保證凝固成型的軸承滾珠直徑一致。
4、
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。生產(chǎn)設(shè)備由原料熔融系統(tǒng)、大塊非晶金屬合金液體定量系統(tǒng)、均勻粘稠介質(zhì)阻力場(chǎng)系統(tǒng)組成。原料熔融系統(tǒng)包括:高頻電源(I)、高頻加熱線圈(2)、耐熱陶瓷管(3)、密封耐熱陶瓷原料罐(4)、液態(tài)原料通道(16)、及通道入口(17)構(gòu)成。液體定量系統(tǒng)由密封耐熱陶瓷原料罐(4)、轉(zhuǎn)動(dòng)控制器(10)構(gòu)成。均勻粘稠介質(zhì)阻力場(chǎng)系統(tǒng)包括:金屬容器(11)、有機(jī)高分子溶液(12)、熱油通道(13)、恒溫控制柜(14)、超高速軸承滾珠(15)、出料閥門(mén)(18)構(gòu)成。
圖2是密封耐熱陶瓷原料罐(4)結(jié)構(gòu)圖。罐體(4)由耐熱陶瓷活塞(5)、大塊非晶合金原料(6)、液態(tài)原料(7)通道(8)、及通道出口(9)構(gòu)成。設(shè)備工作時(shí)，密封耐熱陶瓷原料罐(4)插入高頻加熱線圈(2)纏繞的耐熱陶瓷管(3)中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制器帶動(dòng)密封耐熱陶瓷原料罐(4)轉(zhuǎn)動(dòng)使通道出口(9)與耐熱陶瓷管(3)底部液態(tài)原料通道(16)入口(17)發(fā)生對(duì)接時(shí)，液態(tài)原料(7)滴落入金屬容器中的有機(jī)高分子溶液中。
5、
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案為:金屬容器(11)是直徑約I米的高度約為1.5米的圓柱體，由導(dǎo)熱良好的金屬銅制成。金屬容器(11)漏斗形內(nèi)腔體充滿由有機(jī)高分子制成的粘稠狀溶液(12)。金屬容器(11)腔體外壁夾