CN101074702A - 无铅自润滑轴承及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种无铅自润滑轴承及其制作方法，该轴承主要由金属基板、烧结于基板上面的球状多孔铜粉层和渗入并且覆盖铜粉层的减摩耐磨塑料层组成，并采用卷制工艺，制成滑动轴承；所述球形青铜粉中不含铅和摩擦层塑料配方中不含铅；所述减摩耐磨塑料层即轴承衬里层的聚合物材料组成，以重量计为聚苯硫醚超细粉体10～20％、聚苯脂超细粉体10～20％、芳纶纤维10～20％，纤维长度为40～120μm，二硫化钼超细粉体6～10％，其余为聚四氟乙烯超细粉体；所述的方法包括在金属基板上烧结一层无铅球形青铜粉层、制作减摩耐磨层的可铺展糊状软体、铺轧、烘干、中轧、烧结、终轧等工序；它克服了复合轴承摩擦塑料层因含铅而不宜在汽车、食品、制药、家电、办公、饮料等机械制造业中使用的缺点；具有产品结构简单，使用效果好，使用寿命长，制造工艺简单、合理等特点。

Description

无铅自润滑轴承及其制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种滑动轴承，尤其是一种采用三层复合材料制造的无铅自润滑轴承。
背景技术
早在20世纪70年代就已问世的DU轴承就是这样一种三层复合轴承，但因为它的摩擦层衬里层是采用聚四氟乙烯(PTFE)和铅(Pb)的混合物烧结而成的，虽然在部分应用领域中可以取代铜合金轴套并取得降低成本和提高使用寿命的目的，但因为它在轴承摩擦层中含有金属铅成份，这种铅元素和铅的化合物是有毒物质，由于轴承在工作时会造成磨粒磨损使含铅的粉末和高温场合铅气体逸出，以及废旧轴承的回收等问题对人体和环境带来危害，随着人们对环保意识的提高，这种产品在汽车、食品、制药、家电、健身、办公、饮料等机械制造业中的使用受到排斥或限制。我们注意到欧美已有相应的环保标准出现，如欧洲ROHS重金属及有害物质标准对此已专门提出了要求。
类似于DU轴承这种产品，其塑料层，即减摩耐磨工作层只要有效的克服不含有铅等重金属及有害物质这一关键问题并取得满意的使用效果就将是传统产品的一种理想的升级换代产品。
本发明的主要目的是探索并发明这种轴承的衬里层(摩擦塑料层)的成份组成，不但去掉DU轴承所用的有害物质-铅，并应用了以下几种材料所组成的聚合物替代低摩擦系数的铅，同时使轴承的机械、物理、摩擦性能优于DU轴承；
聚四氟乙烯，简称PTFE，其有优良的摩擦性能，摩擦系数是塑料中最小的一种，常常用作滑动轴承衬里润滑材料，可以作为其低摩擦系数的填充物，但如果单独使用，则机械强度与弹性模量极差，因此单独使用聚四氟乙烯的机会不多。对于实际用途而言，要适用于高载低速或轻载高速运动的场合下应用必须添加耐磨填料和/或增强衬里的其它材料，这已是众所周知的道理。
聚苯脂，简称EKONOI，英文名：Aromatic Polyester，与其它工程塑料相比，最大特点是具有类似金属的性能和最高的热导率，此外还具有优良的尺寸稳定性，有很高的耐压缩蠕变性、耐磨性和优良的自润滑性能和硬度，以上特点正好有效地克服单独使用聚四氟乙烯所存在的问题。聚酰亚胺，简称PI，具有相近似的特性，因此是它的替代材料。
聚苯硫醚，简称PPS，英文名：Polyphenylene Sulfide，是一种耐高温热塑性聚合物。它具有优异耐热性、耐蚀性、化学稳定性以及提高对金属和各种粉体、纤维的高粘附强度，作为高温粘结剂是最佳的选择。试验证明加入聚苯硫醚后的塑料摩擦层会改善疲劳强度和减少出现的气穴现象，但是聚苯硫醚先要作化学交联，化学交联已是成熟技术，通常需要加入氟化镁等促进剂，交联时间20分钟。
芳纶纤维，商品名为kevlar(美国杜邦公司生产)，英文名：Aramid Fibre，是一种高性能的有机纤维，具有超高强度、超高模量、耐高温和比重轻等特点。其强度比一般有机纤维高3倍以上，模量是尼龙的10倍，涤纶的9倍。芳纶纤维具有良好的抗冲击和疲劳性能、良好的介电性、化学稳定性、低膨胀、低导热、不燃、不熔等特点。芳纶纤维填充在PTFE中可大大增强轴承的力学性能、承载能力和摩擦磨损性能。
二硫化钼，简称MoS2，属于六方晶系的层状结构，极易从层与层之间滑移，所以具有良好的自润滑性能，它能较强地吸附在金属表面，即使在摩擦时也不易破坏，因此能承受较高的负荷，资料表明，2.5μm厚的MoS2薄膜，能承受2800MPa以上的压力，同时经受40m/s的摩擦速度。加入后明显改善摩擦磨损作用，并减少轴承的起始磨损，有时MoS2可用石墨替代。
从以上技术背景所述的传统使用的滑动轴承、DU轴承充分说明人类在科学技术发展中的进步。本发明的主要目的是探索并发明自润滑轴承摩擦衬里层的无铅配方成份组成，同时使轴承的机械、物理、摩擦性能优于DU轴承。而最终目的是寻求一种三层复合无铅自润滑轴承及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无铅自润滑轴承及其制作方法，该无铅自润滑轴承，不但可在油介质润滑条件下工作，耐腐蚀，同时还可在润滑条件比较苛刻的少油甚至干摩擦状态下工作，特别是它不含铅和铅的化合物，可以满足欧洲ROHS重金属及有害物质标准要求的自润滑轴承，可广泛应用在汽车、食品、制药、家电、饮料、办公医用等机械制造业中。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种无铅自润滑轴承，它主要由金属基板、烧结于基板上面的球状多孔铜粉层和渗入并且覆盖铜粉层的减摩耐磨塑料层组成，并采用卷制工艺，制造成滑动轴承；其特征在于所述球形青铜粉中不含铅和摩擦层塑料配方中不含铅；所述减摩耐磨塑料层即轴承衬里层的聚合物材料组成，以重量计为聚苯硫醚超细粉体10～20％、聚苯脂超细粉体10～20％、芳纶纤维10～20％，纤维长度为40～120μm，二硫化钼超细粉体6～10％，其余为聚四氟乙烯超细粉体。
所述的金属基板为采用优质低碳钢制成的钢卷带，钢卷带的宽度为150～300mm，厚度为0.25～2.70mm，并在其表面进行镀铜，镀铜层厚度在4～6μm；烧结在金属基板上的球形铜粉牌号选为CUSn8P或CUSn10。
一种无铅自润滑轴承的制造方法，该方法包括：
A、选用牌号为SAE1010或SAE1008和SPCC钢卷带作为金属基板；
B、在钢卷带的金属基板上烧结一层球径为60～140μm，烧结厚度为0.25～0.40mm的无铅球形青铜粉层；
C、制作减摩耐磨层的可铺展糊状软体：
(1)聚苯硫醚化学交联，因属已有公知成熟技术，这里不再详细介绍；
(2)粉体与纤维配料，按前述重量比例配粉料；
(3)搅拌，将配比好的粉体与纤维混合并至少搅拌三次，每次5～10分钟，成为混合物，搅拌机转速2000～4000r/min，至少三次过筛，筛目100以上；
(4)制备可铺展软体，将1000克混合物粉体和800克含固量60％的聚四氟乙烯乳液混合，在转速为20～60r/min搅拌机内搅拌5～10min，环境温度适宜在15～25℃；
(5)为了使制成的糊状软体在球粉烧结带上铺辊的良好延展流动性，粉体混合物和聚四氟乙烯乳液在搅拌中还须适量加入4～6％的乙醇，使软体更稠软。
D、铺轧，将糊状软体在流水线上自动铺轧在二层复合多孔球粉带的铜粉层上，使其一部分渗入到多孔球形青铜粉孔隙内并留下一层衬里层覆盖在球粉板上，以不露铜粉为宜，覆盖层的厚度通常为0.01～0.03mm，特殊需要可加厚至0.20mm；
E、烘干，以220-280℃烘15-25分钟，以聚四氟乙烯乳液中水份完全挥发为准；
F、中轧，烘干后的板材进行一次辊轧，轧制量为0.015-0.03mm，以增加铜球粉孔隙中的聚四氟乙烯密度和结合力；
G、烧结，在通道式氮气体保护烧结炉进行塑料摩擦层烧结，先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间15-25min，其中烧结预热温度的时间为8～10min，为了使带材在烧结过程中不氧化，所以在炉道中采用氮气作为保护气体，其纯度为99.9％以上，不同烧结炉的流量以不氧化为最小流量；
H、最终辊轧，将烧结后的带料，最终辊轧至成品板材要求，最少轧下0.02mm以上；
I、收卷，将已完成的三层复合无铅自润滑成品带材整齐地收到收卷机上，经捆扎固定后卸下；
J、带料分切条料，根据轴承规格要求，对大批量产品应选用相应的三层复合无铅自润滑卷材开卷分割成同一宽度或不同宽度的带材并卷成盘料；
K、轴承制造，按要求将分切成条的盘料在自动成型机上完成三层复合无铅自润滑轴承的加工全过程；对小批量产品，不适宜在自动成型机上作业，则可以按常规的卷制轴承制造工艺，采用常规设备分工序完成三层复合无铅自润滑轴承成品。
本发明在钢卷带的金属基板上烧结一层无铅球形青铜粉层，其烧结炉采用通道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为50％，氮气为50％，烧结时间在880～900℃中8～10分钟；所述的粉体与纤维配料过程中，可视需要加入使轴承成品衬里层有一定色泽耐400℃烧结的颜料；
本发明对减摩耐磨塑料层的材料组成如上述作了进一步优化，特别是增加了高性能的有机纤维kevlar，使轴承的摩擦磨损、疲劳强度、承载能力得到了极大的提高。
本发明所述的金属基板采用钢卷带，整个三层复合材料的制造流程全部实现流水作业。将从钢厂订购来的整卷钢带经镀铜后安装在放卷机上，通过校平，自动铺铜粉、烧结和轧制成为二层复合的多孔球粉带；再经过自动铺轧呈软体状的减摩耐磨塑料层后烘干、中轧、烧结、最终辊轧直到收卷，就完成三层复合自润滑轴承材料流水生产的全过程。
按上述方法制成的三层复合自润滑无铅轴承，商品命名为CSB-50。
本发明克服了复合轴承摩擦塑料层因含铅而不宜在汽车、食品、制药、家电、办公、饮料等机械制造业中使用的缺点；具有产品结构简单，使用效果好，使用寿命长，制造工艺简单、合理等特点。本发明CSB-50三层复合无铅自润滑轴承与市场上的DU轴承在相同的三种试验工况下进行对比试验，试验结果情况如下：
(1)在M2000摩擦磨损试验机下对比(F＝196N，V＝0.4m/s，时间120分钟)
轴承型号 干摩擦 油润滑
摩擦系数(μ) 磨痕宽度(b) 摩擦系数(μ)  磨痕宽度(b)
  市场上的DU 0.13 3.9 0.03  2.7
  CSB-50 0.12 2.8 0.03  2.2
(2)在MMU-12端面摩擦磨损试验机下对比(干摩擦P＝8N/mm2，V＝0.2m/s，时间180分钟)
  轴承型号   摩擦系数(μ)   温度(℃)   磨损量(μm)
  市场上的DU   0.13   93   16
  CSB-50   0.12   87   11
(3)超声波对PTFE摩擦层失重试验振动频率20KHz，振幅50μm，介质：水，间隙1.3mm，时间10分钟。
  轴承型号   10分钟失重量(mg)
  市场上的DU   22
  CSB-50   14
从以上三种不同的试验结果可见，无论哪种型式试验，CSB-50无铅自润滑轴承的摩擦磨损性能都明显优于市场上的DU轴承。
附图说明
图1是本发明的工艺流程简图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明主要由金属基板、烧结于基板上面的球状多孔铜粉层和渗入并且覆盖铜粉层的减摩耐磨塑料层组成，并采用卷制工艺，制造成滑动轴承；所述球形青铜粉中不含铅和摩擦层塑料配方中不含铅；所述减摩耐磨塑料层即轴承衬里层的聚合物材料组成，以重量计为聚苯硫醚超细粉体10～20％、聚苯脂超细粉体10～20％、芳纶纤维10～20％，纤维长度为40～120μm，二硫化钼超细粉体6～10％，其余为聚四氟乙烯超细粉体。
所述的金属基板为采用优质低碳钢制成的钢卷带，钢卷带的宽度为150～300mm，厚度为0.25～2.70mm，并在其表面进行镀铜，镀铜层厚度在4～6μm；烧结在金属基板上的球形铜粉牌号选为CUSn8P或CUSn10。
本发明所述的无铅自润滑轴承的制造方法，其包括如下几道工序，见附图1所示：
A、选用牌号为SAE1010或SAE1008和SPCC钢卷带作为金属基板；
B、在钢卷带的金属基板上烧结一层球径为60～140μm，烧结厚度为0.25～0.40mm的无铅球形青铜粉层，烧结炉采用通道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为50％，氮气为50％，烧结时间在880～900℃中8～10分钟；
C、制作减摩耐磨层的可铺展糊状软体：
(1)聚苯硫醚化学交联；
(2)粉体与纤维配料，按前述重量比例配粉料，并可视需要加入使轴承成品衬里层有一定色泽耐400℃烧结的颜料；
(3)搅拌，将配比好的粉体与纤维混合搅拌三次，每次5～10分钟，成为混合物，搅拌机转速2000～4000r/min，三次过筛，筛目100以上；
(4)制备可铺展软体，将1000克混合物粉体和800克含固量60％的聚四氟乙烯乳液混合，在转速为20～60r/min搅拌机内搅拌5～10min，环境温度适宜在15～25℃；
(5)为了使制成的糊状软体在球粉烧结带上铺辊的良好延展流动性，粉体混合物和聚四氟乙烯乳液在搅拌中还须适量加入4～6％的乙醇，使软体更稠软。
D、铺轧，将糊状软体在流水线上自动铺轧在二层复合多孔球粉带的铜粉层上，使其一部分渗入到多孔球形青铜粉孔隙内并留下一层衬里层覆盖在球粉板上，以不露铜粉为宜，覆盖层的厚度通常为0.01～0.03mm，特殊需要可加厚至0.20mm；
E、烘干，以220-280℃烘15-25分钟，以聚四氟乙烯乳液中水份完全挥发为准；
F、中轧，烘干后的板材进行一次辊轧，轧制量为0.015-0.03mm，以增加铜球粉孔隙中的聚四氟乙烯密度和结合力；
G、烧结，在通道式氮气体保护烧结炉进行塑料摩擦层烧结，先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间15-25min，其中烧结预热温度的时间为8～10min，为了使带材在烧结过程中不氧化，所以在炉道中采用氮气作为保护气体，其纯度为99.9％以上，不同烧结炉的流量以不氧化为最小流量；
H、最终辊轧，将烧结后的带料，最终辊轧至成品板材要求，最少轧下0.02mm以上；
I、收卷，将已完成的三层复合无铅自润滑成品带材整齐地收到收卷机上，经捆扎固定后卸下；
J、带料分切条料，根据轴承规格要求，对大批量产品应选用相应的三层复合无铅自润滑卷材开卷分割成同一宽度或不同宽度的带材并卷成盘料；
K、轴承制造，按要求将分切成条的盘料在自动成型机上完成三层复合无铅自润滑轴承的加工全过程；对小批量产品，不适宜在自动成型机上作业，则可以按常规的卷制轴承制造工艺，采用常规设备分工序完成三层复合无铅自润滑轴承成品。
本发明在具体实施时，其中优选数据如下：
材料配方按重量比聚苯硫醚粉体10-15％；聚苯脂粉体10-15％；芳纶纤维15～20％；二硫化钼7-8％；其余为聚四氟乙烯粉体。
烘干湿度250-280℃，烘15-25分钟，视PTFE乳液中的水份完全发挥的最佳点。
烧结时，在氮气保护烧结炉中进行，烧结温度380-390℃，烧结时间10-20分钟，氮气纯度99.9％以上。针对不同烧结炉，其氮气流量、压力亦不同。以钢基板不氧化为最佳。

Claims (4)

1、一种无铅自润滑轴承，它主要由金属基板、烧结于基板上面的球状多孔铜粉层和渗入并且覆盖铜粉层的减摩耐磨塑料层组成，并采用卷制工艺，制造成滑动轴承；其特征在于所述球形青铜粉中不含铅和摩擦层塑料配方中不含铅；所述减摩耐磨塑料层即轴承衬里层的聚合物材料组成，以重量计为聚苯硫醚超细粉体10～20％、聚苯脂超细粉体10～20％、芳纶纤维10～20％，纤维长度为40～120μm，二硫化钼超细粉体6～10％，其余为聚四氟乙烯超细粉体。
2、根据权利要求1所述的无铅自润滑轴承，其特征在于所述的金属基板为采用优质低碳钢制成的钢卷带，钢卷带的宽度为150～300mm，厚度为0.25～2.70mm，并在其表面进行镀铜，镀铜层厚度在4～6μm；烧结在金属基板上的球形铜粉牌号选为CUSn8P或CUSn10。
3、一种如权利要求1或2所述的无铅自润滑轴承的制造方法，其特征在于：
A、选用牌号为SAE1010或SAE1008和SPCC钢卷带作为金属基板；
B、在钢卷带的金属基板上烧结一层球径为60～140μm，烧结厚度为0.25～0.40mm的无铅球形青铜粉层；
C、制作减摩耐磨层的可铺展糊状软体：
(1)聚苯硫醚化学交联；
(2)粉体与纤维配料，按前述重量比例配粉料；
(3)搅拌，将配比好的粉体与纤维混合并至少搅拌三次，每次5～10分钟，成为混合物，搅拌机转速2000～4000r/min，至少三次过筛，筛目100以上；
(4)制备可铺展软体，将1000克混合物粉体和800克含固量60％的聚四氟乙烯乳液混合，在转速为20～60r/min搅拌机内搅拌5～10min，环境温度适宜在15～25℃；
(5)粉体混合物和聚四氟乙烯乳液在搅拌中还须适量加入4～6％的乙醇；
D、铺轧，将糊状软体在流水线上自动铺轧在二层复合多孔球粉带的铜粉层上，使其一部分渗入到多孔球形青铜粉孔隙内并留下一层衬里层覆盖在球粉板上，以不露铜粉为宜，覆盖层的厚度通常为0.01～0.03mm，特殊需要可加厚至0.20mm；
E、烘干，以220-280℃烘15-25分钟，以聚四氟乙烯乳液中水份完全挥发为准；
F、中轧，烘干后的板材进行一次辊轧，轧制量为0.015-0.03mm；
G、烧结，在通道式氮气体保护烧结炉进行塑料摩擦层烧结，先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间15-25min，其中烧结预热温度的时间为8～10min；在炉道中采用氮气作为保护气体，其纯度为99.9％以上，不同烧结炉的流量以不氧化为最小流量；
H、最终辊轧，将烧结后的带料，最终辊轧至成品板材要求，最少轧下0.02mm以上；
I、收卷，将已完成的三层复合无铅自润滑成品带材整齐地收到收卷机上，经捆扎固定后卸下；
J、带料分切条料，根据轴承规格要求，对大批量产品应选用相应的三层复合无铅自润滑卷材开卷分割成同一宽度或不同宽度的带材并卷成盘料；
K、轴承制造，按要求将分切成条的盘料在自动成型机上完成三层复合无铅自润滑轴承的加工全过程；对小批量产品，不适宜在自动成型机上作业，则可以按常规的卷制轴承制造工艺，采用常规设备分工序完成三层复合无铅自润滑轴承成品。
4、根据权利要求3所述的无铅自润滑轴承的制造方法，其特征在于：在钢卷带的金属基板上烧结一层无铅球形青铜粉层，其烧结炉采用通道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为50％，氮气为50％，烧结时间在880～900℃中8～10分钟；所述的粉体与纤维配料过程中，可视需要加入使轴承成品衬里层有一定色泽耐400℃烧结的颜料。
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