CN101102891A - 多层滑动部件 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种多层滑动部件，其中形成在背衬金属(1)上的多孔金属烧结层(2)的孔和表面填充或涂敷了树脂组合物。所述树脂组合物包含磷酸盐、炭黑、熔融氟树脂和作为主要组分的PTFE。较佳的是，所述树脂组合物还包含石墨和/或低分子量PTFE。

Description

多层滑动部件
技术领域
本发明涉及在液动润滑、混合润滑或边界润滑条件下使用时能够表现出极佳摩擦磨耗性质的多层滑动部件。
背景技术
专利文献1：美国专利第2689380号
专利文献2：JP-B-31-2452
专利文献3：JP-B-41-1868
专利文献4：JP-B-61-28846
专利文献5：JP-B-62-33275
聚四氟乙烯树脂(下文缩写为PTFE)具有极佳的自润滑性质，具有低摩擦系数、高耐化学性和高耐热性，因此被广泛用于滑动部件，如轴承。但是，仅使用PTFE制成的滑动部件具有较差的抗磨损性和承重能力，因此人们根据所述滑动部件的用途，使用以下方法弥补PTFE的缺陷：(a)在PTFE中加入石墨、二硫化钼等之类的固体润滑剂和/或玻璃纤维或碳纤维之类的强化材料，(b)将PTFE填入钢垫板上形成的多孔烧结金属层的孔隙之内，并用PTFE涂敷多孔烧结金属板的表面。
上述(b)形式的滑动部件即为所谓的多层滑动部件。在人们提出的多层滑动部件中，将PTFE或包含铅或氧化铅形成的填料的PTFE填入钢垫板上形成的多孔烧结金属层的孔隙内，并涂敷在所述多孔烧结金属层的表面上(参见专利文献1、2和3)。
另外，人们还提出了这样的多层滑动部件，其中在PTFE中包含四氟乙烯-六氟丙烯共聚物或者四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物组成的可熔融模塑的氟树脂作为另一种填料(参见专利文献4和5)。
发明内容
本发明待解决的问题
在上述各种滑动部件中，根据各自合适的工作条件选择填料，这些条件包括大量不同的工作条件，例如液动润滑、混合润滑或边界润滑条件，因此很难说这些滑动部件满足所有这些工作条件。
另外，在用于滑动部件的PTFE组合物中，人们尝试了使用例如石墨、二硫化钼或其它金属硫化物、金属氧化物或无机纤维(例如玻璃纤维和碳纤维)用作大量工程塑料的填料。但是，尽管这些填料确实有助于提高树脂层的耐磨性，它们经常会引起损害PTFE所特有的低摩擦性的问题。具体来说，人们广泛地使用铅作为填料，因为它能提高树脂层的耐磨性，同时不会降低PTFE本身固有的低摩擦性。但是，从近年来环境污染和公害之类的次一级立足点来看，弃用这种填料是最好的选择。
基于上述方面提出了本发明，本发明的目标是提出一种多层滑动部件，这种部件在大量不同的工作条件下，例如在液动润滑、混合润滑或边界润滑条件下具有极佳的摩擦磨耗性质。
解决问题的方法
针对上述目标，本发明人进行了认真的研究，结果发现具有以下特征的多层滑动部件能够在不同的工作条件之下，例如在液动润滑、混合润滑或边界润滑条件下具有极佳的摩擦磨耗性质：所述多层滑动部件包括在钢垫板表面上形成的多孔烧结金属板孔隙内填充的、以及在所述多孔烧结金属层表面上涂敷的树脂组合物，所述树脂组合物中包含混合在PTFE中的特定量的磷酸盐、炭黑、以及可熔融模塑的氟树脂，或者还包含预定量的至少一种以下组分：石墨、二硫化钼和低分子量PTFE。
基于以上发现完成了本发明。本发明的第一个要点在于，多层滑动部件包括在金属垫板表面上形成的多孔烧结金属层的孔隙内填充的、以及涂敷在该多孔烧结金属层表面上的树脂组合物，所述树脂组合物包含3-25重量％的磷酸盐、0.3-3重量％的炭黑、3-30重量％的可熔融模塑的氟树脂、以及余量的PTFE。
另外，本发明的第二个要点在于，在多层滑动部件中，所述树脂组合物包含1-5重量％的石墨或2-10重量％的二硫化钼，和/或3-15重量％的低分子量PTFE。
本发明的优点
根据本发明，提供了一种多层滑动部件，这种部件在不同的工作条件下，例如在液动润滑、混合润滑或边界润滑条件下表现出极佳的摩擦磨耗性质。
下面将详细描述本发明。
附图简述
图1是显示根据本发明的多层滑动部件的一个实施方式的截面图。
本发明最佳实施方式
根据本发明的多层滑动部件包括在金属垫板表面上形成的多孔烧结金属层的孔隙内填充的、以及在所述多孔烧结金属层的表面上涂敷的树脂组合物。所述树脂组合物是通过混合以下组分形成的：磷酸盐、炭黑、可熔融模塑的氟树脂、以及作为主要组分的PTFE，优选还包含石墨或二硫化钼和/或低分子量PTFE。
磷酸盐单独使用的时候未表现出润滑性，但是通过将其与PTFE、炭黑和可熔融模塑的氟树脂的混合物相混合，其表现出以下作用：促进在配合件表面上形成由PTFE、炭黑和可熔融模塑的氟树脂组成的混合膜，促进在配合件上的滑动，提高了膜在配合件表面上的保持力，提高了耐久性。
所述磷酸盐的混合量通常为3-25重量％，优选为10-20重量％。如果混合量小于3重量％，则无法表现出以下效果：在配合件表面上形成由PTFE、炭黑、可熔融模塑的氟树脂组成的混合膜的能力、其配合件表面的保持力、以及混合膜的耐久性。同时，如果混合量大于25重量％，则在配合件表面上形成混合膜的能力会出现问题，使得难以在配合件表面上形成令人满意的混合膜，因此摩擦磨耗性质会变差。
所述磷酸盐可以包括例如正磷酸、焦磷酸和偏磷酸的金属盐、以及它们的混合物。其中优选的是焦磷酸和偏磷酸的金属盐。优选的金属是碱金属和碱土金属，更优选的是钙(Ca)和镁(Mg)。具体来说，包括例如焦磷酸钙(Ca2P2O7)、焦磷酸镁(Mg2P2O7)、偏磷酸钙([Ca(PO3)2]n)、偏磷酸镁([Mg(PO3)2]n)、偏磷酸铝([Al(PO3)3]n)等。由于偏磷酸钙([Ca(PO3)2]n)和偏磷酸镁([Mg(PO3)2]n)表现出最令人满意的上述效果，因此是优选的。
炭黑具有对作为主要组分的PTFE进行强化、并提高耐磨性的效果。另外，由于石墨具有保持油的性质，即使是在边界润滑或混合润滑的条件下，在油或脂润滑中容易出现油或脂短缺的情况时，石墨仍可以保持油的含量，防止出现卡死之类的由于油短缺而造成的缺陷。
炭黑的混合量通常为0.3-3重量％，优选为0.5-2重量％。如果混合量小于0.3重量％，则上述效果无法有效表现。同时，如果混合量大于3重量％，其在树脂组合物中的比例较大，会造成耐磨性较低。
炭黑可包括乙炔黑、油料炉黑、热裂炭黑、槽法炭黑、天然气炉黑等。具体来说，优选的炭黑的初级粒度约小于200纳米，优选为10-100纳米，其DBP吸收不小于100毫升/100克，优选不小于300毫升/100克，其具有空心结构，提供了一种多孔结构，具有合适的链结构。具体来说，优选的炭黑可包括KETJENBLACK INTERNATIONAL COMPANY生产的“Ketjenblack(商品名)”和“Ketjenblack EC-600JD(商品名)”。
所述可熔融模塑的氟树脂能够通过与作为主要组分的PTFE互溶而强化PTFE，还能提供耐磨性，而耐磨性不足是PTFE的缺陷。
所述可熔融模塑的氟树脂的混合量通常为3-30重量％，优选为5-15重量％，如果混合量小于3重量％，则上述效果无法充分表现。同时，如果混合量大于30重量％，则可熔融模塑的氟树脂的量较大，尽管可以进一步提高耐磨性，但是却会削弱PTFE所固有的低摩擦性质。
所述可熔融模塑的氟树脂包括四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(下文中缩写为FEP)或四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(下文中缩写为PFA)。具体来说，所述FEP可包括例如Daikin Industries，Ltd.生产的“NEOFLON FEP(商品名)”，PFA可包括例如DU PONT-MITSUI FLUOROCHEMICALS COMPANY，LTD生产的“Teflon(注册商标)MP粉末”。
可使用细小粉末PTFE作为组成所述树脂组合物主要组分的PTFE。具体来说，可包括DU PONT-MITSUI FLUOROCHEMICALS COMPANY，LTD生产的“Teflon(注册商标)6CJ”等，Daikin Industries，Ltd.生产的“POLYFLON F201(商品名)”等，Asahi Glass Co.，Ltd.生产的“Fluon CD090(商品名)”等。
所述树脂组合物中PTFE的混合量等于从树脂组合物中减去填料混合量之后的剩余量，优选不小于50重量％，更优选为50-75重量％。
在本发明多层滑动部件的树脂组合物中，可以混合入1-5重量％的石墨或2-10重量％的二硫化钼以进一步提高耐磨性，以及提高与润滑油的亲合性。
另外，本发明的多层滑动部件的树脂组合物中可包含3-15重量％的低分子量PTFE，目的是提高滑动早期与配合件的亲合性。所述低分子量PTFE是通过例如使高分子量PTFE(模塑粉末或细小粉末)暴露于辐射而分解以减小其分子量、或者在PTFE聚合过程中控制分子量而得到的PTFE。具体来说，可包括DUPONT-MITSUI FLUOROCHEMICALS COMPANY，LTD生产的(TLP-10F(商品名))等，Daikin Industries，Ltd.生产的“Lubron L-5(商品名)”等，Asahi Glass Co.，Ltd.生产的“Fluon L169J(商品名)”等，以及KITAMURA LIMITED生产的“KTL-8N(商品名)”等。
下面将描述制备金属垫板的方法、在该垫板表面上整体化地形成多孔烧结金属层的方法、以及形成所述多层滑动部件的方法，该部件包括填充在所述多孔烧结金属层的孔隙中、以及涂敷在所述多孔烧结金属层表面上的树脂组合物。所用的金属垫板根据用途适当地选自冷轧钢板(SPCC)，纯铜板，例如不含氧的铜(JIS-H-2123中所定义的第1类或第2类不含氧的铜坯段和铜块)或者紫铜(JIS-H2123中所定义的紫铜坯段和铜块)，以及磷青铜之类的铜合金板。对于金属垫板，优选使用连续的带材，这些带材以螺旋缠绕的环卷的形式提供，但是所述金属垫板并不一定限于连续带材，还可将带材切割成合适的长度。具体来说，当使用带材或钢板的时候，根据需要在钢板上例如镀铜或镀锡，以提高耐腐蚀性。
用来形成多孔烧结金属层的金属粉末由具有极佳摩擦磨耗性质的铜合金(例如青铜或磷青铜)形成，但是根据目的和用途，也可以由例如除了铜合金以外的铝合金或铁形成。所用的这些金属粉末的颗粒可以具有整体形状、球形或其它不规则形状。它们的粒度优选使得颗粒能够通过80目的筛子，但是无法通过350目的筛子。需要所述多孔烧结金属层的金属粉末颗粒牢固地互相结合，烧结的金属层与上述金属板带材牢固地结合，所述烧结的金属层具有预定的厚度和所需的孔隙率。所述多孔烧结金属层的厚度通常为0.15-0.40毫米，优选为0.2-0.3毫米。所述多孔烧结金属层的孔隙度通常不小于10体积％，优选为15-40体积％。
具有湿润性的树脂组合物可通过以下方法制得：将PTFE和上述填料混合起来，然后向得到的混合物中加入石油基溶剂，然后搅拌混合。PTFE和填料相混合的温度不高于PTFE的室温转变点(19℃)，优选为10-18℃。另外，所得的混合物和石油基溶剂也在上述相同的温度下搅拌混合。通过采用这样的温度条件，可以抑制PTFE的纤丝化，从而可以制得均匀的混合物。
所述可用的石油基溶剂包括萘、甲苯、二甲苯，或脂族溶剂或脂环类溶剂的混合溶剂。以PTFE粉末和填料的混合物为100重量份计，所用石油基溶剂的比例为15-30重量份。如果所用的石油基溶剂的比例小于15重量份，则在下述对多孔烧结金属层进行填充和涂敷的步骤中，具有湿润性的树脂组合物的延性较差，因此可能发生烧结层的不均匀填充和涂敷。另一方面，如果使用的石油基溶剂的比例超过30重量份，不仅填充和涂敷操作会变得困难，而且所述树脂组合物的涂层厚度的均一性会受到影响，树脂组合物和烧结层之间的粘着强度会变差。
根据本发明的滑动部件是通过以下步骤(a)至(d)制备的。
(a)将具有湿润性的树脂组合物铺展在形成于金属垫板上的多孔烧结金属层上，所述金属垫板选自钢板和铜或铜合金板，使用辊对其进行辊轧，将所述树脂组合物填入所述多孔烧结金属层的孔隙内，在所述多孔烧结金属层的表面上形成具有均匀厚度的所述树脂组合物组成的涂层。在此步骤中，所述涂层的厚度设定为最终产品中所需的树脂组合物涂层厚度的2-2.2倍。所述树脂组合物向多孔烧结金属层中的填充基本在此步骤中进行。
(b)将在步骤(a)中进行过所述处理的垫板保持在干燥炉内，加热至200-250℃几分钟，以除去石油基溶剂。然后使用辊在300-600千克力/厘米2的压力下对干燥后的树脂组合物进行辊压处理，制得预定厚度的涂层。
(c)将在步骤(b)中进行过所述处理的垫板置入加热炉内，在360-380℃的温度下加热几分钟至十几分钟，以烧结所述树脂组合物。然后将所述垫板从所述加热炉中取出，再次对其进行辊压处理，以调节尺寸的变化。
(d)对在步骤(c)中进行过所述尺寸调节处理的垫板进行冷却(空气冷却或自然冷却)，然后根据需要对其进行校正辊压处理，以校正垫板上的波纹等，从而得到所需的滑动部件。
在步骤(a)至(d)制得的滑动部件中，将多孔烧结金属层的厚度设定在0.10-0.40毫米，树脂组合物形成的涂层的厚度设定在0.005-0.15毫米。将这样制得的滑动部件切割成合适的尺寸，用作平坦滑动板，或者将其弯成圆形，用作圆柱形弯曲刷。
实施例
下面将参照实施例详细描述本发明。但是这些实施例仅仅是说明性的，并不对本发明构成限制。在以下实施例中，通过以下测试法(1)和(2)评价多层滑动部件的摩擦磨耗性质。
油内推力试验(thrust test)(1)：在表1所列的条件下测量摩擦系数和磨耗量。摩擦系数是在开始测试1小时后至测试完成为止的稳定时间内测定的摩擦系数。另外，磨耗量显示了测试完成之后滑动表面的尺寸变化量。
(表1)
滑动速度：5米/分钟
负荷：300千克力/厘米2
试验时间：8小时
润滑油：酯油(动粘度：25毫米2/秒(40℃))
配合部件：用于机械结构的碳钢(S45C)
油内推力试验(2)：在表2所列的条件下测量摩擦系数和磨耗量。摩擦系数是在开始测试1小时后至测试完成为止的稳定时间内测定的摩擦系数。另外，磨耗量显示了测试完成之后滑动表面的尺寸变化量。
(表2)
滑动速度：1米/分钟
负荷：300千克力/厘米2
试验时间：8小时
润滑油：酯油(动粘度：25毫米2/秒(40℃))
配合部件：用于机械结构的碳钢(S45C)
实施例1-18和比较例1-4
在以下实施例和比较例中，使用Daikin Industries，Ltd制备的“POLYFLONF201(商品名)”作为PTFE，使用脂族溶剂和脂环族溶剂的混合溶剂(ExxonChemical Company生产的“Exxsol(商品名)”)作为石油基溶剂。
首先将表3-7所示的PTFE和填料加入Henschel混合器中，搅拌混合。将20重量份的所述石油基溶剂与100重量份所得到的混合物相混合，在低于所述PTFE的室温转化点的温度(15℃)下混合，制得树脂组合物。
将如上所述制得的树脂组合物铺展在钢板形成的垫板表面上形成的多孔烧结金属(青铜)层上，用辊进行辊压，以将所述树脂组合物填充入所述多孔烧结金属层的孔隙内，以及用该树脂组合物涂敷所述多孔烧结金属层的表面，从而制得在多孔烧结金属层上具有树脂组合物层的多层板。该多层板保持在热空气干燥加热炉内，加热至200℃处理5分钟，以除去溶剂。然后使用辊在一定压力下辊压干燥后的多层板，使得涂敷在所述多孔烧结金属层上的树脂组合物层的厚度设定在10微米(0.01毫米)。
然后将如上所述进行过加压处理的多层板置于加热炉内，在370℃下加热10分钟，以烧结树脂组合物。然后使用辊再次对板进行加压处理，对波纹等进行尺寸调节和校正，从而制得多层滑动部件。在完成校正之后，对所述多层滑动部件进行切割，制得每边边长30毫米的多层滑动部件的测试件。图1显示了这样制得的多层滑动部件的截面图。图中编号1表示钢板形成的金属垫板；2表示多孔烧结金属层；3表示填充所述多孔烧结金属层2的孔隙、并涂敷多孔烧结金属层2表面的由树脂组合物组成的涂层(滑动层)。
表3-7显示了各多层滑动部件的推力试验(1)和(2)的结果。表中的混合量用“重量％”表示。应注意，使用KETJENBLACK INTERNATIONAL COMPANY生产的“Ketjenblack EC-600JD(商品名)”作为炭黑，使用Daikin Industries，Ltd.生产的“NEOFLON FEP(商品名)”，和DU PONT-MITSUI FLUOROCHEMICALSCOMPANY，LTD生产的“Teflon(注册商标)MP粉末”作为可熔融模塑的氟树脂。
表3
    实施例
    1     2     3     4
    PTFE     73.5     73     72.5     72
    磷酸盐偏磷酸镁焦磷酸钙 16- -16 16- -16
    炭黑     0.5     1     1.5     2
    可熔融模塑的氟树脂FEPPFA -10 10- -10 10-
    石墨     -     -     -     -
    二硫化钼     -     -     -     -
    低分子量PTFE     -     -     -     -
    推力测试(1)摩擦系数磨耗量(微米) 0.0119 0.0129 0.0108 0.0108
    推力测试(2)摩擦系数磨耗量(微米) 0.08620 0.08218 0.08018 0.08619
表4
    实施例
    5     6     7     8
    PTFE     71     68.5     69     64
    磷酸盐偏磷酸镁焦磷酸钙 16- 16- 16- -16
    炭黑     1     1.5     1     2
    可熔融模塑的氟树脂FEPPFA -10 -10 -10 10-
    石墨     2     4     -     -
    二硫化钼     -     -     4     8
    低分子量PTFE     -     -     -     -
    推力测试(1)摩擦系数磨耗量(微米) 0.0098 0.0098 0.0068 0.0059
    推力测试(2)摩擦系数磨耗量(微米) 0.07818 0.06816 0.07317 0.06817
表5
    实施例
    9     10     11     12
    PTFE     63     62     63.5     63
    磷酸盐偏磷酸镁焦磷酸钙 16- 16- 14- 14-
    炭黑     1     2     0.5     1
    可熔融模塑的氟树脂FEPPFA -10 -10 -10 -10
    石墨     -     -     2     2
    二硫化钼     -     -     -     -
    低分子量PTFE     10     10     10     10
    推力测试(1)摩擦系数磨耗量(微米) 0.0088 0.0098 0.0076 0.0067
    推力测试(2)摩擦系数磨耗量(微米) 0.07019 0.07817 0.06014 0.05014
表6
    实施例
    13     14     15     16     17     18
    PTFE     60.5     60     61.5     61     56.5     58
    磷酸盐偏磷酸镁焦磷酸钙 14- 16- 14- 14- 14- 16-
    炭黑     1.5     2     0.5     1     1.5     2
    可熔融模塑的氟树脂FEPPFA -10 -10 -10 -10 -10 -10
    石墨     4     2     -     -     -     -
    二硫化钼     -     -     4     4     8     4
    低分子量PTFE     10     10     10     10     10     10
    推力测试(1)摩擦系数磨耗量(微米) 0.0086 0.0067 0.0067 0.0068 0.0058 0.0058
    推力测试(2)摩擦系数磨耗量(微米) 0.04212 0.04012 0.07312 0.0229 0.03010 0.02110
表7
    比较例
    1     2     3     4
    PTFE     70     80     71     64
    磷酸盐偏磷酸镁焦磷酸钙 -- -- -14 -16
    炭黑     -     -     -     -
    可熔融模塑的氟树脂FEPPFA -- -20 -10 -10
    石墨     -     -     5     10
    低分子量PTFE     -     -     -     -
    铅     30     -     -     -
    推力测试(1)摩擦系数磨耗量(微米) 0.120153 0.02754 0.08030 0.04228
    推力测试(2)摩擦系数磨耗量(微米) 0.13197 0.03430 0.12844 0.02232
通过上述测试结果可以看出，本发明实施例中的多层滑动部件表现出低摩擦系数和稳定的性能，即使在边界润滑或混合润滑条件下，它们整个测试时间内的磨耗量也极低。同时，比较例中的多层滑动部件表现出高摩擦系数和大的磨耗量，其摩擦磨耗性质较差。

Claims (7)

1.一种多层滑动部件，其包括填充在形成于金属垫板表面上的多孔烧结金属层的孔隙中、以及涂敷在所述多孔烧结金属层表面上的树脂组合物，所述组合物包含3-25重量％的磷酸盐、0.3-3重量％的炭黑、3-30重量％的可熔融模塑的氟树脂以及余量的聚四氟乙烯树脂。
2.如权利要求1所述的多层滑动部件，其特征在于，所述金属垫板选自钢板以及铜或铜合金板。
3.如权利要求1或2所述的多层滑动部件，其特征在于，所述磷酸盐选自原磷酸、焦磷酸和偏磷酸的金属盐。
4.如权利要求1-3中任一项所述的多层滑动部件，其特征在于，所述可熔融模塑的氟树脂选自四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物。
5.如权利要求1-4中任一项所述的多层滑动部件，其特征在于，所述树脂组合物包含1-5重量％的石墨作为另外的组分。
6.如权利要求1-4中任一项所述的多层滑动部件，其特征在于，所述树脂组合物包含2-10重量％的二硫化钼作为另外的组分。
7.如权利要求1-6中任一项所述的多层滑动部件，其特征在于，所述树脂组合物包含3-15重量％的低分子量聚四氟乙烯树脂作为另外的组分。
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